CN102866326A - 基于零序电流变化量波形相关系数矩阵的配网故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于零序电流变化量波形相关系数矩阵配网故障选线方法。本发明方法利用并联电阻投切前后各馈线零序电流变化量波形相关系数矩阵的行非对角元素和最小对应的馈线为故障线原理进行选线。配网母线零序电压大于15%相电压，保持消弧线圈参数不变投切并联电阻，测量各馈线路在并联电阻投切前后流过的零序电流采样值，进一步计算零序电流变化量波形相关系数矩阵，选取各馈线零序电流变化量波形相关系数矩阵的行非对角元素和最小对应的馈线为故障线路。本发明方法选线结果不受过渡电阻、线路参数、线路长度、配电网运行方式和故障位置等因素的影响，选线原理简单，选线结果可靠性高，实用性强。

Description

基于零序电流变化量波形相关系数矩阵的配网故障选线方法

技术领域

本发明涉及电力系统配网故障选线技术领域，具体地说是涉及一种基于零序电流变化量波形相关系数矩阵的配网故障选线方法。

背景技术

中性点经消弧线圈接地的配电网馈线发生单相故障后，消弧线圈提供的感性电流补偿了故障线接地点容性电流，故障线接地故障点电流很小，可能比非故障线路零序电流还小，使得基于零序电流法的配电网故障选线方法（如张帆、潘贞存和张慧芬等发表的《基于零序电流暂态极大值的小电流接地选线新判据》）选线结果可靠性不足。由于消弧线圈补偿作用，故障线路零序电流不再滞后零序电压90°，使得基于零序电流功率方向法（如张利、杨鹏和司东梅等发表的《基于零序功率方向的中性点不接地系统在线故障定位》和张利、杨以涵和杨秀媛发表的《移动式比相配电网接地故障定位研究》）不适用于中性点经消弧线圈接地的配电网馈线单相故障选线。林湘宁、高艳和刘沛等发表的《基于零序补偿导纳》的小电流接地系统单相故障保护新方法》和申请号201010260614.5发明专利“一种小电流接地系统的接地保护方法”通过判断零序补偿导纳幅值是否大于阀值和零序补偿导纳相角是否满足动作条件进行故障选线。该方法利用故障后线路零序导纳减去预先存储的由单相接地实验或线路参数计算得到的线路零序导纳来计算零序补偿导纳，由于运行过程存在污染等因素导致线路绝缘水平下降使得通过单相接地实验或线路参数计算得到的线路零序导纳不能真实反应线路故障前一时刻线路的零序导纳，可能由于线路受污染程度严重导致线路零序导纳发生较大变化，由此计算出的零序补偿导纳幅值和相角依然满足选线条件导致保护误切除正常线路，因此该方法实用可靠性不高。

申请号200910230433.5发明专利“小电流接地系统中一种新型故障选线方法”提出基于5次零序谐波电流法进行故障选线，由于单相接地故障后零序电流信号中的5次谐波分量过于小，灵敏度受到限制，该方法无法现场实用。马佳、余文辉和车伟扬等发表的《基于改进S注入法德新型树状配电网故障检测装置》和桑在中、张慧芬和潘贞存等发表的《用注入法实现小电流接地系统单相接地选线保护》提出利用S注入法进行故障选线，该方法实用性较强，然而容易受接地电阻和线路分布电容的影响。由于暂态过程短暂，受线路参数及过渡电阻等影响，利用暂态量算法故障选线（申请号00114452.9发明专利“小电流接地系统接地保护方法”）还未到达实用化水平。严凤、杨奇逊和齐郑等发表《基于行波理论的配电网故障定位方法的研究》和于盛楠、鲍海和杨以涵发表《配电网线路故障定位的实用方法》提出利用行波理论实现配电网离线故障定位，已达到实用化水平。但是实际应用中有些用户对供电可靠性很高，希望实现在线故障选线。行波法（申请号201010214355.2发明专利“小电流接地系统单相接地故障选线方法”）根据故障点与监测点之间故障波头一次往返时间估计故障距离。然而小电流接地系统中故障信号很弱，故障波形的故障波头难以识别，给行波法在线实用造成了困难。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种选线原理简单，选线结果不受过渡电阻、线路参数、线路长度、配网运行方式和故障位置等因素影响的基于零序电流变化量波形相关系数矩阵的配网故障选线方法。

