CN104391224B - 一种基于瞬时幅值变化的配电网故障数据自同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于瞬时幅值变化的配电网故障数据自同步方法，本发明通过三相电流同一时刻的瞬时采样值实现故障电流瞬时幅值的计算，依据故障后电流瞬时幅值突变的特点进行故障同步，通过故障前后两个周波电流瞬时幅值的突变量的大小是否超过一定的门槛判断是否存在故障；具有灵敏度高、速度快的特点，可以有效解决现有故障检测方法在电流过零点附近故障时，启动慢、故障时刻检测误差大、自同步效果差的缺点；在不增加建设成本的情况下，提高了对时精度，其对时精度可以满足配电网纵联电流差动保护的要求。
Description
技术领域
本发明属于电力系统自动化领域，尤其涉及一种基于瞬时幅值变化的配电网故障数据自同步方法。
背景技术
重要负荷对供电可靠性要求的提高，促进了闭环网络在配电网中的应用。另一方面有源配电网的发展特别是分布式电源的大量接入，改变了传统配电网单辐射型的网络结构特点，网络上的潮流与故障电流可能出现功率的双向流动，且方向具有不确定性，使得传统三段式电流保护出现误动或拒动的现象。纵联电流差动保护能够可以有效利用故障区段内的信息，是最有效的保护方法。
上述问题的出现促进了纵联电流差动保护在配电网中的应用。纵联电流差动保护在配电网中应用面临的首要问题即是故障数据的同步。与输电网不同，配电网配置较低，普遍采用网络对时，该对时精度不能够满足保护的要求。另一方面配电网结构复杂，分支较多，要在分段开关、分界开关等开关处配置精准的对时装置，投资较大，也不符合实际。这一度是限制纵联电流差动保护在配电网中推广应用的主要原因，因此如何实现故障数据自同步是纵联电流差动保护在配电网中的应用亟待解决的问题。
为降低建设成本，结合中压配电网自身线路短、分布电容小、对保护速动性要求低等特点，一些学者提出了故障数据自同步，即利用故障后故障电流突变的特点进行故障数据自同步，该算法能够实现的前提即是忽略电磁波在配电线路上的传播时间以及分布电容的影响，认为故障后保护区段两端保护装置可同时感受到电流幅值的突变，并认为保护装置检测到的首个电流突变点对应的时刻为故障起始时刻，进而实现故障数据自同步。
现有的故障数据自同步算法主要有相电流突变量自同步算法，但该算法在电流过零点附近故障时，启动慢、故障时刻检测误差大、自同步效果差。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于瞬时幅值变化的配电网故障数据自同步方法，该方法利用三相电流同一时刻的瞬时采样值实现故障电流瞬时幅值的计算，依据故障后电流瞬时幅值突变的特点进行故障数据自同步，有效克服了现有故障自同步技术在电流过零点附近故障时，启动慢、故障时刻检测误差大、自同步效果差的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于瞬时幅值变化的配电网故障数据自同步方法，包括以下步骤：
(1)实时采集电流互感器的电流采样数据，提取同一时刻ABC三相电流的采样数据；
(2)利用故障电流瞬时幅值算法实时计算电流瞬时幅值；
(3)根据电流瞬间幅值突变量与门槛值的大小判断是否存在故障，如果不存在故障，则返回步骤(1)，否则，进入步骤(4)；
(4)进行故障处理，以第一个超过突变门槛值的点为故障时刻，进行特征量计算，实现故障数据自同步。
所述步骤(2)中，故障电流瞬时幅值的计算利用三相电流同一时刻的三个或两个瞬时采样值进行瞬时幅值的计算，为降低误差，要求智能终端的采样频率≥3200Hz。
所述步骤(2)中，故障时刻的检测利用故障后故障电流瞬时幅值突变的特点进行故障检测，是通过故障前后两个周波电流瞬时幅值的突变量ΔIm的大小是否超过一定的门槛Iset判断是否存在故障。
所述步骤(2)的计算方法为：通过一个正弦信号上的三个采样点，唯一确定一个正弦信号，即唯一确定该正弦信号的幅值、频率和相位，当该正弦信号上的三个采样点互差120度时，即认为三相正弦信号同一时刻的三个采样点，确定唯一的三相正弦信号后，计算故障电流的瞬时幅值。
所述步骤(2)中，对于电力系统继电保护，认为频率已知，因此利用两点采样值直接确定正弦信号的幅值和相位。
所述步骤(2)中，故障电流瞬时幅值的突变量ΔIm的计算需要考虑系统振荡以及频率不稳定因素的影响，则ΔIm利用故障前两个周波突变量之差进行计算，
ΔIm＝||im(k)-im(k-N)|-|im(k-N)-im(k-2N)||，
其中N为每周波采样点数，im(k)为当前采样点，im(k-N)为前一个周波采样点，im(k-2N)为前两个周波采样点；门槛值Iset的值同时考虑灵敏度与保护的误动率以及配电网负荷电流变化规律。
所述门槛值Iset二次侧电流取0.5A。
