CN101719663A - 基于零序电流有功分量的接地选线方法、装置及应用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于零序电流有功分量的接地选线方法、装置及其应用系统,该基于零序电流有功分量的接地选线方法及装置,用于包括多条出线和一条母线的配电网络系统,以在发生单相接地故障时进行接地选线保护,所述接地选线方法包括:零序电流补偿步骤,用于根据多条出线的零序电流有功分量的分布情况,对每一条出线的零序电流有功分量的实测值进行补偿;补偿后选线步骤,用于将多条出线补偿后的零序电流有功分量,按幅值大小进行排序,选出零序电流有功分量幅值最大的出线;接地选线保护步骤,用于将选出零序电流有功分量最大的出线的幅值与阈值进行比较,大于该阈值,则判断该出线支路为接地故障线路,否则判断为母线接地。
Description
技术领域
本发明涉及配电网络的接地选线技术,特别涉及一种基于零序电流有功分量的接地选线方法、装置及其应用系统。
背景技术
我国10kV配电网数目庞大,分布范围广,设备绝缘水平低,易受电网内部自身因素和外界自然环境的影响引发各种故障故;其中,发生单相接地故障的几率最高,可占总故障的80%左右。当配电网发生单相接地故障时,其三相之间线电压仍然对称,且故障电流较小,不影响对负荷连续供电,不必立即跳闸,规程规定可以继续运行1~2小时。随着城市配电网的发展,电网中电缆线路的比例上升,缆-线混合线路越来越多,配电网发生单相接地故障的故障零序电容电流较大,长时间运行易使故障扩大成两点或多点接地短路,弧光接地还会引起全系统过电压,进行损坏设备,破坏系统安全运行。规程规定,当22~66KV电网发生单相接地时,接地点的零序电容电流大于10A,10KV电网零序电容电流大于20A,3~6KV电网零序电容电流大于30A时,一律应装设消弧线圈,以减小接地电流,使系统容易熄弧,减小过电压的危害,防止事故扩大。但是,配电网接地零序电流减小,使得接地选线装置正确选线面临更大的挑战,“消弧”与接地选线正确性之间形成了技术矛盾。随着自动跟踪式消弧线圈的大量投入运行,选线技术陷入低谷,很多地区选线装置退出率达到90%以上,又退回到原始的手动逐条馈出线拉路的选线方法,这充分说明了接地选线问题的复杂性和艰巨性。
对于接地选线的研究,在前苏联,小接地电流系统得到了广泛应用,并对其接地选线原理和装置的研究给予了很大的重视,研制了几代产品,其实现原理从过电流、无功方向发展到了群体比幅;德国多使用中性点经消弧线圈接地系统,提出了反映故障开始暂态过程的单相接地保护原理,研制了便携式接地报警装置。法国现在正以中性点经消弧线圈接地系统取代中性点经电阻接地系统,开发出了零序导纳接地保护。
我国研究机构和开发单位一直对小电流接地系统单相接地故障的选线问题进行研究,提出了多种选线方法,并开发出了相应的装置:有根据首半波极性研制成功的接地保护装置,有反映中性点不接地系统零序功率方向的选线装置,有反映经消弧线圈接地系统5次谐波零序功率方向的选线装置,有比较线路零序电流5次谐波的大小和方向为原理的选线装置;有利用零序有功分量原理的选线装置。但在实际应用中,尤其是在中性点经消弧线圈接地系统的使用中,现有的接地选线装置效果多数并不理想。作者提出了基于零序电流有功分量补偿法的自适应配网接地选线保护,利用发生单相接地时的零序电流有功分量,采用补偿原理实现中性点经消弧线圈接地系统的单相接地选线的新方法
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于零序电流有功分量的接地选线方法、装置及其应用系统,利用发生单相接地时的零序电流有功分量,采用补偿原理实现中性点经消弧线圈接地系统的单相接地选线。
