CN103063984A - 基于线路双端负序电流的配电网单相接地故障选线方法 - Google Patents

Abstract

基于线路双端负序电流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拟判断线路的首末端三相电流进行同步采样；再根据采样结果计算线路首末端的负序电流分量；正常线路首末端的负序电流分量相等，而发生单相接地故障的线路首末端负序电流出现差值，由此形成故障选线判据；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，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

基于线路双端负序电流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线路双端负序电流的配电网单相接地故障选线方法，该方法通过比较线路两端的负序电流，能够摒弃正常时配网系统中负序电流的影响。并且，由于故障负序电流的方向不受接地方式的影响，该方法适用于包括消弧线圈接地的所有类型配电网。

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。该方法基于线路双端负序电流的测量，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），对配电网中一条线路的首末端三相电流进行同步采样；

步骤（2），计算所述配电网中该线路的首末端的负序电流；

步骤（3），将所述线路首末端的负序电流相减，若该线路首末端负序电流之差的绝对值大于所设定阈值ε，则判断其发生了单相接地故障。

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，负序电流的计算方法为：

首先采用傅立叶滤波算法求得各相电流基频相量的实部和虚部，令线路首端三相电流相量记为

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{.}{I}}_{i,1,a}=I_{R,i,1,a}+j{I}_{I,i,1,a}\\ {\stackrel{.}{I}}_{i,1,b}=I_{R,i,1,b}+j{I}_{I,i,1,b}\\ {\stackrel{.}{I}}_{i,1,c}=I_{R,i,1,c}+j{I}_{I,i,1,c}\end{array}\right.$ ，

式中：

为线路首端A相电流相量，

I_R,i,1,a为线路首端A相电流的实部，

I_I,i,1,a为线路首端A相电流的虚部，

为线路首端B相电流相量，

I_R,i,1,b为线路首端B相电流的实部，

I_I,i,1,b为线路首端B相电流的虚部，

为线路首端C相电流相量，

I_R,i,1,c为线路首端C相电流的实部，

I_I,i,1,c为线路首端C相电流的虚部；

令线路末端三相电流相量记为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{.}{I}}_{i,2,a}=I_{R,i,2,a}+j{I}_{I,i,2,a}\\ {\stackrel{.}{I}}_{i,2,b}=I_{R,i,2,b}+j{I}_{I,i,2,b}\\ {\stackrel{.}{I}}_{i,2,c}=I_{R,i,2,c}+j{I}_{I,i,2,c}\end{array}\right.$ ，

式中：

为线路末端A相电流相量，

I_R,i,2,a为线路末端A相电流的实部，

为线路末端A相电流的虚部，

为线路末端B相电流相量，

I_R,i,2,b为线路末端B相电流的实部，

I_I,i,2,b为线路末端B相电流的虚部，

为线路末端C相电流相量，

I_R,i,2,c为线路末端C相电流的实部，

I_I,i,2,c为线路末端C相电流的虚部；

线路首端的负序电流为：

$I_{i,\mathrm{1,2}}=\frac{1}{3}\sqrt{I_{R,i,\mathrm{1,2}}^2+I_{I,i,\mathrm{1,2}}^2}$ ，

式中：

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

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

线路末端的负序电流为：

$I_{i,\mathrm{2,2}}=\frac{1}{3}\sqrt{I_{R,i,\mathrm{2,2}}^2+I_{I,i,\mathrm{2,2}}^2}$ ，

式中：

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

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

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，所设定阈值ε为实测正常运行时线路首末端负序电流之差绝对值的最大值。

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末端三相电流，具有可行性。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为多分支配电网的零序等效网络示意图。

图4为多分支配电网的负序等效网络示意图。

图5为一典型35kV多分支配电网的仿真模型。

图6为典型35kV多分支配电网中性点不接地时，I号线路首端的三相电流。

图7为典型35kV多分支配电网中性点不接地时，I号线路末端的三相电流。

图8为典型35kV多分支配电网中性点不接地时，II号线路首端的三相电流。

图9为典型35kV多分支配电网中性点不接地时，II号线路末端的三相电流。

图10为典型35kV多分支配电网中性点不接地时，I号和II号两条线路首末端的负序电流之差。

图11为典型35kV多分支配电网中性点经消弧线圈接地且负荷不对称时，I号线路首端的三相电流。

图12为典型35kV多分支配电网中性点经消弧线圈接地且负荷不对称时，I号线路末端的三相电流。

图13为典型35kV多分支配电网中性点经消弧线圈接地且负荷不对称时，II号线路首端的三相电流。

图14为典型35kV多分支配电网中性点经消弧线圈接地且负荷不对称时，II号线路末端的三相电流。

图15为典型35kV多分支配电网中性点经消弧线圈接地且负荷不对称时，I号和II号两条线路首末端的负序电流之差。

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，零序等效网络如图3所示，图中U_k0为故障点附加零序等效电源。由于电源的中性点接入了消弧线圈，当线路II发生A相接地时，接地点会增加一个电感分量的电流，因此从接地点流向网络的总电流为：

${\stackrel{.}{I}}_k={\stackrel{.}{I}}_L+{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{c\Σ}}$

上式中：

为消弧线圈电流；为配电网络整个系统的对地电容电流。

由于

和

的相位相差180°，流经故障线路的零序电流是经过消弧线圈的零序电流

与非故障线路零序电流之差。而为了避免系统谐振，实际中的消弧线圈均采用过补偿方式，这时无论故障线路还是非故障线路的电容性无功功率实际方向都是由母线流向线路，利用零序功率方向无法实现故障选线。

