CN104391221B - 一种利用相电流梯度和的故障选相方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用相电流梯度和的故障选相方法，属于电力系统继电保护技术领域。计算输电线路故障后量测端获得的三相电流及零模电流梯度和，对其归一化处理后将三相电流梯度和从大到小排序为s₁、s₂、s₃，根据零模电流梯度和判断是否为接地故障，若为非接地故障，则|s₁‑s₂|大于设定阈值为三相短路故障，反之，为两相间故障且s₁、s₂对应的相是故障相；若为接地故障，则s₁/s₂大于设定阈值为单相接地故障且s₁对应的相是故障相，反之，为两相接地故障且s₁、s₂对应的相是故障相。大量仿真分析表明本方法能可靠地选出故障相，且可靠性不受故障位置、过渡电阻和小故障角的影响，效果良好。

Description

一种利用相电流梯度和的故障选相方法

技术领域

本发明涉及一种利用相电流梯度和的故障选相方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

在高压输电线路中，为提高系统的稳定性采用单相重合闸和综合重合闸。当输电线路发生单相故障，实现单相跳闸、单相重合闸；当发生多相故障，实现三相跳闸、三相重合闸，因此，输电线路故障后，能够准确快速地选出故障相关系着输电线路距离保护和自动重合闸的正确动作，对加强输电线路继电保护动作正确性和可靠性具有重大影响。

传统的高压输电线路的故障选相方法主要是基于工频量，采用稳态量选相与突变量选相两者相结合的方式，其性能相对稳定，但速动性受自身原理限制，其选相速度不能满足超高速保护的快速跳闸要求；利用暂态量的选相元件配合行波保护或边界保护，可满足输电线路快速切除故障的要求，基于行波的故障选相方法存在初始行波受故障电弧、初始角、反射波等因素影响的固有缺陷。因此，提出了一种利用相电流梯度和的故障选相方法，可以可靠地实现故障选相，并且其可靠性不受故障位置，过渡电阻和小故障角的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有故障选相方法速动性或灵敏性不足的问题，提出一种利用相电流梯度和的故障选相方法。

本发明的技术方案是：一种利用相电流梯度和的故障选相方法，计算输电线路故障后量测端获得的三相电流及零模电流梯度和，对其归一化处理后将三相电流梯度和从大到小排序为s₁、s₂、s₃，根据零模电流梯度和判断是否为接地故障，若为非接地故障，则|s₁-s₂|大于设定阈值为三相短路故障，反之，为两相间故障且s₁、s₂对应的相是故障相；若为接地故障，则s₁/s₂大于设定阈值为单相接地故障且s₁对应的相是故障相，反之，为两相接地故障且s₁、s₂对应的相是故障相。

具体步骤为：

第一步、三相电流及零模电流的获取：

当输电线路发生故障时，通过量测端测得三相电流i_A，i_B，i_C，并根据三相电流数据计算零模电流i₀；

第二步、电流梯度的构造：

按式(1)利用三相电流以及零模电流信号相邻两个采样值之差分别构造电流梯度c_dif，即：

c_dif(k)＝(i(k)-i(k-1))/Δt (1)

式中Δt表示采样间隔，以ms为单位；k表示当前采样点；

第三步、求取三相电流及零模电流梯度和：

根据式(2)求取三相电流以及零模电流的梯度和S_A，S_B，S_C，S₀：

式中c_dif表示电流梯度值；N表示一个采样周期；S_j(k)表示相电流梯度和，j取A、B、C、0；

第四步、对归一化处理后的数据排序：

对计算的三相电流梯度和以及零模电流梯度和S_A、S_B、S_C、S₀进行归一化处理得到s_a、s_b、s_c、s₀，将s_a、s_b、s_c按照大小排序后记为s₁>s₂>s₃；

第五步、接地故障与非接地故障的判别：

根据归一化处理后的零模电流梯度和s₀以及仿真实验确定的阈值ε₀，按以下条件进行接地故障与非接地故障的判别：

若s₀>ε₀，则判定故障为接地故障； (3)

若s₀<ε₀，则判定故障为非接地故障； (4)

