CN103245879B - 基于暂态无功功率方向的小电流接地故障定位方法 - Google Patents

Abstract

基于暂态无功功率方向的小电流接地故障定位方法，其特点是以电压或电流的变化作为故障启动条件，启动后若检测点可检测零序电压时取零序电压为参与电压，否则①根据3个暂态线电压的特征确定故障相，②根据故障相别确定包含故障信息的暂态线电压并取之为参与电压；而后确定特征频段范围；进而构造数字滤波器，对参与电压和零序电流信号进行滤波获得特征频段内分量；再利用特征频段内参与电压和零序电流分量确定各检测点无功功率方向进一步确定故障区段。本发明同时利用暂态电压和电流信号且同时利用零序电压和线电压，定位可靠性更高适应性更强，能够同时适用各种电压等级的接地故障的快速方向保护，可以兼顾保护速度和可靠性。

Description

基于暂态无功功率方向的小电流接地故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种小电流接地故障定位方法，特别是一种基于暂态无功功率方向的小电流接地故障定位方法，适用于中性点非有效接地电网的单相接地故障暂态定位方法。

背景技术

配电网密布城乡及山区，终年处于户外，经受风雨冰霜、雷电及日益严酷的环境污染等恶劣环境影响，加上不可预测的人为因素，发生故障的概率很高，尤其是架空线路。目前我国配电网多采用中性点不接地和经消弧线圈接地的运行方式，发生接地故障后，利用现有的选线装置可以选出故障线路，但是由于配电网采用辐射状网络，线路较长、分支众多、结构复杂，即使确定了故障出线也很难查找故障点。

对于小电流接地故障的检测，信号注入法在现场应用中有一定的效果，当发生永久性接地故障后，安装在变电站的信号发生装置利用暂时闲置的电压互感器向系统注入一定频率的交流电流信号，通过检测注入信号在系统中的路径和特征来实现故障定位。该方法取得了一定程度的应用，但存在以下缺点：接地电阻较大时线路上分布电容会对注入的信号分流，降低检测灵敏度和可靠性；需设计专用的大无功功率信号发生器，硬件成本高；并且不能检测瞬时性接地故障。配电自动化系统中，利用主站实现各检测装置的时间同步，对时误差至少为几个毫秒，对于利用暂态零序电流瞬时值比较的方法均无法应用。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种检测灵敏度和可靠性高、实用性强的基于暂态无功功率方向的小电流接地故障定位方法。

本发明的目的是通过以下途径来实现的：

基于暂态无功功率方向的小电流接地故障定位方法，其要点在于，包括如下步骤：

提供一种数据处理器，其采集线路上各检测点的参与电压u_x(t)和零序电流i₀(t)，在数据处理器中存储有设定的信号特征频段范围，每个特征频段范围都对应有线路结构和负荷分析检测点检测阻抗相频特性；

根据故障线路的结构和负荷分析检测点检测阻抗相频特性，提取其对应设定的特征频段范围；

提供一种数字滤波器，其对参与电压u_x(t)和零序电流i₀(t)的信号根据设定的特征频段范围进行滤波，保留特征频段分量；

数据处理器根据上述处理后的参与电压u_x(t)和零序电流i₀(t)进行如下处理：

将所获得的参与电压u_x(t)进行Hilbert变换，然后再将变换后的参与电压与暂态零序电流i₀(t)的乘积在暂态时段T内平均值计算无功功率方向参数D：

$D=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{i}_0\left(t\right){\hat{u}}_x\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{\mathrm{\πT}}{\∫}_0^T{i}_0\left(t\right){\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{u_x\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τdt}$

根据所获得的D进行如下判据：当D﹥0时表明无功功率由线路流向母线，故障位于检测点下游，D<0时表明无功功率由母线流向线路，故障位于检测点上游；

当相邻两个检测点检测到的无功功率方向不一致时，故障位于两检测点之间；当所有检测点检测的无功功率方向参数都小于零时，故障点位于母线和第一个检测点之间；当所有检测点检测的无功功率方向参数都大于零时，故障点位于最后一个检测点和线路末端之间。

