CN101022216A - 小接地电流电网单相故障选线方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小接地电流电网单相故障选线方法及装置，可应用于中性点不接地电网和中性点经消弧线圈接地电网中。本发明的故障选线方法，针对不接地和消弧线圈接地情况分别对多种故障信号进行综合处理，分别采用多种选线判据，对每种选线判据构造各线路可能是故障线路的定量化表达式，然后通过综合判断，得到最终的选线结果。本发明的故障选线装置人机界面友好，操作简单，安装、调试简便；装置硬件采用PCI总线工控主板，选线算法采用虚拟仪器技术实现。在小接地电流电网发生单相故障时，能够正确区分单相接地故障、电压互感器断线故障和电压互感器铁磁谐振故障，并经液晶屏显示。极大提高了选线装置对复杂故障情况下的选线正确率。

Description

小接地电流电网单相故障选线方法及装置

技术领域

本发明涉及一种小接地电流电网单相故障选线方法及装置，适用于66kV及以下的中性点不接地或经消弧线圈接地的电力系统中，当电网发生单相故障时，该装置能自动选出故障线路。

背景技术

小接地电流电网指中性点不接地或经消弧线圈接地的电力系统。这种接地方式的电网发生单相接地故障时不形成短路，故障电流很小，规程规定发生单相接地故障后可继续运行1至2小时。在我国，6kV至66kV电压等级的电网中，一般都采用小接地电流方式。中压配电网最常见的故障是单相接地故障。尽管单相接地故障不破坏系统的对称运行，但将导致非故障相电压升为线电压，长时间运行容易引起非故障相绝缘损坏，形成相间短路，弧光接地还可能引起电网更高的过电压。因此，发生单相接地故障时应尽快选出故障线路并排除故障。传统的选线方法是手动逐条线路拉闸，当故障线路被拉闸时，故障信号消失。这种方法降低了供电可靠性，对系统、设备和人身的安全性不利。

上世纪八十年代起，国内开始研究利用装置自动选出故障线路，提出了群体比幅比相法、首半波法、零序无功方向法、有功分量法、零序导纳法、电流增量法、暂态量小波分析法、注入信号跟踪法、能量法等很多种选线方法。但运行实践表明，现有的选线技术不能满足工程需要，选线正确率非常低。现有选线装置大都采用单一的选线方法。大量实际单相接地故障录波数据表明，接地故障类型非常复杂，可能是金属性接地，也可能是大电阻接地、弧光接地，还可能是断续的放电接地，故障数据波形非常杂乱，单一选线方法难以适应。例如，群体比幅比相选线方法，对于严重畸变的不规则故障信号，相位误差非常大。另外，随着电力系统自动化水平的提高，电力部门对选线装置的功能也提出了更高的要求。因此研究更加完善的选线方法和装置具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于解决小接地电流电网单相故障自动选线问题。提出了综合选线方法，并开发了相应的选线装置。本发明的综合选线方法对多种故障信号进行综合处理，极大提高了对复杂故障情况下的选线正确率。本发明的装置在小接地电流电网发生单相故障时，能够正确区分单相接地故障、电压互感器断线故障和电压互感器铁磁谐振故障，通过液晶屏显示，并将故障信息上传给远端。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：针对不接地和消弧线圈接地情况分别对多种故障信号进行综合处理，本发明采用一种综合选线方法：对中性点不接地电网，综合采用基波幅值选线判据、基波相位选线判据和基于小波变换的暂态量选线判据；对中性点经消弧线圈接地电网，综合采用改进有功分量选线判据、改进首半波选线判据、基于小波变换的暂态量选线判据；对每种选线判据构造各线路可能是故障线路的定量化表达式，然后通过综合判断，得到最终选线结果，解决了单一选线方法因适应能力差而导致的选线不准问题。选线装置采集三相电压信号作为输入，根据三相电压的变化关系，正确辨识真实接地与虚假接地，保证了装置动作的准确性。选线装置故障启动环节采用启动和出口两级逻辑单元，启动逻辑依靠零序电压瞬时越限启动，触发出口逻辑和选线算法；出口逻辑对故障信号做进一步分析，当满足出口条件时才输出故障信息，大大提高了故障启动的准确性和可靠性，解决了因投切线路或其它扰动而导致装置频繁误动作的问题。选线装置能够自动识别两段母线并列运行或分列运行，并做出不同处理，保证选线结果的正确性。选线装置采用PCI总线工控主板和虚拟仪器技术实现，便于实现复杂的算法和功能。

