CN105425093A - 一种基于电压检测的短路故障早期辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电压检测的短路故障早期辨识方法，对各个层级首、末端相电压、线电压进行固定采样频率的A/D采样；然后对首端电压信号进行数据处理，得到实时的电压相角，同时，对末端电压信号进行算法处理，提取末端电压信号特征量，进行实时在线短路故障早期检测；然后，通过短路故障早期检测，判断当前得到的末端电压特征量与故障电压初相角是否都满足短路判定条件；若是，则判断线路上发生了短路故障，立即发出触发信号；若都不是，则重新开始检测。本方法先对线路首、末端电压进行A/D采样，再利用末端电压信号奇异性特征进行短路故障早期检测与辨识，辨识后发出触发信号以便快速分断机构动作，由此实现短路故障电流的快速分断。

Description

一种基于电压检测的短路故障早期辨识方法

技术领域

本发明属于电气线路故障检测领域，特别是涉及短路故障的早期检测辨识的一种基于电压检测的短路故障早期辨识方法。

背景技术

现有电力系统中短路故障的保护相对于故障发生时刻有较大的滞后，一般从故障发生到故障切除需经理几十毫秒甚至上百毫秒。近年来，随着我我国生产与生活水平的提高，各电压等级网络的短路电流不断增长，短路容量及短路峰值水平的提高，对线路、设备及开关本身的动热稳定性提出了越来越高的要求。若能在短路电流尚未充分发展前将其检测出来，并配合快速分断机构，则可在短路故障早期将其切除，这将大幅度改善短路保护的速动性，提高系统的保护性能，进而降低系统对配电线路设备动热稳定性的要求。其中，短路故障早期检测与辨识是关键技术。

近年来，国内外学者先后提出了几种短路故障的快速或早期检测辨识方法。其中，电流瞬时值或真有效值法最早应用于低压配电系统短路故障检测，但受到线路阻抗、短路初始状态的影响，短路电流须经一段时间才能达到预设阈值，导致该方法的检测时间较长。电流变化率法在理论上克服了电流瞬时值法检测速度慢的缺点，但难以剔除线路或设备噪声的干扰，其安全性、可靠性无法得到保证。

现有学者提出全相角短路电流小波包细节分解的早期故障检测方法，解决了小波变换对个别故障初相角区间无法有效识别的问题。其次，针对负载启动与短路故障状态电流信号奇异性，在故障后0.1ms仿真实现全相角短路故障早期快速检测及有效的状态辨识。但难以剔除线路噪声或设备启动时的脉冲噪声的干扰，鲁棒性不强。

本发明对通过各个层级首、末端相电压、线电压综合分析的检测方法实现对短路故障的早期检测与故障辨识，当判断确有短路故障发生时，将快速分断机构接入线路，以达到快速切除故障，减轻短路电流对电力系统及其电气设备造成的损坏。同时，对线路、设备及开关本身的动热稳定性的要求降低，克服了常规短路判据的判定时间过长且能对已辨识出故障的首、末端电压进行故障类型判断。同时，首、末端电压信号中噪声小，不会受到噪声干扰，其安全性、可靠性高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电压检测的短路故障早期辨识方法，通过该方法可以有效地实现对短路故障的早期检测与故障辨识，在此基础上短路早期投入快速分断机构，则可在短路故障早期将其切除，大幅度改善短路保护的速动性，提高系统的保护性能，进而降低系统对配电线路设备动热稳定性的要求。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于电压检测的短路故障早期辨识方法，包括如下步骤，

S01：对电力系统进行层级划分，并对各个层级首、末端相电压、线电压进行固定采样频率的A/D采样；

S02：对首端电压信号进行数据处理：采集一个数据点，采样计数加1，判断电压是否过上升沿零点，即前一个电压值小于0，后一个电压值大于0，若是，则相角计数k清0；判断电压是否过下降沿零点，即前一个电压值大于0，后一个电压值小于0；若是，则将上升下降沿零点时的采样计数相减的绝对值赋值给相角计数k；设短路信号频率为，采样频率为，然后判断当前相角计数k是否为，若是，则相角计数k清0；最后，根据比例换算，即得到实时的电压相角；