为达到上述目的,本发明提供的一种基于零序电流有功分量的接地选线方法,用于包括多条出线和一条母线的配电网络系统,以在发生单相接地故障时进行接地选线保护,其特征在于,所述接地选线方法包括:
零序电流补偿步骤,用于根据多条出线的零序电流有功分量的分布情况,对每一条出线的零序电流有功分量的实测值进行补偿;
补偿后选线步骤,用于将多条出线补偿后的零序电流有功分量,按幅值大小进行排序,选出零序电流有功分量幅值最大的出线;
接地选线保护步骤,用于将选出零序电流有功分量最大的出线的幅值与阈值进行比较,大于该阈值,则判断该出线支路为接地故障线路,否则判断为母线接地。
上述基于零序电流有功分量的接地选线方法,其特征在于,还包括:
一补偿电流自适应步骤,用于在保护装置运行过程中,按照电网接地点经不同过渡电阻接地时各线路实际的有功分量自动调整零序电流有功分量的补偿量。
上述基于零序电流有功分量的接地选线方法,其特征在于,所述零序电流补偿步骤中,对每一条出线的零序电流有功分量进行补偿的电流的大小为本条线路的零序有功电流的大小,补偿电流的方向为线路流向母线。
上述基于零序电流有功分量的接地选线方法,其特征在于,所述补偿电流自适应步骤进一步包括:
零序电流及零序电压的记录步骤,用于在保护设备投运前,记录被保护的所有线路中每一条线路的零序电流有功分量I0Bj1及对应的零序电压U01;
补偿电流实时计算步骤,用于根据线路不同的过渡电阻,实时计算线路的补偿电流。
上述基于零序电流有功分量的接地选线方法,其特征在于,所述补偿电流通过以下公式实时计算获取:
I0Bj=I0Bj1·U02/U01
其中,I0Bj为补偿电流;
I0Bj1为设备投运前接地试验中保护装置记录的零序电流有功分量;
U01为设备投运前接地试验中保护装置记录的零序电压;
U02为发生单相接地故障时测得的零序电压。
上述基于零序电流有功分量的接地选线方法,其特征在于,补偿后的零序电流有功分量通过以下公式计算获取:
I0Rj′=I0Rj+I0Bj;
其中,I0Rj为发生单相接地故障时,实际测得的第j条线路的零序电流有功分量,j=1,2,3,…,N;
I0Bj为实时计算获取的补偿电流有功分量;
I0Rj′为补偿后的各线零序电流有功分量。
进一步的,本发明还提供了一种应用上述接地选线方法的接地选线装置,应用于包括多条出线和一条母线的配电网络控制系统,该接地选线装置设置于系统的控制中心,以在发生单相接地故障时进行接地选线保护,其特征在于,所述接地选线装置包括:
一零序电流补偿单元,,用于根据多条出线的零序电流有功分量的分布情况,对每一条出线的零序电流有功分量的实测值进行补偿;
一零序电流选线单元,用于将多条出线补偿后的零序电流有功分量,按幅值大小进行排序,选出零序电流有功分量幅值最大的出线;
一接地选线保护单元,用于将选出零序电流有功分量最大的出线的幅值与阈值进行比较,大于该阈值,则判断该出线支路为接地故障线路,否则判断为母线接地。
上述接地选线装置,其特征在于,还包括:
一补偿电流自适应单元,用于在保护装置运行过程中,按照电网接地点经不同过渡电阻接地时各线路实际的有功分量自动调整零序电流有功分量的补偿量。
上述接地选线装置,其特征在于,所述补偿电流自适应单元进一步包括:
一记录存储单元,用于在保护设备投运前,记录被保护的所有线路中每一条线路的零序电流有功分量I0Bj1及对应的零序电压U01并进行存储;
一补偿电流计算单元,用于根据线路不同的过渡电阻,实时计算线路的补偿电流。
上述接地选线装置,其特征在于,接地选线装置,其特征在于,所述接地选线装置的信号输入形式,包括三路电压输入信号:输入三相相电压信号;或任意两相相电压与零序电压组合的电压信号,或任一线电压与零序电压组合的电压信号。
更进一步的,本发明还提供了一种应用上述接地选线装置的电网控制系统,其特征在于,所述接地选线装置包括:
一零序电流补偿单元,用于根据多条出线的零序电流有功分量的分布情况,对每一条出线的零序电流有功分量进行补偿;
一零序电流选线单元,用于将多条出线补偿后的零序电流有功分量,按幅值大小进行排序,选出零序电流有功分量幅值最大的出线;
一接地选线保护单元,用于将选出零序电流有功分量最大的出线的幅值与阈值进行比较,大于该阈值,则判断该出线支路为接地故障线路,否则判断为母线接地。
上述电网控制系统,其特征在于,所述接地选线装置的信号输入形式,包括三路电压输入信号:输入三相相电压信号;或任意两相相电压与零序电压组合的电压信号,或任一线电压与零序电压组合的电压信号。
与现有技术相比,采用本发明提供的方案,使得非接地支路的零序电流有功分量与接地支路的零序电流有功分量差别非常显著,且不受系统运行方式变换后消弧线圈档位的变化而变化,从而使保护动作的灵敏度高、选择性好,受接地点过渡电阻及测量等误差因素的影响小。
附图说明
图1为本发明基于零序电流有功分量的接地选线方法流程图;
图2为本发明电网零序等效网络示意图;
图3为本发明基于零序电流有功分量的接地选线装置结构框图;
图4为本发明基于零序电流有功分量的接地选线装置的系统逻辑框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的说明,以进一步了解本发明之目的、方案及功效,但所附图式及实施例说明并非用于限定本发明的保护范围。
参考图1,本发明提出了一种基于零序电流有功分量的接地选线方法,用于包括多条出线和一条母线的配电网络系统,以在发生单相接地故障时进行接地选线保护,本发明的接地选线方法包括以下步骤:
零序电流补偿步骤S10,用于根据多条出线的零序电流有功分量的分布情况,对每一条出线的零序电流有功分量实测值按一定电流值进行补偿。补偿电流的大小为本条线路的零序有功电流分量计算值(或试验值)的大小,补偿电流的方向为线路流向母线。
补偿后选线步骤S20,用于将多条出线补偿后的零序电流有功分量,按幅值大小进行排序,选出零序电流有功分量幅值最大的出线;
接地选线保护步骤S30,用于将选出零序电流有功分量最大的出线的幅值与阈值进行比较,大于该阈值,则判断该出线支路为接地故障线路,否则判断为母线接地。
上述方法还进一步包括一补偿电流自适应步骤S40,用于在保护装置运行过程中,按照电网接地点经不同过渡电阻接地时,各出线实际的零序电流有功分量实时自动调整零序电流有功分量的补偿量。该补偿电流自适应步骤S40进一步包括一零序电流有功分量及零序电压的记录步骤S401,用于在保护设备投运前,记录被保护的所有线路中每一条线路的零序电流有功分量I0Bj1及对应的零序电压U01;补偿电流实时计算步骤S402,用于电网接地点经不同过渡电阻接地时,实时计算线路的补偿电流。
以下结合实施例详细描述本发明基于零序电流有功分量的接地选线方法的实现原理及实现方式:
(一)单相接地时零序电流有功分量的分布:
图2为电网零序等效网络示意图,参考图2,假设所选配电网络有N条出线,该配电网络系统的第K条出线发生单相接地故障;其中,L为消弧线圈等效电感,R为其阻尼电阻,U0为接地时的零序电压,C01、C0k、C0N分别为第1条、第k条、第N条出线的三相总电容,R01、R0K、R0N为其泄漏电阻。
设定电流的参考方向为母线指向线路,则:
非故障线路j零序电流的有功分量为:
I0Rj=U0/R0j,j=1,2,3,.,N,且1≤j≤n,j≠k (1)
式中,I0Rj为非故障线路j零序电流的有功分量;
U0为零序电压;
R0j为第j条出线的泄漏电阻。
消弧线圈支路的零序电流的有功分量为:
I0LR=U0R/(R2+(ωL)2) (2)
式中,I0LR为消弧线圈支路的零序电流的有功分量;
R为消弧线圈的阻尼电阻;
ω为电角频率;