小接地电流电网单相故障选线装置采用标准4U工控机箱，硬件由PCI总线工控主板、信号变换与调理电路板、PCI数据采集卡、微型打印机、液晶显示屏、开关量输入输出板和交直流两用电源组成。信号变换与调理电路板和PCI数据采集卡之间通过数据线连接，PCI总线工控主板、PCI数据采集卡、开关量输入输出板、微型打印机、液晶显示屏和键盘通过PCI总线连接，交直流两用电源与PCI总线工控主板连接。将三相电压信号和各条线路的零序电流信号经信号变换与调理电路板转换成故障选线装置能够接收的电压信号，通过数据线传输到数据采集卡上进行分组采样，采集的数据通过PCI总线传输到PCI总线工控主板上的CPU进行数据处理，选线算法和故障处理采用LabVIEW编程实现。首先判断真假接地，若是真实接地故障，则通过综合选线方法得出故障线路；若是虚假接地故障，则判断是电压互感器断线故障还是电压互感器铁磁谐振故障。这两种都输出选线结果，通过PCI总线显示在液晶屏上，并通过PCI总线传输到开关量输入输出板上，然后传送到RTU，还可以通过键盘设置当故障时是否实时打印故障信息。

本发明的离线运行的选线装置辅助处理软件，可在普通的PC机+Windows系统上运行。该软件由运行参数设置和故障数据分析两个功能模块组成。运行参数设置模块用来设置选线装置的运行参数、线路名称等，生成的参数设置文件可通过网络发送至选线装置，也可用U盘复制给选线装置。从而实现了远程修改运行参数，避免了在线设置参数的烦琐以及线路名称无法汉字输入的弊端。故障数据分析模块帮助用户对录波数据进行分析，可进行时域波形分析、相量分析和频谱分析等。

本发明的有益效果是，通过几种选线判据的综合，克服单一选线算法的不足，极大提高了对复杂故障情况下的选线正确率。选线装置采用三相电压作为输入信号，克服了仅使用电压互感器开口三角电压正确区分虚假接地如电压互感器断线故障或电压互感器铁磁谐振故障的缺点。故障启动环节采用启动和出口两级逻辑单元，大大提高了故障启动的准确性和可靠性，解决了因投切线路或其它扰动而导致装置频繁误动作的问题。装置能够自动识别两段母线并列运行或分列运行，并做出不同处理，保证选线结果的正确性。装置具有故障录波功能，可以记录单相接地故障或铁磁谐振波形数据，可以保存500组故障数据。采用PCI总线工控主板和虚拟仪器技术实现选线装置，便于实现复杂的算法和功能，使选线装置整体的可靠性提高。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的选线装置结构图；

图2是信号变换与调理电路图；

图3是本发明的选线算法流程图。

具体实施方式

将小接地电流电网中的母线两段的三相电压和各条线路的零序电流通过图1所示的信号变换与调理电路板，将电压和电流信号都转换成选线装置能接收的电压信号，然后通过数据采集卡，输送到选线装置中，此时用选线算法对数据进行处理，当有故障时，通过液晶屏显示，并通过开关量输入输出板输出，微型打印机也可以打印故障信息。

本装置可采集32路通道的数据，包括2段母线三相电压共6路电压信号，26路线路零序电流，每路用精密电压或电流变换器进行变换，并滤除1600Hz以上的高次谐波，其中一路的信号变换与调理电路如图2所示。实际的电压或电流信号经过精密电压/电流变换器转换成选线装置能接收的电压信号，经过双向稳压管限制过电压，经过低通滤波器，滤除1600Hz以上的高次谐波，再经过电压跟随器输出。

小接地电流电网单相故障选线装置，其信号变换与调理电路板和PCI数据采集卡之间通过数据线连接，PCI总线工控主板、PCI数据采集卡、开关量输入输出板、微型打印机、液晶显示屏和键盘通过PCI总线连接，交直流两用电源与PCI总线工控主板连接；选线装置采集三相电压信号作为输入，装置能够自动识别两段母线并列运行或分列运行：通过比较同一时刻段两段母线各相电压的差值，当差值小于一定阈值时，认为是并列运行，否则是分列运行。

