CN104062545A - 新型短路故障源快速定位方法 - Google Patents

Abstract

新型短路故障源快速定位方法，涉及电力系统技术领域，其特征在于：包含相电压和相电流采样单元、系统电压正序分量锁相单元、系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元、相电流额定值整定单元和故障诊断单元，使用数字锁相环算法，对相电压采样值的处理，得到A相相电压的基波正序分量相位的正余弦值；对正常工作时相电流的基波正序分量瞬时值使用中值滤波和平均值滤波得到相电流正常工作时基波正序分量的额定值；最后依据新型短路故障源定位判据，确定短路故障源位置。本发明排除了系统谐波对故障源定位的影响；缩短了故障定位的时间，在硬件条件合适的情况下，可以将故障定位时间限制在2ms以内。

Description

新型短路故障源快速定位方法

技术领域：

本发明涉及电力系统技术领域，具体是新型短路故障源快速定位方法。

背景技术：

近年来，高度自动化设备和各种电力电子设备在国民经济各行业中得到了广泛应用，但它们和传统设备相比，更容易受到电压变化的影响，几个周期的电压暂降都会影响这些设备的正常工作，造成巨大的经济损失。特别是连续生产作业型的企业，需配备完备的供电电源，多母线、多变压器、多断路器拓扑复杂的供电系统。电压暂降已逐渐成为最严重的一类动态电能质量问题。要最大程度降低电压暂降的危害，首先要有有效的方法对电压暂降源进行定位。电压暂降源的定位对电能质量故障检测、诊断、缓和策略的制订是十分必要的。一般而言，把企业内部的中低压电网称为内网，企业外部的供电电网称为外网，特别情况下针对某些特别负荷，可以将负荷外部的电网称为外网。电压暂降源定位是指确定暂降源是位于外网还是内网。

电压暂降的产生原因主要有三种：短路故障引起的电压暂降(FRS)、电动机启动引起的电压暂降(SRS)和变压器激磁引起的电压暂降(TSRS)。最严重的电压暂将源是FRS，配电网馈线中短路故障发生的频率较高且影响较为广泛。本发明主要针对系统短路故障引起的电压暂降源。

目前，国内外关于电压暂降源定位的方法主要基于扰动功率和扰动能量的方法、基于电阻符号的方法、基于系统参量斜率的方法等等。但这些方法均有一个明显的不足：故障定位时间较长，一般需要半个周波及以上的计算时间，且易受到系统谐波的影响，不能迅速准确的确定故障源的位置。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种解决了现有技术在定位电网短 路故障源位置时定位速度慢、抗谐波干扰能力弱以及准确度不高的问题的新型短路故障源快速定位方法。

解决的技术问题所采用以下的技术方案：

新型短路故障源快速定位方法，其特征在于：包含相电压和相电流采样单元、系统电压正序分量锁相单元、系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元、相电流额定值整定单元和故障诊断单元，所述的相电压和相电流采样单元将信号分别传送给系统电压正序分量锁相单元和统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元，所述的系统电压正序分量锁相单元将信号传送给统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元，所述的系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元将信号分别传送给相电流额定值整定单元和故障诊断单元，所述的电流额定值整定单元将信号传送给故障诊断单元，使用数字锁相环算法，对相电压采样值的处理，得到A相相电压的基波正序分量相位的正余弦值；对正常工作时相电流的基波正序分量瞬时值使用中值滤波和平均值滤波得到相电流正常工作时基波正序分量的额定值；最后依据新型短路故障源定位判据，确定短路故障源位置。

所述的系统电压正序分量锁相单元中，所述的数字锁相环算法为计算得到系统A相电压基波正序分量相位的正弦值与余弦值，首先使用已有的普通数字锁相环技术分别计算出A、B、C三相相电压的幅值与相位的正余弦值，由下式计算出A相电压基波正序分量的正余弦值：

${\mathrm{SinU}}_{A\left(1\right)}=\mathrm{arcain}\left(\frac{X1}{\sqrt{{X1}^2+{X2}^2}}\right),{\mathrm{CosU}}_{A\left(1\right)}=\arccos \left(\frac{X2}{\sqrt{{X1}^2+{X2}^2}}\right)$

式中

X1＝Ua*CosUa+Ub*(-0.5CosUb-0.866SinUb)+Uc*(-0.5CosUc+0.866SinUc)

X2＝Ua*CosUa+Ub*(-0.5SinUb+0.866CosUb)+Uc*(-0.5SinUc-0.866CosUc)

