CN104280657A - 输电线路单相接地故障熄弧判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路单相接地故障熄弧判定方法，其特征在于步骤包括：在输电线路发生单相接地故障、继电保护动作使故障相断路器跳闸后，对输电线路的故障相端电压采样得到采样值序列，计算当前采样值序列中最后3个工频周波的采样值子序列的次数高于三次的高次间谐波总畸变率，并将最后3个高次间谐波总畸变率分别除以其对应的半个工频周期前的3个高次间谐波总畸变率，如果得到的值均小于预设的阈值，则判定已经熄弧；否则，判定尚未熄弧并继续检测。本发明具有熄弧判定准确性高、实现简单、不受电网整数次谐波影响、响应时间快、适用范围广的优点，极具工程实用价值。

Description

输电线路单相接地故障熄弧判定方法

技术领域

本发明涉及电工技术领域，具体涉及一种输电线路单相接地故障熄弧判定方法。

背景技术

在超高压架空输电线路中发生的故障大多数是瞬时性的，为了提高输电线路供电可靠性，超高压输电线路上普遍装设自动重合闸装置。但是，自动重合闸在提高供电可靠性带来巨大经济效益的同时，也给电力系统带来一些不利影响。这些不利影响主要是由于传统自动重合闸的盲目性所引起的重合于永久性故障或重合于瞬时性故障失败给电力系统带来巨大的冲击，不利于系统的安全稳定运行，同时还使电气设备的工作条件恶化。针对此问题葛耀中教授提出了“自适应重合闸”的思想。实现输电线路的自适应重合闸的关键就是在自动重合闸之前可靠地识别故障性质，并正确判定故障电弧是否熄灭。

目前对故障性质判别方法的研究已取得很大进展。然而，能够准确判断故障性质并不能保障重合闸成功，电力系统普遍采用固定延时的自动重合闸，有些线路由于环境的影响，二次电弧时间会很长，此时重合闸时电弧并未熄灭，会导致重合闸失败，给电力系统的安全稳定运行带来巨大的冲击。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述技术问题，提供一种熄弧判定准确性高、实现简单、不受电网谐波影响、响应时间快、极具工程实用价值、适用范围广的输电线路单相接地故障熄弧判定方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种输电线路单相接地故障熄弧判定方法，步骤包括：

1)在输电线路发生单相接地故障、继电保护动作使故障相断路器跳闸后，通过指定采样频率对输电线路的故障相首端电压u(t)进行均匀不间断采样，得到采样值序列{u(n)}，其中n为整数；

2)针对当前的采样值序列{u(n)}，计算最后3个工频周波的采样值子序列的一至指定次数的间谐波或谐波的幅值；

3)根据所述一至指定次数的间谐波或谐波的幅值计算出当前的最后3个工频周波采样值子序列的次数高于三次的间谐波的总畸变率；

4)将当前计算得到的最后3个采样值对应的次数高于三次的间谐波的总畸变率分别除以其对应的半个工频周期前的次数高于三次的间谐波的总畸变率，如果得到的值均小于预设的阈值，则判定已经熄弧；否则，判定尚未熄弧并跳转执行步骤2)。

优选地，所述步骤2)中计算最后3个工频周波的采样值子序列的一至指定次数的间谐波或谐波的幅值具体是指根据式(1)所示表达式进行计算；

$U(m,k)=\sqrt{{\left[\underset{n=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)\cos \left(\frac{6\mathrm{mn\π}}{N}\right)\right]}^2+{\left[\underset{n=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)\sin \left(\frac{6\mathrm{mn\π}}{N}\right)\right]}^2}---\left(1\right)$

式(1)中，U(m,k)表示间谐波或谐波的幅值，m表示该间谐波或谐波的次数，m取值为1/3的倍数，k表示采样值序列中最新的采样值的序号，k取值为100以上的整数，n表示采样值序列中采样值的序号，N表示采样值子序列的长度。

优选地，所述步骤1)中的指定采样频率为5000Hz，所述步骤2)中采样值子序列的长度为300。

优选地，所述步骤2)中指定次数为21～29之间的整数。

优选地，所述步骤3)中计算出当前的最后3个工频周波的采样值子序列的次数高于三次的间谐波的总畸变率具体是指根据式(2)所示表达式进行计算；

$U_D\left(k\right)=\sqrt{\frac{\underset{i=3}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left[U(i+\frac{1}{3},k)\right]}^2+\underset{i=3}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left[U(i+\frac{2}{3},k)\right]}^2}{U(1,k)}}---\left(2\right)$

