CN108872783B - 谐振接地系统单相接地故障区段定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振接地系统单相接地故障区段定位方法。本发明根据低频网络中电感电流与电容电流的固有幅值比，形成自适应判据，实现故障区段的有效判定；利用消弧线圈对低频外加信号的过补偿作用，获取凸显故障点与消弧线圈安装处的电感电流流通回路。本发明利用SOP优越的波形调制能力主动注入低频信号，免去了传统信号注入法的信号注入设备的额外投资，并扩大了注入信号容量；本发明的方法原理简单，不受过渡电阻、系统运行方式以及线路长度影响，可靠性较高。

Description

谐振接地系统单相接地故障区段定位方法

技术领域

本发明属于配电网故障定位技术领域，涉及接有柔性开关设备(soft openpoint，SOP)的谐振接地系统发生单相接地故障时所适用的一种故障区段定位方法。

背景技术

小电流接地故障定位，尤其是谐振接地配电网的单相接地故障定位问题，经过多年的研究始终没有获得良好的解决方案。相比于中性点不接地配电网，消弧线圈的补偿电流改变了故障线路的零序电流分布特征，使得基于零序电流幅值或相位的故障定位方法失效。

谐波法、有功分量法等基于故障稳态分量的定位方法，因故障量微弱及故障电弧的干扰，在实际应用中效果欠佳。首半波法、相关法等基于故障暂态分量的定位方法受过渡电阻、故障时刻等因素的影响，可能出现暂态过程不明显的情况。

主动法通过对系统额外附加特征电流实现故障定位，不依赖于故障信号本身。“S”信号注入法利用母线电压互感器向故障相注入220Hz电流信号，沿线寻踪定位；其原理简单、通用性好，然而受电压互感器注入容量限制以及非故障线路分布电容的分流影响，定位可靠性难以得到保障。利用故障后停电实现故障离线定位的直流及交直流定位技术，不受网络结构、线路参数、分布电容和过渡电阻的影响，提高了定位精度，但不满足配电自动化自动故障隔离和定位的智能化要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于柔性开关设备附加三相对称低频电压的谐振接地系统单相接地故障区段定位方法。由于利用柔性电力电子技术改造配电网是未来一大重要趋势，而柔性开关设备(SOP)作为一种替代传统联络开关的新型柔性一次设备，可以利用其强大的波形调制能力实现主动式故障定位的信号注入，用以解决传统故障定位方法中零序电流比幅法不再适用于谐振接地系统，信号注入法易受过渡电阻、线路参数影响，且注入容量受限等问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：谐振接地系统单相接地故障区段定位方法，其包括以下步骤：

S1、单相接地故障发生，零序电压元件启动，启动判据为：

其中，U₀为谐振接地系统实测零序电压；U_n为系统额定电压；

S2、暂态过程消失后，柔性开关设备(SOP)利用基于载波调制的正弦脉宽调制(sine-wave pulse-width modulation，SPWM)策略于交流侧叠加一个三相对称低频电压；

S3、沿线装设的故障指示器通过三相采集控制模块间的通信，实现对三相电流200Hz采样频率的同步采样，合成零序电流后对0.32s时间窗的数据进行快速傅里叶变换，提取其中的低频电流值并将结果上传主站；

S4、比较各条出线首端的低频零序电流，根据其中的最大值确定故障所在出线；

S5、根据下式，利用各条出线首端零序电流的最大值整定得到自适应电流门槛值；

其中，I’_set为自适应电流门槛值；I’_max为母线各条出线首端的低频零序电流最大值；k_rel为可靠系数(参考后备保护的选取原则，将其整定为1.2)；

S6、沿故障馈线出口向下，将各检测点的低频零序电流依次与电流门槛值相比较；高于门槛值则表明故障位于该点下游，需继续向下游搜索，直到确定故障所在区段。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：利用SOP优越的波形调制能力主动注入低频信号，免去了传统信号注入法的信号注入设备的额外投资，并扩大了注入信号容量；该方法生成的自适应判据不受过渡电阻、系统运行方式以及线路长短影响，原理简单、可靠性高。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，步骤S2中，所述基于载波调制的SPWM策略，具体包括：

在原有的工频调制波上叠加25Hz、5％U_n的低频信号，与三角载波比较得到开关触发信号，经SOP逆变输出得到一系列宽度不等的脉冲波形，通过网侧安装的滤波器滤除高频分量后实现低频电压的附加输出。