所述步骤(3)中，是否存在故障的判断，为防止噪声与扰动的影响，需要连续的3个采样点的突变量均超过门槛值才能确定存在故障，认为上述首个突变量超过门槛值采样点所对应的时刻为故障时刻。
所述步骤(4)中，故障数据自同步以忽略电磁波在线路上的传输误差为前提，认为故障发生后保护区段两侧的保护装置可同时检测到故障，首个突变点所对应的时刻即为故障时刻，两侧数据以故障时刻为基准点进行幅值、相量等运算，实现故障数据自同步。
本发明的工作原理为：配电线路发生故障后，故障信号会沿线路向线路两端传输，由于配电线路较短，该传播时间可以忽略，此时可近似认为线路两端检测到的时刻为同一时刻；由于故障后电流幅值会发生突变，利用电流瞬时幅值的突变进行故障检测，为避免噪声信号对故障检测的影响，只有连续三个点的电流幅值突变量超过预设门槛时，才认为存在故障，且认为第一个电流突变点为故障起始时刻。
本发明的有益效果为：
(1)具有灵敏度高、速度快的特点，并且可以有效解决现有故障检测方法在电流过零点附近故障时，启动慢、故障时刻检测误差大、自同步效果差的缺点，尤其有效于直接接地系统的单相接地故障；
(2)该方法不需要在开关等处增加额外的设备，在不增加建设成本的情况下，提高了对时精度，其对时精度可以满足配电网纵联电流差动保护的要求。
附图说明
图1瞬时幅值计算示意图；
图2故障信号自同步示意图；
图3基于瞬时幅值变化的配电网故障数据自同步方法示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
配电线路发生故障后，故障信号会沿线路向线路两端传输，由于配电线路较短，该传播时间可以忽略，此时可近似认为线路两端检测到的时刻为同一时刻；由于故障后电流幅值会发生突变，利用电流瞬时幅值的突变进行故障检测，为避免噪声信号对故障检测的影响，只有连续三个点的电流幅值突变量超过预设门槛时，才认为存在故障，且认为第一个电流突变点为故障起始时刻，如图2所示。
一、本发明基于瞬时幅值变比的故障数据自同步方法实现的前提条件是：
a)配电线路较短，可以忽略电磁波在线路上的传输误差。
b)配电线路分布电容较小，忽略其对故障电流的影响。
c)智能终端具有较高的采样频率(大于3200Hz)。
二、故障电流瞬时幅值的计算
由于一标准的正弦信号可以由三个基本特征量唯一表征，即幅值、频率、初相角，或者说对一正弦信号，只需要其三个不同时刻的采样点，便可建立三个独立方程，进而求出正弦信号的基本特征量，则三个不同时刻构成的方程组如下所示：
K为对应的不同时刻的采样值，ω为角频率，α为初相角。
当时，上述方程组可认为是互差120°的正弦信号同一时刻的表达式，即利用三相正弦波同一时刻的瞬时采样值值可以唯一确定该正弦信号，如图1所示。
在电力系统继电保护的大部分情况下，可以认为角频率ω为已知量，上述方程个数可减至两个。由于该基于瞬时幅值变化的配电网故障数据自同步方法主要是通过瞬时幅值的突变进行故障判断，因此可以进行有针对性的简化算法，采用瞬时值之间的乘积运算来实现，简称采样值积算法。根据所用信号的个数分为两采样值积算法和三采样值积算法。
a)三采样值积算法
当可以同时获取三相故障电流同一时刻的采样点时，则故障电流幅值的计算如下：
式中Im为故障电流幅值，ia、ib、ic为同一时刻A、B、C三相电流采样值。
故障电流的幅值可以由任一时刻三相电流采样值直接计算得到，但当发生不对称故障时，由于三相电流不平衡，上述计算公式计算得到电流幅值为三相电流综合幅值。
上述算法成立的条件为已知正弦信号的频率，当系统的频率发生偏离时会影响上述自同步算法的误差，此时可下述公式进行幅值计算。
该幅值计算公式不受正弦信号频率的影响，亦不受系统频率变化的影响，但该算法较上述算法复杂。
b)两采样值积算法
由于配电网中大多数情况下仅装设两相CT，同一时刻仅有两个采样点，此时故障电流幅值的计算如下：
式中Im为故障电流幅值，i1、i2为同一时刻A、B、C任两相电流采样值。
同样，当采集数据有一相为非故障相时，该幅值会受非故障相影响，计算幅值为综合幅值。
三、故障数据自同步
一般配电线路较短，对于一30km长的线路，其传输时间约为0.1ms，对应的采样频率为10000Hz，大于一般配电保护装置的采样频率，其传输时间小于1个采样间隔，因此忽略电磁波在配电线路上的传输误差；其次鉴于配电线路分布电容较小，忽略其对故障电流相位的影响。为提高自同步精度，要求保护装置的采样频率越高越好，最低不得低于3200Hz。基于上述前提，可认为故障电流的电磁波可同时传输到两侧的保护装置，即保护装置可同时检测到电流的突变，该电流突变时刻即为故障时刻。据此实现故障数据的自同步，保护所利用的电流的幅值、相位的计算均以该故障时刻为起始点进行计算。
