CN107064729B - 消弧线圈接地系统单相接地选线方法 - Google Patents

消弧线圈接地系统单相接地选线方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的消弧线圈接地系统单相接地选线方法，包括如下步骤：采集不同时刻母线三相电压、母线零序电压以及分支回路零序电流；根据母线零序电压计算母线零序电压的基波分量瞬时值u′0(t)，并不同时刻的母线三相电压的幅值以及基波分量瞬时值u′0(t)判断存在故障的相；计算存在故障的相的分支回路的不同时刻以及不同位置的零序电流基波分量瞬时幅值I0M,x，并且，当消弧线圈补偿作用完成后，计算分支回路的零序电流基波分量瞬时幅值I′0M,x，根据消弧线圈补偿前后的零序电流瞬时幅值判断分支回路是否接地故障能够准确选出消弧线圈单相接地故障的线路，不受现场的干扰以及零序电流互感器的极性的影响，有效提高选线的准确率，而且不需要进行群比判断，大大简化选线过程。

Description

消弧线圈接地系统单相接地选线方法
技术领域
本发明涉及一种电力系统的接地故障选线方法，尤其涉及一种消弧线圈接地系统单相接地选线方法。
背景技术
在电网中，对于单相接地故障电容电流超过10A且小于100A-150A，配电网宜采用中性点经消弧线圈接地方式，对于消弧线圈接地系统，在发生单相接地故障时，由于消弧线圈的电感电流补偿了单相接地电容电流，使单相接地故障的故障特征不明显，造成故障线路选线的困难，即难以选出接地故障线路。
现有技术中，一些适用于消弧线圈接地系统单相接地故障线路选线的方法已提出，比如：基于接地瞬间电流电压暂态信息的波形识别法、瞬时相位法、行波识别法等，这些方法容易受到现场干扰，使单相接地故障线路选线的准确率低，而且现有的方法需要对所有线路进行群比判断，用以找出故障特征最明显的单相接地故障线路，其算法过程复杂，更为严重的是：这些方法的正确判断都取决于现场零序电流互感器的极性正确，但实际上，运行中零序电流互感器极性错误的情况时有发生，从而造成最终的判断结果错误。
因此，需要提出一种新的选线方法，能够准确选出消弧线圈单相接地故障的线路，不受现场的干扰以及零序电流互感器的极性的影响，有效提高选线的准确率，而且不需要进行群比判断，大大简化选线过程。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种消弧线圈接地系统单相接地选线方法，能够准确选出消弧线圈单相接地故障的线路，不受现场的干扰以及零序电流互感器的极性的影响，有效提高选线的准确率，而且不需要进行群比判断，大大简化选线过程。
本发明提供的一种消弧线圈接地系统单相接地选线方法，包括如下步骤：
S1.采集不同时刻母线三相电压、母线零序电压以及分支回路零序电流；根据母线零序电压计算母线零序电压的基波分量瞬时值u′0(t)，并不同时刻的母线三相电压的幅值以及基波分量瞬时值u′0(t)判断存在故障的相；
S2.计算存在故障的相的分支回路的不同时刻以及不同位置的零序电流基波分量瞬时幅值I0M,x，并且，当消弧线圈补偿作用完成后，计算分支回路的零序电流基波分量瞬时幅值I′0M,x，根据消弧线圈补偿前后的零序电流瞬时幅值判断分支回路是否接地故障。
进一步，步骤S1中，按照如下方法判断三相中存在故障的相：
S11.以3200Hz采样率实时采集母线三相电压、母线零序电压u0(t0)以及支路零序电流i0(t)，其中，母线三相电压分别为uA(t)、uB(t)和uC(t)；
S12.若某时刻t0：|ε0(t0)|＝|u0(t0)-u′0(t0)|>Uset1，其中u0(t0)为时刻t0的母线零序电压；
从t0时刻起，锁存1/4周波的母线三相电压、母线零序电压以及各分支回路的零序电流的采样值，其中，一个周波为64个采样点,1/4周波则为16各采样点；
S13.如16个母线零序电压中存在连续8个母线零序电压满足如下条件：
|u0(tk)-u′0(tk)|>Uset1；
∑|u0(tk)-u′0(tk)|>Uset2，则判断可能存在单相接地故障，并进入步骤S14，否者，返回步骤S11；其中，Uset1和Uset2为母线零序电压误差阈值，u0(tk)为tk时刻的母线零序电压；u′0(tk)为tk时刻的母线零序电压的基波分量瞬时值；