式(2)中，U_D(k)表示采样值序列中最后3个工频周波的采样值子序列对应的次数高于三次的间谐波的总畸变率，i表示所述一至指定次数之间整数，k表示采样值子序列中最新的采样值的序号，k取值为100以上的整数，M表示所述指定次数；分别表示最后3个工频周波的采样值子序列的次间谐波的幅值，U(1,k)表示最后3个工频周波的采样值子序列的基波的幅值。

优选地，所述步骤4)的详细步骤如下：

4.1)取出当前的采样值序列{u(n)}的最新计算得到的次数高于三次的间谐波的总畸变率U_D(k)、U_D(k-1)、U_D(k-2)，k为采样值序列中最新采样值的序号；

4.2)取出与U_D(k)、U_D(k-1)、U_D(k-2)对应的半个工频周期前的次数高于三次的间谐波的总畸变率U_D(k-50)、U_D(k-51)、U_D(k-52)；

4.3)将U_D(k)、U_D(k-1)、U_D(k-2)分别除以U_D(k-50)、U_D(k-51)、U_D(k-52)，分别得到U_D(k)/U_D(k-50)、U_D(k-1)/U_D(k-51)、U_D(k-2)/U_D(k-52)，判断U_D(k)/U_D(k-50)、U_D(k-1)/U_D(k-51)、U_D(k-2)/U_D(k-52)三个数值是否均小于预设的阈值，如果均小于预设的阈值则判定已经熄弧；否则，判定尚未熄弧并跳转执行步骤2)。

优选地，所述预设的阈值为0.2。

本发明输电线路单相接地故障熄弧判定方法具有下述优点：

1、本发明利用输电线路瞬时性故障时故障相端电压在电弧熄灭前后间谐波分量的变化特性来判定故障电弧是否熄弧，即计算指定窗长的采样值子序列中各个采样值对应的一至指定次数的间谐波或谐波的幅值，根据一至指定次数的间谐波或谐波的幅值计算出当前的采样值子序列中各个采样值对应的次数高于三次的间谐波的总畸变率，将当前的采样值序列中最后3个采样值对应的次数高于三次的间谐波的总畸变率分别除以其半个工频周期前的采样值对应的次数高于三次的间谐波的总畸变率，根据最新的三个采样值半个工频周期前的变化来判断是否熄弧，可避免电网(整数次)谐波对熄弧判定的影响，提高熄弧判定的准确性，避免重合于未熄弧的故障线路，提高重合闸的成功率和电力系统运行的安全性和可靠性，该方法实现简单，不受电网谐波影响，熄弧判定准确率高，极具工程实用价值。

2、本发明基于对输电线路的故障相首端电压进行均匀不间断采样得到由故障相首端电压构成的采样值序列进行单相接地故障熄弧判定，只需要采样故障线路故障相的一端电压信号，省去了线路两端数据互用所需的通信设备，避免线路两端数据不同步对熄弧判定的影响，使得熄弧判定实现起来更简单。

3、本发明基于对输电线路的故障相首端电压进行均匀不间断采样得到由故障相首端电压构成的采样值序列进行单相接地故障熄弧判定，整个计算过程不需要迭代运算，响应时间快，满足快速重合闸的需求。

4、本发明既适用于带并联补偿电抗器的输电线路，也适用于不带并联补偿电抗器的输电线路，具有适用范围广的优点。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例输电线路单相接地故障熄弧判定方法的步骤包括：

1)在输电线路发生单相接地故障、继电保护动作使故障相断路器跳闸后，通过指定采样频率对输电线路的故障相首端电压u(t)进行均匀不间断采样，得到采样值序列{u(n)}，其中n为整数(n＝0,1,2,3……)；本实施例中，步骤1)中的指定采样频率为5000Hz。

2)针对当前的采样值序列{u(n)}，计算最后3个工频周波的采样值子序列的一至指定次数的间谐波或谐波的幅值。

本实施例中，步骤2)中计算最后3个工频周波的采样值子序列的一至指定次数的间谐波或谐波的幅值具体是指根据式(1)所示表达式进行计算；

$U(m,k)=\sqrt{{\left[\underset{n=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)\cos \left(\frac{6\mathrm{mn\π}}{N}\right)\right]}^2+{\left[\underset{n=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)\sin \left(\frac{6\mathrm{mn\π}}{N}\right)\right]}^2}---\left(1\right)$

