CN105044560A - 一种基于故障自适应技术的配电网故障判决方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于故障自适应技术的配电网故障判决方法，包括：在配电网发生故障时，根据已测量的配电网电容值和电流值，计算出需要补偿的电感电流；根据所述电感电流的值，控制可控电抗器向配电网输出补偿电流，并设置额定补偿时间；当配电网的故障在所述额定补偿时间内自动消除恢复至正常状态时，则判定配电网发生了瞬时性故障；当配电网的故障在超过所述额定补偿时间后仍然存在时，则判定配电网发生了永久性故障。本发明提供的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法可以准确地判断出各种配电网故障类型，有助于对配电网故障的快速定位和配网自动化的实现。

Description

一种基于故障自适应技术的配电网故障判决方法

技术领域

本发明涉及电子电力技术领域，尤其涉及一种基于故障自适应技术的配电网故障判决方法。

背景技术

随着电网的发展，电网的容量越来越大、对电网的可靠性要求越来越高、对智能化提出更高要求。近年来，各地供电公司逐步建设了配电网自动化系统，对提高配电网运行管理水平起到积极作用。实现故障的快速定位隔离是配电网自动化的一项核心功能。

现有的配电网接地故障类型主要包括单相接地、两相接地短路、两相短路和三相短路接地等。在实际应用环境中，按照故障时效进行分类，配电网故障可以分为瞬时性故障(含间歇性故障)和永久性故障；按照故障现象进行分类，配电网故障可以分为金属性接地故障和非金属接地故障；按照发生故障线路数量进行分类还可以分为单相、两相、三相故障。

在以往的消弧线圈接地系统里，发生接地故障时，由于消弧线圈的补偿，使得自动化的智能终端难以准确定位故障，无法实现其自动隔离故障的功能，配网自动化的效用大打折扣。实现配电网故障的准确判决将是配电网故障快速定位隔离的必要前提条件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于故障自适应技术的配电网故障判决方法，实现对配电网故障类型的准确判定。

为解决以上技术问题，本发明实施例提供一种基于故障自适应技术的配电网故障判决方法，包括：

在配电网发生故障时，根据已测量的配电网电容值和电流值，计算出需要补偿的电感电流；

根据所述电感电流的值，控制可控电抗器向配电网输出补偿电流，并设置额定补偿时间；

当配电网的故障在所述额定补偿时间内自动消除恢复至正常状态时，则判定配电网发生了瞬时性故障；

当配电网的故障在超过所述额定补偿时间后仍然存在时，则判定配电网发生了永久性故障。

优选地，所述根据电感电流的值，控制可控电抗器向配电网输出补偿电流，具体为：采用基于短时可控电抗器的接地电阻装置对配电网进行零序电流补偿；所述基于短时可控电抗器的接地电阻装置包括并行运行的消弧线圈接地系统和小电阻接地系统。

进一步地，所述的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法，还包括：

在配电网发生接地故障时，检测配电网中性点电压；若配电网中性点等效于经过所述消弧线圈接地系统发生接地故障时，则判定配电网发生金属性接地故障；

若配电网中性点等效于经过所述小电阻接地系统发生接地故障时，则判定配电网发生非金属性接地故障。

在一种可实现的方式中，所述的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法，还包括，

在配电网发生接地故障时，检测配电网三相母线的对地电流、对地电压和对地电容；若三相电压不平衡，且其中一相母线的对地电压为零，另外两相母线的对地电压升高为线电压，并且，从故障点流出的对地电流为零，故障点的对地电容被短接，中性点发生位移且消弧线圈两端的电压为零序电压，消弧线圈接地系统的电感电流通过故障点与单一的故障线路相通，则判定配电网发生单相接地故障。