S14.计算母线三相电压的基波分量幅值UAM、UBM、UCM，若其中任意两相电压基波分量幅值大于1.2U且另一相电压基波分量幅值小于0.8U，则判定发生接地故障且电压较低的相为故障相；否则，返回步骤S11，其中，U为额定电压幅值。
进一步，步骤S2中，根据如下步骤判定分支回路存在故障：
S21.在同一分支回路上向远离母线方向上依次设置x1、x2、…、xN共N个采集点，各采集点与母线的距离满足lx1<lx2<…<lxN；
S22.根据如下公式计算分支回路上各采集点的零序电流瞬时值：
其中，i0(t)为分支回路零序电流，
Ri为分支回路的单位长度线路的电阻值的i次幂；Lj-i-1为分支回路的单位长度线路的电感值的j-i-1次幂，Lj-i为分支回路的单位长度线路的电感值的j-i次幂；Cj为分支回路的单位长度线路的电容值的i次幂；为分支回路上点x处与母线出线端之间的距离的2j-1次幂；为分支回路上点x处与母线出线端之间的距离的2j次幂；为母线零序电压关于时间t的2j-i-1阶导数，为分支回路零序电流关于时间t的2j-1阶导数，j和i为迭代运算的次数，其中i∈[0,j]；
S23.根据分支回路的各采集点的零序电流瞬时值，计算出各采集点零序电流的基波分量瞬时幅值且分别为：I0M,x1，I0M,x2，…，I0M,xN；
S24.当消弧线圈补偿作用完成后，从时刻t′0起，再次锁存母线零序电压u0(t′0)和分支回路零序电流i0(t′0)，计算消弧线圈补偿完成后分支回路上各采集点的零序电流基波分量瞬时值：I′0M,x1，I′0M,x2，…，I′0M,xN，其中，t′0＝t0+40ms；
S25.通过如下方式判断当前分支回路是否为故障线路：
若：
I0M,x1<I0M,x2<…<I0M,xN且I′0M,x1>I′0M,x2>…>I′0M,xN，或者：
I0M,x1>I0M,x2>…>I0M,xN且I′0M,x1<I′0M,x2<…<I′0M,xN；则判断当前分支回路为故障线路；
若：
I0M,x1>I0M,x2>…>I0M,xN且I′0M,x1>I′0M,x2>…>I′0M,xN；
或者
I0M,x1<I0M,x2<…<I0M,xN且I′0M,x1<I′0M,x2<…<I′0M,xN；
则判断该分支回路为非故障线路。
进一步，通过如下方法计算母线零序电压以及分支回路零序电流幅值：
S31.将母线零序电压u0(t)和分支回路零序电流i0(t)进行瞬变信号正弦表示：
S32.确保A(t)、B(t)正交和能量相等，即：
S33.构建区间[0,h]内的A(t)和B(t)时间函数：
其中：
其中，h为信号衰减到0的时间长度，取40ms；
S34.根据能量相等：
，采用最小二乘法计算母线零序电压和分支回路零序电流的和从而根据瞬变信号正弦表示式计算母线零序电压瞬时幅值U0m(t)和分支回路零序电流瞬时幅值I0m(t)。
本发明的有益效果：本发明的消弧线圈接地系统单相接地选线方法，能够准确选出消弧线圈单相接地故障的线路，准确反应出单相接地故障中的故障线路上不同位置处零序电流特征，可有效克服过零点故障暂态过程消失、零序电流幅值过小以及易受不同系统物理参数影响，不受现场的干扰以及零序电流互感器的极性的影响，能消除零序电流互感器反接对选线的不利影响，有效提高选线的准确率，利用单线的零序电流数据和母线电压数据即可进行该线路的故障判定，不需要进行群比判断，大大简化选线过程，而且适应性强。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的流程图。
图2为本发明存在单相接地故障判断流程图。
图3为本发明单相接地故障选线流程图。
图4为分支回路采集点布置示意图。
图5为消弧线圈接地系统仿真模型图。
图6为故障线路三周期零序电流波形图。
图7为故障线路首半周期零序电流波形图。
图8为故障线路第三个周期零序电流波形图。
图9为正常线路三周期零序电流波形图。
图10为正常线路首半周期零序电流波形图。
图11为正常线路第三个周期零序电流波形图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明进行进一步的描述：
