CN108132421B - 基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法 - Google Patents

基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法。传统的消弧柜故障相判断方法，是在发生单项电弧接地故障后，故障相电压有效值接近零。这种依赖单一判据的方法，其准确度较低，在现场已经出现了多起故障相判断失误的案例，严重危害了电力系统的可靠性。本发明提出运用电弧熄灭后故障相的高频分量相位与非故障相的高频分量相位相反的判据，同时结合电弧熄灭起前，故障相有效值降低且仅故障相存在高频分量的判据，准确迅速的判断故障相。

Description

基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法
专利领域
本发明属于电力系统继电保护领域，涉及消弧柜的故障相判定，具体涉及基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法。
背景技术
随着电力系统规模的不断增大，配电网可靠性在国民经济中占有着越来越重要的地位。配电网是直接面向用户的环节，关系着电力用户的生产生活，重要性不言而喻。在配电网故障中，单相接地故障占据主要地位，其中单项弧光接地故障占据了单相接地故障的绝大部分，每年单项弧光接地故障给电力系统造成了一定量的的安全隐患，降低了电力系统可靠性，带来了大量直接，间接的经济损失。
在治理单相弧光接地故障的措施中，消弧柜扮演了重要的角色。消弧柜是安装在变电站内的继电保护装置，当检测到电力系统发生了单相弧光接地故障时，消弧柜需要在两个周波的时间内内迅速识别故障相，在变电站中将故障相迅速接地并迅速断开接地，达到熄灭故障点电弧的作用，避免了故障点接地电弧对系统造成的危害。其中，关键的一步是消弧柜对故障相的准确识别。一旦故障相识别错误，造成了非故障相在变电站处接地，将原有的单相接地故障扩大为系统两相接地，按照电力系统安全规程将造成三相跳闸的严重后果，扩大了故障范围并造成了停电损失。而传统的消弧柜，多数用三相有效值判定的方法，即选取电压有效值最低相为故障相。这种采用单一判据的方法准确性较低，且单项弧光接地多为间歇式电弧接地，即电弧以周波为单位，规律地的产生于熄灭，因此该方法不能准确地判断故障相。当前，消弧柜在现场已经造成了多起故障相判断失误，给电力系统造成了严重的危害。
发明内容
本发明的目的在于运用电弧熄灭后故障相的高频分量相位与非故障相的高频分量相位相反的判据；同时结合电弧熄灭起前，故障相有效值降低且仅故障相存在高频分量的判据，提高消弧柜判断故障相的准确性。
本申请具体采用以下技术方案：
基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法，其特征在于：
通过三相电压的有效值结合高频分量，判断消弧柜的故障相。
所述基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：现场录波器分别记录电弧燃烧时母线三相电压瞬时值数据；
步骤2：分别计算母线三相电压数据的有效值；以半个周波(0.01秒)为单位时间，有效值为步骤1采集的瞬时值在一个单位时间内的方均根值：
Figure BDA0001505975610000021
式中，Rk表示k相的有效值，其中k＝A,B,C三相中的其中之一；n表示单位时间内，录波器记录的数据数量；Uki表示单位时间内k相电压的第i个数据值。
步骤3：如果存在k相电压的有效值均低于其他相电压的有效值的s倍，则进入步骤4，反之返回步骤1；
步骤4：分解步骤1记录的k相电压数据，若存在明显的高频分量即高频分量大于等于预设的第一高频分量阈值则判断k相为故障相；反之返回步骤1。
进一步：
在步骤3中，其中s的范围是0.4～0.7。
S进一步优选取值为0.6。
在步骤4中，所述高频分量是指电压数据中大于9倍电力系统频率的分量。
在步骤4中，所述预设的高频分量阈值是指该k相电压系统频率分量的有效值的10％～20％。
在步骤4中，采取以下步骤确定是否存在明显的高频分量：
4.1对步骤1记录的k相电压数据做傅里叶变换，分解成频率不同的多个分量，提取频率范围在49～51HZ的分量，称之为系统频率分量；
4.2如果存在频率大于9倍电力系统频率的分量，则提取该高频分量，进入步骤4.3；反之认定不存在高频分量，返回步骤1；
4.3计算步骤4.1中提取的系统频率分量的有效值；
4.4计算4.2中提取的高频分量的有效值；