本发明的目的是通过以下途径实现的：

基于零序电流变化量波形相关系数矩阵的配网故障选线方法，其要点在于，包括如下步骤：

（1）提供一种选线装置，其包括有依序连接的数据采集单元、计算处理单元和数据传送单元，其中数据采集单元用于实时采集配网母线零序电压和各馈线的零序电流，并传送给计算处理单元，计算处理单元对母线零序电压进行判断，当配网母线零序电压大于15%的配网母线相电压，数据采集单元实时采集各馈线投切并联电阻前的零序电流传送给计算处理单元，然后计算处理单元通过数据传送单元向配网侧的并联电阻发送投切指令，数据采集单元再次采集并联电阻投切后配网母线零序电压和各馈线的零序电流；

（2）计算处理单元计算并联电阻投切前后各馈线t采样时刻的零序电流变化量 $\mathrm{\Δi}\left(t\right)=$ $i_{0i}^2\left(t\right)-i_{0i}^1(t-T),$ 其中，i为第i条馈线，i＝1,2,…,n，n为配网馈线数量，为并联电阻投切前第i条馈线t-T采样时刻的零序电流瞬时值，为并联电阻投切后第i条馈线t采样时刻的零序电流瞬时值，T为采样周期时间；

（3）根据步骤（2）计算结果进一步计算并联电阻投切前后各馈线零序电流变化量波形相关系数矩阵ρ：

$\mathrm{\ρ}=\left[\begin{array}{ccccc}1& {\mathrm{\ρ}}_{12}& ...& {\mathrm{\ρ}}_{1n-1}& {\mathrm{\ρ}}_{1n}\\ {\mathrm{\ρ}}_{21}& 1& ...& {\mathrm{\ρ}}_{2n-1}& {\mathrm{\ρ}}_{2n}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{\ρ}}_{n1}& {\mathrm{\ρ}}_{n2}& ...& {\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{nn}-1}& 1\end{array}\right]$

其中，

T为采样周期时间，Δt为采样间隔，i为第i条馈线，i＝1,2,…,n，j为第j条馈线，j=1,2,…,n，且j≠i。

（4）根据步骤（3）计算结果进一步计算零序电流变化量波形相关系数矩阵ρ的各行非对角元素和Sumρ_i（i＝1,2,…,n）：

其中，i为第i条馈线，i＝1,2,…,n

（5）选取行非对角元素和，即Sumρ_i最小所对应的第i条馈线为故障馈线。

本发明与现有技术相比较，具有以下积极成果：

本发明方法利用并联电阻投切前后零序电流变化量波形相关系数矩阵的行非对角元素和最小对应的馈线为故障线原理进行故障选线，选线原理简单，选线结果不受过渡电阻、线路参数、线路长度、配电网运行方式和故障点位置等因素的影响，适用于中性点经消弧线圈接地的配网接地故障选线。

附图说明

图1为应用本发明方法的一种基于零序电流变化量波形相关系数矩阵配网故障选线方法流程图。

图2为应用本发明方法的并联电阻投切前的配网接地故障零序序网图。

图3为应用本发明方法的并联电阻投切后的配网接地故障零序序网图。

具体实施方式

下面根据说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细表述。

实施例1：

图1为应用本发明的一种基于零序电流变化量波形相关系数矩阵的配网故障选线方法流程图。本实施例利用并联电阻投切前后零序电流变化量波形相关系数矩阵的行非对角元素和最小对应的馈线为故障线原理进行故障选线。当配网母线零序电压大于15%的配网母线相电压，采集各馈线流过的零序电流采样值；保持消弧线圈参数不变投切并联电阻，再次采集各馈线路流过的零序电流采样值；计算并联电阻投切前后各馈线的零序电流变化量，计算并联电阻投切前后各馈线的零序电流变化量波形相关系数矩阵，选取并联电阻投切前后各馈线零序电流变化量波形相关系数矩阵的行非对角元素和最小对应的馈线为故障馈线。