本发明可以进一步具体为：

所述的参与电压根据检测点的情况进行如下选择：

当检测点能够检测零序电压时取零序电压为参与电压；若检测点只能检测线电压则根据如下步骤进行选择：

首先根据3个暂态线电压的特征确定故障相，即当U_ab>2U_bc且U_ca>2U_bc，则为A相接地；当U_ab>2U_ca且U_bc>2U_ca，则为B相接地；当U_bc>2U_ab且U_ca>2U_ab，则为C相接地；

然后根据故障相别确定包含故障信息的暂态线电压，当A相接地时，则选定u_ba或u_ca为参与电压；当B相接地时，则选定u_cb或u_ab为参与电压；当C相接地时，则选定u_ac或u_bc为参与电压。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

对于小电流接地故障，由于消弧线圈的影响和故障电流微弱、电弧不稳定等原因，基于稳态量的保护方法效果不理想，而暂态信号的幅值比稳态值大几倍到几十倍，可以保证保护灵敏度和可靠性，且暂态量保护不受消弧线圈影响。本发明同时利用暂态电压和电流信号，与仅利用暂态电流信号的保护方法相比，可靠性更高。本发明能够同时适用各种电压等级的接地故障的快速方向保护，可以兼顾保护速度和可靠性。本发明同时利用零序电压和线电压适应性更强。在故障发生后，能够快速确定故障方向。一般在5ms之内即可给出故障方向，进一步指令相应断路器、开关操作切除故障线路。

附图说明

附图1为本发明故障点附近的暂态线电压（零序电压）波形；

附图2为本发明小电流接地故障点上游暂态零序电流波形；

附图3为本发明小电流接地故障点下游暂态零序电流波形；

附图4为本发明小电流接地故障点两侧瞬时无功功率方向参数波形；

附图5为定位流程图。

下面结合附图对本发明做进一步阐述。

具体实施方式

本发明的小电流接地故障定位方法，可以应用在不同电压等级电网的小电流接地故障。可用多种方法实现，可以是具有专一功能的保护设备，也可以和其它功能（如配网自动化、馈线出口保护设备）共用软硬件平台。利用本发明确定故障方向只需要检测点处的故障信号，不需要其它线路或检测点的故障信息，具有自具特点。本方法具体实现流程图如图5所示。本方法的具体步骤如下：

（1）以电压、电流的变化作为故障的启动条件

在小电流接地系统中，当发生单相接地故障时，线路上的暂态电压和暂态零序电流都会变化。因此，可以利用暂态线电压或零序电压或零序电流超越一定的门槛作为单相接地故障的启动条件。所用的零序电流可以是直接测量的结果也可以是通过三相电流计算而来，零序电流的工频有效值或瞬时值都可以作为故障启动条件的依据。

（2）确定参与电压

当检测点可检测零序电压时取零序电压为参与电压，若检测点只能检测线电压则①根据3个暂态线电压的特征确定故障相，即当U_ab>2U_bc且U_ca>2U_bc，则为A相接地；当U_ab>2U_ca且U_bc>2U_ca，则为B相接地；当U_bc>2U_ab且U_ca>2U_ab，则为C相接地；②根据故障相别确定包含故障信息的暂态线电压，当A相接地时，则选定u_ba或u_ca为参与电压；当B相接地时，则选定u_cb或u_ab为参与电压；当C相接地时，则选定u_ac或u_bc为参与电压。

（3）特征频段的选定

故障暂态信号包含有广泛的频谱，定义其中含有主要能量且电压电流间呈明确关系的频段为特征频段。对于小电流接地故障，可以证明暂态信号的主谐振频率包含在特征频段内，因此，特征频段的截止频率根据主谐振频率来确定。由于实际使用的数字滤波器不可能具有零宽度的通带。因此，在计算出的主频率ω₁上必须添加一定的安全余量ω_r再作为高端截止频率，而特征频段的低端截止频率可以选为3倍的工频频率ω₀，即特征频段的截止频率为：（3ω₀，ω₁+ω_r）。

（4）获得暂态电压电流信号特征频段分量

由于特征频段以外的暂态电压电流信号不完全满足统一设定的关系，即不能根据统一的方法用来确定故障方向。因此，在计算故障方向之前必须对暂态电压、电流信号进行滤波。滤波的作用主要是：滤除不需要的暂态信号、滤除高频干扰信号。