其中，阈值ε₀按照远端高阻非接地故障时出现的最小值整定为0.05；

若根据式(3)判定故障为接地故障，则按照步骤六进行故障选相；若根据式(4)判定故障为非接地故障，则按照步骤七进行故障选相；

第六步、接地故障选相：

根据归一化处理后排序的电流梯度和s₁、s₂以及通过仿真实验确定的阈值ε₁，按以下条件进行单相接地故障与两相接地故障的判别：

若s₁/s₂>ε₁，则判定为单相接地故障 (5)

若s₁/s₂<ε₁，则判定为两相接地故障 (6)

其中，ε₁按照远端小故障角高阻单相接地故障时的故障相电流梯度和整定为2；

依据式(5)、式(6)进行故障相数的判别，若判定为单相接地故障，则归一化处理后的三相电流梯度和最大值s₁所对应的相即为故障相；若已判定为两相接地故障，则归一化处理后的三相电流梯度和最小值s₃对应的相为非故障相，另外两相即为故障相；

第七步、非接地故障选相：

根据归一化处理后排序的电流梯度和s₁、s₂以及通过仿真实验确定的阈值ε₂，按以下条件进行三相短路故障和两相短路故障的判别：

若|s₁-s₂|>ε₂，则判定故障为三相短路故障； (7)

若|s₁-s₂|<ε₂，则判定故障为两相间短路故障； (8)

其中，阈值ε₂按照远端高阻两相间短路故障时故障相电流差异较小值整定为0.1；

依据式(7)、式(8)进行故障相数的判别，若为两相间短路故障，则归一化处理后的三相电流梯度和最小值s₃对应的相为非故障相，另外两相即为故障相；

第八步、为实现可靠选相，连续计算三相电流梯度和以及零模电流梯度和的四个值通过归一化处理后得到然后再根据第五步、第六步、第七步进行故障选相，若四个计算值能得出相同的选相结果，则可完成故障选相。

本发明的原理是：

1.相电流梯度和的求取

(1)电流梯度的构造。按式(1)利用三相电流以及零模电流信号相邻两个采样值之差分别构造电流梯度c_dif，即：

c_dif(k)＝(i(k)-i(k-1))/Δt (1)

式中Δt表示采样间隔，以ms为单位；k表示当前采样点。

(2)求取三相电流及零模电流梯度和。根据式(2)求取三相电流以及零模电流的梯度和S_A，S_B，S_C,S₀：

式中c_dif表示电流梯度值；N表示一个采样周期；S_j(k)表示相电流梯度和，j取A、B、C、0。

2.相电流梯度和的归一化处理及排序

根据式(3)取S_max，对三相电流梯度和以及零模电流梯度和S_A、S_B、S_C、S₀进行归一化处理。

S_max＝max(|S_A|,|S_B|,|S_C|) (3)

归一化处理后的三相电流梯度和以及零模电流梯度和为： 将s_a、s_b、s_c按照大小排序后记为s₁>s₂>s₃；

3.基于相电流梯度和的故障选相

(1)选相理论依据

不同故障类型之间、故障相与非故障相之间存在的显著差异可利用相电流梯度和构成故障选相的判据。三相电流以及零模电流的梯度和正常情况下理论上应为零。发生接地故障时，零模电流梯度和S₀突然增大，而非接地故障时S₀仍然很小，以此差异判断故障是否为接地故障；单相接地故障时，故障相电流梯度和最大，非故障相电流梯度和差异较小，两相接地故障时，非故障相电流梯度和最小，故障相电流梯度和差异较小，以此可选出接地故障相；ABC三相短路故障时，最大故障电流梯度和与次大值之间差异较大，两相间短路故障时，故障相电流梯度和之间差异较小，以此可选出非接地故障相。

(2)故障选相

①接地故障与非接地故障的判别。根据归一化处理后的零模电流梯度和s₀以及仿真实验确定的阈值ε₀，按以下条件进行接地故障与非接地故障的判别：

若s₀>ε₀，则判定故障为接地故障； (4)

若s₀<ε₀，则判定故障为非接地故障； (5)

