CN104991166A - 一种配网单相接地故障选线的频带自适应获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种配网单相接地选线的频带自适应获取方法。配网发生单相接地故障时，各出线的零序电流可分为零序电压作用下共有的强制分量以及与线路自身参数相关的电感电容元件充放电产生的自由分量。运用矩阵束算法求解各出线零序电流中共有的频率及相应的相位。对共有频率从小到大排序并进行相位群比，找到频率使在其及以下，某出线各共有频率分量的相位一直与其他线路的相反或所有出线的共有频率分量一直同相位，直到下一频率不再满足，此频率为频带上限。经消弧线圈接地系统的频带下限取150Hz，其他非直接接地系统的频带下限为0。本方法不受配网运行方式，线路参数不精确等的影响。

Description

一种配网单相接地故障选线的频带自适应获取方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统继电保护的新方法，具体来说就是一种基于矩阵束算法的配网单相接地故障选线频带自适应获取方法。

背景技术

小电流接地系统中单相接地故障的选线问题一直是研究的热点和难点，目前主流的是基于暂态信息的选线方法。这些暂态方法主要分为两类：1)在特征频带内基于暂态零序电压和各出线零序电流之间的幅值和相位关系的选线方法；2)基于其它暂态特征的选线方法。小电流接地系统中当发生单相接地故障时，最基本的故障特征是在首容性频带内故障线路的的零序电流幅值最大且相位与其它出线零序电流相位相反，基于此可以构成选线判据。有很多判据也是基于此，比如通过判断各出线零序电流与零序电压之间的相关性进行选线，但实质是判别了各出线零序电流与零序电压之间的相位关系；基于模型参数识别的方法首先建立了各出线的π型模型，然后通过最小二乘算法求解母线侧的等效电容值实现选线，该方法的实质还是判别各出线的零序电流与零序电压之间的幅值和相位关系；

通过上述分析我们可以看出在一定的频带内各出线暂态故障特征关系是明显的，基于暂态信号的选线方法从原理上来讲能够选出故障线路，但是根据目前现场运行经验来看装置的动作成功率依然很低。究其原因，除了变电站运行不精确、电磁干扰、装置制造工艺等的影响外，频带的不合理选择也是其中的一个重要因素。频带太宽会造成不符合故障特征的频点信息参加选线，从而误选，频带太窄会造成有用信号不能被充分利用而选线失败。目前大部分选线方法中频带的选择都是依据首容性频带，这种方法易受配网运行方式的影响，且因线路参数不精确造成频带的选择不精确，所以目前急需一种精确的频带选择方法，来提升故障线路选出的准确性，从而提高装置的动作成功率。

发明内容

本发明的目的在于提出一种不受运行方式、线路参数不精确等影响的小电流接地系统单相接地故障选线频带的自适应获取方法，以解决传统选线方法由于频带选择不精确带来的灵敏度不足和判据失效问题。

为实现上述任务，本发明采用如下技术解决方案是：

一种配网单相接地故障选线的频带自适应获取方法，其实现步骤如下：

步骤一，指定各出线零序电流以母线流向线路为正方向，运用矩阵束算法提取各出线零序电流的频率分量以及各频率分量的相位；

步骤二，提取各出线的共有频率分量f_i，i＝1,2,…，n，表示各出线有n个共有频率，将共有频率从小到大排序，比较各共有频率分量对应的相位；

步骤三，确定频带上限频率f_k(1≤k≤N)，f_k满足这样的条件：在其及以下，某条出线的各共有频率分量的相位一直满足与其他线路的相反或者所有出线的共有频率分量一直满足同相位，直到下一频率f_k+1时不再满足；

步骤四，确定频带下限频率f₀，对于不接地系统，频带下限为0；对于经消弧线圈接地系统，频带下限为150H；

步骤五，确定的频带为f₀～f_k。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明在深入分析了小电流接地选线的故障特征后指出各出线的零序电流全响应包括0模电压作用下的强制分量以及各出线电容电感之间的自由分量。通过矩阵束算法提取各出线的强制分量并结合线路输入阻抗的相频特性，给出了一种配网单相接地时选线的频带自适应获取方法。与现有技术相比，本发明的优点是：不受配网运行方式以及线路参数不精确的影响，彻底解决了传统选线方法由于频带选择不精确带来的灵敏度不足和判据失效问题。

附图说明

图1为配网单相接地故障时的零序等效电路，

图2为小电流接地系统单相接地等值网络，

图3为PSCAD仿真配网模型示意图。

具体实施方式

图1中R_0k、L_0k、C_0k、C'_0k分别表示线路π模型的等效参数，其中C₀'_k≠C_0k，表示负荷侧分支电容等的影响。3L为消弧线圈电感，当开关打开时系统不接地，当开关合上时系统为经消弧线圈接地。i_0i(i＝1,2…，n)表示n条出线的零序电流，呈容性。i_L表示消弧线圈中的电流，呈感性。

根据单相接地故障的特点，利用卡伦鲍尔相模变换建立小电流接地系统单相接地时的等值网络，如图2所示。

其中u_f为故障点的附加电源，R_f为过渡电阻，u_1f、u_2f、u_0f为1模、2模、0模网络端口电压，i_1f、i_2f、i_0f为流进1模、2模、0模网络的暂态电流。