L为电感量。
故障线路的零序电流有功分量为:
式中,I0rK为故障线路k的零序电流的有功分量;
比较式(1)和式(3)可知,非故障线路j的有功分量和故障线路k的有功分量方向相反。故障线路k与非故障线路j的有功分量的幅值比的理论值约在3N-1至6N-1之间。
(二)零序有功电流补偿方式
对于上述的零序电流有功分量的分布情况,由于零序有功分量的总体数值较小(只有几个安培),如果由于某种原因比如线路不平衡、ct励磁特性的差异、工作负荷不平衡等原因使得某条非故障线路测量的零序电流有功分量较大,则故障线路与非故障线路的零序有功分量的实际幅值比变小,再加上接地点过渡电阻及测量误差因素的影响,对接地线路的准确判断带来很大的困难。
现根据上述给出零序电流有功分量的分布情况,对每一条出线的零序有功电流的实测值进行补偿,补偿的大小为本线路的零序有功电流计算值的大小,方向为线路流向母线。
在图1线路中,补偿电流为:
I0Bj=-U0/R0j j=1,2,3,.,N (4)
则补偿后的非故障线路零序电流有功分量为:
I0Rj′=I0Rj+I0Bj=0;j=1,2,3,.,N且j≠k (5)
式中,I0Rj′为非故障线路j补偿后的零序电流有功分量;
I0Rj为非故障线路j补偿前的零序电流的有功分量的实测值;
I0Bj为非故障线路j的补偿电流。
对于故障线路k来说,所取补偿电流的方向与其零序电流有功分量的方向相同,因此补偿后的零序电流为:
式(6)中,I0rK′为故障线路k补偿后的零序电流有功分量;
I0rK为故障线路k补偿前的零序电流有功分量的实测值;
I0BK为故障线路k的补偿电流。
即经过补偿后,非接地支路的零序有功电流理论值为0,而接地支路的零序电流的有功分量为全网零序电流的有功分量之和;两者差别非常显著,且不受系统运行方式变换后消弧线圈档位的变化而变化。
保护的实现方式,当发生单相接地时,由零序电压启动保护逻辑,采集各线路的零序电流有功分量,并进行补偿;将补偿后的各线路零序电流有功分量按幅值大小进行排序,选出最大者,当最大者大于0.5时,判断为接地之路接地,反之判断为母线接地。
进一步的,本发明采用补偿自适应方式的选线保护方法,主要是按照电网接地点经不同过渡电阻接地时各线路实际的零序电流有功分量自动调整其补偿量,以减少过渡电阻的影响。
线路零序电流有功分量的补偿电流,可以通过线路的单位长度的参数进行计算,一来配电网供电线路种类繁多,有时一些线路因使用时间长,设备台帐管理不清,参数获取工作量巨大;其二,测量各线路零序有功分量的CT精度不同,带来的不平衡电流会严重影响低动作值的整定;其三,电网运行中出现的接地故障往往是接地点经一定的过渡电阻接地,此时各线路零序电流有功分量都会与金属性接地时的情况不同;若补偿值不做调整,会出现过补或欠补情况,威胁保护动作的选择性。
本发明基于上述原因提出采取自适应的方式的选线保护方案。当设备现场投运前,在被保护的所有线路外部做一次单相接地实验,此时测量每一条被保护线路的零序电流有功分量及母线零序电压。
当电网接地点经一定的过渡电阻接地时,电网零序电压随该过度电阻的不同而变化,此时线路的零序电流有功分量也随之变化:
I0Rj=U0/R0j
假设线路的对地电阻在运行过程中不变,根据上式可认为线路的零序电流有功分量与零序电压成正比。在先前的接地实验时保护装置记下第j条线路的补偿电流(有功电流)与零序电压分别为I0Bj1、U01,在发生单相接地故障时测得零序电压为U02,则此时线路的补偿电流I0Bj可用下式由换算得到。
I0Bj=I0Bj1·U02/U01 (8)
此时,补偿后的各线电流零序电流有功分量为
I0Rj′=I0Rj+I0Bj; (9)
式中,I0Rj为发生单相接地故障时,实际测得的第j条线路的零序有功电流分量;I0Bj为经过调整后的零序电流补偿量,I0Rj′为补偿后的各线零序电流有功分量。
