CN100530883C - 两相ta配电网单相接地故障选线的方法 - Google Patents

两相ta配电网单相接地故障选线的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及配电网继电保护领域,特别涉及一种两相TA配电网单相接地故障选线的方法。本发明针对我国普遍存在的两相TA配电网,提出B相接地时,利用小波包重构算法对A和C相突变电流之和进行分析后选线,充分利用了故障后各条线路A、C两相电流的暂态特征,选线的成功率高,具有很高的准确性和可靠性,可以准确选出接地故障线路。

Description

两相TA配电网单相接地故障选线的方法
技术领域
本发明涉及配电网继电保护领域,特别涉及两相TA配电网单相接地故障选线的方法。
背景技术
我国66KV及以下电压等级的配电网中,大多只安装A、C两相电流互感器,采用中性点不接地方式或中性点经消弧线圈接地方式。电网故障的80%左右为单相接地故障,目前采用的选线方法[1-6],除注入信号跟踪法[2]外都是利用零序电流实现的。如何利用两相TA配电网的A、C相电流进行接地选线的研究工作还较少。文献[4]提出了基于A、C两相电流行波的选线方法。但是,利用行波对硬件的要求高、投资大,影响了其在实际电网中的应用。因此,需要研究性能更佳具有广阔的应用前景和实用价值的两相TA配电网单相接地故障选线的新方法。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷,提出了一种利用A、C两相电流实现两相TA配电网单相接地故障选线的方法。本发明采用如下的技术方案:
一种两相TA配电网单相接地故障选线的方法,包括下列步骤:
(1)实时采集TA配电网的母线电压和各条线路A、C两相的电流值,对采集到的各相电压进行有效值计算,并与整定值进行比较;
(2)如果B相电压小于整定值,则判断B相接地故障,并利用如下方法选线:
2.6对于各条线路的A、C两相,分别求得故障前后的突变量Δia和Δic;再由公式iγ=k(Δia+Δic)求出各条线路的特征模量,式中,k为常数,Δia——A相电流突变量,Δic——C相电流突变量;
2.7对所得到的各个线路的特征模量分别进行小波包分解,并对(4,15)频段中的信号进行重构;
2.8对各条线路的重构信号求极值,并对极值依次标号;
2.9若某条线路的第j个极值是极大值,则记其符号为正,极小值则记为负;依次比较每条线路与其它线路对应标号的极值符号,相异时给各自线路的计数器加1;
2.10 计数器值最大的线路判为故障线路;
(3)如果A或C相电压小于整定值,则判断是A或C相接地,利用如下方法选线。
3.1如果判断出是A相接地,则任意线路i的B相电流
Figure C20071005982900031
由公式
Figure C20071005982900041
构造,即由本线路C相电流
Figure C20071005982900042
和本线路A、C相负荷电流
Figure C20071005982900043
Figure C20071005982900044
来构造;如果判断出是C相接地,B相电流由式
Figure C20071005982900045
构造,即由本线路A相电流
Figure C20071005982900046
和本线路A、C相负荷电流
Figure C20071005982900047
Figure C20071005982900048
来构造;
3.2将构造出的B相电流与A、C两相TA的输出电流相加得到各条线路的零序电流;
3.3对各个线路故障前后各一周的零序电流分别进行db小波包分解,得到各个子频段的分解系数;按公式 ϵ = Σ n [ ω k ( j ) ( n ) ] 2 计算各个子频段的能量,其中最大者就是能量最集中的频段,称为特征频段,式中ωk (j)(n)为小波包分解第(j,k)子频段下的系数;
3.4选取每条线路的特征频段进行信号重构;
3.5将每条线路重构信号中零序电流瞬时值都与其它线路对应瞬时值进行符号比较,如果与其它线路不同则给计数器加1,并给每条线路设一总出口计数器,对各个特征频段下的计数器赋予根据特征频段占各条线路能量比来确定的权值;
3.6总出口计数器最大者对应的线路判为故障线路。
上述的两相TA配电网B相接地故障选线的方法,公式iγ=k(Δia+Δic)中的常数k最好取为10.