在又一种可实现的方式中，所述的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法，还包括，

在配电网发生接地故障时，检测配电网三相母线的对地电流、对地电压和对地电容；若三相电压不平衡，且其中两相母线的对地电压为零，另外的一相母线的对地电压升高为线电压，并且，从故障点流出的对地电流为零，故障点的对地电容被短接，中性点发生位移且消弧线圈两端的电压为零序电压，消弧线圈接地系统的电感电流通过故障点与两个故障线路相通，则判定配电网发生两相接地故障。

在又一种可实现的方式中，所述的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法，还包括，

在配电网发生接地故障时，检测配电网三相母线的对地电流、对地电压和对地电容；若三相电压平衡，且配电网各相线路的对地电压降低，各相流向故障点的电流幅值相等且三相相位互差120度，中性点未发生偏移且无零序电流产生，则判定配电网发生三相接地故障。

本发明实施例提供的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法，可以在配电网发生故障时，根据已测量的配电网电容值和电流值，计算出需要补偿的电感电流，控制可控电抗器向配电网输出补偿电流对该电感电流进行补偿，根据在额定补偿时间内该配电网故障是否自动消除而恢复至正常状态来区分瞬时性故障和永久性故障，从而使得配电网自动化系统智能地选择故障消除方案。当系统发生瞬时性故障时，可以采用消弧线圈接地系统对故障点电感电流进行补偿；当系统发生永久性故障时，可以采用小电阻接地系统对故障点进行电流补偿。

本发明实施例还可以进一步判断金属性接地故障与非金属接地故障，以及，单相、两相和三相的配电网故障类型；此外，结合各种判断条件，可以进一步区分金属性瞬时接地故障与金属性永久接地故障、非金属性瞬时接地故障与非金属性永久接地故障、金属性单相瞬时接地故障与金属性单相永久接地故障等类型的故障。因此，本发明实施例提供的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法可以准确地判断出各种配电网故障类型，有助于对配电网故障的快速定位和配网自动化的实现。

附图说明

图1是本发明提供的故障前配电网三相的正序向量的关系图。

图2是本发明提供的故障前配电网三相的负序向量的关系图。

图3是本发明提供的故障前配电网三相的零序向量的关系图。

图4是本发明提供的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法的一个实施例的步骤流程图。

图5是本发明提供的基于短时可控电抗器的接地电阻装置的一个实施例的结构示意图。

图6是本发明提供的配电网单相接地故障的一种结构示意图。

图7是本发明提供的配电网单相接地故障的变换获得的复合序网示意图。

图8是本发明提供的配电网两相接地故障的一种结构示意图。

图9是本发明提供的配电网两相接地故障的变换获得的复合序网示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明实施例中，将配电网视为无限大系统，使用对称分量法分析，故障前配电网三相平衡。

参看图1，是本发明提供的故障前配电网三相的正序向量的关系图。参看图2，是本发明提供的故障前配电网三相的负序向量的关系图；参看图3，是本发明提供的故障前配电网三相的零序向量的关系图。

在本实施例中，使用(a)、(b)、(c)表示三组对称向量。其中，如图1所示，正序向量幅值相等，相位为a相超前b相120度、b相超前c相120度；如图2所示，负序向量幅值相等，相序与正序相反；如图3所示，零序向量幅值和相位均相同。

在利用对称分量法对配电网三相的向量关系进行分析时，利用三组对称的向量合成得三个不对称的向量为：

其中，式子(1)中的向量a为：将式子(1)应用至配电网基频电流，则有：

即将配电网各相电流分解成三组对称的电流，a相分解为b相和c相同理；其中各相正序电流互差120度，负序电流和正序相位相反，零序电流完全相位幅值相等。由上式(2)可知，只有当三相电流之和不等于零时才有零序分量；同时在有中性线的星形接法中才有可能三相电流不为零，中性线中的电流为三倍零序电流，并且，零序电流必须以中性线作为通路。