4.5如果高频分量的有效值大于等于预设的第一高频分量阈值，则认定k相存在明显的高频分量；其中所述预设的第一高频分量阈值是指该k相电压系统频率分量的有效值的 10％～20％。
其中，在4.5中，所述预设的第一高频分量阈值取该k相电压系统频率分量的有效值的 15％。
所述基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：现场录波器记录电弧熄灭后的母线三相电压瞬时值数据；
步骤2：运用傅里叶变换分别分解步骤1记录的三相电压，分解成三组频率不同的多个电压分量；
步骤3：对于步骤2得到的三组频率不同的多个电压分量数据，如果三组数据均存在频率大于等于9倍电力系统频率的分量即高频分量，则分别提取三组数据高频分量和基频分量，如果三相电压均存在明显的高频分量即高频分量大于等于预设的第二高频分量阈值，则进入步骤 4；反之认定不存在明显的高频分量，返回步骤1；
步骤4：对提取的高频分量进行相位分析，若存在一相相位与其他两相相位相反，则认定该相为故障相；否则，判断无故障，返回步骤1。
进一步：
在步骤3中，所述第二高频分量阈值是指对应相电压基频分量有效值的10％。
在步骤3中，以1/2个周波(0.01秒)为单位时间，分别计算三个数据集的高频分量和基频分量的有效值：
Figure BDA0001505975610000031
Figure BDA0001505975610000032
式中，Rkb表示k相电压基频分量的有效值，Rkh表示k相电压高频分量数据的有效值，其中k＝A,B,C；n表示单位时间内录波器记录的数据数量；ukbi和ukhi分别表示单位时间内k 相基波数据和高频分量的第i个数据值；
如果
Figure BDA0001505975610000033
则认定存在明显的高频分量。
在步骤4中，对提取的三相高频分量进行相位分析，得到三相高频分量的相角
Figure BDA0001505975610000034
令
Figure BDA0001505975610000035
Figure BDA0001505975610000036
为A相相角，
Figure BDA0001505975610000037
在[0°,360°)范围内的映射，使得
Figure BDA0001505975610000041
同理得
Figure BDA0001505975610000042
令k＝A,B,C，当k的取值使得
Figure BDA0001505975610000043
为最大值时，则判断该k相相位与其他两相相位相反，k相为故障相。
本申请具有以下有益的技术效果：
消弧柜是配电网继电保护的重要组成部分，担负着在毫秒级时间内判断故障相并转移故障电弧的责任，准确判断故障相是消弧柜工作的前提。如果消弧柜判断故障相错误，会将配电网单相接地故障扩大为两相接地故障。根据电网安全规章，采用小电流接地方式的配电网在单相接地故障时可以带故障运行2个小时，但对于两相接地故障，需要瞬间切断三相供电。因此一旦消弧柜判断故障相错误，不仅扩大了故障范围，还会引发三相跳闸，造成区域性停电事故，给社会带来大量的经济损失。现场已有多起因消弧柜未能准确，及时地判断故障相而引发的区域性停电事故，因此消弧柜快速，准确地判断故障相是十分重要的。
已有的消弧柜判断故障相方法，多是依据故障相接地时电压为零，认定电压有效值最小的一相为故障相。这种单一的判断方法存在以下缺陷：
1.单相电弧接地多为间歇式电弧接地，即电弧的燃烧和熄灭具有间歇式。接地电弧的燃烧时间可以十分的短暂，造成故障相电压下降的时间非常短。而电压有效值的描述一段时间内电压的大小，因此短暂的电压下降难以精确地反应在电压有效值上，造成了消弧柜的误判。
2.消弧柜的电压数据来源是AD采样，由于AD采样模块存在采用率不够，以及在实际运行中存在一定概率的数据缺失。因此短暂的电压下降不能保证被消弧柜记录。
3.单项间歇式电弧接地故障，电弧的燃烧和熄灭具有间歇式。传统的消弧柜判断方法往往依据电弧燃烧时的特性，未有考虑电弧熄灭即下一次电弧燃烧前的暂态特性。将电弧燃烧和熄灭的特性同时纳入考量范围，可以大大增加消弧柜判断故障相的转确性。
因此，本申请在传统的单独计算电压有效值作为故障相判据的方法上，增加对采集的数据做傅里叶变换，提取有效的高频分量作为判据，增加故障相判断的准确性。
本申请提出考虑电弧熄灭时的特性，即故障相高频分量的相位与非故障相高频分量的相位相反，作为判据，进一步增加消弧柜判断故障相的准确性。
附图说明
图1为本发明一种基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法的流程图；
图2为发生单相弧光接地故障的配电网线路图；
图3为现场录波器记录的三相电压瞬时值数据；
图4位现场录波器记录的A相电压数据，和提取的高频电压分量；
