CN109507532A - 一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法 - Google Patents

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CN109507532A CN201811401427.7A CN201811401427A CN109507532A CN 109507532 A CN109507532 A CN 109507532A CN 201811401427 A CN201811401427 A CN 201811401427A CN 109507532 A CN109507532 A CN 109507532A
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史欣
赵睿洁
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段嘉鑫
马楠兵
张乃元
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Abstract

本发明公开了一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，包括步骤：一、单相接地故障发生的判断及故障信号的记录；二、配电自动化终端计算馈线监测点的三相附加状态电流和附加状态电流变量；三、计算馈线监测点故障瞬时正序电流的实部四、配电自动化终端提取馈线监测点故障瞬时正序电流实部幅值并上传给配电主站；五、单相接地故障区段定位判断及隔离命令发出。本发明通过故障上下游瞬时正序电流的实部的幅值差值来判别故障区段，故障上游特征与故障下游特征差异性明显，定位效果明显，且定位方法具有较强的自适应性，为缩短修复时间提供了可靠依据。

Description

一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法
技术领域
本发明属于馈线单相接地故障区段定位技术领域，具体涉及一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法。
背景技术
近年来，随着我国智能电网成为研究领域的热门以及电力消费逐年骤增，配电网作为输电网与用户之间不可或缺的重要枢纽对供电可靠性有了更高的要求，故障区段定位作为故障隔离与恢复的重要环节也成为智能配电网的研究热点。
由于谐振接地系统具有故障电流小，利于电弧的自行熄灭的优势得以在配电网中广泛应用；虽然在单相接地故障情况下谐振接地系统还是可以继续运行，但是持续故障可能发展为更严重的两相或三相短路。由此可见，在单相接地故障后，找到一种能够快速隔离故障并筛选出故障点所在区段的方法就显得尤为重要。
针对现有的各类故障定位方法的分析可知，尽管现有的定位方法众多，但每种方法皆存在特定的适用情况。基于稳态电气量的方法虽然获取的稳态信号特征稳定，但在谐振接地方式下使得利用零序电流特征的稳态方法由于其本身固有的缺陷而不能准确选出故障区段，基于暂态电气量的方法虽然信号特征丰富，但暂态量衰减快且不稳定，且在电压过零时方法失效。由此可见很多故障定位方法在原理上还需改进和完善。因此，为了解决谐振接地系统由于消弧线圈补偿方式的影响使得部分故障区段定位方法失效的问题，还需从故障机理出发，探寻性能更好的特征量，深度发掘更多的可能性，找到更具有优势的适合谐振接地系统的故障区段定位方法。基于此提出故障附加状态下的瞬时正序电流实部的区段定位方法，根据相邻监测点的幅值差判断故障区段，幅值差最大的即为故障区段，否则为健全区段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，在发生单相接地故障的馈线上，通过故障上下游瞬时正序电流的实部的幅值差值来判别故障区段，故障上游特征与故障下游特征差异性明显，定位效果明显，且定位方法具有较强的自适应性，为缩短修复时间提供了可靠依据，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、单相接地故障发生的判断及故障信号的记录；
步骤二、配电自动化终端计算馈线监测点的三相附加状态电流和附加状态电流变量；
步骤三、计算馈线监测点故障瞬时正序电流的实部
步骤四、配电自动化终端提取馈线监测点故障瞬时正序电流实部幅值并上传给配电主站；
步骤五、单相接地故障区段定位判断及隔离命令发出。
上述的一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于：步骤一中在小电流接地系统馈线上安装多个用于分别采集馈线多处监测点故障信号的配电自动化终端，相邻两个配电自动化终端之间的馈线段为馈线区段，多个配电自动化终端均与配电主站进行通信，配电自动化终端实时获取各监测点的三相电流、零序电压；
通过得到的零序电压的有效值U0与设定的电网零序电压门槛值UOP相比较，当U0≥Uop时，判断为单相接地故障发生，否则没有发生单相接地故障；
若发生单相接地故障，记录保存故障前1个周波和故障后1个周波的三相电流数据。