而故障时刻的检测则是利用一般情况下故障电流远大于正常的负荷潮流，故障后故障电流会发生突变，实现故障时刻的精确检测，并在此基础上实现故障同步。为降低负荷电流对故障检测的影响，本发明利用故障电流的突变量进行故障检测；另一方面，仅依靠一个周波的突变量进行故障检测可能导致保护装置因频率波动以及振荡等造成的频繁启动，因此本发明利用故障前两个周波的数据进行故障电流突变量的计算，其计算如下：
启动判据为：
Im(k)为当前时刻三相电流幅值，Im(k-N)为一周波前的对应的三相电流幅值，Iset按二次侧电流0.5A进行整定。可以看出，突变量的计算需要利用故障前两个周波的数据、故障前一个周波的数据以及故障时刻发生后的数据，但此处仅需计算故障后电流的瞬时幅值。因为故障前电流的瞬时幅值已经计算过，此处调用即可。
可见，当系统正常运行时，理想情况下上述突变量计算公式所得的突变量接近零，但系统的频率以及负荷电流等均在不断的变化，通过上述两个周波突变量之差可以有效降低因频率波动(允许范围内)以及负荷变化的造成的电流幅值的变化，减少保护装置的频繁启动。
同时为了防止噪声信号与扰动的影响，只有存在连续3个点的电流幅值突变量超过预定门槛值时，才确定存在故障，并认为首个超过突变门槛的采样点所对应的时刻为故障时刻并据此实现故障数据同步，否则判定为扰动。可见该算法实现数据同步的前提认为两侧的保护装置检测到的故障时刻为同一时刻，即忽略了电磁波在配电线路上的传输时间以及线路分布电容对故障电流相位的影响。
实施例1
如图3所示，该基于瞬时幅值变化的配电网故障数据自同步方法实现的具体步骤如下：
步骤1：逻辑程序开始；
步骤2：实时收集电流互感器电流采样数据，提取其中同一时刻ABC三相电流的采样数据；
步骤3：利用采样值积算法(两点或三点采样值积算法)实时计算电流瞬时幅值；
步骤4：向前计算一个周波的电流幅值突变量；
步骤5：判断故障，若有连续3个电流瞬时综合幅值突变量超过门槛值，则确定故障的存在；
步骤6：故障处理，以上述第一个超过突变门槛的点为故障时刻，进行相关特征量的计算。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (6)
1.一种基于瞬时幅值变化的配电网故障数据自同步方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)实时采集电流互感器的电流采样数据，提取同一时刻ABC三相电流的采样数据；
(2)利用故障电流瞬时幅值算法实时计算电流瞬时幅值；
(3)根据电流瞬间幅值突变量与门槛值的大小判断是否存在故障，如果不存在故障，则返回步骤(1)，否则，进入步骤(4)；
(4)进行故障处理，以第一个超过突变门槛值的点为故障时刻，进行特征量计算，实现故障数据自同步；
所述步骤(2)中，故障电流瞬时幅值的计算利用三相电流同一时刻的三个或两个瞬时采样值进行瞬时幅值的计算，为降低误差，要求智能终端的采样频率≥3200Hz；
所述步骤(2)的计算方法为：通过一个正弦信号上的三个采样点，唯一确定一个正弦信号，即唯一确定该正弦信号的幅值、频率和相位，当该正弦信号上的三个采样点互差120度时，即认为三相正弦信号同一时刻的三个采样点，确定唯一的三相正弦信号后，计算故障电流的瞬时幅值；故障电流瞬时幅值的计算采用采样值积算法，根据所用信号的个数分为两采样值积算法和三采样值积算法；
1)三采样值积算法
当可以同时获取三相故障电流同一时刻的采样点时，则故障电流幅值的计算如下：
<mrow>
<msubsup>
<mi>I</mi>
<mi>m</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>=</mo>
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<mrow>
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<mi>b</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
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<mi>a</mi>
</msub>
<msub>
<mi>i</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中Im为故障电流幅值，ia、ib、ic为同一时刻A、B、C三相电流采样值；
2)两采样值积算法
由于配电网中大多数情况下仅装设两相CT，同一时刻仅有两个采样点，此时故障电流幅值的计算如下：
<mrow>
<msubsup>
<mi>I</mi>
<mi>m</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>=</mo>