上述的选线方法,在步骤3.3中最好采用db小波对各线路故障前后各一周的零序电流进行四层分解,利用零序的暂态特征选线。
本发明针对我国普遍存在的两相TA配电网,提出B相接地时,利用小波包重构算法对A和C相突变电流之和进行分析后选线,充分利用了故障后各条线路A、C两相电流的暂态特征,选线的成功率高,具有很高的准确性和可靠性,可以准确选出接地故障线路。A相或C相接地时,利用构造出的零序电流的暂态特征进行选线,具有很高的准确性和可靠性。本发明为两相TA配电网单相接地选线开辟了新思路,无论中性点有无消弧线圈、故障点接地方式如何以及负荷电流是否完全对称,选线方法都有效。
附图说明
图1:B相接地故障选线步骤及判据;
图2中性点经消弧线圈接地系统A相接地故障,图2(a)等值接线图;图2(b)故障附加状态复频域算子等值电路图;
图3A相或C相接地故障选线步骤及判据;
图4两相TA配电网单相接地故障选线流程图。
具体实施方式
本发明将两相TA配电网的单相接地故障选线问题分成两部分解决。A相或C相接地时,因为从安装好的A、C两相TA的其中一个中能得到故障相的暂态电流数据,所以考虑用A、C两相电流先构造出B相电流,进而合成较精确的、能用于选线的零序电流,依据零序电流的暂态特征实现选线。而B相接地时,由于该相未装TA,无法获得故障B相的暂态电流,不能构造出反应故障暂态特征的零序电流,因此,需研究单独的选线方法。考虑到B相接地后,A、C两相电流与各自故障前一周的电流之差即突变量是故障后产生的暂态分量。利用它进行选线,有很强的针对性,本发明提出了B相接地时利用两相突变电流之和的暂态特征进行选线的方法。在此基础上,形成了一套两相TA配电网单相接地故障的新选线方法。
下面首先阐述本发明的单相接地故障选线原理,之后详细说明如果实施本发明的选线方法。
1.B相接地故障的选线原理
试验研究表明:B相发生接地时,各条线路的非故障相会产生短时的高频突变电流,这些电流的幅值与线路的参数和接地过渡电阻有关;且故障线路与非故障线路的A、C相暂态电流的高频分量变化趋势具有相位相反的特点。利用此特点,可解决B相接地的选线问题。
为此,特别构造一个新的特征模量:
iγ=10(Δia+Δic)    (1)
式中,Δia——A相电流突变量;
      Δic——C相电流突变量。
对特征量iγ进行4层db小波包分解与重构,采样频率取6000kHz;在对(4,15)频段(2812.5~3000Hz)中的重构信号进行分析可知,两相TA配电网发生B相接地故障时,故障线路和非故障线路特征模量的重构信号具有以下特征:
1)故障线路与非故障线路在波形的变化趋势上相反,因此故障线路的极大值对应非故障线路的极小值;
2)无论接地发生在电压过零时刻还是过峰值时刻,各线路特征模量的小波包重构系数具有相同的特征;
3)特征模量的极值大小受过渡电阻的影响,但变化趋势不受影响;
4)同样的接地条件下,故障线路的特征模量极值比对应的非故障线路的极值的绝对值要大。
基于iγ的上述特征,用图1所示选线流程实现两相TA配电网B相接地的故障选线。
2.A或C相接地故障的选线原理
对称分量法不仅可以用来进行不对称短路的稳态计算,也可以用来作暂态计算,且二者计算过程具有相似形。区别是稳态计算是在时域下进行的,而暂态计算需在复频域下用拉普拉斯变换的相函数进行。
利用叠加原理,将中性点非直接接地配电网发生单相接地故障网络分解为正常运行网络和具有零起始条件的故障附加状态网络。
(一)故障附加状态网络的计算
决定暂态过程的是附加状态网络,以图2(a)所示的中性点经消弧线圈接地电网单相接地故障为例,A相f点经过渡电阻接地故障的边界条件为
U · fA ( s ) = - I · f ( s ) R f I · fB ( s ) = 0 , I · fC ( s ) = 0 - - - ( 2 )
式中,
Figure C20071005982900062
——故障f点A相电压相量的相函数;
Figure C20071005982900063
——故障f点对地电流相量的相函数;
Figure C20071005982900064
——故障f点B、C相对地电流相量的相函数。
用对称分量法将故障f点不对称的三相电压、三相对地电流分别分解为正序、负序及零序三组对称分量,则式(2)整理可得
I · A 1 ( s ) = I · A 2 ( s ) = I · A 0 ( s ) = - I · f ( s ) / 3 U · A 1 ( s ) + U · A 2 ( s ) + U · A 0 ( s ) = - I · f ( s ) R f - - - ( 3 )
式中,
Figure C20071005982900066
为故障f点A相对地电流对称分量相量的相函数;
Figure C20071005982900067
Figure C20071005982900068
为故障f点A相电压对称分量相量的相函数。
设A相故障前瞬间电压用
Figure C20071005982900069
表示,据边界条件(3)作出的故障附加状态的复频域下算子等值序网如图2(b)所示。