如图1所示，本发明提供的一种消弧线圈接地系统单相接地选线方法，包括如下步骤：
S1.采集不同时刻母线三相电压、母线零序电压以及分支回路零序电流；根据母线零序电压计算母线零序电压的基波分量瞬时值u′0(t)，并不同时刻的母线三相电压的幅值以及基波分量瞬时值u′0(t)判断存在故障的相，其中基波分量瞬时值u′0(t)通过自适应正弦数字滤波算法进行计算，为现有算法；
S2.计算存在故障的相的分支回路的不同时刻以及不同位置的零序电流基波分量瞬时幅值I0M,x，并且，当消弧线圈补偿作用完成后，计算分支回路的零序电流基波分量瞬时幅值I′0M,x，根据消弧线圈补偿前后的零序电流瞬时幅值判断分支回路是否接地故障，通过上述方法，能够准确选出消弧线圈单相接地故障的线路，不受现场的干扰以及零序电流互感器的极性的影响，有效提高选线的准确率，而且不需要进行群比判断，大大简化选线过程。
本实施例中，如图2所示，步骤S1中，按照如下方法判断三相中存在故障的相：
S11.以3200Hz采样率实时采集母线三相电压、母线零序电压u0(t0)以及支路零序电流i0(t)，其中，母线三相电压分别为uA(t)、uB(t)和uC(t)；
S12.若某时刻t0：|ε0(t0)|＝|u0(t0)-u′0(t0)|>Uset1，其中u0(t0)为时刻t0的母线零序电压；
从t0时刻起，锁存1/4周波的母线三相电压、母线零序电压以及各分支回路的零序电流的采样值，其中，一个周波为64个采样点,1/4周波则为16各采样点；即是说：从t0时刻起，锁存的三相电压为：
uA(t1)、uA(t2)、…、uA(t16)
uB(t1)、uB(t2)、…、uB(t16)
uC(t1)、uC(t2)、…、uC(t16)
母线零序电压为：
u0(t1)、u0(t2)、…、u0(t16)
分支回路零序电流为：
i0(t1)、i0(t2)、…、i0(t16)
S13.如16个母线零序电压中存在连续8个母线零序电压满足如下条件：
即是说：u0(t1)、u0(t2)、…、u0(t16)中，任意连续8各采样值满足如下条件即可：
|u0(tk)-u′0(tk)|>Uset1；
∑|u0(tk)-u′0(tk)|>Uset2，则判断可能存在单相接地故障，并进入步骤S14，否者，返回步骤S11；其中，Uset1和Uset2为母线零序电压误差阈值，u0(tk)为tk时刻的母线零序电压；u′0(tk)为tk时刻的母线零序电压的基波分量瞬时值；
S14.计算母线三相电压的基波分量幅值UAM、UBM、UCM，若其中任意两相电压基波分量幅值大于1.2U且另一相电压基波分量幅值小于0.8U，则判定发生接地故障且电压较低的相为故障相；否则，返回步骤S11，其中，U为额定电压幅值；通过上述方法，能够准确地找出存在故障的相；其中，相电压的表达式为：因此，只需测量当前相的tk时刻的瞬时电压u(tk)，并测得相位信息，即可计算相电压的基波分量幅值UM。
本实施例中，如图3所示，步骤S2中，根据如下步骤判定分支回路存在故障：
S21.在同一分支回路上向远离母线方向上依次设置x1、x2、…、xN共N个采集点，各采集点与母线的距离满足lx1<lx2<…<lxN；
S22.根据如下公式计算分支回路上各采集点的零序电流瞬时值：
其中，i0(t)为分支回路零序电流，
Ri为分支回路的单位长度线路的电阻值的i次幂；Lj-i-1为分支回路的单位长度线路的电感值的j-i-1次幂，Lj-i为分支回路的单位长度线路的电感值的j-i次幂；Cj为分支回路的单位长度线路的电容值的i次幂；为分支回路上点x处与母线出线端之间的距离的2j-1次幂；为分支回路上点x处与母线出线端之间的距离的2j次幂；为母线零序电压关于时间t的2j-i-1阶导数，为分支回路零序电流关于时间t的2j-1阶导数，j和i为迭代运算的次数，其中i∈[0,j]；
分支回路上各采集点的零序电流瞬时值如表1所示：
表1
S23.根据分支回路的各采集点的零序电流瞬时值，计算出各采集点零序电流的基波分量瞬时幅值且分别为：I0M,x1，I0M,x2，…，I0M,xN；