故障启动环节采用启动和出口两级逻辑单元，启动逻辑依靠零序电压越限启动，触发出口逻辑和选线算法；出口逻辑对故障信号做进一步分析，当满足出口条件时输出故障信息。

当装置运行时(见图3)，首先将小接地电流电网中的参数：母线段数、电压等级、中性点接地方式、各条线路名称、母线两段电压互感器的变比、各条线路零序电流互感器的变比和消弧线圈容量(中性点经消弧线圈接地情况)输入到装置中，然后电压和电流信号经过信号变换与调理后，对数据进行采集，采用分组采样、中断方式采集，每采集一定的周波数，就进行零序电压阈值判断，若没有超过阈值，返回继续采集，若超过阈值，将这些周波数送到出口逻辑中判断是否有故障，无故障返回，有故障，则根据线电压进行真实接地和虚假接地判断，若是虚假接地，根据三相电压的关系判断是电压互感器断线故障还是电压互感器铁磁谐振故障；若是真实接地，根据中性点接地方式的不同，选用不同的综合选线方法，进行判断，综合选线方法中的每种选线判据得到每条线路可能是故障线路的定量化表达式，然后通过行综合判断，最终得到故障线路。

通过RS232或U盘键盘、将小接地电流电网中的母线段数、电压等级、中性点接地方式、各条线路名称、母线两段电压互感器的变比、各条线路零序电流互感器的变比和消弧线圈容量(中性点经消弧线圈接地情况)输入到装置中。

小接地电流电网单相故障选线方法，将小接地电流电网中的母线两段的三相电压和各条线路的零序电流通过信号变换与调理电路板，将电压和电流信号都转换成故障选线装置能接收的电压信号，然后通过数据采集卡，输送到所述装置中，在所述装置上执行以下步骤：

(1)数据采集

信号变换与调理电路板上有32路信号变换和调理电路，其中有6路是母线两段三相电压信号变换和调理，26路是线路零序电流信号变换和调理，经过板上的精密电压/电流变换器转换成选线装置可接收的电压信号，并用板上的滤波电路滤除1600Hz以上的高次谐波，通过数据线传送给PCI采集卡进行数据采集；通过分组采样，中断采集；

(2)数据处理

通过PCI数据总线将采集的数据送给PCI总线工控主板上的CPU进行处理；

(2.1)用两段母线三相电压的瞬时值比较来判断母线分列运行还是并列运行。

(2.2)对这些数据提取母线零序电压，判断其瞬时值是否达到阈值。

(2.3)当零序电压超过阈值后，触发出口逻辑对故障数据做进一步分析，判断一定周波内是否都超过阈值，若不是则认为无故障，返回继续监测母线零序电压；若在一定周波内都超过阈值，则认为发生故障。

(2.4)通过线电压是否对称来判断是真实接地故障还是虚假接地故障。

(2.5)若是虚假接地故障，再根据三相电压的关系判断是电压互感器断线故障还是电压互感器铁磁谐振故障。

(2.6)若是单相接地故障，根据三相电压关系判断故障相，并依据中性点接地方式的不同，选用不同的选线方法进行故障选线。

(3)选线算法

(3.1)对于中性点不接地电网，本选线装置综合采用了基波幅值选线判据、基波相位选线判据和基于小波变换的暂态量选线判据，对故障数据其选线算法按以下步骤进行：

(3.1.1)基波幅值选线判据，按(1)式计算各条线路的故障量化值：

$\mathrm{Fmm}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}\mathrm{Sum}-\mathrm{Mags}\left(k\right),& \frac{1}{2}\mathrm{Sum}-\mathrm{Mags}\left(k\right)>0\\ 0,& \frac{1}{2}\mathrm{Sum}-\mathrm{Mags}\left(k\right)\≤0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：k为线路编号，k＝0表示母线；

Mags(k)＝Mag(k)·sign(Ang(k))  k≠0

$\mathrm{Mags}\left(0\right)=-\left(\underset{k-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Mags}\left(k\right)\right)$

$\mathrm{Sum}=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{Mags}\left(k\right)\right|$

Mag(k)表示线路k的故障零序电流相量幅值；

Ang(k)表示以母线零序电压为参考相量，线路k故障零序电流相角；

(3.1.2)基波相位选线判据，按(2)式计算各条线路的故障量化值：

其中：

(3.1.3)基于小波变换的暂态量选线判据，按(3)式计算各条线路的故障量化值：

其中：

i为小波分解序列点编号；

k，m，n为i点处小波系数最大的三条线路编号；

d(k，i)，d(m，i)，d(n，i)为小波分解并归算到同一尺度后的小波系数；

(3.1.4)对每条线路的各判据量化值按大小分别进行排序，再将各线路在三种判据下的序列值相加，序号最小者为故障线路；

(3.2)对于中性点经消弧线圈接地电网，本装置综合采用了改进有功分量选线判据、改进首半波选线判据、基于小波变换的暂态量选线判据，其选线算法按以下步骤进行：

(3.2.1)改进有功分量选线判据，按(4)式计算各条线路的故障量化值：

$\mathrm{Fmp}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}P\left(k\right),& k=\mathrm{1,2},\·\·\·,N\\ P\left(0\right),& k=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中：P(k)＝UI(k)cos(Ang(k))  k＝1，2，…，N