图2中,L为消弧线圈电感;用Ci表示线路i各相对地等效电容,则 C = Σ i = 1 n C i , n是线路的总条数;Rf为接地过渡电阻;ωL1、ωL2和ωL0分别为正、负和零序网的等效阻抗。由序网图2(b)′可得
U · A 1 ( s ) = E · ( s ) - I · A 1 ( s ) L 1 s U · A 2 ( s ) = - I · A 2 ( s ) L 2 s - - - ( 4 )
根据对称分量法,故障f点B、C两相电压为
U · fB ( s ) = α 2 U · A 1 ( s ) + α U · A 2 ( s ) + U · A 0 ( s ) U · fC ( s ) = α U · A 1 ( s ) + α 2 U · A 2 ( s ) + U · A 0 ( s ) - - - ( 5 )
在忽略正、负和零序电流在线路电感上产生压降的情况下,母线B、C相电压
Figure C200710059829000613
分别也等于以上(5)式,且
U · B ( s ) - U · C ( s ) = ( α 2 - α ) ( U · A 1 ( s ) - U · A 2 ( s ) ) - - - ( 6 )
系统中正、负序等效阻抗ωL1和ωL2相等,将式(4)代入式(6)中,化简得
U · B ( s ) - U · C ( s ) = ( α 2 - α ) E · ( s ) - - - ( 7 )
对等式(7)两端进行拉普拉斯反变换,并取虚部相等,则
Figure C20071005982900071
由于故障后流经任意线路i的B、C相对地电容电流可分别用下式表达
i iB ′ ′ ( t ) = c i du B ( t ) dt , i iC ′ ′ ( t ) = c i du C ( t ) dt - - - ( 9 )
i iB ′ ′ ( t ) - i iC ′ ′ ( t ) = c i d ( u B ( t ) - u C ( t ) ) dt , 将式(8)代入可得
Figure C20071005982900075
根据A相故障前瞬间电压e(t)可以得到流经任意线路i的A相故障前瞬间对地电容电流
Figure C20071005982900076
对比(10)和(11)式,可以得出以下关系式
Figure C20071005982900078
公式(12)表明:A相f点发生接地故障时,任意线路i的B相暂态电容电流
Figure C20071005982900079
可由本线路C相暂态电容电流
Figure C200710059829000710
与故障前瞬间A相对地电容电流
Figure C200710059829000711
合成。且由于
Figure C200710059829000712
为基波稳态电流,故B、C相暂态电容电流具有相同的暂态过程。
上述计算是以f点经过渡电阻Rf发生单相接地的等值网络为基础进行推导的,Rf仅参与等值序网图2(b)的制定,但是在公式(4)~(12)的计算过程中,只涉及序网端口的电流和电压,与Rf无关。因此,即使是在电弧接地的情况下,Rf是时间的函数,也不影响式(4)~(12)的正确性,这说明无论短路点是通过电弧接地、电阻接地还是直接地点,式(12)均成立。
(二)正常运行网络的计算
正常运行状态下,设流经任意线路i的A、B、C相负荷电流分别为
Figure C200710059829000713
在中性点非直接接地配电网中,考虑三相负荷电流的不完全对称性,用对称分量法可将其分解为正序分量和负序分量,表达式如下
I · iA ′ = I · iA 1 ′ + I · iA 2 ′ I · iB ′ = I · iB 1 ′ + I · iB 2 ′ = α 2 I · iA 1 ′ + α I · iA 2 ′ I · iC ′ = I · iC 1 ′ + I · iC 2 ′ = α I · iA 1 ′ + α 2 I · iA 2 ′ - - - ( 13 )
式中,
Figure C200710059829000715
——三相负荷电流的正序分量;
Figure C200710059829000716
——三相负荷电流的负序分量。
且序分量满足如下关系式
Figure C200710059829000717
由式(16)求解A相负荷电流的负序分量,得
(三)故障电流的合成
中性点经消弧线圈接地电网发生A相接地故障后,流经任意线路i的B、C相故障电流分别为
I · iB ( t ) = I · iB ′ + I · iB ′ ′ ( t ) , i iC ( t ) = I · iC ′ + I · iC ′ ′ ( t ) - - - ( 16 )
将式(12)、(13)、(14)、(15)代入,得
I · iB ( t ) - I · iC ( t ) = ( I · iB 1 ′ - I · iC 1 ′ ) + ( I · iB 2 ′ - I · iC 2 ′ ) + ( I · iB ′ ′ ( t ) - I · iC ′ ′ ( t ) )
