CN103245880A - 利用线路等效参数识别原理的小电流接地故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小电流接地故障定位方法，特别是一种利用线路等效参数识别原理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，启动后利用检测点检测的零模电压或者暂态线电压特征确定参与参数识别的电压，而后确定特征频段范围，进而构造数字滤波器，对参与电压和零模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模电流分量识别各检测点等效电容，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，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

利用线路等效参数识别原理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，特别是一种利用线路等效参数识别原理的小电流接地故障定位方法。

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定位，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。同时，一些应用于输电线路故障测距的方法也逐渐用来解决配电网定位问题。如：行波测距，它利用计算接近光速的故障波头往返于故障区段的时间，实现故障测距，它需要DSP处理技术，高速数据采集技术，通信技术的支持，其定位的关键是行波信号的有效获取及波头到达时刻的判定。利用暂态信号频谱分析的方法，它的定义是某一行波波阻抗不连续点（包括故障点）到故障测量点的距离与特征频率的大小成反比，通过计算反应故障信号特征频率方法计算故障距离，其测距的关键是故障点对应的特征频率的有效判定，这是因为当配电网出线、分支较多时，特征频率将会很多，接近的频率将会混叠，导致测距的最终失败。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，对于利用暂态零模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、实用性强的利用线路等效参数识别原理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：

利用线路等效参数识别原理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)和暂态零模电流i₀(t)，

在数据处理器中根据暂态零模电流主谐振频率确定特征频段的截止频率（3ω₀，ω₁+ω_r）；其中ω₀工频频率，ω₁主频率，ω_r安全余量；

提供一种数字滤波器，对参与参数识别的参与电压和暂态零模电流信号进行滤波，保留以截止频率作为特征频段的分量，并分别记为u_x(t)、i₀(t)；

根据特征频段内线电压和零模电流的特征，采用如下数学模型识别检测点的线路等效参数值E_p：

$E_p=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{i_0\left(k\right)}{{\mathrm{du}}_x\left(k\right)/\mathrm{dt}}$

式中n代表单相接地故障暂态过程的采样个数，k同t，为时间参数，当E_p﹥0时表明线路等效为电容参数，E_p<0时表明线路等效为电感参数；

根据各检测点识别的线路等效参数确定故障区段，当相邻两个检测点检测到的线路等效参数不一致时，故障位于两检测点之间；当所有检测点检测的线路等效参数都为电容时，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线路等效参数都为电感时，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模电压时取零模电压为参与电压；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。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为本发明所述小电流接地故障定位方法的流程图；

附图2为具体实施方式中实现方法所用系统的结构示意图。

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。本方法具体实现流程图如图1所示。方法步骤如下：

（1）以电压或电流的变化作为故障启动条件

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模电流都会变化。因此，可以利用暂态线电压或零模电流超越一定的门槛作为单相接地故障的启动条件。所用的零模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，零模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）当检测点能够检测零模电压时取零模电压为参与电压；若检测点只能检测线电压则根据如下步骤选择参与电压：

当U_ab>2U_bc且U_ca>2U_bc时，选定u_ba或u_ca参与参数识别；

当U_ab>2U_ca且U_bc>2U_ca时，选定u_cb或u_ab参与参数识别；

当U_bc>2U_ab且U_ca>2U_ab时，选定u_ac或u_bc参与参数识别。

（3）根据暂态零模电流主谐振频率确定特征频段的截止频率

故障暂态信号包含有广泛的频谱，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）构造数字滤波器，对参与参数识别的零模电压（或者暂态线电压）和暂态零模电流信号进行滤波，保留特征频段分量分别记为u_x(t)、i₀(t)。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）根据特征频段内线电压和零模电流的特征，采用如下数学模型识别检测点的线路等效参数值：

$E_p=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{i_0\left(k\right)}{{\mathrm{du}}_x\left(k\right)/\mathrm{dt}}$