采用上述进一步方案的有益效果是：SPWM技术基于面积等效原理，利用冲量相等而形状不同的窄脉冲等效代替所需输出波形，使得外加定位信号的注入更加灵活可控，免去了额外的信号注入设备。

进一步，步骤S2中，SOP利用正弦脉宽调制策略附加输出25Hz低频电压，具体包括：

低频信号参数根据IEC闪变特性曲线以及不同电容电流水平的谐振接地系统经不同过渡电阻接地情况下，附加低频零序电流的幅值确定。

采用上述进一步方案的有益效果是：25Hz频率信号能够保证自适应判据的生成，并能在不同故障情况下，使得低频零序电流的幅值保持相对稳定；5％U_n的幅值选择，避免了在线定位对系统运行产生较大的干扰，同时尽可能地提高了注入信号强度。

进一步，步骤S5中，利用各条出线首端零序电流的最大值整定得到自适应电流门槛值，具体包括自适应电流门槛值I’_set的整定：

谐振接地系统消弧线圈的档位根据工频电流确定，工频与低频下的电感电流与全网分布电容电流满足等式：

其中，I_L和I_CΣ分别为消弧线圈补偿的电感电流和全网工频分布电容电流；I′_L和I′_CΣ为25Hz的低频电感电流和全网低频分布电容电流；p为工频系统过补偿度(一般取值5-10％)；

考虑低频网络的零序电流分布，故障上游至母线处的低频零序电流由电感电流与部分电容电流构成，记作I’_f0；健全线路及故障点下游低频零序电流仅由检测点下游电容电流构成，记作I’_nf0，两者恒有：

由于越接近母线，零序电流所含的电容电流越少，I’_f0越大，易知故障线路母线出口处的零序电流为全网最大值，记作I’_max，基于上式，I’_max与I′_CΣ的比值取值区间为[3+4p,4+4p]，则有不等式：

因此设定电流门槛值：

其中，I’_set为自适应电流门槛值；I’_max为母线各条出线首端的低频零序电流最大值；k_rel为可靠系数，参考后备保护的选取原则，将其整定为1.2。此时I’_f0>I’_set，I’_nf0<I’_set恒成立。

采用上述进一步方案的有益效果是：自适应电流门槛值I’_set基于故障馈线首端零序电流(亦为所有馈线各测量点零序电流最大值)生成，具有自适应性，使得定段结果不受过渡电阻、系统运行方式、线路长短的影响。

进一步，S6中沿故障主馈线出口向下，依次将各检测点的低频零序电流I’_i[0]与电流门槛值I’_set相比较，确定故障所在区段，具体包括三种搜索结果：

1)若某级馈线上存在相邻两个故障指示器的检测结果I’_i-1[0]、I’_i[0]分别高于门槛值I’_set、低于门槛值I’_set，则判定故障点位于该级馈线第i-1、i号测点之间；

2)当搜索至第X级馈线的末端检测点后，其检测结果依然高于门槛值I’_set，而其下游存在一条或多条X+1级馈线，且其检测结果均小于I’_set，则判定故障点位于X级馈线末端(以X级馈线的末端检测点和各条X+1级馈线的首端检测点为边界的区段内)，否则沿检测结果高于门槛值I’_set的X+1级馈线继续搜索。

3)若搜索至故障出线末级馈线，各检测点的零序电流值均高于I’_set，则判定故障位于最末检测点下游，即判定末级线路末端发生接地故障。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过沿故障主馈线向下依次将各检测点的电流结果I’_i[0]与I’_set比较，获取了消弧线圈对低频信号过补偿作用所凸显的电感电流流通回路，定位原理简单，数据处理强度小，搜索速度快，同时故障指示器的安装位置也不受搜索算法的限制。

本发明具有的有益效果如下：本发明利用SOP优越的波形调制能力主动注入低频信号，免去了传统信号注入法的信号注入设备的额外投资，并扩大了注入信号容量；本发明的方法原理简单，不受过渡电阻、系统运行方式以及线路长度影响，可靠性较高。

附图说明

图1是现有常见的两电平电压源型SOP端口拓扑图；

图2是双极型SPWM附加低频电压调制策略图；

图3是双极型SPWM原理图；

图4是本发明实施例的10kV配电网仿真模型示意图；

图5是本发明故障区段搜索流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

SOP安装于配电网传统联络开关处，通过中间的直流环节连接多个交流系统，具备功率调节能力，是实现交直流混联配电网的重要设备之一。其基于全控型电力电子开关器件实现，结构多样，常见的两电平电压源型SOP端口拓扑图如图1所示。通过控制T₁～T₆的开关触发脉冲即可将直流电压u_d逆变为交流电压输出。