其中，阈值ε₀按照远端高阻非接地故障时出现的最小值整定为0.05。

若根据式(4)判定故障为接地故障，则按照②进行故障选相；若根据式(5)判定故障为非接地故障，则按照③进行故障选相。

②接地故障选相。根据归一化处理后排序的电流梯度和s₁、s₂以及通过仿真实验确定的阈值ε₁，按以下条件进行单相接地故障与两相接地故障的判别：

若s₁/s₂>ε₁，则判定为单相接地故障 (6)

若s₁/s₂<ε₁，则判定为两相接地故障 (7)

其中，ε₁按照远端小故障角高阻单相接地故障时的故障相电流梯度和整定为2。

依据式(6)、式(7)进行故障相数的判别，若判定为单相接地故障，则归一化处理后的三相电流梯度和最大值s₁所对应的相即为故障相；若已判定为两相接地故障，则归一化处理后的三相电流梯度和最小值s₃对应的相为非故障相，另外两相即为故障相。

③非接地故障选相。根据归一化处理后排序的电流梯度和s₁、s₂以及通过仿真实验确定的阈值ε₂，按以下条件进行三相短路故障和两相短路故障的判别：

若|s₁-s₂|>ε₂，则判定故障为三相短路故障； (8)

若|s₁-s₂|<ε₂，则判定故障为两相间短路故障； (9)

其中，阈值ε₂按照远端高阻两相间短路故障时故障相电流差异较小值整定为0.1。

依据式(8)、式(9)进行故障相数的判别，若为两相间短路故障，则归一化处理后的三相电流梯度和最小值s₃对应的相为非故障相，另外两相即为故障相。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用不同故障类型之间、故障相与非故障相之间相电流梯度和存在的显著差异构成故障选相判据，选相判据简单；

(2)本发明可以可靠地选出故障相，并且其可靠性不受故障位置、过渡电阻和小故障角的影响。

附图说明

图1为仿真系统图，图中被保护线路为MN，P、M、N、Q为系统的母线，线路长度分别为：l_PM＝150km，l_MN＝150，l_NQ＝220km，F₁点为故障点；

图2为A相接地故障(AG)时零模电流梯度和；

图3为A相接地故障(AG)时A相电流梯度和；

图4为A相接地故障(AG)时B相电流梯度和；

图5为A相接地故障(AG)时C相电流梯度和；

图6为BC两相间短路故障(BC)时零模电流梯度和；

图7为BC两相间短路故障(BC)时A相电流梯度和；

图8为BC两相间短路故障(BC)时B相电流梯度和；

图9为AC两相间短路故障(BC)时C相电流梯度和；

图10为AC两相接地故障(AC-G)时零模电流梯度和；

图11为AC两相接地故障(AC-G)时A相电流梯度和；

图12为AC两相接地故障(AC-G)时B相电流梯度和；

图13为AC两相接地故障(AC-G)时C相电流梯度和；

图14为本发明具体步骤流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明作进一步说明。

一种利用相电流梯度和的故障选相方法，计算输电线路故障后量测端获得的三相电流及零模电流梯度和，对其归一化处理后将三相电流梯度和从大到小排序为s₁、s₂、s₃，根据零模电流梯度和判断是否为接地故障，若为非接地故障，则|s₁-s₂|大于设定阈值为三相短路故障，反之，为两相间故障且s₁、s₂对应的相是故障相；若为接地故障，则s₁/s₂大于设定阈值为单相接地故障且s₁对应的相是故障相，反之，为两相接地故障且s₁、s₂对应的相是故障相。

具体步骤为：

第一步、三相电流及零模电流的获取：

当输电线路发生故障时，通过量测端测得三相电流i_A，i_B，i_C，并根据三相电流数据计算零模电流i₀；

第二步、电流梯度的构造：

按式(1)利用三相电流以及零模电流信号相邻两个采样值之差分别构造电流梯度c_dif，即：

c_dif(k)＝(i(k)-i(k-1))/Δt (1)