本实施例以中性点经消弧线圈接地的配网第n条馈线接地故障为例进一步阐述本发明技术方案。

图2为并联电阻投切前的配网接地故障零序序网图。采集故障后各馈线流过的各采样时刻的零序电流采样值

其中，n为配网馈线数量，t为采样时刻。

图3为并联电阻投切后的配网接地故障零序序网图。采集各馈线流过的各采样时刻的零序电流采样值

其中，n为配网馈线数量，t为采样时刻。

参照附图1、图2、图3，本发明所述基于零序电流变化量波形相关系数矩阵的配网故障选线方法，包括如下步骤：

（1）提供一种选线装置，其包括有依序连接的数据采集单元、计算处理单元和数据传送单元，其中数据采集单元实时采集配网母线零序电压和各馈线的零序电流，并传送给计算处理单元，计算处理单元对母线零序电压进行判断，当配网母线零序电压大于15%的配网母线相电压，则计算处理单元通过数据传送单元向配网侧的并联电阻发送投切指令，数据采集单元再次采集配网母线零序电压和各馈线的零序电流。

（2）计算处理单元计算并联电阻投切前后各馈线t采样时刻的零序电流变化量 $\mathrm{\Δi}\left(t\right)=$ $i_{0i}^2\left(t\right)-i_{0i}^1(t-T),$ 其中，i为第i条馈线，i＝1,2,…,n，n为配网馈线数量，

为并联电阻投切前第i条馈线t-T采样时刻的零序电流瞬时值，

为并联电阻投切后第i条馈线t采样时刻的零序电流瞬时值，T为采样周期时间。

（3）根据步骤（2）计算结果进一步计算并联电阻投切前后各馈线零序电流变化量波形相关系数矩阵ρ：

$\mathrm{\ρ}=\left[\begin{array}{ccccc}1& {\mathrm{\ρ}}_{12}& ...& {\mathrm{\ρ}}_{1n-1}& {\mathrm{\ρ}}_{1n}\\ {\mathrm{\ρ}}_{21}& 1& ...& {\mathrm{\ρ}}_{2n-1}& {\mathrm{\ρ}}_{2n}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{\ρ}}_{n1}& {\mathrm{\ρ}}_{n2}& ...& {\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{nn}-1}& 1\end{array}\right]$

其中，

T为采样周期时间，Δt为采样间隔，i为第i条馈线，i＝1,2,…,n，j为第j条馈线，j=1,2,…,n，且j≠i。

（4）根据步骤（3）计算结果计算零序电流变化量波形相关系数矩阵ρ的各行非对角元素和Sumρ_i（i＝1,2,…,n）：

其中，i为第i条馈线，i＝1,2,…,n

（5）选取行非对角元素和，即Sumρ_i最小所对应的第i条馈线为故障馈线。

上述步骤（3）中的

在第n条馈线单相接地故障情况下的特性分析如下：

（a）正常馈线零序电流变化量：

${\mathrm{\Δi}}_{01}\left(t\right)=i_{01}^2\left(t\right)-i_{01}^1(t-T)=\frac{1}{C_{01}}\∫(u_{02}\left(t\right)-u_{01}(t-T))\mathrm{dt}$

${\mathrm{\Δi}}_{02}\left(t\right)=i_{02}^2\left(t\right)-i_{02}^1(t-T)=\frac{1}{C_{02}}\∫(u_{02}\left(t\right)-u_{01}(t-T))\mathrm{dt}$

......