因此，利用以上根据对称分量法获得的配电网特性，可以实现对配电网故障类型的准确判定。

参见图4，是本发明提供的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法的一个实施例的步骤流程图。

在本实施例中，所述的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法包括以下步骤：

步骤S401：在配电网发生故障时，根据已测量的配电网电容值和电流值，计算出需要补偿的电感电流；

步骤S402：根据所述电感电流的值，控制可控电抗器向配电网输出补偿电流，并设置额定补偿时间；

步骤S403：当配电网的故障在所述额定补偿时间内自动消除恢复至正常状态时，则判定配电网发生了瞬时性故障；

步骤S404：当配电网的故障在超过所述额定补偿时间后仍然存在时，则判定配电网发生了永久性故障。

具体实施时，在所述步骤S402中，可以采用基于短时可控电抗器的接地电阻装置对配电网进行零序电流补偿；所述基于短时可控电抗器的接地电阻装置包括并行运行的消弧线圈接地系统和小电阻接地系统。

参看图5，是本发明提供的基于短时可控电抗器的接地电阻装置的一个实施例的结构示意图。

该接地电阻装置包括接地变压器501、消弧线圈接地系统502、小电阻接地系统503和控制器504；其中，消弧线圈接地系统502与小电阻接地系统503并行运行，且消弧线圈接地系统502包括消弧线圈T和就地控制柜5021；消弧线圈T的初级线圈x1～o1分别与配电网中性点P和接地端GND连接；就地控制柜5021连接在消弧线圈T的次级线圈x2～o2上，并与控制器504通信连接；小电阻接地系统503则包括高压接触器5031和可控电阻(小电阻)5032，其中，可控电阻5032通过高压接触器5031与配电网中性点P连接；而配电网中性点P则通过接地变压器501与配电网连接。

具体实施时，当发生瞬时性故障时，由消弧线圈接地系统502补偿产生的谐波，基于短时可控电抗器补偿零序电压和零序电流，减小流经故障点的电流，熄灭电弧；自动跟踪消弧线圈接地方式避免了巨大的接地故障电流带来的一系列问题，又能使瞬时性接地故障自动消除而不影响供电。随着时间的推移，若接地故障仍未消除，三相电压仍不平衡，即发生非瞬时性故障或永久性故障时，超过整定时间后投入接地可控电阻(小电阻)5032，减小接地电流保护线路，到达线路保护整定时间后线路保护动作，故障线路断开与母线连接，系统三相电压恢复平衡，则断开或退出运行接地小电阻5032。

进一步地，在本实施例中，所述的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法还包括：在配电网发生接地故障时，检测配电网中性点P电压；若配电网中性点P等效于经过所述消弧线圈接地系统502发生接地故障时，则判定配电网发生金属性接地故障；若配电网中性点P等效于经过所述小电阻接地系统503发生接地故障时，则判定配电网发生非金属性接地故障。系统发生非金属性接地故障时，相当于配电网经阻抗接地。

具体实施时，若配电网发生金属性接地故障，并且，所述金属性接地故障在额定补偿时间内自动消除恢复至正常状态时，则判定配电网发生了金属性瞬时接地故障；当所述金属性接地故障在超过所述额定补偿时间后仍然存在时，则判定配电网发生了金属性永久接地故障。同理，若配电网发生非金属性接地故障，并且，所述非金属性接地故障在额定补偿时间内自动消除恢复至正常状态时，则判定配电网发生了非金属性瞬时接地故障；当所述非金属性接地故障在超过所述额定补偿时间后仍然存在时，则判定配电网发生了非金属性永久接地故障。可见，金属性接地故障和非金属性接地故障都具有瞬时性与永久性两种故障类别。

在实际应用过程中，还需要进一步区分配电网各相母线的故障类型，识别出当前接地故障为单相、两相还是三相接地故障。具体地，可以通过检测配电网三相母线的对地电流、对地电压和对地电容进行实现。

具体地，在配电网发生接地故障时，检测配电网三相母线的对地电流、对地电压和对地电容；

若三相电压不平衡，且其中一相母线的对地电压为零，另外两相母线的对地电压升高为线电压，并且，从故障点流出的对地电流为零，故障点的对地电容被短接，中性点发生位移且消弧线圈两端的电压为零序电压，消弧线圈接地系统的电感电流通过故障点与单一的故障线路相通，则判定配电网发生单相接地故障；

