CN103474981A - 一种基于零序电流多阶差分变换方向的配网单相接地保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于零序电流多阶差分变换方向的配网单相接地保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。本发明对于谐振接地系统，当其中一条馈线发生单相接地故障后，首先截取故障后短时窗内的母线零序电压和各馈线的零序电流，并分别对其进行多阶差分变换；然后将母线零序电压多阶差分变换结果分别与各馈线的零序电流多阶差分变换结果相乘，在时间轴上得到一系列波头；最后将波头系列中的第一个波头的幅值作为保护启动的依据，当首波头幅值小于零时判定该馈线发生正向故障时，保护元件动作，当首波头幅值大于零时判定该馈线发生反向故障，保护元件不动作。本发明使用难度低，保护可靠性高。

Description

一种基于零序电流多阶差分变换方向的配网单相接地保护方法

技术领域

本发明涉及一种基于零序电流多阶差分变换方向的配网单相接地保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

配电网直接面对用户并为其提供用电服务，因此覆盖面最广。配电网的故障类型形式多样，但据统计单相接地故障约占配网故障的80%。配电网谐振接地系统即为中性点经消弧线圈接地系统，属小电流接地系统，我国大部分的配电网采用了该运行方式。小电流接地系统单相接地故障会影响非故障相对地电压致其升高，电压升高会对电网设备的绝缘产生破坏；特别是间歇性电弧接地，会引起弧光过电压，该电压通过破坏系统绝缘进而发展成相间或多点接地短路，引起系统过电压，从而损坏设备，破坏系统安全运行，因此必须准确、快速找到故障线路并及时使故障线路与系统隔离。

最原始的隔离方法是在选线成功后由人工对故障线路进行切断。近年来，一些单相接地保护装置在实际中得到了应用，对电网的安全运行起到了积极的作用。但部分装置的实际表现并不令人满意，误动、拒动的现象时有发生。现行的单相接地保护装置的保护方法一般有：零序电流比幅法、零序电流相对相位法和谐波分量法等。零序电流比幅法利用了故障线路零序电流等于非故障线路对地电容电流之和的特点，电缆线路的引入、过渡电阻的影响和运行方式的选择均有可能造成某条线路的对地电容电流大于其他所有线路对地电容电流之和的情况，这将导致保护装置发生误动。零序电流相对相位法利用了故障线路零序电流与非故障线路零序电流流动方向相反的特点，在线路较短零序电流值较小时，干扰信号的影响更为突出致使方向的判断较为困难，在谐振接地系统补偿过程发生后失效。谐波分量法本质上还是利用了群体比幅比相法，不能从根本上解决上述两种方法存在的问题和不足，误动、拒动的现象还是经常出现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有单相接地保护方法依赖于其他馈线的相关信息进行判断导致可靠性不高的问题，提供了一种基于零序电流多阶差分变换方向的配网单相接地保护方法。

本发明的技术方案是：一种基于零序电流多阶差分变换方向的配网单相接地保护方法，对于谐振接地系统，当其中一条馈线发生单相接地故障后，首先截取故障后短时窗内的母线零序电压和各馈线的零序电流，并分别对其进行多阶差分变换；然后将母线零序电压多阶差分变换结果分别与各馈线的零序电流多阶差分变换结果相乘，在时间轴上得到一系列波头；最后将波头系列中的第一个波头的幅值作为保护启动的依据，当首波头幅值小于零时判定该馈线发生正向故障时，保护元件动作，当首波头幅值大于零时判定该馈线发生反向故障，保护元件不动作。

所述单相接地保护方法具体步骤如下：

A、当馈线发生单相接地故障时，截取故障后短时窗内的母线零序电压和各馈线的零序电流并分别对其进行多阶差分变换；

 B、将母线零序电压多阶差分变换结果Su(n)分别与各馈线的零序电流多阶差分变换结果Si _j (n)相乘，乘积表示为：

                                              （1）

式中：n=1,2,3,…N，N为原始信号采样点个数，j=1,2,3,…J，J为馈线的条数；

C、选取SP _j (n)在时间轴上一系列波头中的第一个波头的幅值SP _j 与零值进行比较：

当SP _j 〈0时，确定为第j条馈线条发生正方向故障，保护元件动作，切断该馈线；

当SP _j 〉0时，确定为第j条馈线发生反方向故障，保护元件不动作。

故障后母线零序电压和各馈线的零序电流数据截取的短时窗的长度为0.1ms。

所述多阶差分为4阶。

本发明的工作原理是：

谐振接地系统发生单相接地故障后，母线零序电压和各馈线零序电流会发生突变，且故障馈线和健全馈线突变方向相反，在行波首波头极性上表现为故障馈线和健全馈线对应的波头极性相反。在正负不同的故障初始相下故障馈线零序电流的突变方向不同，但故障馈线零序电流的突变方向始终与健全馈线零序电流和母线零序电压的突变方向相反，在行波首波头极性上表现为故障馈线零序电流对应的波头极性始终与健全馈线零序电流和母线零序电压对应的波头极性相反。利用该特性可构建保护元件动作判据。