${\mathrm{\Δi}}_{0n-1}\left(t\right)=i_{0n-1}^2\left(t\right)-i_{0n-1}^1(t-T)=\frac{1}{C_{0n-1}}\∫(u_{02}\left(t\right)-u_{01}(t-T))\mathrm{dt}$

由于u₀₂(t)-u₀₁(t-T)波形固定，因此第i条正常馈线的零序电流变化量波形与∫(u₀₂(t)-u₀₁(t-T))dt波形成正比，比例系数为

从而获得正常馈线间的零序电流变化量波形相关系数：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{\underset{t=0}{\overset{T-\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\Δi}}_{0i}\left(t\right)\×{\mathrm{\Δi}}_{0j}\left(t\right)]}{\sqrt{\underset{t=0}{\overset{T-\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{\Δi}}_{0i}\left(t\right)\right)}^2\×\underset{t=0}{\overset{T-\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{\Δi}}_{0j}\left(t\right)\right)}^2}}=1$

其中，i为第i条馈线，i＝1,2,…,n-1，j为第j条馈线，j=1,2,…,n-1，且j≠i，T为采样周期时间，Δt为采样时间间隔。

（b）故障馈线零序电流变化量：

${\mathrm{\Δi}}_{0n}\left(t\right)=i_{0n}^2\left(t\right)-i_{0n}^1(t-T)$

$=-(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{0i}^2\left(t\right)+\frac{u_{02}\left(t\right)}{R}+\frac{u_{02}\left(t\right)}{\mathrm{j\ωL}})+(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{0i}^1(t-T)+\frac{u_{01}(t-T)}{\mathrm{j\ωL}})$

$=-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δi}}_{0i}\left(t\right)-\frac{u_{02}\left(t\right)}{R}-\frac{u_{02}\left(t\right)-u_{01}(t-T)}{\mathrm{j\ωL}}$

$=-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{C_{0n-1}}\∫(u_{02}\left(t\right)-u_{01}(t-T))\mathrm{dt}-\frac{u_{02}\left(t\right)}{R}-\frac{u_{02}\left(t\right)-u_{01}(t-T)}{\mathrm{j\ωL}}$

故障馈线的零序电流变化量由

和

三部分组成。其中，为容性分量，与∫(u₀₂(t)-u₀₁(t-T))dt波形成正比，比例系数为

为感性分量，

为阻性分量。由波形与波形、

波形三者叠加后的Δi_0n(t)波形与∫(u₀₂(t)-u₀₁(t-T)dt波形存在较大偏差。因此，故障馈线的零序电流变化量与正常馈线零序电流变化量波形相关系数：

${\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{nj}}={\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{jn}}=\frac{\underset{t=0}{\overset{T-\mathrm{\&Delta;t}}{\mathrm{\&Sigma;}}}[{\mathrm{\&Delta;i}}_{0n}\left(t\right)\&times;{\mathrm{\&Delta;i}}_{0j}\left(t\right)]}{\sqrt{\underset{t=0}{\overset{T-\mathrm{\&Delta;t}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left({\mathrm{\&Delta;i}}_{0n}\left(t\right)\right)}^2\&times;\underset{t=0}{\overset{T-\mathrm{\&Delta;t}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left({\mathrm{\&Delta;i}}_{0j}\left(t\right)\right)}^2}}<1$

其中，j为第j条馈线，j＝1，…，n－1。

上述步骤（3）中的生成投切并联电阻R前后各馈线零序电流变化量波形相关系数矩阵ρ：

$\mathrm{\&rho;}=\left[\begin{array}{ccccc}1& 1& ...& 1& {\mathrm{\&rho;}}_{1n}\\ 1& 1& ...& 1& {\mathrm{\&rho;}}_{2n}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ 1& 1& & 1& {\mathrm{\&rho;}}_{n-1n}\\ & & ...& & \\ {\mathrm{\&rho;}}_{n1}& {\mathrm{\&rho;}}_{n2}& & {\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{nn}-1}& 1\end{array}\right]$

上述步骤（4）中的计算零序电流变化量波形相关系数矩阵ρ的各行非对角元素和Sumρ_i（i＝1，…，n）：

$\mathrm{Sum}{\mathrm{\&rho;}}_1=\underset{\underset{j\&NotEqual;1}{j=1}}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&rho;}}_{1j}=n-1$

$\mathrm{Sum}{\mathrm{\&rho;}}_2=\underset{\underset{j\&NotEqual;2}{j=1}}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&rho;}}_{2j}=n-1$

......