若三相电压不平衡，且其中两相母线的对地电压为零，另外的一相母线的对地电压升高为线电压，并且，从故障点流出的对地电流为零，故障点的对地电容被短接，中性点发生位移且消弧线圈两端的电压为零序电压，消弧线圈接地系统的电感电流通过故障点与两个故障线路相通，则判定配电网发生两相接地故障；

若三相电压平衡，且配电网各相线路的对地电压降低，各相流向故障点的电流幅值相等且三相相位互差120度，中性点未发生偏移且无零序电流产生，则判定配电网发生三相接地故障。

具体实施时，若配电网发生单相接地故障，则相应地，可能产生金属性单相接地故障和非金属单相接地故障。其中，金属性单相接地故障还可以细分为金属性单相瞬时性接地故障和金属性单相永久性接地故障；同理，非金属性单相接地故障又包括非金属性单相瞬时性接地故障、非金属性单相永久性接地故障。进一步地，配电网故障还包括金属性两相接地故障(包括金属性两相瞬时性接地故障、金属性两相永久性接地故障)、非金属性两相接地故障、金属性三相接地故障和非金属性三相接地故障等类型。

参看图6，是本发明提供的配电网单相接地故障的一种结构示意图。

当系统中的f点发生单相(图6所示的a相)金属性单相瞬时性接地故障时，其故障点的不对称电流和电压如上图6所示，故障点的边界条件为a相在故障点f的对地电压为零，b相和c相从故障点流出的电流为零，将边界条件转换成各个序分量，代入采用对称分析法获得的电流公式(2)即可得出故障点的各序电流分量：

其中，Z_∑1是a相线路的等效阻抗；Z_∑2是b相线路的等效阻抗；Z_∑0是c相线路的等效阻抗。

参看图7，是本发明提供的配电网单相接地故障的变换获得的复合序网示意图。

当f点发生单相金属性单相瞬时性接地故障时，故障线路相对地电压变为零，故障点相对地电容被短接；非故障线路相对地电压升高为线电压，中性点发生位移，一次侧产生了零序电压，三相电压不平衡。消弧线圈两端的电压为零序电压，消弧线圈的电感电流通过故障点f和故障线路(a相)相通，而不通过非故障线路(b相和c相)。故障线路的零序电流超过零序电压90度，非故障相电容电流滞后故障线路的零序电流90度，流经故障点的电流为电感电流与零序电流以及非故障相电容电流之和。当发生单相瞬时金属性接地故障时，可以采用图5的基于短时可控电抗器的接地电阻装置中的消弧线圈进行补偿。通过补偿零序电压和零序电流，减小流经故障点f的电流，熄灭电弧；由消弧线圈补偿产生的谐波由基于短时可控电抗器技术的智能型接地电阻装置自动过滤。

随着时间的推移，接地故障仍未消除，三相电压仍不平衡，则说明配电网发生了金属性单相永久性接地故障。对于可控电抗器补偿后较长时间(一般设定为10s)接地故障仍然存在的，则认为系统发生了永久性接地故障，此时，应当在超过接地电阻装置整定的额定补偿时间后装置投入接地小电阻，减小接地电流保护线路；当投入小电阻到达线路保护整定时间后线路保护动作，故障线路断开与母线连接，系统三相电压恢复平衡，接地电阻装置断开接地小电阻，退出小电阻的运行。

在金属性单相永久性接地故障中，故障相电压为零，非故障相电压等于线电压，线路发生接地后，如果一相电压指示为零，另两相指示为线电压，那么指示为零的一相为接地相。经理论分析和实践验证，绝缘电压最高相的下一相为接地相，按照相序推算，如a相最高，那么b相发生了接地；如b相最高，那么c相发生了接地。