式(1)中，U(m,k)表示间谐波或谐波的幅值，m表示该间谐波或谐波的次数，m取值为1/3的倍数 $(m=\mathrm{1,1}\frac{1}{3},1\frac{2}{3},\mathrm{2,2}\frac{1}{3},2\frac{2}{3},\·\·\·,\mathrm{28,28}\frac{1}{3},28\frac{2}{3}),$ k表示采样值序列中最新的采样值的序号，k取值为100以上的整数(k＝100,101,102,103,…)，n表示采样值序列中采样值的序号，N表示采样值子序列的长度。本实施例中，由于步骤1)中的指定采样频率为5000Hz，所以步骤2)中采样值子序列的长度N具体取值为300，即采样值子序列中共包含300个采样值，其表达式为：{u(k-N+1)，u(k-N+2)，……，u(k-1)，u(k)}。本实施例中，步骤2)中指定次数为28，此外也可以根据需要采用其他21～29之间的整数。

3)根据一至指定次数的间谐波或谐波的幅值计算出当前的最后3个工频周波的采样值子序列的次数高于三次的间谐波的总畸变率。

本实施例中，步骤3)中计算出当前的最后3个工频周波的采样值子序列的次数高于三次的间谐波的总畸变率具体是指根据式(2)所示表达式进行计算；

$U_D\left(k\right)=\sqrt{\frac{\underset{i=3}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left[U(i+\frac{1}{3},k)\right]}^2+\underset{i=3}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left[U(i+\frac{2}{3},k)\right]}^2}{U(1,k)}}---\left(2\right)$

式(2)中，U_D(k)表示采样值序列中最后3个工频周波的采样值子序列对应的次数高于三次的间谐波的总畸变率，i表示所述一至指定次数之间整数，k表示采样值子序列中最新的采样值的序号，k取值为100以上的整数，M表示所述指定次数；分别表示最后3个工频周波的采样值子序列的次间谐波的幅值，U(1,k)表示最后3个工频周波的采样值子序列的基波的幅值。

4)将当前的计算得到的最后3个次数高于三次的间谐波的总畸变率分别除以其对应的半个工频周期前的次数高于三次的间谐波的总畸变率，如果得到的值均小于预设的阈值，则判定已经熄弧；否则，判定尚未熄弧并跳转执行步骤2)。

本实施例中，步骤4)的详细步骤如下：

4.1)取出当前的采样值序列{u(n)}的最新计算得到的次数高于三次的间谐波的总畸变率U_D(k)、U_D(k-1)、U_D(k-2)，k为采样值序列中最新采样值的序号；

4.2)取出与U_D(k)、U_D(k-1)、U_D(k-2)对应的半个工频周期前的次数高于三次的间谐波的总畸变率U_D(k-50)、U_D(k-51)、U_D(k-52)；

4.3)将U_D(k)、U_D(k-1)、U_D(k-2)分别除以U_D(k-50)、U_D(k-51)、U_D(k-52)，分别得到U_D(k)/U_D(k-50)、U_D(k-1)/U_D(k-51)、U_D(k-2)/U_D(k-52)，判断U_D(k)/U_D(k-50)、U_D(k-1)/U_D(k-51)、U_D(k-2)/U_D(k-52)三个数值是否均小于预设的阈值(本实施例中为0.2)，如果均小于预设的阈值则判定已经熄弧；否则，判定尚未熄弧并跳转执行步骤2)。

当超/特高压的输电线路发生单相接地故障后，故障线路的继电保护装置使故障相线路两端的断路器跳闸。在断路器跳闸后的一段时间内会有电弧的产生，若故障是瞬时性的，电弧不会立即熄灭，而是持续一段时间，这段时间内的电弧被称为二次电弧。二次电弧要经过燃烧-熄灭-重燃-熄灭的反复过程，在电弧熄灭前，故障相端电压信号中含有丰富的高频分量，包括高次谐波和间谐波。当电弧熄灭后，故障相恢复电压中可能含有直流分量、基波分量和频率接近50Hz的间谐波，但不含谐波次数大于三次的高次谐波和间谐波。也就是说，随着故障电弧的熄灭，故障相端电压中的三次及以上的高次谐波和间谐波的含量将急剧下降。根据这一现象，可以判定故障电弧是否熄灭。考虑到电网含有谐波源的情况，这时由于谐波污染，即使电弧熄弧后，由于非故障相电压和电流中含有高次谐波，使得非故障相端电压信号中也存在一定含量的高次谐波。但是，电力系统中间谐波的含量要远远小于整数次谐波。在国家标准GB/T14549-93《电能质量-公用电网谐波》中，110kV及以上电压等级的电网的电压谐波含有率限值是2％；而在国家标准GB/T 24337-2009《电能质量公用电网间谐波》中，电压间谐波含有率为0.16％(频率<100Hz时)和0.4％(频率>100Hz时)。因此，依据故障相端电压的高次间谐波(次数大于3)含量来判断是否熄弧，可避免电网谐波污染的影响，提高熄弧判定的准确性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种输电线路单相接地故障熄弧判定方法，其特征在于步骤包括：