<mn>1.333</mn>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msubsup>
<mi>i</mi>
<mn>1</mn>
<mn>2</mn>
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<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>i</mi>
<mn>2</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>i</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<msub>
<mi>i</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中Im为故障电流幅值，i1、i2为同一时刻A、B、C任两相电流采样值；
所述步骤(4)中，故障数据自同步以忽略电磁波在线路上的传输误差为前提，认为故障发生后保护区段两侧的保护装置可同时检测到故障，首个突变点所对应的时刻即为故障时刻，两侧数据以故障时刻为基准点进行幅值、相量等运算，实现故障数据自同步。
2.如权利要求1所述的一种基于瞬时幅值变化的配电网故障数据自同步方法，其特征是：所述步骤(2)中，故障时刻的检测利用故障后故障电流瞬时幅值突变的特点进行故障检测，是通过故障前后两个周波电流瞬时幅值的突变量ΔIm的大小是否超过一定的门槛Iset判断是否存在故障。
3.如权利要求1所述的一种基于瞬时幅值变化的配电网故障数据自同步方法，其特征是：所述步骤(2)中，对于电力系统继电保护，认为频率已知，因此利用两点采样值直接确定正弦信号的幅值和相位。
4.如权利要求1所述的一种基于瞬时幅值变化的配电网故障数据自同步方法，其特征是：所述步骤(2)中，故障电流瞬时幅值的突变量ΔIm的计算需要考虑系统振荡以及频率不稳定因素的影响，则ΔIm利用故障前两个周波突变量之差进行计算，
ΔIm＝||im(k)-im(k-N)|-|im(k-N)-im(k-2N)||，
其中N为每周波采样点数，im(k)为当前采样点，im(k-N)为前一个周波采样点，im(k-2N)为前两个周波采样点；门槛值Iset的值同时考虑灵敏度与保护的误动率以及配电网负荷电流变化规律。
5.如权利要求4所述的一种基于瞬时幅值变化的配电网故障数据自同步方法，其特征是：所述门槛值Iset二次侧电流取0.5A。
6.如权利要求1所述的一种基于瞬时幅值变化的配电网故障数据自同步方法，其特征是：所述步骤(3)中，是否存在故障的判断，为防止噪声与扰动的影响，需要连续的3个采样点的突变量均超过门槛值才能确定存在故障，认为上述首个突变量超过门槛值采样点所对应的时刻为故障时刻。
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| CN1472857A (zh) * | 2003-06-11 | 2004-02-04 | 贺家李 | 输电线路纵联保护方法 |
| EP1982395A1 (en) * | 2006-02-10 | 2008-10-22 | ABB Technology Ltd | Method and adaptive distance protection relay for power transmission lines |
| CN102570419A (zh) * | 2011-12-28 | 2012-07-11 | 西安交通大学 | 一种基于电流量的输电线路纵联保护方法 |
| CN102981103A (zh) * | 2012-11-19 | 2013-03-20 | 山东理工大学 | 利用故障信号自同步实现闭环网故障定位的方法 |
| CN103490394A (zh) * | 2013-09-30 | 2014-01-01 | 山东大学 | 有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法 |
-
2014
- 2014-11-19 CN CN201410663374.1A patent/CN104391224B/zh active Active
Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 有源配电网电流差动保护应用技术探讨;高厚磊等;《电力系统保护与控制》;20140226;第42卷(第5期);第40-44页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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