图4所示为对应于图2的负序等效网络示意图，故障后的系统负序网络中不含接地的消弧线圈。因此，故障后系统的负序电流分布不受消弧线圈接入及运行方式的影响，故障负序电流完全由接地点处的附加等值负序电源U_k2引起。并且由于系统负序网络中不含线路的分布电容，对于任一条线路，除非其发生了接地故障，否则该线路的首末端负序电流在同一时刻总是相等。如图4所示，负荷不对称等实际因素引起的系统负序电流I_1,z,2和I_2,z,2是穿越性的，正常线路的首末端负序电流之差理论上应为零。而对于发生单相接地故障的线路，由于附加等值负序电源的接入将会在故障点产生分别流向母线及下一级线路或负荷的负序电流I_2,k,2和I′_2,k,2，使得线路首末端负序电流不再相等，由此可实现单相接地故障的选线。

图5为一典型35kV多分支配电网的仿真模型，记第1号和2号节点之间的线路为I号线路，第1号和0号节点之间的线路为II号线路；定义靠近母线的为线路首段，靠近负荷的为线路末端。利用PSCAD/EMTDC软件对线路I发生的C相接地故障进行了电磁暂态仿真，故障发生在0.2s。图6和图7分别为中性点不接地时I号线路首端和末端的三相电流，图8和图9为II号线路首端和末端的三相电流。图10为两条线路的首末端负序电流之差，当发生C相接地故障时，I号线路首端和末端稳态负序电流之差为5.40A，而II号线路的首端和末端稳态负序电流之差为0.0002A。可见，利用首末端的负序电流之差能正确、灵敏的选择出故障线路。

为了进一步验证本发明对采用中性点经消弧线圈接地的配电网的适用性，如图5所示，在系统降压变的低压侧接入消弧线圈，其过补偿度约为10%。同时，在模型中将2、3、4号节点的负荷设定为三相不对称负荷，以考虑系统正常运行时可能存在的负序电流对选线判据的影响。图11和图12为I号线路首端和末端的三相电流，图13和图14为II号线路首端和末端的三相电流。

从以上图11~图14可见，0.2s故障前系统中各支路的三相电流就不平衡，存在由负荷不对称引起的负序电流。图15为两条线路的首末端负序电流之差，由图可知，正常运行时系统存在的不平衡不会引起线路两端负序电流差。而当发生C相接地故障时，I号线路首端和末端稳态负序电流之差为0.48A，且在故障发生后的电气暂态过程中该差值一度接近2.5A。而II号线路的首端和末端稳态负序电流之差依然为0.0002A。由此可见，本发明提出的故障选线方法能够摒弃正常运行时系统不对称带来的负序电流，且适用于消弧线圈接地方式的配电网。

Claims (4)

1.基于线路双端负序电流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），对配电网中一条线路的首末端三相电流进行同步采样；

步骤（2），计算所述配电网中该线路的首末端的负序电流；

步骤（3），将所述线路首末端的负序电流相减，若该线路首末端负序电流之差的绝对值大于所设定阈值ε，则判断其发生了单相接地故障。

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：其特征在于：在所述步骤（2）中，负序电流的计算方法为：

首先采用傅立叶滤波算法求得各相电流基频相量的实部和虚部，令线路首端三相电流相量记为

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{.}{I}}_{i,1,a}=I_{R,i,1,a}+j{I}_{I,i,1,a}\\ {\stackrel{.}{I}}_{i,1,b}=I_{R,i,1,b}+j{I}_{I,i,1,b}\\ {\stackrel{.}{I}}_{i,1,c}=I_{R,i,1,c}+j{I}_{I,i,1,c}\end{array}\right.$ ，

式中：

为线路首端A相电流相量，

I_R,i,1,a为线路首端A相电流的实部，

I_I,i,1,a为线路首端A相电流的虚部，

为线路首端B相电流相量，

I_R,i,1,b为线路首端B相电流的实部，

I_I,i,1,b为线路首端B相电流的虚部，

为线路首端C相电流相量，

I_R,i,1,c为线路首端C相电流的实部，

I_I,i,1,c为线路首端C相电流的虚部；

令线路末端三相电流相量记为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{.}{I}}_{i,2,a}=I_{R,i,2,a}+j{I}_{I,i,2,a}\\ {\stackrel{.}{I}}_{i,2,b}=I_{R,i,2,b}+j{I}_{I,i,2,b}\\ {\stackrel{.}{I}}_{i,2,c}=I_{R,i,2,c}+j{I}_{I,i,2,c}\end{array}\right.$ ，

式中：

为线路末端A相电流相量，

I_R,i,2,a为线路末端A相电流的实部，

为线路末端A相电流的虚部，

为线路末端B相电流相量，

I_R,i,2,b为线路末端B相电流的实部，

I_I,i,2,b为线路末端B相电流的虚部，

为线路末端C相电流相量，

I_R,i,2,c为线路末端C相电流的实部，

I_I,i,2,c为线路末端C相电流的虚部；

线路首端的负序电流为：

$I_{i,\mathrm{1,2}}=\frac{1}{3}\sqrt{I_{R,i,\mathrm{1,2}}^2+I_{I,i,\mathrm{1,2}}^2}$ ，

式中：

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

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

线路末端的负序电流为：

$I_{i,\mathrm{2,2}}=\frac{1}{3}\sqrt{I_{R,i,\mathrm{2,2}}^2+I_{I,i,\mathrm{2,2}}^2}$ ，

式中：

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

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

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，所设定阈值ε为实测正常运行时线路首末端负序电流之差绝对值的最大值。

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