Figure C20071005982900083
所以
Figure C20071005982900084
上式中的
Figure C20071005982900085
是流经任意线路i的A相负荷电流和故障前瞬间A相对地电容电流的和,由于正常运行状态下相对地电容电流相比负荷电流要小的多,故
Figure C20071005982900086
可忽略不计。则式(17)可写为
Figure C20071005982900087
上述推导过程虽然是以中性点经消弧线圈接地电网为基础的,但各相电流的求取与中性点接与不接消弧线圈无关,故式(18)对于中性点非直接接地系统发生A相接地故障也成立。
同理,对于中性点非直接接地系统,B相发生接地故障时,各相电流间满足如下关系
Figure C20071005982900088
式中,
Figure C20071005982900089
——故障后流经任意线路i的A相故障电流;
而C相发生接地故障时,下式成立
Figure C200710059829000810
由上述推导过程及式(18)、(19)、(20)可以得出以下结论:
(1)中性点非直接接地系统发生单相接地故障后,各条线路的两个非故障相电流具有相同的暂态过程。
(2)在中性点非直接接地系统中,无论中性点有无消弧线圈、故障点接地点方式如何、负荷电流是否完全对称,式(18)、(19)、(20)均成立。
因此,本发明提出利用A、C相电流构造故障后B相电流,进而得到较精确的暂态零序电流的具体过程如下:
(1)根据母线电压互感器二次侧的三个相电压幅值大小来判断是哪一相发生了接地故障。
(2)如果判断出是A相接地,则任意线路i的B相电流由公式(18)构造,即由本线路C相电流和本线路A、C相负荷电流来构造。
(3)如果判断出是C相接地,B相电流由式(20)构造,即由本线路A相电流和本线路A、C相负荷电流来构造。
(4)利用构造出的B相电流和实际A、C相采样电流,合成流经各条线路比较精确的暂态零序电流。
现有的微机硬件平台,对采样值进行周期延拓、平移、幅值调整以及采样值的累加是很容易实现的。式(18)、(20)中A、C相负荷电流可以通过故障前采样电流平移得到,而故障前瞬间A相(或C相)电流则可通过周期延拓来实现,所以上述构造过程在装置应用上可行。
构造出零序电流后,利用文献[6]的零序电流暂态特征实现故障选线的原理,图3给出了A相或C相接地故障的选线流程。
3.利用A、C两相电流实现两相TA配电网单相接地故障的选线流程
由上述内容形成的一整套两相TA配电网单相接地故障选线新方案的流程如图4所示。现将最佳实施方案描述如下:
选线装置实时对母线电压和各条线路的零序电流进行采集。对采集到的各相电压进行有效值计算,并不断与整定值进行比较。
1、一旦B相电压小于整定值,则说明是B相接地,利用如下流程选线。
1、1用A、C两相故障后一周的电流与各自故障前一周的电流相减,得到突变量;再由公式(1)求出特征模量;
1、2对特征模量进行小波包四层分解;
1、3对(4,15)频段中的信号进行重构;
1、4对各条线路的重构信号求极值,并对极值依次标号;
1、5若第n条线路的第j个极值是极大值,则记其符号为正,极小值则记为负;
1、6依次比较n条线路对应标号的极值符号,相异时给各自线路的计数器加1;
1、7计数器最大的线路判为故障线路。
2、一旦A或C相电压小于整定值,则说明是A或C相接地,利用如下流程选线。
2、1如果判断出是A相接地,则任意线路i的B相电流由公式(18)构造,即由
本线路C相电流和本线路A、C相负荷电流来构造;如果判断出是C相接地,B相电流由式(20)构造,即由本线路A相电流和本线路A、C相负荷电流来构造;
2、2将构造出的B相电流与A、C两相TA的输出电流相加得到各条线路的零序电流;
2、3用db小波对各线路故障前后各一周的零序电流进行四层分解,得到各个子频段的分解系数,按公式 ϵ = Σ n [ ω k ( j ) ( n ) ] 2 计算各个子频段的能量,其中最大者就是能量最集中的频段,称为特征频段。式中ωk (j)(n)为小波包分解第(j,k)子频段下的系数;
2、4选取每条线路的特征频段即能量最集中的频段进行信号重构;
2、5各线路重构信号中零序电流瞬时值都与其它线路对应瞬时值进行符号比较,如果与其它线路不同则给计数器加1,并给每条线路设一总出口计数器,对各个频段下的计数器赋予根据特征频段占各条线路能量比来确定的权值;
2、6总出口计数器最大者对应的线路判为故障线路。
参考文献
1 Hanninen E,Lehtonen M.Characteristics of earth faults in electrical distributionnetworks with high impedance earthing[J].Electric Power System Research,1998,44:155-161