Ua、Ub、Uc分别为A、B、C三相相电压的基波幅值；

SinUa、SinUb、SinUc分别为A、B、C三相相电压基波相位的正弦值；

CosUa、CosUb、CosUc分别为A、B、C三相相电压基波相位的余弦值。

所述的相电流额定值整定单元通过系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元输出的系统电流基波正序分量的瞬时值，取连续3个周波的值，并 对相同时刻点进行中值滤波，再使用10个中值滤波的结果进行平均值滤波，整定故障定位判据中使用的系统正常工作时的电流基波正序分量的额定值。

所述的故障诊断单元使用相电流额定值整定单元输出的电流基波正序分量的额定值乘以故障系数f，得到系统故障电流整定值；假定系统一个周波的采样点数为N，则采样周期T＝20ms/N，系统故障整定值为I＝{I₀,I₁,,I_N-1}，间隔一个点的两点之间的变化率为dI_j/dt＝(I_j+2-I_j)/(2T)，简称整定变化率；若j＜N-2且j≥0，则j+2＝j+2；若j≥N-2且j＜N，则j+2＝j+2-N。系统实际电流基波正序分量瞬时值间隔一个点的两点之间的变化率为di_j/dt＝(i_j+2-i_j)/(2T)，简称实际变化率；系统短路故障源定位判据为：若实际变化率与整定变化率在一个周期中相同位置关系为di_j/dt＞dI_j/dt，短路故障源位于内网；若di_j/dt＜dI_j/dt，短路故障源位于外网；在编程实现时，注意将整个周波的所有点的dI_j/dt存入变化率数组中，当系统基波正序电流的瞬时值大与启动值，将当前点与其之后点的变化率与变化率数组中相应点的值进行比较，根据系统短路故障源定位判据确定故障源位置。

所述的相电压和相电流采样单元、系统电压正序分量锁相单元、系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元、相电流额定值整定单元和故障诊断单元五个功能单元进行配合。

所述的配合的方法如下：相电压和相电流采样单元采样计算得到系统三相相电压和相电流的瞬时值，并将电压瞬时值输出到系统电压正序分量锁相单元，电流瞬时值输出到系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元；系统电压正序分量锁相单元使用改进的锁相环算法计算出系统A相电压的基波正序分量的相位的正弦值与余弦值，将之入到系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元；系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元根据ip-iq算法计算出系统电流基波正序分量的瞬时值，将之输出到相电流额定值整定单元和故障诊断单元；相电流额定值整定单元使用中值滤波法和平均值滤波法，整定故障定位判据中使用的系统正常工作时的电流基波正序分量的额定值，将额定值输出到故障诊断单元；故障诊断单元依据新型短路故障源定位判据，确定故障源的位置。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的有益效果是通过三个电压传感器和三个电流传感器采样系统的相电压及相电流，再根据相应公式计算出新型判据所需的变量值，依据新的故障判据来确定故障源的位置。本发明最快可以在2ms内即可以计算出故障源位置，硬件成本低，反应速度快，抗电网谐波干扰能力以及实用性强。

1、排除了系统谐波对故障源定位的影响

2、缩短了故障定位的时间，在硬件条件合适的情况下，可以将故障定位时间限制在2ms以内。

附图说明：

图1为一种新型的短路故障源快速定位方法的实施示意图。

图2为系统发生内网短路故障时，系统故障电流整定值与系统基波正序电流的示意图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，新型短路故障源快速定位方法，包含相电压和相电流采样单元、系统电压正序分量锁相单元、系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元、相电流额定值整定单元和故障诊断单元，相电压和相电流采样单元将信号分别传送给系统电压正序分量锁相单元和统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元，系统电压正序分量锁相单元将信号传送给统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元，系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元将信号分别传送给相电流额定值整定单元和故障诊断单元，电流额定值整定单元将信号传送给故障诊断单元，使用数字锁相环算法，对相电压采样值的处理，得到A相相电压的基波正序分量相位的正余弦值；对正常工作时相电流的基波正序分量瞬时值使用中值滤波和平均值滤波得到相电流正常工作时基波正序分量的额定值；最后依据新型短路故障源定位判据，确定短路故障 源位置。

系统电压正序分量锁相单元中，所述的数字锁相环算法为计算得到系统A相电压基波正序分量相位的正弦值与余弦值，首先使用已有的普通数字锁相环技术分别计算出A、B、C三相相电压的幅值与相位的正余弦值，由下式计算出A相电压基波正序分量的正余弦值：