S03：对末端电压信号进行处理，即提取末端电压信号变化率及其与上一周期相应相角下的末端电压差值；

S04：计算末端电压绝对值小于阈值M的连续个数N；

S05：通过短路故障早期检测，判断当前得到的末端电压变化率是否大于阈值A，同时与上一周期相应相角下末端电压的差值是否大于阈值C，N是否超过设定的阈值B，且判断此时的电压相角与0°、180°和360°之间的差值绝对值是否超过阈值D，若条件都满足，则判断线路上发生了短路故障，立即发出触发信号；或者判断当前得到的末端电压与上一周期相应相角下末端电压的差值是否大于阈值C，N是否超过设定的阈值B，且判断此时的电压相角与0°、180°和360°之间的差值绝对值是否不超过阈值D，若条件都满足，则判断线路上发生了短路故障，立即发出触发信号以便快速分断机构动作；否则，直接返回步骤S01；

S06：对已辨识出故障的首、末端电压进行故障类型判断确定短路故障类型：

若仅是某相相电压辨识出故障，则是该相发生单相短路；若末端电压线电压有且仅有一个辨识出故障，则是发生两相短路；若是三个线电压均辨识出故障，则是三相短路。

在本发明一实施例中，所述方法能够与快速分断机构或普通断路器配合，且与快速分断机构配合更具有优越性。

在本发明一实施例中，所述方法适用于各类短路故障，包括三相短路、两相短路或单相短路故障，还适合于各类接地型式。

在本发明一实施例中，所述方法适用于的电压等级包括：低压、中压、高压甚至于超高压电力系统。

在本发明一实施例中，所述方法应用于低压电力系统中，保留低压电力系统中常规的故障保护整定；在低压电力系统正常运行时，短路故障保护动作由所述方法和常规的故障保护一起加以控制。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本方法先对线路首、末端电压进行A/D采样，再利用末端电压信号奇异性特征进行短路故障早期检测与辨识，辨识后发出触发信号以便快速分断机构动作，由此实现短路故障电流的快速分断。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为实际低压配电系统架构仿真模型图。

图3为低压配电系统实型短路故障的仿真波形图。

图4为单相短路故障首、末端相电压及保护触发信号波形图。

图5为两相短路故障首、末端线电压及保护触发信号波形图。

图6为三相短路故障首、末端线电压及保护触发信号波形图。

图7为短路故障测控实验原理与接线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图1所示，本发明的一种基于电压检测的短路故障早期辨识方法，包括如下步骤，

S01：对电力系统进行层级划分，并对各个层级首、末端相电压、线电压进行固定采样频率的A/D采样；

S02：对首端电压信号进行数据处理：采集一个数据点，采样计数加1，判断电压是否过上升沿零点，即前一个电压值小于0，后一个电压值大于0，若是，则相角计数k清0；判断电压是否过下降沿零点，即前一个电压值大于0，后一个电压值小于0；若是，则将上升下降沿零点时的采样计数相减的绝对值赋值给相角计数k；设短路信号频率为，采样频率为，然后判断当前相角计数k是否为，若是，则相角计数k清0；最后，根据比例换算，即得到实时的电压相角；

S03：对末端电压信号进行处理，即提取末端电压信号变化率及其与上一周期相应相角下的对末端电压差值；

S04：计算末端电压绝对值小于阈值M的连续个数N；

S05：通过短路故障早期检测，判断当前得到的末端电压变化率是否大于阈值A，同时与上一周期相应相角下对末端电压的差值是否大于阈值C，N是否超过设定的阈值B，且判断此时的电压相角与0°、180°和360°之间的差值绝对值是否超过阈值D，若条件都满足，则判断线路上发生了短路故障，立即发出触发信号；或者判断当前得到的末端电压与上一周期相应相角下对末端电压的差值是否大于阈值C，N是否超过设定的阈值B，且判断此时的电压相角与0°、180°和360°之间的差值绝对值是否不超过阈值D，若条件都满足，则判断线路上发生了短路故障，立即发出触发信号以便快速分断机构动作；否则，直接返回步骤S01；