馈线发生单相接地故障后，为了避免消弧线圈补偿作用的影响，在故障发生后消弧线圈作用前的短时窗内截取母线零序电压和各馈线零序电流数据进行分析。对故障后短时窗内的母线零序电压和各馈线的零序电流分别进行多阶差分（Sequential overlapping derivative，SOD）变换后，将母线零序电压SOD变换结果表示为Su(n)，各馈线零序电流SOD变换结果表示为Si _j (n)，式中，n=1,2,3,…N，N为原始信号采样点个数，j=1,2,3,…J，J为馈线的条数；则母线零序电压SOD变换结果与各馈线的零序电流SOD变换结果的乘积为SP _j (n)= Su(n)×Si _j (n)，SP _j (n)在时间轴上表现为一系列的波头。这里需要说明的是，当馈线零序电流较小时，波头极性不明显，若单纯利用零序波头极性进行保护可靠性不高，因此本发明选择将母线零序电压的SOD变换结果分别与各馈线零序电流SOD变换结果进行相乘得到SP _j (n)，以增加波头极性的辨识度。

SOD作为一种基于差分运算的一种变换，可以描述为：   

                                    （2）

式中：S _m (n)为信号的m阶差分；j=1,2,3,…m+1为差分阶次，m为差分的阶数；Q(n)为原始信号；n=1,2,3,…N，N为原始信号采样点个数；(c _j ) _m 为SOD变换系数：系数(c _j ) _m 的取值为(c ₁) _m =(c _m+1) _m =1，(c ₂) _m =m，(c _j ) _m =(c _j ) _m-1+(c _j-1) _m-1，

。因此，m取1时，可以减少直流分量，m取3时，可以消除工频50Hz分量。m取值越大，提取得到的高频暂态量的幅值越大。本发明采用4阶SOD变换，其变换表达式为：

             （3）                              

由于故障馈线零序电流对应的首波头极性始终与健全馈线零序电流和母线零序电压对应的首波头极性相反，因此首波头的幅值SP _j 〈0时，可规定第j条馈线发生了正方向故障，当首波头的幅值SP _j 〉0时，可规定第j条馈线发生反方向故障。于是构建保护元件动作判据为：当SP _j 〈0时，确定为第j条馈线发生正方向故障，保护元件动作，切断该馈线；当SP _j 〉0时，确定为第j条馈线发生反方向故障，保护元件不动作。

本发明的有益效果是：

1、本方法利用了故障后短时窗内的母线零序电压和馈线零序电流数据，此时消弧线圈还未对系统进行补偿，因此该方法避免了消弧线圈补偿作用的影响。

2、本发明将母线零序电压SOD变换结果分别与各馈线零序电流SOD变换结果相乘，克服了零序电流小、波头极性辨识度低的不足，提高了保护的可靠性。

3、本方法保护元件的动作与否只依赖于本条馈线零序电流与母线零序电压中行波首波头的极性，不依赖于其他馈线的相关信息，避免使用了群体比幅比相法，有较高的保护可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例1和实施例2的谐振接地系统仿真模型；

图2为本发明实施例1故障后0.1ms时窗内母线零序电压波形图；

图3为本发明实施例1故障后0.1ms时窗内各馈线零序电流波形图；

图4为本发明实施例1母线零序电压SOD变换结果与馈线L ₁零序电流SOD变换结果乘积的波形图；

图5为本发明实施例1母线零序电压SOD变换结果分别与馈线L ₂- L ₆零序电流SOD变换结果乘积的波形图；

图6为本发明实施例2故障后0.1ms时窗内母线零序电压波形图；

图7为本发明实施例2故障后0.1ms时窗内各馈线零序电流波形图；

图8为本发明实施例2母线零序电压SOD变换结果与馈线L ₃零序电流SOD变换结果乘积的波形图；

图9为本发明实施例2母线零序电压SOD变换结果分别与馈线L ₁、L ₂、L ₄、L ₅、L ₆零序电流SOD变换结果乘积的波形图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示为6条馈出线路组成的35kV中性点经消弧线圈接地的配网，该电网中的G为无限大电源；T为主变压器，变比为110 kV/35kV，联结组别为YN/d11；我国配电网主变压器配电电压侧一般为三角形联结，系统不存在中性点，当系统采用谐振接地方式时需取得可供消弧线圈接地的中性点，增设接地变压器就是最佳的办法，此处T_Z是供补偿电网接地专用的Z字形变压器；L为消弧线圈，R为消弧线圈的阻尼电阻。线路采用架空线路、架空线—电缆混合线路和电缆线路三种线路，六条馈线的编号依次为L ₁, L ₂, L ₃…L ₆，其中，L ₁为架空线，长度为15km；L ₂为电缆，长度为6km；L ₃为架空线，长度为18km；L ₄为线缆混合线路，电缆长度为5km，架空线长度为12 km；L ₅为架空线，长度为30km；L ₆为电缆，长度为8km。负荷选用恒定功率负荷模型，其中P=800kW，Q=140KVar,R ₁,R ₂, R ₃,... R ₆为保护元件，其上箭头的方向为保护元件安装的正方向。