上述的一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于：步骤二中配电自动化终端根据公式计算馈线监测点的三相附加状态电流Δika(n)、Δikb(n)和Δikc(n)，其中，ika(n)、ikb(n)和ikc(n)为第k个配电自动化终端在一个周波上各采样时刻采样的馈线上第k处监测点的三相电流，单位为A，ika(n-N)、ikb(n-N)和ikc(n-N)为第k个配电自动化终端采样的馈线上第k处监测点单相接地故障前一个周波上各采样时刻的三相电流，单位为A，n＝1,2，……，N，N为一个周波上的采样点数且N为正整数；由馈线监测点的三相附加状态电流Δika(n)、Δikb(n)和Δikc(n)组成附加状态电流变量ΔIk，ΔIk＝[Δika(n),Δikb(n),Δikc(n)]T。
上述的一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于：步骤三中计算馈线监测点故障瞬时正序电流的实部过程如下：
步骤301、根据公式得到馈线监测点故障瞬时正序电流其中，s120和s240为移相因子，s120＝ej120°＝cos120°+jsin120°，s240＝ej240°＝cos240°+jsin240°；
步骤302、取得馈线监测点故障瞬时正序电流的实部
上述的一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于：步骤四中配电自动化终端提取馈线监测点故障瞬时正序电流实部幅值并上传给配电主站，过程如下：
步骤401、配电自动化终端采用傅式算法计算故障瞬时正序电流实部的正弦项系数和余弦项系数，得a1k为馈线监测点故障瞬时正序电流的实部工频分量的正弦项系数，b1k为馈线监测点故障瞬时正序电流的实部工频分量的余弦项系数；
步骤402、根据公式提取馈线监测点故障瞬时正序电流的实部工频分量幅值
上述的一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于：步骤五中单相接地故障区段定位判断及隔离命令发出，过程如下：
步骤501、配电主站接收各个配电自动化终端的瞬时正序实部电流幅值并组成实部电流幅值向量M为馈线上配电自动化终端的个数，k＝1，2，…，M；
步骤502、计算相邻监测点实部电流的幅值差其中，q为正整数且q＝1，2，…，(M-1)；
步骤503、由实部电流的幅值差pq(q+1)组成区段定位向量P＝[p12,p23,…,p(M-1)M]；
步骤504、单相接地故障区段定位判断：区段定位向量P＝[p12,p23,…,p(M-1)M]中最大的元素对应的区段为单相接地故障区段；
步骤505、发出隔离命令：配电主站向单相接地故障区段两侧配电自动化终端所在的开关发送跳闸命令，隔离单相接地故障区段。
上述的一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于：步骤一中多个配电自动化终端均通过通信设备与配电主站进行通信。
上述的一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于：所述小电流接地系统为中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统。
上述的一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于：所述区段定位向量P＝[p12,p23,…,p(M-1)M]中最大的元素对应的区段为单相接地故障区段，否则为非故障区段。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的方法步骤简单，设计合理，实现方便且投入成本低，操作简便，便于推广使用。
2.本发明利用故障附加状态下的瞬时正序电流实部幅值特征区段定位，克服了谐振接地系统由于消弧线圈的补偿作用故障特征的影响，解决了谐振接地系统单相接地故障识别难的问题，适用性更强。
3、本发明实质利用瞬时正序电流实部稳态量区段定位，不需要高速采样和复杂计算，通过数据的实时获取和处理，对单相接地故障能快速反应，具有很好的速动性，且故障定位不受故障类型、故障时间以及故障地点的影响，可靠性高。
4、本发明在各个馈线上安装多个配电自动化终端对监测点进行实时的监测，通过配电主站与多个配电自动化终端通信获取数据，并对获取的数据进行判断处理，实现方便且投入成本低，适应配电网高度自动化的需求，智能化程度高。
5、本发明的单相接地故障区段定位判断利用区段定位向量最大的元素确定，方法不需要设定定值，自适应不同的故障状态。
综上所述，本发明在发生单相接地故障的馈线上，通过故障上下游瞬时正序电流的实部的幅值差值来判别故障区段，故障上游特征与故障下游特征差异性明显，定位效果明显，且定位方法具有较强的自适应性，为缩短修复时间提供了可靠依据，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明采用的故障区段定位设备的电路原理框图。
图2为本发明的方法流程框图。
