CN104793101A - 一种暂态行波小电流接地选线装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属电力系统选线功能测试技术领域，具体涉及一种暂态行波小电流接地选线装置及其测试方法，包括数据生成模块、任意波形发生模块、高频功率放大器和选线装置，所述数据生成模块用于生成各种故障数据，所述任意波形发生模块读取故障数据并无差别产生相应的模拟信号，任意波形模块产生的模拟信号通过同轴线输入到高频功率放大器进行无差别地进行放大后，输出至被测设备所需的选线装置，其中测试方法包括建立数据输出模块建模、生成测试信号、测试信号转换和信号测试，本发明测试方案能对配电网中常用的暂态行波小电流接地选线装置进行准确检测，对不同接地方式及故障类型的形式均具有通用性。

Description

一种暂态行波小电流接地选线装置及其测试方法

技术领域

本发明属电力系统选线功能测试技术领域，具体涉及一种暂态行波小电流接地选线装置及其测试方法。

背景技术

目前，我国6～66kV中低压配电网普遍采用配电网非直接接地系统，配电网非直接接地方式的主要优点在于：单相接地故障时未形成短路回路，系统中只产生很小的零序电流，三相线电压依然对称，并不影响系统的正常工作；当发生单相接地故障时，配电网非直接接地系统可带故障继续运行1～2h，这样能够提高供电的可靠性，因而得到了广泛的应用；但是，系统带单相接地故障运行时，在金属性短路的情况下，接地相对地电压降为零，但非故障相对地电压升高为线电压，若长期运行，电压的升高将使非故障相绝缘薄弱处发生对地击穿，造成两相接地短路故障，引起故障的进一步扩大，因此必须及时找出故障线路并尽快排除故障，从技术上保证电网的安全运行，提高供电可靠性，但是，由于配电网非直接接地系统发生单相接地时，故障电流非常小，加之配电网结构的复杂，运行方式的多变，使配电网的单相接地系统故障选线准确性受到诸多限制，给故障选线造成困难，采用常规继电保护装置根本无法准确检测出故障线路，导致长期以来配电网非直接单相接地选线成为一个技术难题。

为此，许多厂家研究出各种型号与性能不一的小电流接地选线装置，以期能够解决配电网选线的难题，然而，目前安装或运行于配电网的配电网非直接接地系统故障选线装置依然总体效果不佳，亦无法对小电流接地选线装置进行一个有效的评价，为此大部分供电部门不得不仍然采用传统的人工试拉路方法选择故障线路、登杆摇测等办法查找故障点，与配电网供电可靠性及自动化水平不断提高的局面严重不适应；由于历史原因，对于配电网非直接接地系统故障选线技术和装置一直缺乏有效的行业标准和检验准则，使得供电企业在产品选型时无规则可依，同时也不能准确把握产品的特点，这是造成选线效果不佳的一个重要原因。考虑到未来智能配电网将提出更高的要求，提高配电网非直接接地系统故障选线准确率已成为一个迫切而重要的课题；因此，研究分析配电网非直接接地系统故障选线技术特点、构建技术和产品的测试方法，对认可度较高的暂态行波小电流选线装置进行测试，是供电企业提高选线效果的一个必须且最有效的途径，为此，发明一种检测暂态行波小电流接地选线装置的测试方案，测试行内认可度较高的暂态行波小电流接地选线装置显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的为解决现有技术的上述问题，提供了一种暂态行波小电流接地选线装置及其测试方法，为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种暂态行波小电流接地选线装置，其特征在于：一种暂态行波小电流接地选线装置，其特征在于：包括数据生成模块、任意波形发生模块、高频功率放大器和选线装置，所述数据生成模块用于生成各种故障数据，所述任意波形发生模块读取故障数据并无差别产生相应的模拟信号，任意波形模块产生的模拟信号通过同轴线输入到高频功率放大器进行无差别地进行放大后，输出至被测设备所需的选线装置。

优选地，所述高频功率放大器具有12路电压和24路电流的高频通道。

优选地，所述数据生成模块生成的数据为电磁暂态故障数据信号或现场录波数据信号。

优选地，所述任意波形发生模块的模拟信号最高转化率为0～20MHz，信号输出带宽为0～3MHz。

一种暂态行波小电流接地选线装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)建立数据输出模块模型，使用PSCAD仿真软件对典型变电站进行仿真建模，并设置采样频率为1MHz,生成电磁暂态故障数据输出模块，同时设置配电网中各种故障情况，并输出各种故障情况下的零序电流信号、三相电压信号和母线上的零序电压信号波形，并将将输出波形保存为comtrade格式的故障数据文本；

当配电网故障发生时，此时配电网中故障路的电气量如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{CF}}=-u_f\\ i_{\mathrm{BF}}=0\\ i_{\mathrm{AF}}=0\end{array}\right.$    ……①

