CN103048582A - 基于负序阻抗角的配电网单相接地故障选线方法 - Google Patents

Abstract

基于负序阻抗角的配电网单相接地故障选线方法，属电力系统继电保护技术领域，其特征在于，首先对配电网中所有线路的近电源端三相电流及系统的三相电压进行同步采样；根据采样结果计算系统负序电压故障分量的相角以及所有线路近电源端负序电流故障分量的相角，进而得到所有线路近电源端故障分量负序阻抗角；若某线路的近电源端故障分量负序阻抗角在-80°~-190°之间，且与该线路远电源端相连的所有线路的近电源端负序阻抗角都在-10°~100°之间，则该线路确定为故障线路，否则为正常线路；对一典型35kV多分支复杂配电网单相接地故障的计算表明，本发明提出的方法能够正确、灵敏的选出故障线路，且选线原理不受消弧线圈的影响，可应用于各种接地方式的配电网。

Description

基于负序阻抗角的配电网单相接地故障选线方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种应用于配电网的单相接地故障选线方法。

背景技术

单相接地是配电网发生几率最高的故障，约占全部故障的80%，但配电网单相接地故障选线一直是困扰人们的技术难题。由于故障电流较小且故障特征不明显，中性点采用经消弧线圈接地方式的配电网故障选线更加困难。

近年来学者们提出了很多选线方法，并开发出一系列的选线装置，与此项技术相关的发明专利也较多。基于故障暂态电气量的选线方法是近年来的研究热点，中国专利公开号CN1423132 和CN101154807的发明专利分别基于故障后的暂态零序电压和暂态零序电流等有关信息进行故障选线。但目前对暂态故障特征的研究尚不深入，且由于暂态电气量的持续时间很短，故障特征的有效提取对选线装置提出了较高要求，限制了该方法的应用。

传统的基于零序功率方向的选线方法物理概念清楚，在中性点经小电阻接地的电缆型配电网中得到了广泛的应用。但当配电网经消弧线圈接地时，往往处于过补偿方式，这时流经故障线路的零序功率的实际方向由母线流向线路，同正常线路的方向相同，该方法失去了作用。

由于故障阻抗、线路设备等非线性因素会在配电网中产生以5次谐波为主的谐波电流，而消弧线圈是根据基波整定的，对5次谐波的补偿作用较弱。公开号CN102768326基于故障电流的5次谐波提出了一种适用于补偿电网的单相接地故障选线方法。该方法通过增强系统中的5次谐波电流，从而提高了选线的灵敏性。但由于配电网中非线性分布式电源的大量接入，导致采用谐波电流进行故障选线的可靠性大打折扣。

公开号CN102565623提出了一种多分支复杂配电网在线故障搜索定位方法，该方法基于配电网的分段潮流计算逐段搜索故障线路。当接地电阻较高时，单相接地故障对系统中的潮流影响非常小，该方法将失去作用。

本发明提出一种基于负序阻抗角的配电网单相接地故障选线方法，该方法的原理不受接地方式及正常时配网系统中负序电流的影响，且仅需线路的单端电气量，实现成本低。

发明内容

本发明的目的是为配电网提供一种单相接地故障选线方法。该方法基于配网系统负序电压及各线路近电源端负序电流的测量，当配电网发生单相接地故障时，可有效选出故障线路。本发明的特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤（1），对配电网中所有线路的近电源端三相电流及系统的三相电压进行同步采样；

步骤（2），计算所述配电网的系统负序电压故障分量相角；

步骤（3），计算所述配电网中所有线路近电源端负序电流故障分量相角

；

步骤（4），计算所述配电网中所有线路近电源端故障分量负序阻抗角；

步骤（5），若某线路的近电源端故障分量负序阻抗角在-80°~-190°之间，且与该线路远电源端相连的所有线路的近电源端负序阻抗角都在-10°~100°之间，则该线路确定为故障线路，否则为正常线路。

前述的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于：在所述步骤（1）中，0.02秒内同步采样不低于12次。

前述的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于：在所述步骤（2）中，负序电压故障分量相角的计算方法为，