1)在输电线路发生单相接地故障、继电保护动作使故障相断路器跳闸后，通过指定采样频率对输电线路的故障相首端电压u(t)进行均匀不间断采样，得到采样值序列{u(n)}，其中n为整数；

2)针对当前的采样值序列{u(n)}，计算最后3个工频周波的采样值子序列的一至指定次数的间谐波或谐波的幅值；

3)根据所述一至指定次数的间谐波或谐波的幅值计算出当前的最后3个工频周波的采样值子序列的次数高于三次的间谐波的总畸变率；

4)将当前计算得到的最后3个次数高于三次的间谐波的总畸变率分别除以其对应的半个工频周期前的次数高于三次的间谐波的总畸变率，如果得到的值均小于预设的阈值，则判定已经熄弧；否则，判定尚未熄弧并跳转执行步骤2)。

2.根据权利要求1所述的输电线路单相接地故障熄弧判定方法，其特征在于：所述步骤2)中针对当前的采样值序列{u(n)}计算最后3个工频周波的采样值子序列的一至指定次数的间谐波或谐波的幅值具体是指根据式(1)所示表达式进行计算；

$U(m,k)=\sqrt{{\left[\underset{n=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}u\left(n\right)\cos \left(\frac{6\mathrm{mn\&pi;}}{N}\right)\right]}^2+{\left[\underset{n=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}u\left(n\right)\sin \left(\frac{6\mathrm{mn\&pi;}}{N}\right)\right]}^2}---\left(1\right)$

式(1)中，U(m,k)表示间谐波或谐波的幅值，m表示该间谐波或谐波的次数，m取值为1/3的倍数，k表示采样值序列中最新的采样值的序号，k取值为100以上的整数，n表示采样值序列中采样值的序号，N表示采样值子序列的长度。

3.根据权利要求2所述的输电线路单相接地故障熄弧判定方法，其特征在于：所述步骤1)中的指定采样频率为5000Hz，所述步骤2)中采样值子序列的长度为300。

4.根据权利要求3所述的输电线路单相接地故障熄弧判定方法，其特征在于：所述步骤2)中指定次数为21～29之间的整数。

5.根据权利要求4所述的输电线路单相接地故障熄弧判定方法，其特征在于：所述步骤3)中计算出当前的最后3个工频周波的采样值子序列的次数高于三次的间谐波的总畸变率具体是指根据式(2)所示表达式进行计算；

$U_D\left(k\right)=\frac{\sqrt{\underset{i=3}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[U(i+\frac{1}{3},k)\right]}^2+\underset{i=3}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[U(i+\frac{2}{3},k)\right]}^2}}{U(1,k)}---\left(2\right)$

式(2)中，U_D(k)表示采样值序列中最后3个工频周波的采样值子序列对应的次数高于三次的间谐波的总畸变率，i表示所述一至指定次数之间整数，k表示采样值子序列中最新的采样值的序号，k取值为100以上的整数，M表示所述指定次数；分别表示最后3个工频周波的采样值子序列的次间谐波的幅值，U(1,k)表示最后3个工频周波的采样值子序列的基波的幅值。

6.根据权利要求5所述的输电线路单相接地故障熄弧判定方法，其特征在于，所述步骤4)的详细步骤如下：

4.1)取出当前的采样值序列{u(n)}的最新计算得到的次数高于三次的间谐波的总畸变率U_D(k)、U_D(k-1)、U_D(k-2)，k为采样值序列中最新采样值的序号；

4.2)取出与U_D(k)、U_D(k-1)、U_D(k-2)对应的半个工频周期前的次数高于三次的间谐波的总畸变率U_D(k-50)、U_D(k-51)、U_D(k-52)；

4.3)将U_D(k)、U_D(k-1)、U_D(k-2)分别除以U_D(k-50)、U_D(k-51)、U_D(k-52)，分别得到U_D(k)/U_D(k-50)、U_D(k-1)/U_D(k-51)、U_D(k-2)/U_D(k-52)，判断U_D(k)/U_D(k-50)、U_D(k-1)/U_D(k-51)、U_D(k-2)/U_D(k-52)三个数值是否均小于预设的阈值，如果均小于预设的阈值则判定已经熄弧；否则，判定尚未熄弧并跳转执行步骤2)。

7.根据权利要求6所述的输电线路单相接地故障熄弧判定方法，其特征在于：所述预设的阈值为0.2。