而当配电网发生非金属性单相接地故障时，相当于单相经阻抗接地。

当配电网发生非金属性瞬时单相接地故障时，边界条件故障线路电压为线路流经电流与阻抗积，非故障线路流经故障点电流仍为零，由图7的复合序网可以求得故障点的各序电流分量为:

非金属性单相接地故障故障相对地电压降低，故障相对地电容被通过阻抗接与大地，非故障相对地电压升高，中性点发生位移，一次侧产生了零序电压，三相电压不平衡。消弧线圈两端的电压为零序电压，消弧线圈的电感电流通过故障点和故障线路相通，而不通过非故障线路。故障线路的零序电流超过零序电压90度，非故障相电容电流滞后故障线路的零序电流90度，流经故障点的电流为电感电流与零序电流以及非故障相电容电流之和。

随着时间的推移，接地故障仍未消除，三相电压仍不平衡，超过装置整定时间后则判定配电网发生非金属性单相永久接地故障。对于可控电抗器补偿后较长时间(一般设定为10s)接地故障仍然存在的，则认为系统发生了永久性接地故障。配电网发生非金属性单相永久接地故障后，电流和电压情况同金属性单相瞬时接地故障的情况，在此不再赘述。

进一步地，配电网系统有可能发生两相短路接地故障。

参看图8，是本发明提供的配电网两相接地故障的一种结构示意图。

图8中所示的是b、c两相直接短路接地故障。当配电网系统发生两相金属性瞬时接地故障时，根据对称向量分析法，相分量的边界条件为：复合序网为正序、负序和零序三个序网在短路点处并联。

参看图9，是本发明提供的配电网两相接地故障的变换获得的复合序网示意图。

由复合序网可以求得故障点各序电流分量、电压分量和故障相(b相、c相)的短路电流等参数。

系统发生金属性瞬时两相接地故障后，相当于中性点经消弧线圈接地系统发生金属性瞬时两相接地，故障相对地电压变为零，故障相对地电容被短接，非故障相对地电压升高，中性点发生位移，一次侧产生了零序电压，三相电压不平衡。消弧线圈两端的电压为零序电压，消弧线圈的电感电流通过故障点和故障线路相通，而不通过非故障线路。故障线路的零序电流超过零序电压90度，非故障相电容电流滞后故障线路的零序电流90度，流经故障点的电流为电感电流与零序电流以及非故障相电容电流之和。

随着时间的推移，接地故障仍未消除，三相电压仍不平衡，金属性永久两相接地故障。系统发生金属性永久两相接地故障时，基于短时可控电抗器技术的智能型接地电阻成套装置相当于中性点经小电阻接地系统金属性永久两相接地，电流和电压情况同瞬时接地故障，在此不再赘述。

而配电网系统发生非金属性瞬时两相接地后，相当于中性点经消弧线圈接地系统发生非金属性永久两相接地，零序网络串联阻抗后在故障点与正序序网和负序序网并联，与单相经过阻抗接地的情况相同，在此不再赘述。

当配电网系统发生三相短路接地故障时，各线路对地电压降低，当接地类型为金属性时，线路对地电压降为零，各相流向故障点的电流幅值相等，相位互差120度，中性点未偏移，三相仍旧平衡，无零序电流产生。

当配电网发生接地故障时，本发明实施例根据已测量的电网电容电流值计算出需要补偿的电感电流，然后控制可控电抗器输出补偿电流。一般的瞬时性接地故障由电感电流补偿后，电弧熄灭接地故障自动消除恢复正常状态，从而避免了出现小电阻接地方式中一有故障立刻跳闸使得线路跳闸率高的情况。对于可控电抗器补偿后较长时间(一般设定为10s)接地故障仍然存在的，则认为系统发生了永久性接地故障，一般需停电处理。此时处理过程是当接地持续时间超过10s后自动闭合高压开关投入小电阻，使馈线保护动作，靠开关跳闸切除故障线路。投入小电阻后，可控电抗器自动退出补偿，当故障线路隔离后，系统恢复正常运行，控制装置自动断开退出小电阻。小电阻的投入实现了准确快速隔离故障线路，避免了故障扩大化。