对于0模端口电压u_0f，不光含有工频分量，同时含有更高频率的分量。即u_0f满足

$u_{0f}=U_{0}cos\left(314t+{\mathrm{\θ}}_0\right)+\underset{1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{-{\mathrm{\δ}}_{i}t}{U}_i\cos \left(2{\mathrm{\πf}}_{i}t+{\mathrm{\θ}}_i\right)---\left(1\right)$

其中i＝1,2…,M，表示暂态信号个数；U₀、θ₀表示工频分量的幅值和相位；U_iθ_i f_iδ_i分别表示各频率分量的幅值，相位，频率及衰减因数。

各出线零序电流的响应为u_of的激励下的强制分量以及故障前自身储能元件充放电产生的自由分量。各出线零序电流中的强制分量频率共有且与u_of所含频率相同。其可以表示成

$i_j=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{-{\mathrm{\δ}}_{k}t}{I}_k\cos \left(2{\mathrm{\πf}}_{k}t+{\mathrm{\θ}}_k\right),j=1,2...,n---\left(1\right)$

本发明的设计原理是：首先分析了配网单相接地的等值网络和各出线零序电流的响应特性，应用矩阵束算法提取各出线零序电流的频点信息然后给出不接地系统和经消弧线圈接地系统的选线频带。

本发明提供的一种配网单相接地时选线的频带自适应获取方法，具体包括以下步骤：

(1)在变电站中，指定各出线零序电流以母线流向线路为正方向，采集各出线零序电流，数据窗长选一个周波或者半个周波，运用矩阵束算法求各出线零序电流共有的频率以及对应相位；

(2)提取各出线的共有频率分量f_i，i＝1,2,…，n，表示各出线有n个共有频率,对获得的共有频率从小到大排列，并选择某条出线为参考线路，与其它出线进行比较，依据式(1)对各共有频率对应相位进行判断是同相还是反向。相位的具体比较方法为选定其中某一条出线为参考线路，然后与其它出线进行比较。比较方法如下，假设θ_i、θ_j是共有频率f_i、f_j对应的相角，其中θ_j为参考线路对应的相角。相位相同的判据为：

|θ_i-θ_j|≤60°   (3)

不满足式(3)则为相位相反。

(3)确定上限频率f_k(1≤k≤n)。f_k满足这样的条件：在其及以下，某条出线的各共有频率分量的相位一直满足与其他线路的相反或者所有出线的共有频率分量一直满足同相位，直到下一频率f_k+1时不再满足；前一种情况实际是发生了线路故障，后一种情况发生了母线故障，而f_k和f_k+1之间的某一频率就是最长线路发生第一次串联谐振的频率。

(4)确定下限频率f₀。对于不接地系统，频带下限为0；对于经消弧线圈接地系统，频带下限为150H。

(5)f₀～f_k为所确定的频带。

在PSCAD中搭建如图3所示的模型，线路参数：零序

r₀＝0.16Ω/km,l₀＝3.3mH/km,c₀＝0.009μF/km,

r₁＝0.0484Ω/km,l₁＝1.1mH/km,c₁＝0.011μF/km，

开关K打开为不接地系统，合上为经消弧线圈接地。补偿度10％。采样频率为10KHz,在线路出口安装电流表，测量各出线的零序电流。

验证不同故障初相角、过渡电阻、故障离母线的距离等条件下频带选择的正确性，矩阵束算法数据窗长为20ms。具体计算结果见表1、表2。

表1为中性点经消弧线圈接地方式的电力系统，l₂线路中间故障时，过渡电阻分别为0和50Ω和故障初相角分别为90°和30°时的各出线频率。表2为中性点不接地系统中，l₄首端、l₅末端以及母线发生单相故障时的各出线频率。R_f表示过渡电阻，表示初相角。f表示共有频率，单位为Hz。

表1 不同故障条件下的出线频率

表2 不同位置故障时的各出线频率

各条出线发生首次串联谐振的频率如表3所示：

表3 各出线首次谐振频率

以表1中，的故障数据为例，给出频带的获取方法。5条出线的共有频率分别是661.1Hz和1164Hz，其中661.1Hz对应的各出线中线路2的相位与其他线路相位相反，1164Hz对应的各出线中线路5与线路2的相位相同，所以不能包含在频带内，综上频带上限可以定为750Hz。

综合通过表1、表2可以看出，随着各条出线共有频率的增大，最长的线路总是最先发生相位突变，因此可以用来确定频带的上限。

对于表1，由于系统为经消弧线圈接地方式，去下限频率为150Hz，故确定的频带范围为150～750Hz。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种配网单相接地故障选线的频带自适应获取方法，其特征在于，其实现步骤如下：

步骤一，指定各出线零序电流以母线流向线路为正方向，运用矩阵束算法提取各出线零序电流的频率分量以及各频率分量的相位；

步骤二，提取各出线的共有频率分量f_i，i＝1,2,…，n，表示各出线有n个共有频率，将共有频率从小到大排序，比较各共有频率分量对应的相位；

步骤三，确定频带上限频率f_k(1≤k≤N)，f_k满足这样的条件：在其及以下，某条出线的各共有频率分量的相位一直满足与其他线路的相反或者所有出线的共有频率分量一直满足同相位，直到下一频率f_k+1时不再满足；

步骤四，确定频带下限频率，对于不接地系统，频带下限为0；对于经消弧线圈接地系统，频带下限为150H；

步骤五，确定的频带为f₀～f_k。