式①中，u_CF为故障点的电压，而u_f为未发生故障时的初始电压行波，i_BF和i_AF为电流行波，而对于分量网络而言，电气量满足：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_0=Z_0{i}_0\\ u_1=Z_1{i}_1\\ u_2=Z_2{i}_2\end{array}\right.$    ……②

式②中，u₀为故障的零模电压行波，u₁和u₂为线模电压行波；i₀为故障点两侧的零模，i₁和i₂为故障点两侧的线模电流行波；而Z₀为零模，和Z₁和Z₂为线模波阻抗，其中：

$Z_0=\sqrt{\frac{L_0}{C_0}},Z_1=\sqrt{\frac{L_1}{C_1}},Z_2=\sqrt{\frac{L_2}{C_2}}$

其中，L₀，L₂，L₂为线路对地电感，C₀，C₁，C₂为线路对地电容；

(2)建立生成测试信号模型：任意波形发生模块将comtrade格式的波形数据文本不失真的转换为相应的模拟信号；

(3)建立测试信号转换模型：任意波形发生模块用于实现仿真波形数据的存储以及控制数据类型的输出控制，实现现场试验的便捷进行；

(4)信号测试：功率放大器模块将任意波形发生模块输出的模拟信号放大后，生成满足设备对输入信号要求的模拟量，并接入选线设备进行测试。

综上所述，本发明测试测试方案能对现在配电网中常用的暂态行波小电流接地选线装置进行准确检测，对不同接地方式及故障类型的形式均具有通用性，本发明还具有以下有益效果：

(1).能够对波形要求严格的暂态行波小电流接地选线装置进行测试。

(2).具有多通道的高频功率放大器能够对带多出线的常规电站的仿真波

形进行放大输出。

(3).仿真出不同类型的故障，能够对暂态行波小电流接地选线装置进行多方面的测试。

(4).能够便携并可实现就地测试，脱离了实验室测试的范畴。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种暂态行波小电流接地选线装置结构图。

图2是本发明的配电网故障时的等效模型图。

图3a是本发明的配电网故障时的零模等值电路图的等效模型。

图3b是本发明的配电网故障时的线模等值电路图的等效模型。

图4是本发明一种暂态行波小电流接地选线装置的测试方法流程示意图。

图5是本发明一种暂态行波小电流接地选线装置的测试方法的数据输出模块的仿真模型。

图5a是本发明仿真模型的系统主变模型图。

图5b是本发明仿真模型的电缆线路模型图。

图5c是本发明仿真模型的架空线线路模型图。

图5d是本发明仿真模型的配电变压器及负载模型图。

图6是本发明数据输出模块的仿真模型中各条分支线线路的零序电流行波图。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1，一种暂态行波小电流接地选线装置，其特征在于：一种暂态行波小电流接地选线装置，其特征在于：包括数据生成模块、任意波形发生模块、高频功率放大器和选线装置，所述数据生成模块用于生成各种故障数据，所述数据生成模块生成的数据为电磁暂态故障数据信号或现场录波数据信号，所述任意波形发生模块读取故障数据并无差别产生相应的模拟信号，任意波形模块产生的模拟信号通过同轴线输入到高频功率放大器进行无差别地进行放大后，输出至被测设备所需的选线装置，所述任意波形发生模块的模拟信号最高转化率为0～20MHz，信号输出带宽为0～3MHz，其中，任意波形发生模块由数据控制器、数据存储器、D/A转换器和界面显示组成；

本发明中，所述高频功率放大器具有12路电压和24路电流的高频通道，高频通道能够对高频信号进行不失真的放大，满足行波小电流接地选线装置的检测要求，并可同时测试多台选线装置和检测暂态行波小电流接地选线装置。

一种暂态行波小电流接地选线装置的测试方法，包括以下步骤：

(1)建立数据输出模块模型，使用PSCAD仿真软件对典型变电站进行仿真建模，并设置采样频率为1MHz,生成电磁暂态故障数据输出模块，同时设置配电网中各种故障情况，并输出各种故障情况下的零序电流信号、三相电压信号和母线上的零序电压信号波形，并将将输出波形保存为comtrade格式的故障数据文本；

结合图2，配电网的故障等效模型，型当配电网故障发生时(故障点为图2中的Fault所指示的点)，以三相电压信号为例，当三相电压信号中(三相电压包括A/B/C相)的C相发生故障时，此时配电网中故障路的电气量如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{CF}}=-u_f\\ i_{\mathrm{BF}}=0\\ i_{\mathrm{AF}}=0\end{array}\right.$    ……①

式①中，u_CF为故障点的电压，而u_f为未发生故障时的初始电压行波，i_BF和i_AF为电流行波，而对于分量网络而言，电气量满足：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_0=Z_0{i}_0\\ u_1=Z_1{i}_1\\ u_2=Z_2{i}_2\end{array}\right.$    ……②