S24.当消弧线圈补偿作用完成后，从时刻t′0起，再次锁存母线零序电压u0(t′0)和分支回路零序电流i0(t′0)，计算消弧线圈补偿完成后分支回路上各采集点的零序电流基波分量瞬时值：I′0M,x1，I′0M,x2，…，I′0M,xN，其中，t′0＝t0+40ms；
S25.通过如下方式判断当前分支回路是否为故障线路：
若：
I0M,x1<I0M,x2<…<I0M,xN且I′0M,x1>I′0M,x2>…>I′0M,xN，或者：
I0M,x1>I0M,x2>…>I0M,xN且I′0M,x1<I′0M,x2<…<I′0M,xN；则判断当前分支回路为故障线路；
若：
I0M,x1>I0M,x2>…>I0M,xN且I′0M,x1>I′0M,x2>…>I′0M,xN；
或者
I0M,x1<I0M,x2<…<I0M,xN且I′0M,x1<I′0M,x2<…<I′0M,xN；
则判断该分支回路为非故障线路。
本实施例中，通过如下方法计算母线零序电压以及分支回路零序电流幅值：
S31.将母线零序电压u0(t)和分支回路零序电流i0(t)进行瞬变信号正弦表示：
S32.确保A(t)、B(t)正交和能量相等，即：
S33.构建区间[0,h]内的A(t)和B(t)时间函数，其中，时间函数根据拟Legendre多项式进行构建：
其中：
其中，h为信号衰减到0的时间长度，取40ms；
S34.根据能量相等：
，采用最小二乘法计算母线零序电压和分支回路零序电流的和从而根据瞬变信号正弦表示式计算母线零序电压瞬时幅值U0m(t)和分支回路零序电流瞬时幅值I0m(t)；
其中，母线零序电压基波分量瞬时值u′0(t)与母线零序电压瞬时幅值U0m(t)同样满足正弦表达式：
母线灵虚电压瞬时幅值U0m(t)还满足如下公式：
瞬时相位满足：
以下以具体实例对本发明进行进一步说明：
如图5所示，图5中为10kV配电网中性点经消弧线圈接地系统仿真模型图，其中，开关K闭合为消弧线圈接地系统，断开为不接地系统，变电站等级为110KV，共有6条架空馈线(采用分布参数模型),长度依次为6、9、12、15、18、20km，变压器釆用Y/△型，线路参数分别是：
1、线路阻抗：正序阻抗R1＝(0.17+j0.38)Ω/km,零序阻抗R0＝(0.23+j1.72)Ω/km；
2、线路对地导纳：C＝0.00969×10-6(F/km)；
3、变压器参数：额定容量：40000kVA，空载损耗：35.65kw；原、副边电压：110kV，10.5kV；原、副边单相对中性点线圈的电阻:0.41Ω，0.0067Ω；原、副边单相对中性点线圈的电感:13.2Ω、0.181Ω；励磁电流：0.675A，励磁磁通：202.5WB，磁路电阻：400kΩ。
4、数据采样率：3200Hz(1周波对应64个采样点)，即采样时间间隔Δt＝0.3125ms。
设定单相接地故障发生于第6条馈线的A相上，取接地点为距母线18km处，接地电阻为0。采集数据时，取故障后1周波的零序电流作分析，即0.02s，取第6条馈线上的0、3、6km(距离母线)处零序电流作为故障线路的采样点，图5中为A,B,C点。取第5条馈线上的0、3、6km(距离母线)处零序电流作为正常线路的采样点，图5中为A’,B’,C’点；通过图6-8与图9-11对比可知：当发生单相接地故障时，对于故障线路，靠近母线侧的零序电流会小于靠近故障点的零序电流，且随着消弧线圈补偿完毕，靠近母线侧的零序电流会大于靠近故障点的零序电流；而对于正常线路，靠近母线侧的零序电流会一直大于靠近故障点的零序电流。也就是对于故障线路，零序电流随距离的变化趋势将随着消弧线圈补偿会出现反转，而对于正常线路，零序电流随距离的变化趋势将不变。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种消弧线圈接地系统单相接地选线方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.采集不同时刻母线三相电压、母线零序电压以及分支回路零序电流；根据母线零序电压计算母线零序电压的基波分量瞬时值u′0(t)，并根据 不同时刻的母线三相电压的幅值以及基波分量瞬时值u′0(t)判断存在故障的相；
S2.计算存在故障的相的分支回路的不同时刻以及不同位置的零序电流基波分量瞬时幅值I0M,x，并且，当消弧线圈补偿作用完成后，计算分支回路的零序电流基波分量瞬时幅值I′0M,x，根据消弧线圈补偿前后的零序电流瞬时幅值判断分支回路是否接地故障；