按幅值大小对I0Rj′进行排序,选出最大者,当最大者大于0.5时,判断为接地支路接地选出故障线路,这样能够按照不同过渡电阻情况下实际的有功分量自动调整补偿量,减少过渡电阻的影响。
本发明进一步提供了一种应用上述方法的选线装置10,参考图3,其系统控制中心可是以工业级PC为核心进行控制,电磁兼容性能优良,适合复杂严峻的应用现场。外部电路包括电流信号调理输入电路204、电压信号调理输入电路205,开关量输入调理电路206,开关量输出调理电路207,模拟量采集模块202,开关量采集模块203及通讯接口201等组成。
电流、电压信号调理输入电路,采用高精度电流电压互感器,其线性区域宽,角度误差小,通常在5度以内;保证了信号可以高精度的采集,提高了系统的可靠性和稳定性;
电流信号调理输入电路204输入各线路的零序电流(0-5A),三路电压信号调理输入电路205输入三相相电压信号或任意两相相电压(或其变换形式:任一线电压)及零序电压组合的电压信号(0-100V)。
开关量输入调理电路206,采用光隔离及电磁干扰抑制措施,用于开关状态信号返回及电压切换等信息反馈。
开关量输出调理电路207,采用光隔离与继电器输出,用于发出跳闸信号或报警信号。
模拟量采集模块202,具有32位PCI结构,能够支持16路模拟量输入,单通道采样率可达100KHZ,输入范围-10v~+10v
开关量采集模块203,具有32位PCI结构,16通道开关量输入,16通道开关量输出。
下面结合附图进一步说明应用上述接地选线方法的接地选线装置10,该装置10应用于包括多条出线和一条母线的配电网络系统,该接地选线装置10主要逻辑与算法实现于系统的控制中心200,以在发生单相接地故障时进行接地选线保护,参考图4,本发明的接地选线装置10包括:一零序电流补偿单元101,用于根据多条出线的零序电流有功分量的分布情况,对每一条出线的零序电流有功分量进行补偿;一零序电流选线单元102,用于将多条出线补偿后的零序电流有功分量,按幅值大小进行排序,选出零序电流有功分量幅值最大的出线;一接地选线保护单元103,用于将选出零序电流有功分量最大的出线的幅值与阈值进行比较,大于该阈值,则判断该出线支路为接地故障线路,否则判断为母线接地;一补偿电流自适应单元104,用于在保护装置运行过程中,按照电网接地点经不同过渡电阻接地时各线路实际的有功分量自动调整零序电流有功分量的补偿量。
上述补偿电流自适应单元104进一步包括:一记录存储单元401,用于在保护设备投运前,记录被保护的所有线路中每一条线路的零序电流有功分量I0Bj1及对应的零序电压U01并进行存储;一补偿电流实时计算单元402,用于电网接地点经不同过渡电阻接地时,实时计算线路的补偿电流。
本发明实现配电网络接地选线新的实现原理零序电流有功分量补偿法,并给出了实现中随接地点电阻的不同,自动调整补偿电流值的自适应方法。该据此原理研制的接地选线装置,动作灵敏高,选择性好,受接地点过渡电阻及测量等误差因素的影响小。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明,在不背离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于零序电流有功分量的接地选线方法,用于包括多条出线和一条母线的配电网络系统,以在发生单相接地故障时进行接地选线保护,其特征在于,所述接地选线方法包括:
零序电流补偿步骤,用于根据多条出线的零序电流有功分量的分布情况,对每一条出线的零序电流有功分量的实测值进行补偿;
补偿后选线步骤,用于将多条出线补偿后的零序电流有功分量,按幅值大小进行排序,选出零序电流有功分量幅值最大的出线;