首先计算电压的故障分量，设一个工频周期的采样数为N，则，

Δu(n)=u(n)-u(n-KN)

式中，n=1,2,…N，表示一个周期内的采样点，Δu(n)为电压故障分量序列，u(n)为采样得到的电压序列，K为差值计算的相邻周波数，可以取1,2，…；

在得到三相电压故障分量序列Δu(n)后，采用傅立叶滤波算法求得各相电压故障分量基频相量的实部和虚部，令三相电压的故障分量相量记为，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_a={\mathrm{\ΔU}}_{R,a}+\mathrm{j\Δ}{U}_{1,a}\\ {\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{U}}_b={\mathrm{\ΔU}}_{R,b}+\mathrm{j\Δ}{U}_{1,b}\\ {\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{U}}_c={\mathrm{\ΔU}}_{R,c}+\mathrm{j\Δ}{U}_{1,c}\end{array}\right.$ ，

式中，

为A相电压的故障分量相量，

为B相电压的故障分量相量，

为C相电压的故障分量相量，

ΔU_R,a为A相电压的故障分量相量的实部，

ΔU_R,b为B相电压的故障分量相量的实部，

ΔU_R,c为C相电压的故障分量相量的实部，

ΔU_I,a为A相电压的故障分量相量的虚部，

ΔU_I,b为B相电压的故障分量相量的虚部，

ΔU_I,c为C相电压的故障分量相量的虚部；

从而，负序电压故障分量的相角为，

式中：

${\mathrm{\ΔU}}_{R,2}={\mathrm{\ΔU}}_{R,a}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔU}}_{R,b}+\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{\ΔU}}_{I,b}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔU}}_{R,c}-\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{\ΔU}}_{I,c}$ ，

${\mathrm{\ΔU}}_{I,2}={\mathrm{\ΔU}}_{I,a}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔU}}_{I,b}-\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{\ΔU}}_{R,b}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔU}}_{I,c}+\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{\ΔU}}_{R,c}$ 。

前述的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于：在所述步骤（3）中，线路近电源端负序电流故障分量相角的计算方法为，

近电源端电流故障分量序列为，

Δi(n)=i(n)-i(n-KN)

式中，Δi(n)为电流故障分量序列，i(n)为采样得到的电流序列；

采用傅立叶滤波算法求得各相电流故障分量基频相量的实部和虚部，令三相电流的故障分量相量记为，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{I}}_a={\mathrm{\ΔI}}_{R,a}+j{\mathrm{\ΔI}}_{I,a}\\ {\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{I}}_b={\mathrm{\ΔI}}_{R,b}+j{\mathrm{\ΔI}}_{I,c}\\ {\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{I}}_c={\mathrm{\ΔI}}_{R,c}+j{\mathrm{\ΔI}}_{I,c}\end{array}\right.$ ，

式中，

为A相电流的故障分量相量，

为B相电流的故障分量相量，

为C相电流的故障分量相量，

ΔI_R,a为A相电流的故障分量相量的实部，

ΔI_R,b为B相电流的故障分量相量的实部，

ΔI_R,c为C相电流的故障分量相量的实部，

ΔI_I,a为A相电流的故障分量相量的虚部，

ΔI_I,b为B相电流的故障分量相量的虚部，

ΔI_I,c为C相电流的故障分量相量的虚部；

从而，负序电流故障分量的相角为，

式中：

${\mathrm{\ΔI}}_{R,2}={\mathrm{\ΔI}}_{R,a}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔI}}_{R,b}+\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{\ΔI}}_{I,b}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔI}}_{R,c}-\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{\ΔI}}_{I,c}$ ，

${\mathrm{\ΔI}}_{I,2}={\mathrm{\ΔI}}_{I,a}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔI}}_{I,b}-\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{\ΔI}}_{R,b}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔI}}_{I,c}+\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{\ΔI}}_{R,c}$ 。

通过对一典型35kV多分支配电网单相接地故障的计算与分析表明，本发明提出的方法能够正确、灵敏的选出故障线路，验证了本方法的有效性；本方法可在配电网实际运行时确定故障线路，无需辅助拉闸等操作，具有较强的实用性；并且本方法只需从各线路采集首端三相电流及系统的三相电压，成本较低、可行性较强。应用本方法可实现对各种接地方式配电网的单相接地故障选线。