本发明实施例提供的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法，可以在配电网发生故障时，根据已测量的配电网电容值和电流值，计算出需要补偿的电感电流，控制可控电抗器向配电网输出补偿电流对该电感电流进行补偿，根据在额定补偿时间内该配电网故障是否自动消除而恢复至正常状态来区分瞬时性故障和永久性故障，从而使得配电网自动化系统智能地选择故障消除方案。当系统发生瞬时性故障时，可以采用消弧线圈接地系统对故障点电感电流进行补偿；当系统发生永久性故障时，可以采用小电阻接地系统对故障点进行电流补偿。本发明实施例还可以进一步判断金属性接地故障与非金属接地故障，以及，单相、两相和三相的配电网故障类型；此外，结合各种判断条件，可以进一步区分金属性瞬时接地故障与金属性永久接地故障、非金属性瞬时接地故障与非金属性永久接地故障、金属性单相瞬时接地故障与金属性单相永久接地故障等类型的故障。因此，本发明实施例提供的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法可以准确地判断出各种配电网故障类型，有助于对配电网故障的快速定位和配网自动化的实现。

以上所述是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于故障自适应技术的配电网故障判决方法，其特征在于，包括：

在配电网发生故障时，根据已测量的配电网电容值和电流值，计算出需要补偿的电感电流；

根据所述电感电流的值，控制可控电抗器向配电网输出补偿电流，并设置额定补偿时间；

当配电网的故障在所述额定补偿时间内自动消除恢复至正常状态时，则判定配电网发生了瞬时性故障；

当配电网的故障在超过所述额定补偿时间后仍然存在时，则判定配电网发生了永久性故障。

2.如权利要求1所述的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法，其特征在于，所述根据电感电流的值，控制可控电抗器向配电网输出补偿电流，具体为：

采用基于短时可控电抗器的接地电阻装置对配电网进行零序电流补偿；所述基于短时可控电抗器的接地电阻装置包括并行运行的消弧线圈接地系统和小电阻接地系统。

3.如权利要求2所述的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法，其特征在于，还包括：

在配电网发生接地故障时，检测配电网中性点电压；

若配电网中性点等效于经过所述消弧线圈接地系统发生接地故障时，则判定配电网发生金属性接地故障；

若配电网中性点等效于经过所述小电阻接地系统发生接地故障时，则判定配电网发生非金属性接地故障。

4.如权利要求2所述的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法，其特征在于，还包括，

在配电网发生接地故障时，检测配电网三相母线的对地电流、对地电压和对地电容；

若三相电压不平衡，且其中一相母线的对地电压为零，另外两相母线的对地电压升高为线电压，并且，从故障点流出的对地电流为零，故障点的对地电容被短接，中性点发生位移且消弧线圈两端的电压为零序电压，消弧线圈接地系统的电感电流通过故障点与单一的故障线路相通，则判定配电网发生单相接地故障。

5.如权利要求2所述的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法，其特征在于，还包括，

在配电网发生接地故障时，检测配电网三相母线的对地电流、对地电压和对地电容；

若三相电压不平衡，且其中两相母线的对地电压为零，另外的一相母线的对地电压升高为线电压，并且，从故障点流出的对地电流为零，故障点的对地电容被短接，中性点发生位移且消弧线圈两端的电压为零序电压，消弧线圈接地系统的电感电流通过故障点与两个故障线路相通，则判定配电网发生两相接地故障。

6.如权利要求2所述的基于故障自适应技术的配电网故障判决方法，其特征在于，还包括，

在配电网发生接地故障时，检测配电网三相母线的对地电流、对地电压和对地电容；

若三相电压平衡，且配电网各相线路的对地电压降低，各相流向故障点的电流幅值相等且三相相位互差120度，中性点未发生偏移且无零序电流产生，则判定配电网发生三相接地故障。