（5）利用特征频段内的暂态参与电压和零序电流确定无功功率方向。

设特征频段内的暂态参与电压为ux(t)、暂态零序电流为i0(t)，时间长度为T。首先对电压信号进行Hilbert变换：

${\hat{u}}_x\left(t\right)=u_x\left(t\right)*h\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}\frac{u\left(\mathrm{\&tau;}\right)}{t-\mathrm{\&tau;}}\mathrm{d\&tau;}$

瞬时无功功率为：

$d\left(t\right)=i_0\left(t\right){\hat{u}}_x\left(t\right)=i_0\left(t\right){\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}\frac{u_x\left(\mathrm{\&tau;}\right)}{t-\mathrm{\&tau;}}\mathrm{d\&tau;}$

定义无功功率方向参数为暂态参与电压的Hilbert变换与暂态零序电流的乘积在暂态时间内的平均值即瞬时无功功率在暂态时间内的平均值：

$D=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{i}_0\left(t\right){\hat{u}}_x\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^{T}d\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;T}}{\&Integral;}_0^T{i}_0\left(t\right){\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}\frac{u_x\left(\mathrm{\&tau;}\right)}{t-\mathrm{\&tau;}}\mathrm{d\&tau;dt}$

当D﹥0时表明无功功率由线路流向母线，故障位于检测点下游，D<0时表明无功功率由母线流向线路，故障位于检测点上游。

（6）根据各检测点无功功率方向是否相同确定故障区段，当相邻两个检测点检测到的无功功率方向不一致时，故障位于两检测点之间；当所有检测点检测的无功功率方向参数都小于零时，故障点位于母线和第一个检测点之间；当所有检测点检测的无功功率方向参数都大于零时，故障点位于最后一个检测点和线路末端之间。

附图1为本发明故障点附近的暂态线电压（或零序电压）波形；附图2为本发明小电流接地故障点上游暂态零序电流波形；附图3为本发明小电流接地故障点下游暂态零序电流波形；附图4为本发明小电流接地故障点两侧瞬时无功功率方向参数形。

本发明未述部分与现有技术相同。

Claims (1)

1.基于暂态无功功率方向的小电流接地故障定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一种数据处理器，其采集线路上各检测点的参与电压u_x(t)和零序电流i₀(t)，在数据处理器中存储有设定的信号特征频段范围，每个特征频段范围都对应有线路结构和负荷分析检测点检测阻抗相频特性；

根据故障线路的结构和负荷分析检测点检测阻抗相频特性，提取其对应设定的特征频段范围；

提供一种数字滤波器，其对参与电压u_x(t)和零序电流i₀(t)的信号根据设定的特征频段范围进行滤波，保留特征频段分量；

数据处理器根据上述处理后的参与电压u_x(t)和零序电流i₀(t)进行如下处理：

将所获得的参与电压u_x(t)进行Hilbert变换，然后再将变换后的参与电压与暂态零序电流i₀(t)的乘积在暂态时段T内平均值计算无功功率方向参数D：

$D=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{i}_0\left(t\right){\hat{u}}_x\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;T}}{\&Integral;}_0^T{i}_0\left(t\right){\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}\frac{u_x\left(\mathrm{\&tau;}\right)}{t-\mathrm{\&tau;}}\mathrm{d\&tau;dt}$

根据所获得的D进行如下判据：当D﹥0时表明无功功率由线路流向母线，故障位于检测点下游，D<0时表明无功功率由母线流向线路，故障位于检测点上游；

当相邻两个检测点检测到的无功功率方向不一致时，故障位于两检测点之间；当所有检测点检测的无功功率方向参数都小于零时，故障点位于母线和第一个检测点之间；当所有检测点检测的无功功率方向参数都大于零时，故障点位于最后一个检测点和线路末端之间；

所述的参与电压根据检测点的情况进行如下选择：

当检测点能够检测零序电压时取零序电压为参与电压；若检测点只能检测线电压则根据如下步骤进行选择：

首先根据3个暂态线电压的特征确定故障相，即当U_ab>2U_bc且U_ca>2U_bc，则为A相接地；当U_ab>2U_ca且U_bc>2U_ca，则为B相接地；当U_bc>2U_ab且U_ca>2U_ab，则为C相接地；

然后根据故障相别确定包含故障信息的暂态线电压，当A相接地时，则选定u_ba或u_ca为参与电压；当B相接地时，则选定u_cb或u_ab为参与电压；当C相接地时，则选定u_ac或u_bc为参与电压。