${\mathrm{SinU}}_{A\left(1\right)}=\mathrm{arcain}\left(\frac{X1}{\sqrt{{X1}^2+{X2}^2}}\right),{\mathrm{CosU}}_{A\left(1\right)}=\arccos \left(\frac{X2}{\sqrt{{X1}^2+{X2}^2}}\right)$

式中

X1＝Ua*CosUa+Ub*(-0.5CosUb-0.866SinUb)+Uc*(-0.5CosUc+0.866SinUc)

X2＝Ua*CosUa+Ub*(-0.5SinUb+0.866CosUb)+Uc*(-0.5SinUc-0.866CosUc)

Ua、Ub、Uc分别为A、B、C三相相电压的基波幅值；

SinUa、SinUb、SinUc分别为A、B、C三相相电压基波相位的正弦值；

CosUa、CosUb、CosUc分别为A、B、C三相相电压基波相位的余弦值。

相电流额定值整定单元通过系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元输出的系统电流基波正序分量的瞬时值，取连续3个周波的值，并对相同时刻点(即位于一个正弦波相同位置的点)进行中值滤波，再使用10个中值滤波的结果进行平均值滤波，整定故障定位判据中使用的系统正常工作时的电流基波正序分量的额定值。

故障诊断单元使用相电流额定值整定单元输出的电流基波正序分量的额定值乘以故障系数f，得到系统故障电流整定值；假定系统一个周波的采样点数为N，则采样周期T＝20ms/N，系统故障整定值为I＝{I₀,I₁,,I_N-1}，间隔一个点的两点之间的变化率为dI_j/dt＝(I_j+2-I_j)/(2T)，简称整定变化率；若j＜N-2且j≥0，则j+2＝j+2；若j≥N-2且j＜N，则j+2＝j+2-N。系统实际电流基波正序分量瞬时值间隔一个点的两点之间的变化率为di_j/dt＝(i_j+2-i_j)/(2T)，简称实际变化率；系统短路故障源定位判据为：若实际变化率与整定变化率在一个周期中相同位置关系为di_j/dt＞dI_j/dt，短路故障源位于内网；若di_j/dt＜dI_j/dt，短路故障源位于外网；在编程实现时，注意将整个周波的所有点的dI_j/dt存入变化率数组中，当系统基波正序电流的瞬时值大与启动值，将当前点与其之后点的变化率与变化率数组中相应点的值进行比较，根据系统 短路故障源定位判据确定故障源位置。

相电压和相电流采样单元、系统电压正序分量锁相单元、系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元、相电流额定值整定单元和故障诊断单元五个功能单元进行配合。

配合的方法如下：相电压和相电流采样单元采样计算得到系统三相相电压和相电流的瞬时值，并将电压瞬时值输出到系统电压正序分量锁相单元，电流瞬时值输出到系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元；系统电压正序分量锁相单元使用改进的锁相环算法计算出系统A相电压的基波正序分量的相位的正弦值与余弦值，将之入到系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元；系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元根据ip-iq算法计算出系统电流基波正序分量的瞬时值，将之输出到相电流额定值整定单元和故障诊断单元；相电流额定值整定单元使用中值滤波法和平均值滤波法，整定故障定位判据中使用的系统正常工作时的电流基波正序分量的额定值，将额定值输出到故障诊断单元；故障诊断单元依据新型短路故障源定位判据，确定故障源的位置。

图2中将前1/4周波采集点数为5个点，时间为t1、t2、t3、t4、t5，在t1时刻，系统基波正序电流I的瞬时值大与启动值，启动过故障源定位程序，计算出间隔一个点的两点之间的变化率，如其中虚线3与虚线4。通过比较虚线3与虚线4的斜率大小，确定故障源位置，即短路故障位于内网或是外网，图2中，虚线3的斜率大与虚线4的斜率，根据系统短路故障源定位方法可知，该故障源位于内网。若将图2中，曲线1与曲线2的位置相互调换，即可得到系统发生外网短路故障时(单相接地除外)，系统故障电流整定值与系统基波正序电流的示意图，具体分析同上。其中曲线1为故障电流整定值波形；曲线2为内网短路时电流波形；虚线3为正常运行时t1、t3两点斜率；虚线4为内网短路时t1、t3两点斜率；虚线5为系统启动电流。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范 围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.新型短路故障源快速定位方法，其特征在于：包含相电压和相电流采样单元、系统电压正序分量锁相单元、系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元、相电流额定值整定单元和故障诊断单元，所述的相电压和相电流采样单元将信号分别传送给系统电压正序分量锁相单元和统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元，所述的系统电压正序分量锁相单元将信号传送给统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元，所述的系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元将信号分别传送给相电流额定值整定单元和故障诊断单元，所述的电流额定值整定单元将信号传送给故障诊断单元，使用数字锁相环算法，对相电压采样值的处理，得到A相相电压的基波正序分量相位的正余弦值；对正常工作时相电流的基波正序分量瞬时值使用中值滤波和平均值滤波得到相电流正常工作时基波正序分量的额定值；最后依据新型短路故障源定位判据，确定短路故障源位置。