$P\left(0\right)=\underset{k=1,\·\·\·,N}{\max }P\left(k\right)+\frac{U^2}{U_b^2}{P}_l$

U为母线零序电压的有效值；

I(k)为线路k零序电流的有效值；

P(k)为线路k的有功功率；

U_b为电压互感器额定二次电压；

P₁为消弧线圈的有功损耗；

(3.2.2)改进首半波选线判据，按(5)式计算各条线路的故障量化值：

$\mathrm{Fmr}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}B-A\left(k\right),& \frac{1}{2}B-A\left(k\right)>0\\ 0,& \frac{1}{2}B-A\left(k\right)\≤0\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中： $A\left(k\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{sign}\left(\mathrm{WUm}\right).{\mathrm{WI}}^{\left(k\right)}\left(i\right)$

$A\left(0\right)=-\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}A\left(k\right)$

$B=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|A\left(k\right)\right|$

WUm为零序电压在首半波内的极大值；

WI^(k)(i)为线路k的故障零序电流在首半波内各点数值序列；

(3.2.3)基于小波变换的暂态量选线判据，按(6)式计算各条线路的故障量化值：

其中：

i为小波分解序列点编号；

k，m，n为i点处小波系数最大的三条线路编号；

d(k，i)，d(m，i)，d(n，i)为小波分解并归算到同一尺度后的小波系数；

(3.2.4)对每条线路的各判据量化值按大小分别进行排序，再将各线路在三种判据下的序列值相加，序号最小者为故障线路；

(4)结果输出

若是虚假接地故障，则将电压互感器断线故障或电压互感器铁磁谐振故障的结果显示在液晶屏上，并通过开关量输入输出板输出到RTU；若是真实接地故障，则将故障线路显示在液晶屏上，并通过开关量输入输出板输出到RTU；两种情况下，都可以选择通过微型打印机实时打印故障结果。

Claims (3)

1.一种小接地电流电网单相故障选线方法，将小接地电流电网中的母线两段的三相电压和各条线路的零序电流通过信号变换与调理电路板，将电压和电流信号都转换成故障选线装置能接收的电压信号，然后通过数据采集卡，输送到所述装置中，其特征是：在所述装置上执行以下步骤：

(1)数据采集

信号变换与调理电路板上有32路信号变换和调理电路，其中有6路是母线两段三相电压信号变换和调理，26路是线路零序电流信号变换和调理，经过板上的精密电压/电流变换器转换成故障选线装置可接收的电压信号，并用板上的滤波电路滤除1600Hz以上的高次谐波，通过数据线传送给PCI采集卡进行数据采集；

(2)数据处理

通过PCI数据总线将采集的数据送给PCI总线工控主板上的CPU进行处理；

(2.1)用两段母线三相电压的瞬时值比较来判断母线分列运行还是并列运行；

(2.2)对这些数据提取母线零序电压，判断其瞬时值是否达到阈值；

(2.3)当零序电压超过阈值后，触发出口逻辑对故障数据做进一步分析，判断一定周波内是否都超过阈值，若不是则认为无故障，返回继续监测母线零序电压；若在一定周波内都超过阈值，则认为发生故障；

(2.4)通过线电压是否对称来判断是真实接地故障还是虚假接地故障；

(2.5)若是虚假接地故障，再根据三相电压的关系判断是电压互感器断线故障还是电压互感器铁磁谐振故障；

(2.6)若是单相接地故障，根据三相电压关系判断故障相，并依据中性点接地方式的不同，选用不同的选线方法进行故障选线；

(3)选线算法

(3.1)对于中性点不接地电网，本选线装置综合采用了基波幅值选线判据、基波相位选线判据和基于小波变换的暂态量选线判据，对故障数据其选线算法按以下步骤进行：

(3.1.1)基波幅值选线判据，按(1)式计算各条线路的故障量化值：

$\mathrm{Fmm}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}\mathrm{Sum}-\mathrm{Mags}\left(k\right),& \frac{1}{2}\mathrm{Sum}-\mathrm{Mags}\left(k\right)>0\\ 0,& \frac{1}{2}\mathrm{Sum}-\mathrm{Mags}\left(k\right)\≤0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：k为线路编号，k＝0表示母线；