步骤S1中，按照如下方法判断三相中存在故障的相：
S11.以3200Hz采样率实时采集母线三相电压、母线零序电压u0(t0)以及支路零序电流i0(t)，其中，母线三相电压分别为uA(t)、uB(t)和uC(t)；
S12.若某时刻t0：|ε0(t0)|＝|u0(t0)-u′0(t0)|>Uset1，其中u0(t0)为时刻t0的母线零序电压；
从t0时刻起，锁存1/4周波的母线三相电压、母线零序电压以及各分支回路的零序电流的采样值，其中，一个周波为64个采样点,1/4周波则为16个采样点；
S13.如16个母线零序电压中存在连续8个母线零序电压满足如下条件：
|u0(tk)-u′0(tk)|>Uset1；
∑|u0(tk)-u′0(tk)|>Uset2，则判断可能存在单相接地故障，并进入步骤S14，否则，返回步骤S11；其中，Uset1和Uset2为母线零序电压误差阈值，u0(tk)为tk时刻的母线零序电压；u′0(tk)为tk时刻的母线零序电压的基波分量瞬时值；
S14.计算母线三相电压的基波分量幅值UAM、UBM、UCM，若其中任意两相电压基波分量幅值大于1.2U且另一相电压基波分量幅值小于0.8U，则判定发生接地故障且电压较低的相为故障相；否则，返回步骤S11，其中，U为额定电压幅值；
步骤S2中，根据如下步骤判定分支回路存在故障：
S21.在同一分支回路上向远离母线方向上依次设置x1、x2、…、xN共N个采集点，各采集点与母线的距离满足lx1<lx2<…<lxN；
S22.根据如下公式计算分支回路上各采集点的零序电流瞬时值：
其中，i0(t)为分支回路零序电流，
Ri为分支回路的单位长度线路的电阻值的i次幂；Lj-i-1为分支回路的单位长度线路的电感值的j-i-1次幂，Lj-i为分支回路的单位长度线路的电感值的j-i次幂；Cj为分支回路的单位长度线路的电容值的j次幂；为分支回路上点x处与母线出线端之间的距离的2j-1次幂；为分支回路上点x 处与母线出线端之间的距离的2j次幂；为母线零序电压关于时间t的2j-i-1阶导数，为分支回路零序电流关于时间t的2j-1阶导数，j和i为迭代运算的次数，其中i∈[0,j]；
S23.根据分支回路的各采集点的零序电流瞬时值，计算出各采集点零序电流的基波分量瞬时幅值且分别为：I0M,x1，I0M,x2，…，I0M,xN；
S24.当消弧线圈补偿作用完成后，从时刻t′0起，再次锁存母线零序电压u0(t′0)和分支回路零序电流i0(t′0)，计算消弧线圈补偿完成后分支回路上各采集点的零序电流基波分量瞬时值：I′0M,x1，I′0M,x2，…，I′0M,xN，其中，t′0＝t0+40ms；
S25.通过如下方式判断当前分支回路是否为故障线路：
若：
I0M,x1<I0M,x2<…<I0M,xN且I′0M,x1>I′0M,x2>…>I′0M,xN，或者：
I0M,x1>I0M,x2>…>I0M,xN且I′0M,x1<I′0M,x2<…<I′0M,xN；则判断当前分支回路为故障线路；
若：
I0M,x1>I0M,x2>…>I0M,xN且I′0M,x1>I′0M,x2>…>I′0M,xN；
或者
I0M,x1<I0M,x2<…<I0M,xN且I′0M,x1<I′0M,x2<…<I′0M,xN；
则判断该分支回路为非故障线路。
2.根据权利要求1所述消弧线圈接地系统单相接地选线方法，其特征在于：通过如下方法计算母线零序电压以及分支回路零序电流幅值：
S31.将母线零序电压u0(t)和分支回路零序电流i0(t)进行瞬变信号正弦表示：
S32.确保A(t)、B(t)正交和能量相等，即：
S33.构建区间[0,h]内的A(t)和B(t)时间函数：
其中：
其中，h为信号衰减到0的时间长度，取40ms；
S34.根据能量相等：
，采用最小二乘法计算母线零序电压和分支回路零序电流的和从而根据瞬变信号正弦表示式计算母线零序电压瞬时幅值U0m(t)和分支回路零序电流瞬时幅值I0m(t)。
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