式中Δt表示采样间隔，以ms为单位；k表示当前采样点；

第三步、求取三相电流及零模电流梯度和：

根据式(2)求取三相电流以及零模电流的梯度和S_A，S_B，S_C，S₀：

式中c_dif表示电流梯度值；N表示一个采样周期；S_j(k)表示相电流梯度和，j取A、B、C、0；

第四步、对归一化处理后的数据排序：

对计算的三相电流梯度和以及零模电流梯度和S_A、S_B、S_C、S₀进行归一化处理得到s_a、s_b、s_c、s₀，将s_a、s_b、s_c按照大小排序后记为s₁>s₂>s₃；

第五步、接地故障与非接地故障的判别：

根据归一化处理后的零模电流梯度和s₀以及仿真实验确定的阈值ε₀，按以下条件进行接地故障与非接地故障的判别：

若s₀>ε₀，则判定故障为接地故障； (3)

若s₀<ε₀，则判定故障为非接地故障； (4)

其中，阈值ε₀按照远端高阻非接地故障时出现的最小值整定为0.05；

若根据式(3)判定故障为接地故障，则按照步骤六进行故障选相；若根据式(4)判定故障为非接地故障，则按照步骤七进行故障选相；

第六步、接地故障选相：

根据归一化处理后排序的电流梯度和s₁、s₂以及通过仿真实验确定的阈值ε₁，按以下条件进行单相接地故障与两相接地故障的判别：

若s₁/s₂>ε₁，则判定为单相接地故障 (5)

若s₁/s₂<ε₁，则判定为两相接地故障 (6)

其中，ε₁按照远端小故障角高阻单相接地故障时的故障相电流梯度和整定为2；

依据式(5)、式(6)进行故障相数的判别，若判定为单相接地故障，则归一化处理后的三相电流梯度和最大值s₁所对应的相即为故障相；若已判定为两相接地故障，则归一化处理后的三相电流梯度和最小值s₃对应的相为非故障相，另外两相即为故障相；

第七步、非接地故障选相：

根据归一化处理后排序的电流梯度和s₁、s₂以及通过仿真实验确定的阈值ε₂，按以下条件进行三相短路故障和两相短路故障的判别：

若|s₁-s₂|>ε₂，则判定故障为三相短路故障； (7)

若|s₁-s₂|<ε₂，则判定故障为两相间短路故障； (8)

其中，阈值ε₂按照远端高阻两相间短路故障时故障相电流差异较小值整定为0.1；

依据式(7)、式(8)进行故障相数的判别，若为两相间短路故障，则归一化处理后的三相电流梯度和最小值s₃对应的相为非故障相，另外两相即为故障相；

第八步、为实现可靠选相，连续计算三相电流梯度和以及零模电流梯度和的四个值通过归一化处理后得到然后再根据第五步、第六步、第七步进行故障选相，若四个计算值能得出相同的选相结果，则可完成故障选相。

实施例1：单相接地故障

以图1所示的输电系统为例，其线路参数如下：线路全长PM段150km，MN段150km，NQ端220km。故障设置：设置线路MN上距M侧70km处发生A相接地故障，故障初始相角为90°，过渡电阻50Ω，采样率为20kHz，采取时间区间为0.1400s到0.2200s内的故障点三相电流。

1按照所设置的故障，根据说明书中步骤一通过量测端得到三相电流数据，并计算零模电流数据。

2根据说明书中步骤二和步骤三构建电流梯度，并根据三相电流及零模电流计算三相电流梯度和，所得结果如图2～图5所示。

3对所得电流梯度和进行归一化处理后，可得s_a＝1，s_b＝0.0657，s_c＝0.0541，s₀＝0.3380，将所得三相电流梯度和进行从大到小排序为：s₁＝1，s₂＝0.0657，s₃＝0.0541。

4根据说明书中步骤五进行接地故障与非接地故障的判断。由于归一化处理后的零模电流梯度和s₀＝0.3380>ε₀＝0.05，则可判断故障为接地故障。

5根据说明书中步骤六进行故障选相。由于归一化处理后按照从大到小排序的三相电流梯度和分别为s₁＝1，s₂＝0.0657，s₃＝0.0541，且s₁/s₂＝15.22>ε₁＝2，故可判定故障为单相接地故障，且最大值s₁所对应的为s_a，即故障相为A相。