附图说明

图1为本发明的程序框图。

图2为中性点经消弧线圈接地的多分支配电网示意图。

图3为多分支配电网的负序等效网络示意图。

图4为正常线路的故障分量负序等值电路。

图5为正常线路的故障分量基波负序相量图。

图6为故障线路的故障分量负序等值电路。

图7为故障线路的故障分量基波负序相量图。

图8为正常线路与故障线路在阻抗角平面的区分。

图9为一典型35kV复杂多分支配电网的模型。

具体实施方式

首先简要介绍本发明的基本原理。

以图2所示的中性点经消弧线圈接地的配电网为例进行说明。当线路II的A相发生接地故障时，负序等效网络如图3所示，图中U_k2为故障点附加负序等效电源。因此，由故障引起的负序功率从故障线路流向母线及非故障线路，这反映了正常线路和故障线路负序电压与负序电流之间相位关系的不同。

对于正常线路Ι，近电源端的端口实际负序电流与负序电压应满足图4标示的方向。由于实际电网及负荷总是呈现阻感性质，因此与图4对应的基波负序相量图如图5所示，即故障分量负序阻抗角在总是在0~90°之间。实际中，考虑一定的裕度，可取-10°~100°。

而对于故障线路ΙΙ，近电源端的端口实际负序电流与负序电压应满足图6标示的方向。与图6对应的基波负序相量图如图7所示，即故障分量负序阻抗角在总是在-90°~-180°之间。实际中，考虑一定的裕度，可取-80°~-190°。

图8为正常线路与故障线路在阻抗角平面的区分。

由于实际的配电网都是多分支的复杂网络，如图9所示为一典型35kV多分支复杂配电网的模型。记第21号和22号节点之间的线路为I号线路，第21号和20号节点之间的线路为II号线路，第21号和23号节点之间的线路为Ⅲ号线路，第21号和24号节点之间的线路为Ⅳ号线路。若II号线路发生单相接地故障，则不仅II号线路的近电源端故障分量负序阻抗角在-80°~-190°之间，与II号线路相连的去电源方向的线路，比如节点13-20间、11-13间、2-11间线路的近电源端故障分量负序阻抗角均在-80°~-190°之间。但仅与II号线路相连的所有线路的近电源端负序阻抗角都在-10°~100°之间。因此实际判断中，应采用步骤（5）：“若某线路的近电源端故障分量负序阻抗角在-80°~-190°之间，且与该线路远电源端相连的所有线路的近电源端负序阻抗角都在-10°~100°之间，则该线路确定为故障线路，否则为正常线路。”进行判断。

利用PSCAD/EMTDC软件对线路II发生的A相接地故障进行了电磁暂态仿真，仿真中考虑了包括中性点不接地、中性点经小电阻接地、中性点经消弧线圈接地等不同接地方式以及正常运行时系统存在的不平衡负序电流。通过各种运行方式下的仿真发现，整个配网系统中仅线路II的近电源端故障分量负序阻抗角在-80°~-190°之间，且与线路II远电源端相连的所有线路（即I、Ⅲ、Ⅳ号线路）的近电源端负序阻抗角都在-10°~100°之间。验证了本发明提出方法的正确性，并能够摒弃正常运行时系统不对称引起的负序电流的影响，且适用于各种接地方式的配电网。

Claims (4)

1.基于负序阻抗角的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤（1），对配电网中所有线路的近电源端三相电流及系统的三相电压进行同步采样；

步骤（2），计算所述配电网的系统负序电压故障分量相角

；

步骤（3），计算所述配电网中所有线路近电源端负序电流故障分量相角

；

步骤（4），计算所述配电网中所有线路近电源端故障分量负序阻抗角

；

步骤（5），若某线路的近电源端故障分量负序阻抗角在-80°~-190°之间，且与该线路远电源端相连的所有线路的近电源端负序阻抗角都在-10°~100°之间，则该线路确定为故障线路，否则为正常线路。