$\mathrm{Sum}{\mathrm{\&rho;}}_{n-1}=\underset{\underset{j\&NotEqual;n-1}{j=1}}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&rho;}}_{n-1j}=n-1$

${\mathrm{Sum\&rho;}}_n=\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{nj}}<{\mathrm{Sum\&rho;}}_1={\mathrm{Sum\&rho;}}_2=...={\mathrm{Sum\&rho;}}_{n-1}=n-1$

上述步骤（5）中的选取零序电流变化量波形相关系数矩阵的行非对角元素和最小对应的第n条馈线为故障线，与实际第n条馈线故障情况一致。

本发明方法利用并联电阻投切前后各馈线零序电流变化量波形相关系数矩阵的行非对角元素和最小对应的馈线为故障馈线原理进行选线，选线原理简单，选线可靠性高，实用性强，选线结果不受过渡电阻、线路参数、线路长度、故障点位置和配电网运行方式的影响。

以上所述仅为本发明的较佳具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于零序电流变化量波形相关系数矩阵的配网故障选线方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）提供一种选线装置，其包括有依序连接的数据采集单元、计算处理单元和数据传送单元，其中数据采集单元用于实时采集配网母线零序电压和各馈线的零序电流，并传送给计算处理单元，计算处理单元对母线零序电压进行判断，当配网母线零序电压大于15%的配网母线相电压，数据采集单元实时采集各馈线投切并联电阻前的零序电流传送给计算处理单元，然后计算处理单元通过数据传送单元向配网侧的并联电阻发送投切指令，数据采集单元再次采集并联电阻投切后配网母线零序电压和各馈线的零序电流；

（2）计算处理单元计算并联电阻投切前后各馈线t采样时刻的零序电流变化量 $\mathrm{\&Delta;i}\left(t\right)=$ $i_{0i}^2\left(t\right)-i_{0i}^1(t-T),$ 其中，i为第i条馈线，i＝1,2,…,n，n为配网馈线数量，

为并联电阻投切前第i条馈线t-T采样时刻的零序电流瞬时值，

为并联电阻投切后第i条馈线t采样时刻的零序电流瞬时值，T为采样周期时间；

（3）根据步骤（2）计算结果进一步计算并联电阻投切前后各馈线零序电流变化量波形相关系数矩阵ρ：

$\mathrm{\&rho;}=\left[\begin{array}{ccccc}1& {\mathrm{\&rho;}}_{12}& ...& {\mathrm{\&rho;}}_{1n-1}& {\mathrm{\&rho;}}_{1n}\\ {\mathrm{\&rho;}}_{21}& 1& ...& {\mathrm{\&rho;}}_{2n-1}& {\mathrm{\&rho;}}_{2n}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{\&rho;}}_{n1}& {\mathrm{\&rho;}}_{n2}& ...& {\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{nn}-1}& 1\end{array}\right]$

其中，

T为采样周期时间，Δt为采样间隔，i为第i条馈线，i＝1,2,…,n，j为第j条馈线，j=1,2,…,n，且j≠i；

（4）根据步骤（3）计算结果进一步计算零序电流变化量波形相关系数矩阵ρ的各行非对角元素和Sumρ_i（i＝1,2,…,n）：

其中，i为第i条馈线，i＝1,2,…,n

（5）选取行非对角元素和，即Sumρ_i最小所对应的第i条馈线为故障馈线。

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