(6)为实现可靠选相，连续计算三相电流梯度和以及零模电流梯度和的四个值 通过归一化处理后得到然后再根据说明书中第五步、第六步、第七步进行故障选相，可得四个计算值均能得出A相故障的选相结果，具体选相结果如表1所示。

表1

实施例2：BC两相间短路故障

以图1所示的输电系统为例，其线路参数如下：线路全长PM段150km，MN段150km，NQ端220km。故障设置：线路MN上距M侧149km发生BC两相间短路故障，故障初始相角为90°，过渡电阻50Ω，采样率为20kHz，采取时间区间为0.1400s到0.2200s内的故障点三相电流。

(1)按照所设置的故障，根据说明书中步骤一通过量测端得到三相电流数据，并计算零模电流数据。

(2)根据说明书中步骤二和步骤三构建电流梯度，并根据三相电流及零模电流计算三相电流梯度和，所得结果如图6～图9所示。

(3)对所得电流梯度和进行归一化处理后，可得s_a＝0.0099，s_b＝0.9889，s_c＝1.0000，s₀＝0.0007，将所得三相电流梯度和进行从大到小排序为：s₁＝1，s₂＝0.9889，s₃＝0.0099。

(4)根据说明书中步骤五进行接地故障与非接地故障的判断。由于归一化处理后的零模电流梯度和s₀＝0.0007<ε₀＝0.05，则可判断故障为非接地故障。

(5)根据说明书中步骤七进行故障选相。由于归一化处理后按照从大到小排序的三相电流梯度和分别为s₁＝1，s₂＝0.9889，s₃＝0.0099，且|s₁-s₂|＝0.0111<ε₂＝0.1，故可判定故障为两相间短路故障，且最小值s₃所对应的为s_a，即非故障相为A相，发生故障的是B、C相。

(6)为实现可靠选相，连续计算三相电流梯度和以及零模电流梯度和的四个值 通过归一化处理后得到然后再根据说明书中第五步、第六步、第七步进行故障选相，可得四个计算值均能得出BC相间短路故障的选相结果，具体选相结果如表2所示。

表2

实施例3：AC两相接地故障

以图1所示的输电系统为例，其线路参数如下：线路全长PM段150km，MN段150km，NQ端220km。故障设置：线路MN上距M侧90km处发生AC两相接地故障(AC-G)，故障初始相角为60°，过渡电阻10Ω，采样率为20kHz，采取时间区间为0.1400s到0.2200s内的故障点三相电流。

(1)按照所设置的故障，根据说明书中步骤一通过量测端得到三相电流数据，并计算零模电流数据。

(2)根据说明书中步骤二和步骤三构建电流梯度，并根据三相电流及零模电流计算三相电流梯度和，所得结果如图10～图13所示。

(3)对所得电流梯度和进行归一化处理后，可得s_a＝1.0000，s_b＝0.0764，s_c＝0.3683，s₀＝0.1416，将所得三相电流梯度和进行从大到小排序为：s₁＝1，s₂＝0.3683，s₃＝0.0764。

(4)根据说明书中步骤五进行接地故障与非接地故障的判断。由于归一化处理后的零模电流梯度和s₀＝0.1416>ε₀＝0.05，则可判断故障为接地故障。

(5)根据说明书中步骤六进行故障选相。由于归一化处理后按照从大到小排序的三相电流梯度和分别为s₁＝1，s₂＝0.3683，s₃＝0.0764，且s₁/s₂＝2.71>ε₁＝2，故可判定故障为两相接地故障，且最小值s₃所对应的为s_b，即非故障相为B相，发生故障的是A、C相。

(6)为实现可靠选相，连续计算三相电流梯度和以及零模电流梯度和的四个值 通过归一化处理后得到然后再根据说明书中第五步、第六步、第七步进行故障选相，可得四个计算值均能得出AC两相接地故障的选相结果，具体选相结果如表3所示。