Mags(k)＝Mag(k)·sign(Ang(k))  k≠0

$\mathrm{Mags}\left(0\right)=-\left(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Mags}\left(k\right)\right)$

$\mathrm{Sum}=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{Mags}\left(k\right)\right|$

Mag(k)表示线路k的故障零序电流相量幅值；

Ang(k)表示以母线零序电压为参考相量，线路k故障零序电流相角；

(3.1.2)基波相位选线判据，按(2)式计算各条线路的故障量化值：

其中：

(3.1.3)基于小波变换的暂态量选线判据，按(3)式计算各条线路的故障量化值：

其中：

i为小波分解序列点编号；

k，m，n为i点处小波系数最大的三条线路编号；

d(k，i)，d(m，i)，d(n，i)为小波分解并归算到同一尺度后的小波系数；

(3.1.4)对每条线路的各判据量化值按大小分别进行排序，再将各线路在三种判据下的序列值相加，序号最小者为故障线路；

(3.2)对于中性点经消弧线圈接地电网，本装置综合采用了改进有功分量选线判据、改进首半波选线判据、基于小波变换的暂态量选线判据，其选线算法按以下步骤进行：

(3.2.1)改进有功分量选线判据，按(4)式计算各条线路的故障量化值：

$\mathrm{Fmp}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}P\left(k\right),& k=\mathrm{1,2},\·\·\·,N\\ P\left(0\right),& k=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中：P(k)＝UI(k)cos(Ang(k))    k＝1，2，…，N

$P\left(0\right)=\underset{k=1,...,N}{\max }P\left(k\right)+\frac{U^2}{U_b^2}{P}_l$

U为母线零序电压的有效值；

I(k)为线路k零序电流的有效值；

P(k)为线路k的有功功率；

U_b为电压互感器额定二次电压；

P_l为消弧线圈的有功损耗；

(3.2.2)改进首半波选线判据，按(5)式计算各条线路的故障量化值：

$\mathrm{Fmr}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}B-A\left(k\right),& \frac{1}{2}B-A\left(k\right)>0\\ 0,& \frac{1}{2}B-A\left(k\right)\≤0\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中： $A\left(k\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{sign}\left(\mathrm{WUm}\right)\·{\mathrm{WI}}^{\left(k\right)}\left(i\right)$

$A\left(0\right)=-\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}A\left(k\right)$

$B=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|A\left(k\right)\right|$

WUm为零序电压在首半波内的极大值；

WI^(k)(i)为线路k的故障零序电流在首半波内各点数值序列；

(3.2.3)基于小波变换的暂态量选线判据，按(6)式计算各条线路的故障量化值：

其中：

i为小波分解序列点编号；

k，m，n为i点处小波系数最大的三条线路编号；

d(k，i)，d(m，i)，d(n，i)为小波分解并归算到同一尺度后的小波系数；

(3.2.4)对每条线路的各判据量化值按大小分别进行排序，再将各线路在三种判据下的序列值相加，序号最小者为故障线路；

(4)结果输出

若是虚假接地故障，则将电压互感器断线故障或电压互感器铁磁谐振故障的结果显示在液晶屏上，并通过开关量输入输出板输出到RTU；若是真实接地故障，则将故障线路显示在液晶屏上，并通过开关量输入输出板输出到RTU；两种情况下，都可以选择通过微型打印机实时打印故障结果。

2.一种小接地电流电网单相故障选线装置，其特征是：信号变换与调理电路板和PCI数据采集卡之间通过数据线连接，PCI总线工控主板、PCI数据采集卡、开关量输入输出板、微型打印机、液晶显示屏和键盘通过PCI总线连接，交直流两用电源与PCI总线工控主板连接；选线装置采集三相电压信号作为输入，装置能够自动识别两段母线并列运行或分列运行：通过比较同一时刻段两段母线各相电压的差值，当差值小于一定阈值时，认为是并列运行，否则是分列运行。

3.根据权利要求2所述的小接地电流电网单相故障选线装置，其特征是：故障启动环节采用启动和出口两级逻辑单元，启动逻辑依靠零序电压越限启动，触发出口逻辑和选线算法；出口逻辑对故障信号做进一步分析，当满足出口条件时输出故障信息。

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