图2-3给出了低频电压在线输出的调制策略。在原有的工频调制波u_50Hz上叠加定位用的5％Un的25Hz低频正弦波u_low，得到调制波u_ref。再将u_ref与双极型三角载波u_T作比较，根据两者交点得到T₁～T₆的开关触发脉冲，应用于图1展示的SOP拓扑中。经网侧装设的滤波器除去高频分量后即可获得工频与低频电压的复合输出。

当然，本发明的重点在于提出适用于谐振接地系统单相接地故障区段定位的有效方法，所以本发明并不局限于上述开关结构与调制策略，只要相关电力电子设备采用有效的波形调制策略能够实现低频三相电压的附加输出，即可用于故障定段。

实施例

图4是基于PSCAD仿真平台搭建的接有SOP的10kV配电网仿真模型示意图。SOP采用三端背靠背两电平电压源型结构，连接三个交流系统，并以交流系统2为例，对本发明提出的主动式单相接地故障定位策略做详细阐述。其中，T2为35/10kV变压器，35kV侧三角形接线，10kV侧经消弧线圈接地；沿线为多分支交流馈线，并于各分支线路首末端配置故障指示器实现电流采样功能。具体仿真参数如下：

变压器T2背侧大系统等值参数：等效电压源35kV，正序电抗6.45Ω，正序阻抗角80°。

变压器T2的消弧线圈电抗值L：按5％过补偿系数，取0.54H。

单位长度线路参数：电阻0.047Ω/km，电抗为0.08Ω/km，对地电容阻抗30MΩ·m。

附加电源参数：25Hz、50V三相低频电压。

设置馈线区段MN中点发生A相金属接地故障。暂态过程消失后，SOP利用载波调制的SPWM技术附加输出定段用低频电压。各故障指示器采集零序电流，根据傅里叶谱结果得到低频零序电流大小，结果列于表1中。基于各点的低频零序电流测量结果，根据图5流程图进行故障区段定位。

S1、比较各条出线首端的低频零序电流，确定故障出线，并获得电流最大值I’_max；由于母线仅连有一条出线，I’_max即为该出线首端A测量点所测的265.6mA。通过比较各测量点的低频零序电流的结果验证了上述结论。

S2、根据各条出线首端零序电流的最大值整定得到自适应电流门槛值，具体计算公式为：

其中，I’_set为自适应电流门槛值；I’_max为母线各条出线首端的低频零序电流最大值；k_rel为可靠系数，参考后备保护的选取原则，将其整定为1.2。

因此，基于S1中获得的I’_max，取k_rel等于1.2，则判据自适应门槛I’_set＝1.2×I’_max/3＝106.24mA。

S3、沿故障主馈线AB向下，依次将检测点的电流结果I’_i[0]与I’_set比较。电流高于门槛值用+表示，表明该测量点位于电感电流回路上，且位于故障点上游；否则用-标记，表明测量点与电感电流回路无关。由于在搜索路径上，越接近故障点零序电流所含的电容电流越多，幅值越小。为凸显搜索路径，将测量结果降序处理，表2给出了经降序排列的零序电流大小与定段结果。

根据表2中数据，检测点A、B、I、J、M的零序电流高于门槛值，表明有电感电流流经。其中M点的测量结果为高于门槛值的最小值，由此可知故障发生在M点与其下一检测点N之间。实际搜索过程即由一级馈线AB搜索至二级馈线IJ、三级馈线MN。由于N点测量值小于电流门槛值，搜索结束，确定故障区段为线路MN。可见本发明方法准确地定位了故障区段。

表1 25Hz低频零序电流FFT谱结果/mA

分支	首端	末端
			LineAB	265.6	259.9
LineCD	27.3	20.4
			LineEF	11.6	0
LineGH	9.1	0
			LineIJ	232.7	228.1
LineKL	9.1	0
			LineMN	219.0	10.3
LineOP	4.6	0
			LineQR	5.7	0

表2低频信号注入故障区段定位结果

A	B	I	J	M	C	D	E	N
									265.6	259.9	232.7	228.1	219.0	27.3	20.4	11.4	10.3
+	+	+	+	+	-	-	-	-
									K	G	Q	O	F	H	L	P	R
9.13	9.09	5.72	4.58	0	0	0	0	0
									-	-	-	-	-	-	-	-	-