现假设馈线L ₁距离母线5km处A相发生单相接地故障，接地电阻20Ω，故障角为-90°，采样频率为1MHz。故障后0.1ms时窗内母线零序电压的波形如图2所示；各馈线零序电流的波形如图3所示；根据公式（1）至（3），求得母线零序电压SOD变换结果与馈线L ₁零序电流SOD变换结果乘积的波形如图4所示；母线零序电压SOD变换结果分别与馈线L ₂、L ₃、L ₄、L ₅、L ₆零序电流SOD变换结果乘积的波形如图5所示。于是可得：

SP _j =[ -7.53×10⁵  2.48×10⁵  2.70×10⁵  2.47×10⁵  2.54×10⁴  2.06×10⁵]  

其中，SP _j =-7.53×10⁵<0，保护元件R ₁检测为正方向故障，保护元件R ₁启动断开馈线L ₁；而SP ₂、SP ₃、SP ₄、SP ₅和SP ₆均大于零，保护元件R ₂, R ₃,... R ₆检测为负方向故障，保护元件R ₂, R ₃,... R ₆不动作。保护动作与假设需求一致，保护动作正确。

实施例2：如图1所示的中性点经消弧线圈接地的配网系统，系统参数与实施例1相同。现假设馈线L ₃距离母线10km处A相发生单相接地故障，故障初始相角90°，故障过渡电阻为20Ω，采样频率为1MHz。故障后0.1ms时窗内母线零序电压的波形如图6所示；各馈线零序电流的波形如图7所示；根据公式（1）至（3），求得母线零序电压SOD变换结果与馈线L ₃零序电流SOD变换结果乘积的波形如图8所示；母线零序电压SOD变换结果分别与馈线L ₁、L ₂、L ₄、L ₅、L ₆零序电流SOD变换结果乘积的波形如图9所示。于是可得：

SP _j  =[ 2.88×10⁴  2.48×10⁵  -8.60×10⁵  2.83×10⁵  2.90×10⁴  2.36×10⁵]  

其中，SP ₃= -8.60×10⁵<0，保护元件R ₃检测为正方向故障，保护元件R ₃启动断开馈线L ₃；而SP ₁、SP ₂、SP ₄、SP ₅和SP ₆均大于零，保护元件R ₁, R ₂, R ₄, R ₅, R ₆检测为负方向故障，保护元件R ₁, R ₂, R ₄, R ₅, R ₆不动作。保护动作与假设需求一致，保护动作正确。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种基于零序电流多阶差分变换方向的配网单相接地保护方法，其特征在于：对于谐振接地系统，当其中一条馈线发生单相接地故障后，首先截取故障后短时窗内的母线零序电压和各馈线的零序电流，并分别对其进行多阶差分变换；然后将母线零序电压多阶差分变换结果分别与各馈线的零序电流多阶差分变换结果相乘，在时间轴上得到一系列波头；最后将波头系列中的第一个波头的幅值作为保护启动的依据，当首波头幅值小于零时判定该馈线发生正向故障时，保护元件动作，当首波头幅值大于零时判定该馈线发生反向故障，保护元件不动作。

2.根据权利要求1所述的基于零序电流多阶差分变换方向的配网单相接地保护方法，其特征在于：所述单相接地保护方法具体步骤如下：

A、当馈线发生单相接地故障时，截取故障后短时窗内的母线零序电压和各馈线的零序电流并分别对其进行多阶差分变换；

 B、将母线零序电压多阶差分变换结果Su(n)分别与各馈线的零序电流多阶差分变换结果Si _j (n)相乘，乘积表示为：

                                              （1）

式中：n=1,2,3,…N，N为原始信号采样点个数，j=1,2,3,…J，J为馈线的条数；

C、选取SP _j (n)在时间轴上一系列波头中的第一个波头的幅值SP _j 与零值进行比较：

当SP _j 〈0时，确定为第j条馈线条发生正方向故障，保护元件动作，切断该馈线；

当SP _j 〉0时，确定为第j条馈线发生反方向故障，保护元件不动作。

3.根据权利要求1或2所述的基于零序电流多阶差分变换方向的配网单相接地保护方法，其特征在于：故障后母线零序电压和各馈线的零序电流数据截取的短时窗的长度为0.1ms。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于零序电流多阶差分变换方向的配网单相接地保护方法，其特征在于：所述多阶差分为4阶。

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