2 桑在中,张慧芬,潘贞存,等(Sang Zaizhong,Zhang Huifen,Pan Zhencun,et al).用注入法实现小电流接地系统单相接地选线保护(Protection for Single to EarthFault Line Selection for Ungrounded Power System by Injecting Signal)[J].电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems),1996,20(2):11-12,35
3 张树文,李文毅,米增强,等(Zhang Shuwen,Li Wenyi,Mi Zengqiang,et al).小电流接地系统单相接地保护原理和技术综述(Survey of Protective Principal andTechnique in Distribution System with Neutral Non-effective Grounding)[J].电力情报(Information on Electric Power),1994,2:1-4
4 毕见广,董新洲,周双喜(Bi Jianguang,Dong Xinzhou,Zhou Shuangxi).基于两相电流行波的接地选线方法(Fault Line Selection based on Two-phase CurrentTraveling Wave).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems),2005,29(3):17-20
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6 石勇,张艳霞,沈勇环(Shi Yong,Zhang Yanxia,Shen Yonghuan).基于数字信号处理器和小波包重构算法的配电网接地选线装置的研究(Research on Faulty LineDetection Device for Distribution Networks based on Digital Signal Processorand Wavelet Package Reconstruction Algorithm).电网技术(Power SystemTechnology),2005,29(4):50-54

Claims (1)

1.一种两相TA配电网单相接地故障选线的方法,包括下列步骤:
(1)实时采集TA配电网的母线电压和各条线路A、C两相的电流值,对采集到的各相电压进行有效值计算,并与整定值进行比较;
(2)如果B相电压小于整定值,则判断B相接地故障,并利用如下方法选线:
2.1对于各条线路的A、C两相,分别求得故障前后的突变量Δia和Δic;再由公式iy=k(Δia+Δic)求出各条线路的特征模量,式中,k=10,Δia-A相电流突变量,Δic——C相电流突变量;
2.2对所得到的各个线路的特征模量分别进行4层小波包分解,并对(4,15)频段中的信号进行重构;
2.3对各条线路的重构信号求极值,并对极值依次标号;
2.4若某条线路的第j个极值是极大值,则记其符号为正,极小值则记为负;依次比较每条线路与其它线路对应标号的极值符号,相异时给各自线路的计数器加1;
2.5计数器值最大的线路判为故障线路;
(3)如果A或C相电压小于整定值,则判断是A或C相接地,利用如下方法选线:
3.1如果判断出是A相接地,则任意线路i的B相电流
Figure C2007100598290002C1
由公式
Figure C2007100598290002C2
构造,即由故障后的本线路C相电流
Figure C2007100598290002C3
和本线路故障发生前稳态时的A、C相负荷电流
Figure C2007100598290002C4
Figure C2007100598290002C5
来构造;如果判断出是C相接地,B相电流由式
Figure C2007100598290002C6
构造,即由故障后的本线路A相电流
Figure C2007100598290002C7
和本线路故障发生前稳态时A、C相负荷电流
Figure C2007100598290002C8
来构造;
3.2将构造出的B相电流与A、C两相TA的输出电流相加得到各条线路的零序电流;
3.3对各个线路故障前后各一周的零序电流分别进行db小波包4层分解,得到各个子频段的分解系数;按公式 ϵ = Σ n [ ω k ( j ) ( n ) ] 2 计算各个子频段的能量,其中最大者就是能量最集中的频段,称为特征频段,式中ωk (j)(n)为小波包分解第(j,k)子频段下的系数;
3.4选取每条线路的特征频段进行信号重构;
3.5将每条线路重构信号中零序电流瞬时值都与其它线路对应瞬时值进行符号比较,如果同一时刻某线路是正的而其它线路是负的或者某线路是负的而其它线路是正的,则给计数器加1,并给每条线路设一总出口计数器,对各个特征频段下的计数器赋予根据特征频段占各条线路能量比来确定的权值;
3.6总出口计数器最大者对应的线路判为故障线路。
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