式中n代表单相接地故障暂态过程的采样个数，当E_p﹥0时表明线路等效为电容参数，E_p<0时表明线路等效为电感参数。

（6）根据各检测点识别的线路等效参数确定故障区段，当相邻两个检测点检测到的线路等效参数不一致时，故障位于两检测点之间；当所有检测点检测的线路等效参数都为电容时，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线路等效参数都为电感时，故障点位于最后一个检测点和线路末端之间。

以下结合附图2对本发明的方法进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。整套检测系统有三部分组成：分布于线路各个检测点的检测设备（此处假定都是FTU）、主站、联系各个检测设备与主站的通信系统。L₁、L₂、L₃、L₄为母线1的4条出线其中线路长度L₁=3km、L₂=9km、L₃=12km、L₄=20km，S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S'₁、S'₂、S'₃为分段开关，K为联络开关。

系统运行系统正常运行时，FTU不断采集暂态电流信号并比较其变化量，当该变化量很小、未达到定值时，FTU不会启动。

当发生单相接地故障（如S₂、S₃之间发生A相接地故障）时，各FTU不断采集暂态电流信号并检测到其变化量超过一定值，FTU将带有时间标签的暂态电流、线电压录波数据（或对应的近似熵值）等信息上报主站。主站收集到变电所选线装置和各个FTU故障信息后，根据选线装置的电压信息确认是否发生接地故障，对于扰动则退出。对于单相接地故障主站则采用如下步骤进行定位。

确定参与参数识别的线电压，比较各线电压关系，此时线电压满足U_ab>2U_bc且U_ca>2U_bc，则选定u_ba或u_ca参与参数识别，此处暂选u_ba参与参数识别。

选定特征频段，根据各线路参数及各线路长度计算出的主频率ω₁=2100Hz，并在ω₁上添加一定的安全余量ω_r，ω_r=100Hz作为高端截止频率，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：（150Hz，2200Hz）。

对暂态电压u_ba及各FTU上传的暂态零模电流信号滤波，滤除不需要的暂态信号和高频干扰信号，获得暂态电压u_ba及各检测点电流信号的特征频段分量。根据特征频段内线电压和零模电流的特征，采用式（1）识别各检测点线路等效参数。计算得检测点1-5的等效参数值E_p1=-19837，E_p2=-7983，E_p3=794，E_p4=384，E_p5=634，即开关S₁、S₂处的线路等效参数为电感，开关S₃、S₄、S₅处的线路等效参数为电容，从而确定S₂、S₃之间为故障区段。

主站以各种形式报告接地信息，并自动或人工在适当时机指令断开检测点2和检测点3开关并闭合联络开关，保证隔离故障区段进行检修，同时不影响健全区段的供电。

当故障位于其他区段时，定位过程与故障位于S₂、S₃之间类似，不再一一赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

本发明未述部分与现有技术相同。

Claims (2)

1.利用线路等效参数识别原理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)和暂态零模电流i₀(t)，

在数据处理器中根据暂态零模电流主谐振频率确定特征频段的截止频率（3ω₀，ω₁+ω_r）；其中ω₀工频频率，ω₁主频率，ω_r安全余量；

提供一种数字滤波器，对参与参数识别的参与电压和暂态零模电流信号进行滤波，保留以截止频率作为特征频段的分量，并分别记为u_x(t)、i₀(t)；

根据特征频段内线电压和零模电流的特征，采用如下数学模型识别检测点的线路等效参数值E_p：

$E_p=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{i_0\left(k\right)}{{\mathrm{du}}_x\left(k\right)/\mathrm{dt}}$

式中n代表单相接地故障暂态过程的采样个数，k同t，为时间参数，当E_p﹥0时表明线路等效为电容参数，E_p<0时表明线路等效为电感参数；

根据各检测点识别的线路等效参数确定故障区段，当相邻两个检测点检测到的线路等效参数不一致时，故障位于两检测点之间；当所有检测点检测的线路等效参数都为电容时，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线路等效参数都为电感时，故障点位于最后一个检测点和线路末端之间。

2.根据权利要求1所述的利用线路等效参数识别原理的小电流接地故障定位方法，其特征在于，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模电压时取零模电压为参与电压；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。

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