图5为对现场录波器记录的三相电压瞬时值数据进行傅里叶变换后，提取的A相电压基频分量和电压暂态高频分量，B相电压基频分量和电压暂态高频分量，C相电压基频分量和电压暂态高频分量。
具体实施方式
以下将结合附图和实例对发明的内容做进一步说明。
如图2所示，L1至L4为四条支路，变电站为各个支路供电，S是消弧柜。该配电网于时间0.1秒到0.2秒时，在L4支路发生A相间歇式弧光接地故障。
实例1：如图2所示，配电网在L4支路发生A相间歇式弧光接地故障。，采用本发明公开的一种基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法，包括如下步骤，参见图1：
步骤1：现场录波器分别记录电弧燃烧时母线三相电压瞬时值数据，其记录数据如图3所示，间歇式电弧接地故障，电弧第一次燃烧和熄灭时间分别为0.1s和0.11s。
步骤2：分别计算母线三相电压数据的有效值。以半个周波(0.01秒)为单位时间，有效值为步骤1采集的瞬时值在一个单位时间内的方均根值：
Figure BDA0001505975610000051
选取故障开始时的第一个0.01秒(0.1s～0.11s)的数据进行计算，得：
RA＝3593.92
RB＝11343.14
RC＝13201.56
步骤3：存在A相电压的有效值均低于其他相电压的有效值的60％，进入步骤4。
步骤4：分解步骤1记录的k相电压数据，若存在明显的高频分量则输出k相为故障相；如图4所示，按照图例顺序分别为未经傅里叶变换的A相电压数据和经傅里叶变换后提取的高频分量，经计算高频分量的有效值大于A相电压有效值的15％，认定存在A相存在明显的高频分量，判定A为故障相。
实例2：如图2所示，配电网在L4支路发生A相间歇式弧光接地故障。，采用本发明公开的一种基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法，包括如下步骤，参见图1：
步骤1：现场录波器分别记录电弧熄灭后母线三相电压瞬时值数据，其记录数据如图3所示。具体数据为第一次电弧熄灭时间0.11s到第二次电弧燃烧时间0.12s。
步骤2：运用傅里叶变换分别分解步骤1记录的三相电压，分解成三组频率不同的多个电压分量，提取频率为范围在49～51HZ的分量，称之为系统频率分量也称为基频分量，分别为图5中A相基频，B相基频，C相基频所示。
步骤3：对于步骤2得到的三组数据，三组数据均存在频率大于9倍电力系统频率的分量，别为图5中A相高频，B相高频，C相高频所示分别计算三个数据集的高频分量和基频分量的有效值：
Figure BDA0001505975610000061
Figure BDA0001505975610000062
满足
Figure BDA0001505975610000063
认定存在明显的高频分量并进入步骤4。
步骤4：对提取的高频分量进行相位分析。若存在一相相位与其他两相相位相反，则认定该相为故障相；
对提取的高频分量进行相位分析，得到相角
Figure BDA0001505975610000064
令
Figure DEST_PATH_GDA0001573331490000065
n∈Z，使得
Figure DEST_PATH_GDA0001573331490000066
得到n＝-2，
Figure BDA0001505975610000067
同理得到
Figure DEST_PATH_GDA0001582968470000015
当k＝A时，
Figure BDA0001505975610000069
取得最大值，认定A相为故障相。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法，通过三相电压的有效值结合高频分量，判断消弧柜的故障相；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：现场录波器分别记录电弧燃烧时母线三相电压瞬时值数据；
步骤2：分别计算母线三相电压数据的有效值；以半个周波为单位时间，有效值为步骤1采集的瞬时值在一个单位时间内的方均根值：
Figure FDA0002363607050000011
式中，Rk表示k相的有效值，其中k＝A,B,C三相中的其中之一；n表示单位时间内，录波器记录的数据数量；Uki表示单位时间内k相电压的第i个数据值；
步骤3：如果存在k相电压的有效值均低于其他相电压的有效值的s倍，则进入步骤4，反之返回步骤1；
步骤4：分解步骤1记录的k相电压数据，若存在明显的高频分量即高频分量大于等于预设的第一高频分量阈值则判断k相为故障相；反之返回步骤1；