式②中，u₀为故障的零模电压行波，u₁和u₂为线模电压行波；i₀为故障点两侧的零模，i₁和i₂为故障点两侧的线模电流行波；而Z₀为零模，和Z₁和Z₂为线模波阻抗，Z₀为零模(图3a为零模等值电路图)，Z₁和Z₂为线模波阻抗(图3b线模等值电路图)，其中：

$Z_0=\sqrt{\frac{L_0}{C_0}},Z_1=\sqrt{\frac{L_1}{C_1}},Z_2=\sqrt{\frac{L_2}{C_2}}$

其中，L₀，L₂，L₂为线路对地电感，C₀，C₁，C₂为线路对地电容；

其中，图3a中的Z_eq为中性点等效波阻抗，图3a和图3b所示的Z_T20、Z_T21和Z_T22为变压器二次侧的等效波阻抗，Z_T10、Z_T11和Z_T10为变压器一次侧的等效波阻抗，Z₀、Z_LD0为零模波阻抗，Z₁、Z_LD1和Z₂、Z_LD2为线模波阻抗。

(2)建立生成测试信号模型，任意波形发生模块将comtrade格式的波形数据文本不失真的转换为相应的模拟信号；根据PSCAD仿真模型提供的故障仿真波形数据，任意波形发生模块具有对波形数据进行存储与控制、处理与波形生成功能，能够对波形数据进行无差别的处理生成需要的故障模拟波形信号；

(3)建立测试信号转换模型,任意波形发生模块用于实现仿真波形数据的存储以及控制数据类型的输出控制，实现现场试验的便捷进行；本发明中，同时将任意波形发生模块存储控制及输出的数据类型仿真波形采用高频功率放大器进行无差别放大，采用多通道高频功率放大器具有12路电压、24路电流通道，并且能够对故障模拟波形无差别放大到测试所需，将任意波形发生模块提供的模拟信号经功率放大器放大处理后，不仅能够得到常规频率的波形信号，而且能够将高频的电流信号无差别放大，满足暂态行波小电流接地选线装置对波形信号的要求；

(4)信号测试：功率放大器模块将任意波形发生模块输出的模拟信号放大后，生成满足设备对输入信号要求的模拟量，并接入选线设备进行测试；小电流接地选线装置通过装置端口与功率放大器的多路通道端口相连，检测到放大的模拟信号后进行选线工作，并通过界面显示把选线结果显现出来，与设定的故障线路进行比对，测试出选线装置的选线能力；多次通过不同的故障类型与不同的故障位置进行仿真模拟测试，检测出被测试的小电流接地选线装置的选线正确率，确立暂态行波小电流接地选线装置的选线能力，为电网公司选购设备提供强有利的依据。

参考图4，本发明提出的一种暂态行波小电流接地选线装置的测试方法方案，整个系统包括电磁暂态仿真软件PSCAD、任意波形发生模块、带高频通道的功率放大器，多套常用的暂态行波小电流接地选线装置，其测试流程如下：

(1).本发明中，依据现场的配电网数据通过电磁暂态仿真软件PSCAD进行仿真建模，得到比较接近现场实际的仿真模型，建立一个出线数量多，并且参数基于实际现场，负载类型多样化且各功能要求齐全的变电站得到比较贴近现场实际的仿真模型，并根据不同的要求与功能设置提供不同故障点和不同故障类型，仿真模型根据不同的要求与功能能够提供不同故障点的多种故障类型，如高阻接地故障、非线性故障等，使得整个方案的故障情况更加接近现场情况，仿真出符合要求的故障波形，真实地测试行波选线装置的选线能力。

(2).根据PSCAD仿真模型提供的故障仿真波形数据，任意波形发生器具有对波形数据进行存储与控制、处理与波形生成功能，并且通过开关量接口输出至高频功率放大器，能够对波形数据进行无差别的处理生成需要的故障模拟波形信号，其中波形数据控制采用FPGA控制器进行处理，波形数据存储采用双端RAM进行处理；

(3).多通道高频功率放大器具有12路电压、24路电流通道，并且能够对故障模拟波形无差别放大到测试所需的信号，将任意波形发模块提供的模拟信号经高频功率放大器进行数据回放处理后，不仅能够得到常规频率的波形信号，而且能够将高频的电流信号无差别放大，满足暂态行波小电流接地选线装置对波形信号的要求。

(4).小电流接地选线装置通过装置端口与高频功率放大器的多路通道端口相连，检测到放大的模拟信号后进行选线工作，并通过界面显示把选线结果显现出来，与设定的故障线路进行比对，测试出选线装置的选线能力。

(5).多次通过不同的故障类型与不同的故障位置进行仿真模拟测试，检测出被测试的小电流接地选线装置的选线正确率，确立暂态行波小电流接地选线装置的选线能力，为电网公司选购设备提供强有利的依据。