接地选线保护步骤,用于将选出零序电流有功分量最大的出线的幅值与阈值进行比较,大于该阈值,则判断该出线支路为接地故障线路,否则判断为母线接地。
2.根据权利要求1所述的基于零序电流有功分量的接地选线方法,其特征在于,还包括:
一补偿电流自适应步骤,用于在保护装置运行过程中,按照电网接地点经不同过渡电阻接地时各线路实际的有功分量自动调整零序电流有功分量的补偿量。
3.根据权利要求1所述的基于零序电流有功分量的接地选线方法,其特征在于,所述零序电流补偿步骤中,对每一条出线的零序电流有功分量进行补偿的电流的大小为本条线路的零序有功电流的大小,补偿电流的方向为线路流向母线。
4.根据权利要求2所述的基于零序电流有功分量的接地选线方法,其特征在于,所述补偿电流自适应步骤进一步包括:
零序电流及零序电压的记录步骤,用于在保护设备投运前,记录被保护的所有线路中每一条线路的零序电流有功分量I0Bj1及对应的零序电压U01;
补偿电流实时计算步骤,用于根据线路不同的过渡电阻,实时计算线路的补偿电流。
5.根据权利要求4所述的基于零序电流有功分量的接地选线方法,其特征在于,所述补偿电流通过以下公式实时计算获取:
I0Bj=I0Bj1·U02/U01
其中,I0Bj为补偿电流;
I0Bj1为设备投运前接地试验中保护装置记录的零序电流有功分量;
U01为设备投运前接地试验中保护装置记录的零序电压;
U02为发生单相接地故障时测得的零序电压。
6.根据权利要求5所述的基于零序电流有功分量的接地选线方法,其特征在于,补偿后的零序电流有功分量通过以下公式计算获取:
I0Rj′=I0Rj+I0Rj;
其中,I0Rj为发生单相接地故障时,实际测得的第j条线路的零序电流有功分量,j=1,2,3,…,N;
I0Bj为实时计算获取的补偿电流有功分量;
I0Rj′为补偿后的各线零序电流有功分量。
7.一种应用权利要求1~6中任一项所述接地选线方法的接地选线装置,应用于包括多条出线和一条母线的配电网络控制系统,该接地选线装置设置于系统的控制中心,以在发生单相接地故障时进行接地选线保护,其特征在于,所述接地选线装置包括:
一零序电流补偿单元,,用于根据多条出线的零序电流有功分量的分布情况,对每一条出线的零序电流有功分量的实测值进行补偿;
一零序电流选线单元,用于将多条出线补偿后的零序电流有功分量,按幅值大小进行排序,选出零序电流有功分量幅值最大的出线;
一接地选线保护单元,用于将选出零序电流有功分量最大的出线的幅值与阈值进行比较,大于该阈值,则判断该出线支路为接地故障线路,否则判断为母线接地。
8.根据权利要求7所述的接地选线装置,其特征在于,还包括:
一补偿电流自适应单元,用于在保护装置运行过程中,按照电网接地点经不同过渡电阻接地时各线路实际的有功分量自动调整零序电流有功分量的补偿量。
9.根据权利要求7或8所述的接地选线装置,其特征在于,所述补偿电流自适应单元进一步包括:
一记录存储单元,用于在保护设备投运前,记录被保护的所有线路中每一条线路的零序电流有功分量I0Bj1及对应的零序电压U01并进行存储;
一补偿电流计算单元,用于根据线路不同的过渡电阻,实时计算线路的补偿电流。
10.一种应用上述权利要求7~9所述接地选线装置的电网控制系统,其特征在于,所述接地选线装置包括:
一零序电流补偿单元,用于根据多条出线的零序电流有功分量的分布情况,对每一条出线的零序电流有功分量进行补偿;
一零序电流选线单元,用于将多条出线补偿后的零序电流有功分量,按幅值大小进行排序,选出零序电流有功分量幅值最大的出线;
一接地选线保护单元,用于将选出零序电流有功分量最大的出线的幅值与阈值进行比较,大于该阈值,则判断该出线支路为接地故障线路,否则判断为母线接地。
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