2.根据权利要求1所述的新型短路故障源快速定位方法，其特征在于：所述的系统电压正序分量锁相单元中，所述的数字锁相环算法为计算得到系统A相电压基波正序分量相位的正弦值与余弦值，首先使用已有的普通数字锁相环技术分别计算出A、B、C三相相电压的幅值与相位的正余弦值，由下式计算出A相电压基波正序分量的正余弦值：

${\mathrm{SinU}}_{A\left(1\right)}=\mathrm{arcain}\left(\frac{X1}{\sqrt{{X1}^2+{X2}^2}}\right),{\mathrm{CosU}}_{A\left(1\right)}=\arccos \left(\frac{X2}{\sqrt{{X1}^2+{X2}^2}}\right)$

式中

X1＝Ua*CosUa+Ub*(-0.5CosUb-0.866SinUb)+Uc*(-0.5CosUc+0.866SinUc)

X2＝Ua*CosUa+Ub*(-0.5SinUb+0.866CosUb)+Uc*(-0.5SinUc-0.866CosUc)

Ua、Ub、Uc分别为A、B、C三相相电压的基波幅值；

SinUa、SinUb、SinUc分别为A、B、C三相相电压基波相位的正弦值；

CosUa、CosUb、CosUc分别为A、B、C三相相电压基波相位的余弦值。

3.根据权利要求2所述的新型短路故障源快速定位方法，其特征在于：所述的相电流额定值整定单元通过系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元输出的系统电流基波正序分量的瞬时值，取连续3个周波的值，并对相同时刻点进行中值滤波，再使用10个中值滤波的结果进行平均值滤波，整定故障定位判据中使用的系统正常工作时的电流基波正序分量的额定值。

4.根据权利要求3所述的新型短路故障源快速定位方法，其特征在于：所述的故障诊断单元使用相电流额定值整定单元输出的电流基波正序分量的额定值乘以故障系数f，得到系统故障电流整定值；假定系统一个周波的采样点数为N，则采样周期T＝20ms/N，系统故障整定值为I＝{I₀,I₁,,I_N-1}，间隔一个点的两点之间的变化率为dI_j/dt＝(I_j+2-I_j)/(2T)，简称整定变化率；若j＜N-2且j≥0，则j+2＝j+2；若j≥N-2且j＜N，则j+2＝j+2-N。系统实际电流基波正序分量瞬时值间隔一个点的两点之间的变化率为di_j/dt＝(i_j+2-i_j)/(2T)，简称实际变化率；系统短路故障源定位判据为：若实际变化率与整定变化率在一个周期中相同位置关系为di_j/dt＞dI_j/dt，短路故障源位于内网；若di_j/dt＜dI_j/dt，短路故障源位于外网；在编程实现时，注意将整个周波的所有点的dI_j/dt存入变化率数组中，当系统基波正序电流的瞬时值大与启动值，将当前点与其之后点的变化率与变化率数组中相应点的值进行比较，根据系统短路故障源定位判据确定故障源位置。

5.根据权利要求4所述的新型短路故障源快速定位方法，其特征在于：所述的相电压和相电流采样单元、系统电压正序分量锁相单元、系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元、相电流额定值整定单元和故障诊断单元五个功能单元进行配合。

6.根据权利要求5所述的新型短路故障源快速定位方法，其特征在于：所述的配合的方法如下：相电压和相电流采样单元采样计算得到系统三相相电压和相电流的瞬时值，并将电压瞬时值输出到系统电压正序分量锁相单元，电流瞬时值输出到系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元；系统电压正序分量锁相单元使用改进的锁相环算法计算出系统A相电压的基波正序分量的相位的正弦值与余弦值，将之入到系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元；系统电流基波正序分量幅值和瞬时值计算单元根据ip-iq算法计算出系统电流基波正序分量的瞬时值，将之输出到相电流额定值整定单元和故障诊断单元；相电流额定值整定单元使用中值滤波法和平均值滤波法，整定故障定位判据中使用的系统正常工作时的电流基波正序分量的额定值，将额定值输出到故障诊断单元；故障诊断单元依据新型短路故障源定位判据，确定故障源的位置。