S06：对已辨识出故障的首、末端电压进行故障类型判断确定短路故障类型：

若仅是某相相电压辨识出故障，则是该相发生单相短路；若末端电压线电压有且仅有一个辨识出故障，则是发生两相短路；若是三个线电压均辨识出故障，则是三相短路。

所述短路早期检测是利用各层级首端电压、末端电压综合分析的检测方法。

所述方法能够与快速分断机构或普通断路器配合，且与快速分断机构配合更具有优越性。

所述方法适用于各类短路故障，包括三相短路、两相短路或单相短路故障，还适合于各类接地型式。

所述方法适用于的电压等级包括：低压、中压、高压甚至于超高压电力系统。

所述方法应用于低压电力系统中，保留低压电力系统中常规的故障保护整定；在低压电力系统正常运行时，短路故障保护动作由所述方法和常规的故障保护一起加以控制。

以下为本发明的具体实施例。

典型的低压配电系统如附图2所示，这是低压配电系统的仿真模型，有三个层级，且第三层级接电动机负载，电源为0.4kV，采用Y接类型，中性点接地。通过故障模块设置短路故障类型，在第三层级进行短路故障仿真。实际短路故障测控实验原理与接线图如图7所示（图7a）为短路故障测控实验系统原理框图，图7b）为首末端电压采样接线图），采用时间继电器控制接触器主触头的接通来模拟短路故障的发生，并控制故障持续的时间。对于首末端电压的测量，则采用霍尔电压传感器实现，且将其测量点设在各层级支路保护断路器处和支路末端处。为了充分了解实际短路故障信号特征，则采用基于Compact-RIO的多通道数据采集系统，可对短路故障相/非故障相首末端电压信号进行全过程同步采集。此外，采用可视化人机界面，能实时显示被测信号，可按需要修改采样频率。

附图3是在出现第三层级发生单相、两相、三相短路时，第三层级首端相电压、线电压以及末端相电压、线电压的波形图（其中，图3（a）为单相短路故障末端相电压波形图、图3（b）为单相短路故障首端相电压波形图、图3（c）为两相短路故障层级末端线电压波形图、图3（d）为两相短路故障层级首端线电压波形图、图3（e）为三相短路故障层级末端线电压波形图、图3（f）为三相短路故障层级首端线电压波形图）。从图中可以看出，当短路故障发生时，末端电压信号在故障瞬间均发生突变，且直接突降到接近0，这个突降在系统正常运行时几乎是不会发生的，且这个变化实在短路故障刚发生的瞬间就有，因此可以根据末端电压信号的局部突变信息作为短路故障早期检测与辨识的依据。但是，当故障初相角与0°、180°和360°很接近时，突变量很小，仅末端电压信号的局部突变是无法辨识此相角区间内的短路故障。因此，本发明将末端电压的局部突变信息及其与上一周期相应相角下末端电压的差值和其绝对值连续小于阈值M（该阈值M接近于0。对于低压0.4kV系统，本文选取1）的个数N以及故障电压初相角作为短路故障早期检测与辨识的依据。附图4、5、6为利用所述方法来检测图3仿真单相、两相、三相短路故障的示意图。其中，图4为单相短路故障末端相电压突变明显和不明显的相角，可见其均能检测出短路，并发出触发信号，且故障检测时间不超过0.1ms。图4中，a）为单相短路故障初相角为91.8°时首、末端相电压和触发信号波形，b）为a）的放大图；c）为单相短路故障初相角为181.8°时首、末端电压和触发信号波形，d）为c）的放大图。图5中为两相短路故障首、末端线电压和触发信号波形及其放大图。图6中，a）为三相短路故障首、末端AB两相线电压和触发信号波形及其放大图，b）为三相短路故障首、末端BC两相线电压和触发信号波形及其放大图，c）为三相短路故障首、末端CA两相线电压和触发信号波形及其放大图。