其中，所述高频分量是指电压数据中大于9倍电力系统频率的分量。
2.根据权利要求1所述的基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法，其特征在于：
在步骤3中，其中s的范围是0.4～0.7。
3.根据权利要求2所述的基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法，其特征在于：
在步骤3中，s取值为0.6。
4.根据权利要求1所述的基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法，其特征在于：
在步骤4中，所述预设的高频分量阈值是指该k相电压系统频率分量的有效值的10％～20％。
5.根据权利要求1所述的基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法，其特征在于：
在步骤4中，采取以下步骤确定是否存在明显的高频分量：
4.1对步骤1记录的k相电压数据做傅里叶变换，分解成频率不同的多个分量，提取频率范围在49～51HZ的分量，称之为系统频率分量；
4.2如果存在频率大于9倍电力系统频率的分量，则提取该高频分量，进入步骤4.3；反之认定不存在高频分量，返回步骤1；
4.3计算步骤4.1中提取的系统频率分量的有效值；
4.4计算4.2中提取的高频分量的有效值；
4.5如果高频分量的有效值大于等于预设的第一高频分量阈值，则认定k相存在明显的高频分量；其中所述预设的第一高频分量阈值是指该k相电压系统频率分量的有效值的10％～20％。
6.根据权利要求5所述的基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法，其特征在于：
在4.5中，所述预设的第一高频分量阈值取该k相电压系统频率分量的有效值的15％。
7.基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：现场录波器记录电弧熄灭后的母线三相电压瞬时值数据；
步骤2：运用傅里叶变换分别分解步骤1记录的三相电压，分解成三组频率不同的多个电压分量；
步骤3：对于步骤2得到的三组频率不同的多个电压分量数据，如果三组数据均存在频率大于等于9倍电力系统频率的分量即高频分量，则分别提取三组数据高频分量和基频分量，如果三相电压均存在明显的高频分量即高频分量大于等于预设的第二高频分量阈值，则进入步骤4；反之认定不存在明显的高频分量，返回步骤1；步骤4：对提取的高频分量进行相位分析，若存在一相相位与其他两相相位相反，则认定该相为故障相；否则，判断无故障，返回步骤1。
8.根据权利要求7所述的基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法，其特征在于：
在步骤3中，所述第二高频分量阈值是指对应相电压基频分量有效值的10％。
9.根据权利要求7所述的基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法，其特征在于：
在步骤3中，以1/2个周波为单位时间，分别计算三个数据集的高频分量和基频分量的有效值：
Figure FDA0002363607050000021
Figure FDA0002363607050000022
式中，Rkb表示k相电压基频分量的有效值，Rkh表示k相电压高频分量数据的有效值，其中k＝A,B,C；n表示单位时间内录波器记录的数据数量；ukbi和ukhi分别表示单位时间内k相基波数据和高频分量的第i个数据值；
如果
Figure FDA0002363607050000031
则认定存在明显的高频分量。
10.根据权利要求7、8或9所述的基于暂态高频分量的消弧柜故障相判断方法，其特征在于：
在步骤4中，对提取的三相高频分量进行相位分析，得到三相高频分量的相角
Figure FDA0002363607050000032
令
Figure FDA0002363607050000033
Figure FDA0002363607050000034
为A相相角，
Figure FDA0002363607050000035
在[0°,360°)范围内的映射，使得
Figure FDA0002363607050000036
同理得
Figure FDA0002363607050000037
令k＝A,B,C，当k的取值使得
Figure FDA0002363607050000038
为最大值时，则判断该k相相位与其他两相相位相反，k相为故障相。
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