电流门槛值：106.24mA故障区段：区段MN

本发明选用25Hz、线电压50V的低频三相对称电压作为附加信号用于故障定位，但并不局限于该信号频率与电压等级。只要基于本发明方法提出的定段原理，选择其他信号参数实现故障定段均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.谐振接地系统单相接地故障区段定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、单相接地故障发生，零序电压元件启动，启动判据为：

其中，U₀为谐振接地系统实测零序电压；U_n为系统额定电压；

S2、暂态过程消失后，柔性开关设备利用基于载波调制的正弦脉宽调制策略于交流侧叠加一个三相对称低频电压；

S3、沿线装设的故障指示器通过三相采集控制模块间的通信，实现对三相电流200Hz采样频率的同步采样，合成零序电流后对0.32s时间窗的数据进行快速傅里叶变换，提取其中的低频电流值并将结果上传主站；

S4、比较各条出线首端的低频零序电流，根据其中的最大值确定故障所在出线；

S5、根据下式，利用各条出线首端的低频零序电流的最大值整定得到自适应电流门槛值；

其中，I’_set为自适应电流门槛值；I’_max为母线各条出线首端的低频零序电流最大值；k_rel为可靠系数；

S6、沿故障馈线出口向下，将各检测点的低频零序电流I’_i[0]依次与I’_set相比较；高于门槛值则表明故障位于该检测点下游，需继续向下游搜索，直到确定故障所在区段；

步骤S2中，所述基于载波调制的正弦脉宽调制策略，具体包括：

在原有的工频调制波上叠加25Hz、5％U_n的低频信号，与三角载波比较得到开关触发信号，经柔性开关设备逆变输出得到一系列宽度不等的脉冲波形，通过网侧安装的滤波器滤除高频分量后实现低频电压的附加输出；

步骤S2中，柔性开关设备利用基于载波调制的正弦脉宽调制策略附加输出25Hz低频电压，具体包括：

低频信号参数根据IEC闪变特性曲线以及幅值确定，该幅值由不同电容电流水平的谐振接地系统在不同过渡电阻接地情况下附加低频零序电流得到。

2.根据权利要求1所述的谐振接地系统单相接地故障区段定位方法，其特征在于，步骤S5中，利用各条出线首端的低频零序电流的最大值整定得到自适应电流门槛值，具体包括自适应电流门槛值I’_set的整定：

谐振接地系统消弧线圈的档位根据工频电流确定，工频与低频下的电感电流与全网分布电容电流满足等式：

其中，I_L和I_CΣ分别为消弧线圈补偿的电感电流和全网工频分布电容电流；I′_L和I′_CΣ为25Hz的低频电感电流和全网低频分布电容电流；p为工频系统过补偿度；

考虑低频网络的零序电流分布，故障上游至母线处的低频零序电流由电感电流与部分电容电流构成，记作I’_f0；健全线路及故障点下游低频零序电流仅由检测点下游电容电流构成，记作I’_nf0，两者恒有：

由于越接近母线，零序电流所含的电容电流越少，I’_f0越大，已知故障线路母线出口处的零序电流为全网最大值，记作I’_max，基于上式，I’_max与I′_CΣ的比值取值区间为[3+4p,4+4p]，则有不等式：

因此，设定如下的电流门槛值：

3.根据权利要求1所述的谐振接地系统单相接地故障区段定位方法，其特征在于，步骤S6中，沿故障馈线出口向下，将各检测点的低频零序电流I’_i[0]依次与I’_set相比较，确定故障所在区段，具体包括三种搜索结果：

1)若某级馈线上存在相邻两个故障指示器的检测结果I’_i-1[0]、I’_i[0]分别高于门槛值I’_set、低于门槛值I’_set，则判定故障点位于该级馈线第i-1、i号检测点之间；

2)当搜索至第X级馈线的末端检测点后，其检测结果依然高于门槛值I’_set，而其下游存在一条或多条X+1级馈线，且其检测结果均小于I’_set，则判定故障点位于X级馈线末端，否则沿检测结果高于门槛值I’_set的X+1级馈线继续搜索；

3)若搜索至故障出线末级馈线，各检测点的零序电流值均高于I’_set，则判定故障位于最末检测点下游，即判定末级线路末端发生接地故障。

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