在实现短路故障早期检测的基础上，配合快速分断机构可以更有效地实现对短路故障的快速切除，提高断路器等开关保护元件的分断能力。目前快速分断机构主要有永磁式、涡流斥力式，随着技术的发展，在磁滞伸缩式、压电式、化学式方向可能会有快速分断机构的产生。

本发明所述方法适用于低压系统中的各类短路故障，包括：三相短路、两相短路、单相短路故障。

本发明不局限于以上具体的实施方式，只要采用了本发明的短路故障早期辨识所涉及的软件处理流程及使用末端电压的局部突变信息及其与上一周期相应相角下末端电压的差值和其绝对值连续小于任何阈值（接近0的一个值。对于低压0.4kV系统，本文选取1）的个数以及由首端电压得到故障电压初相角来实现短路故障早期检测与辨识，无论采用何种电压特征量提取算法，何种相角计算方法，应用于哪一种电压等级、哪一类短路故障或低压系统接地型式，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于电压检测的短路故障早期辨识方法，其特征在于：包括如下步骤，

S01：对电力系统进行层级划分，并对各个层级首、末端相电压、线电压进行固定采样频率的A/D采样；

S02：对首端电压信号进行数据处理：采集一个数据点，采样计数加1，判断电压是否过上升沿零点，即前一个电压值小于0，后一个电压值大于0，若是，则相角计数k清0；判断电压是否过下降沿零点，即前一个电压值大于0，后一个电压值小于0；若是，则将上升下降沿零点时的采样计数相减的绝对值赋值给相角计数k；设短路信号频率为，采样频率为，然后判断当前相角计数k是否为，若是，则相角计数k清0；最后，根据比例换算，即得到实时的电压相角；

S03：对末端电压信号进行处理，即提取末端电压信号变化率及其与上一周期相应相角下的末端电压差值；

S04：计算末端电压绝对值小于阈值M的连续个数N；

S05：通过短路故障早期检测，判断当前得到的末端电压变化率是否大于阈值A，同时与上一周期相应相角下末端电压的差值是否大于阈值C，N是否超过设定的阈值B，且判断此时的电压相角与0°、180°和360°之间的差值绝对值是否超过阈值D，若条件都满足，则判断线路上发生了短路故障，立即发出触发信号；或者判断当前得到的末端电压与上一周期相应相角下末端电压的差值是否大于阈值C，N是否超过设定的阈值B，且判断此时的电压相角与0°、180°和360°之间的差值绝对值是否不超过阈值D，若条件都满足，则判断线路上发生了短路故障，立即发出触发信号以便快速分断机构动作；否则，直接返回步骤S01；

S06：对已辨识出故障的首、末端电压进行故障类型判断确定短路故障类型：

若仅是某相相电压辨识出故障，则是该相发生单相短路；若末端电压线电压有且仅有一个辨识出故障，则是发生两相短路；若是三个线电压均辨识出故障，则是三相短路。

2.根据权利要求1所述的一种基于电压检测的短路故障早期辨识方法，其特征在于：所述方法能够与快速分断机构或普通断路器配合，且与快速分断机构配合更具有优越性。

3.根据权利要求1所述的一种基于电压检测的短路故障早期辨识方法，其特征在于：所述方法适用于各类短路故障，包括三相短路、两相短路或单相短路故障，还适合于各类接地型式。

4.根据权利要求1所述的一种基于电压检测的短路故障早期辨识方法，其特征在于：所述方法适用于的电压等级包括：低压、中压、高压甚至于超高压电力系统。

5.根据权利要求1所述的一种基于电压检测的短路故障早期辨识方法，其特征在于：所述方法应用于低压电力系统中，保留低压电力系统中常规的故障保护整定；在低压电力系统正常运行时，短路故障保护动作由所述方法和常规的故障保护一起加以控制。