结合图5，本发明实施例的数据输出模块，使用PSCAD仿真软件对典型变电站进行仿真建模的模型图，根据典型变电站各出线的实际参数，建立带有五条出线的典型变电站的仿真模型,该模型中出线类型包含一条纯电缆出线线路(出线线路1)及四条含电缆线路及架空线路的混合分支线路；其中图5a为系统主变，该系统主变的变比为110/11，经过主变后系统电压将转变为11kV；其中图5b为图5中出线线路2的b部分，该线路类型为电缆线路；图5c为出线线路2的c部分，该线路类型为架空线线路，在图5c其中有故障设置模块(FAULTS模块)，通过该模块可以设置相应的线路故障类型，本发明实施例中仿真模型的故障类型为A相接地故障；图5d为出线线路2的d部分，即配电变压器及负载部分，配电变压器的容量决定了负载的取值，线路的负荷电流的大小与此相关；图6为图5中仿真模型的出线线路2发生A相接地故障时，各条分支线线路的零序电流行波图，仿真得到的五条出线变电站在故障时的各线路的电流行波图，根据故障时的行波量对选线装置进行测试，其中I₁为第一条出线线路(出线线路1)的零序电流行波曲线，I₂为第二条出线线路(出线线路2)的零序电流行波曲线，I₃为第三条出线线路(出线线路3)的零序电流行波曲线，I₄为第四条出线线路(出线线路4)的零序电流行波曲线，I₅为第五条出线线路(出线线路5)的零序电流行波曲线，根据故障时的电流行波输出对选线装置进行测试，检验其选线能力。

本发明的测试方案能够对信号要求严格的暂态行波小电流接地选线装置进行测试，为配电网的可靠运行与故障正确选线提供可靠实用的测试标准。

以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种暂态行波小电流接地选线装置，其特征在于：一种暂态行波小电流接地选线装置，其特征在于：包括数据生成模块、任意波形发生模块、高频功率放大器和选线装置，所述数据生成模块用于生成各种故障数据，所述任意波形发生模块读取故障数据并无差别产生相应的模拟信号，任意波形模块产生的模拟信号通过同轴线输入到高频功率放大器进行无差别地进行放大后，输出至被测设备所需的选线装置。

2.根据权利要求1所述的一种暂态行波小电流接地选线装置，其特征在于：所述高频功率放大器具有12路电压和24路电流的高频通道。

3.根据权利要求1所述的一种暂态行波小电流接地选线装置，其特征在于：所述数据生成模块生成的数据为电磁暂态故障数据信号或现场录波数据信号。

4.根据权利要求1所述的一种暂态行波小电流接地选线装置，其特征在于：所述任意波形发生模块的模拟信号最高转化率为0～20MHz，信号输出带宽为0～3MHz。

5.一种暂态行波小电流接地选线装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)建立数据输出模块模型，使用PSCAD仿真软件对典型变电站进行仿真建模，并设置采样频率为1MHz,生成电磁暂态故障数据输出模块，同时设置配电网中各种故障情况，并输出各种故障情况下的零序电流信号、三相电压信号和母线上的零序电压信号波形，并将将输出波形保存为comtrade格式的故障数据文本；

当配电网故障发生时，此时配电网中故障路的电气量如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{CF}}=-u_f\\ i_{\mathrm{BF}}=0\\ i_{\mathrm{AF}}=0\end{array}\right.$ ……①，

式①中，u_CF为故障点的电压，而u_f为未发生故障时的初始电压行波，i_BF和i_AF为电流行波，而对于分量网络而言，电气量满足：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_0=Z_0{i}_0\\ u_1=Z_1{i}_1\\ u_2=Z_2{i}_2\end{array}\right.$ ……②，

式②中，u₀为故障的零模电压行波，u₁和u₂为线模电压行波；i₀为故障点两侧的零模，i₁和i₂为故障点两侧的线模电流行波；而Z₀为零模，和Z₁和Z₂为线模波阻抗，其中：

$Z_0=\sqrt{\frac{L_0}{C_0}},Z_1=\sqrt{\frac{L_1}{C_1}},Z_2=\sqrt{\frac{L_2}{C_2}}$

其中，L₀，L₂，L₂为线路对地电感，C₀，C₁，C₂为线路对地电容；

(2)建立生成测试信号模型：任意波形发生模块将comtrade格式的波形数据文本不失真的转换为相应的模拟信号；

(3)建立测试信号转换模型：任意波形发生模块用于实现仿真波形数据的存储以及控制数据类型的输出控制，实现现场试验的便捷进行；

(4)信号测试：功率放大器模块将任意波形发生模块输出的模拟信号放大后，生成满足设备对输入信号要求的模拟量，并接入选线设备进行测试。