表3

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 (1)

1.一种利用相电流梯度和的故障选相方法，其特征在于：计算输电线路故障后量测端获得的三相电流及零模电流梯度和，对其归一化处理后将三相电流梯度和从大到小排序为s₁、s₂、s₃，根据零模电流梯度和判断是否为接地故障，若为非接地故障，则|s₁-s₂|大于设定阈值为三相短路故障，反之，为两相间故障且s₁、s₂对应的相是故障相；若为接地故障，则s₁/s₂大于设定阈值为单相接地故障且s₁对应的相是故障相，反之，为两相接地故障且s₁、s₂对应的相是故障相；

具体步骤为：

第一步、三相电流及零模电流的获取：

当输电线路发生故障时，通过量测端测得三相电流i_A，i_B，i_C，并根据三相电流数据计算零模电流i₀；

第二步、电流梯度的构造：

按式(1)利用三相电流以及零模电流信号相邻两个采样值之差分别构造电流梯度c_dif，即：

c_dif(k)＝(i(k)-i(k-1))/Δt (1)

式中Δt表示采样间隔，以ms为单位；k表示当前采样点；

第三步、求取三相电流及零模电流梯度和：

根据式(2)求取三相电流以及零模电流的梯度和S_A，S_B，S_C，S₀：

$S_j\left(k\right)=\underset{l=k-N+1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{c}_{dif}\left(l\right)---\left(2\right)$

式中c_dif表示电流梯度值；N表示一个采样周期；S_j(k)表示相电流梯度和，j取A、B、C、0；

第四步、对归一化处理后的数据排序：

对计算的三相电流梯度和以及零模电流梯度和S_A、S_B、S_C、S₀进行归一化处理得到s_a、s_b、s_c、s₀，将s_a、s_b、s_c按照大小排序后记为s₁>s₂>s₃；

第五步、接地故障与非接地故障的判别：

根据归一化处理后的零模电流梯度和s₀以及仿真实验确定的阈值ε₀，按以下条件进行接地故障与非接地故障的判别：

若s₀>ε₀，则判定故障为接地故障； (3)

若s₀<ε₀，则判定故障为非接地故障； (4)

其中，阈值ε₀按照远端高阻非接地故障时出现的最小值整定为0.05；

若根据式(3)判定故障为接地故障，则按照步骤六进行故障选相；若根据式(4)判定故障为非接地故障，则按照步骤七进行故障选相；

第六步、接地故障选相：

根据归一化处理后排序的电流梯度和s₁、s₂以及通过仿真实验确定的阈值ε₁，按以下条件进行单相接地故障与两相接地故障的判别：

若s₁/s₂>ε₁，则判定为单相接地故障 (5)

若s₁/s₂<ε₁，则判定为两相接地故障 (6)

其中，ε₁按照远端小故障角高阻单相接地故障时的故障相电流梯度和整定为2；

依据式(5)、式(6)进行故障相数的判别，若判定为单相接地故障，则归一化处理后的三相电流梯度和最大值s₁所对应的相即为故障相；若已判定为两相接地故障，则归一化处理后的三相电流梯度和最小值s₃对应的相为非故障相，另外两相即为故障相；

第七步、非接地故障选相：

根据归一化处理后排序的电流梯度和s₁、s₂以及通过仿真实验确定的阈值ε₂，按以下条件进行三相短路故障和两相短路故障的判别：

若|s₁-s₂|>ε₂，则判定故障为三相短路故障； (7)

若|s₁-s₂|<ε₂，则判定故障为两相间短路故障； (8)

其中，阈值ε₂按照远端高阻两相间短路故障时故障相电流差异较小值整定为0.1；

依据式(7)、式(8)进行故障相数的判别，若为两相间短路故障，则归一化处理后的三相电流梯度和最小值s₃对应的相为非故障相，另外两相即为故障相；

第八步、为实现可靠选相，连续计算三相电流梯度和以及零模电流梯度和的四个值通过归一化处理后得到然后再根据第五步、第六步、第七步进行故障选相，若四个计算值能得出相同的选相结果，则可完成故障选相。