2.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于：在所述步骤（1）中，0.02秒内同步采样不低于12次。

3.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于：在所述步骤（2）中，负序电压故障分量相角的计算方法为

首先计算电压的故障分量，设一个工频周期的采样数为N，则，

Δu(n)=u(n)-u(n-KN)

式中，n=1,2,…N，表示一个周期内的采样点，Δu(n)为电压故障分量序列，u(n)为采样得到的电压序列，K为差值计算的相邻周波数，可以取1,2，…；

在得到三相电压故障分量序列Δu(n)后，采用傅立叶滤波算法求得各相电压故障分量基频相量的实部和虚部，令三相电压的故障分量相量记为，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_a={\mathrm{\ΔU}}_{R,a}+\mathrm{j\Δ}{U}_{1,a}\\ {\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{U}}_b={\mathrm{\ΔU}}_{R,b}+\mathrm{j\Δ}{U}_{1,b}\\ {\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{U}}_c={\mathrm{\ΔU}}_{R,c}+\mathrm{j\Δ}{U}_{1,c}\end{array}\right.$ ，

式中，

为A相电压的故障分量相量，

为B相电压的故障分量相量，

为C相电压的故障分量相量，

ΔU_R,a为A相电压的故障分量相量的实部，

ΔU_R,b为B相电压的故障分量相量的实部，

ΔU_R,c为C相电压的故障分量相量的实部，

ΔU_I,a为A相电压的故障分量相量的虚部，

ΔU_I,b为B相电压的故障分量相量的虚部，

ΔU_I,c为C相电压的故障分量相量的虚部；

从而，负序电压故障分量的相角为，

式中：

${\mathrm{\ΔU}}_{R,2}={\mathrm{\ΔU}}_{R,a}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔU}}_{R,b}+\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{\ΔU}}_{I,b}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔU}}_{R,c}-\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{\ΔU}}_{I,c}$ ，

${\mathrm{\ΔU}}_{I,2}={\mathrm{\ΔU}}_{I,a}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔU}}_{I,b}-\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{\ΔU}}_{R,b}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔU}}_{I,c}+\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{\ΔU}}_{R,c}$ 。

4.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于：在所述步骤（3）中，线路近电源端负序电流故障分量相角的计算方法为

近电源端电流故障分量序列为，

Δi(n)=i(n)-i(n-KN)

式中，Δi(n)为电流故障分量序列，i(n)为采样得到的电流序列；

采用傅立叶滤波算法求得各相电流故障分量基频相量的实部和虚部，令三相电流的故障分量相量记为，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{I}}_a={\mathrm{\ΔI}}_{R,a}+j{\mathrm{\ΔI}}_{I,a}\\ {\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{I}}_b={\mathrm{\ΔI}}_{R,b}+j{\mathrm{\ΔI}}_{I,c}\\ {\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{I}}_c={\mathrm{\ΔI}}_{R,c}+j{\mathrm{\ΔI}}_{I,c}\end{array}\right.$ ，

式中，

为A相电流的故障分量相量，

为B相电流的故障分量相量，

为C相电流的故障分量相量，

ΔI_R,a为A相电流的故障分量相量的实部，

ΔI_R,b为B相电流的故障分量相量的实部，

ΔI_R,c为C相电流的故障分量相量的实部，

ΔI_I,a为A相电流的故障分量相量的虚部，

ΔI_I,b为B相电流的故障分量相量的虚部，

ΔI_I,c为C相电流的故障分量相量的虚部；

从而，负序电流故障分量的相角为，

式中：

${\mathrm{\ΔI}}_{R,2}={\mathrm{\ΔI}}_{R,a}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔI}}_{R,b}+\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{\ΔI}}_{I,b}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔI}}_{R,c}-\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{\ΔI}}_{I,c}$ ，

${\mathrm{\ΔI}}_{I,2}={\mathrm{\ΔI}}_{I,a}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔI}}_{I,b}-\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{\ΔI}}_{R,b}-\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔI}}_{I,c}+\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{\ΔI}}_{R,c}$ 。

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