图3为本发明单相接地故障区段定位判断及隔离命令发出的方法流程框图。
图4为本发明实施例的系统拓扑图。
附图标记说明:
1—配电主站；2—配电自动化终端；3—通信设备。
具体实施方式
如图1和图2所示的一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、单相接地故障发生的判断及故障信号的记录；
本实施例中，步骤一中在小电流接地系统馈线上安装多个用于分别采集馈线多处监测点故障信号的配电自动化终端2，相邻两个配电自动化终端2之间的馈线段为馈线区段，多个配电自动化终端2均与配电主站1进行通信，配电自动化终端2实时获取各监测点的三相电流、零序电压；
通过得到的零序电压的有效值U0与设定的电网零序电压门槛值UOP相比较，当U0≥Uop时，判断为单相接地故障发生，否则没有发生单相接地故障；
若发生单相接地故障，记录保存故障前1个周波和故障后1个周波的三相电流数据。
实际使用时，在小电流接地系统各个馈线上安装多个配电自动化终端2对监测点进行实时的监测，通过配电主站1与多个配电自动化终端2通信获取数据，并对获取的数据进行处理，实现方便且投入成本低，适应配电网高度自动化的需求，对智能配电网的发展具有非常高的参考价值。
实际使用时，所述小电流接地系统为中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统，配电自动化终端2不局限于DTU终端、FTU终端和故障指示器终端。
本实施例中，步骤一中多个配电自动化终端2均通过通信设备3与配电主站1进行通信。
步骤二、配电自动化终端计算馈线监测点的三相附加状态电流和附加状态电流变量；
本实施例中，步骤二中配电自动化终端2根据公式计算馈线监测点的三相附加状态电流Δika(n)、Δikb(n)和Δikc(n)，其中，ika(n)、ikb(n)和ikc(n)为第k个配电自动化终端2在一个周波上各采样时刻采样的馈线上第k处监测点的三相电流，单位为A，ika(n-N)、ikb(n-N)和ikc(n-N)为第k个配电自动化终端2采样的馈线上第k处监测点单相接地故障前一个周波上各采样时刻的三相电流，单位为A，n＝1,2，……，N，N为一个周波上的采样点数且N为正整数；由馈线监测点的三相附加状态电流Δika(n)、Δikb(n)和Δikc(n)组成附加状态电流变量ΔIk，ΔIk＝[Δika(n),Δikb(n),Δikc(n)]T。
步骤三、计算馈线监测点故障瞬时正序电流的实部
本实施例中，步骤三中计算馈线监测点故障瞬时正序电流的实部过程如下：
步骤301、根据公式得到馈线监测点故障瞬时正序电流其中，s120和s240为移相因子，s120＝ej120°＝cos120°+jsin120°，s240＝ej240°＝cos240°+jsin240°；
步骤302、取得馈线监测点故障瞬时正序电流的实部
步骤四、配电自动化终端提取馈线监测点故障瞬时正序电流实部幅值并上传给配电主站；
本实施例中，步骤四中配电自动化终端提取馈线监测点故障瞬时正序电流实部幅值并上传给配电主站，过程如下：
步骤401、配电自动化终端2采用傅式算法计算故障瞬时正序电流实部的正弦项系数和余弦项系数，得a1k为馈线监测点故障瞬时正序电流的实部工频分量的正弦项系数，b1k为馈线监测点故障瞬时正序电流的实部工频分量的余弦项系数；
步骤402、根据公式提取馈线监测点故障瞬时正序电流的实部工频分量幅值
步骤五、单相接地故障区段定位判断及隔离命令发出。
本实施例中，步骤五中单相接地故障区段定位判断及隔离命令发出，过程如下：
步骤501、配电主站1接收各个配电自动化终端2的瞬时正序实部电流幅值并组成实部电流幅值向量M为馈线上配电自动化终端2的个数，k＝1，2，…，M；
步骤502、计算相邻监测点实部电流的幅值差其中，q为正整数且q＝1，2，…，(M-1)；
步骤503、由实部电流的幅值差pq(q+1)组成区段定位向量P＝[p12,p23,…,p(M-1)M]；
步骤504、单相接地故障区段定位判断：区段定位向量P＝[p12,p23,…,p(M-1)M]中最大的元素对应的区段为单相接地故障区段；
本实施例中，所述区段定位向量P＝[p12,p23,…,p(M-1)M]中最大的元素对应的区段为单相接地故障区段，否则为非故障区段。
步骤505、发出隔离命令：配电主站1向单相接地故障区段两侧配电自动化终端2所在的开关发送跳闸命令，隔离单相接地故障区段。
实施例1
如图3所示，本发明使用时，小电流接地系统为10kV谐振接地系统，母线上含有三条出线，线路l3为故障线路，线路l1长度为12km，线路l2长度为18km，故障线路l3各区段的长度均为2km，线路参数选用LGJ-240型号导线；消弧线圈采取过补偿方式，补偿度为10％；对于接地电阻Rg为100Ω的小电流接地系统，变换电压初相角计算单相接地故障区段，本实施例中采用6个配电自动化终端2分别采集馈线的各个监测点电流ika、ikb和ikc,k＝1,2,…,6，6个配电自动化终端2同时计算馈线监测点的三相附加状态电流Δika、Δikb和Δikc,再计算馈线监测点故障瞬时正序电流的实部得到第一个监测点的故障瞬时正序电流的实部第二个监测点的故障瞬时正序电流的实部第三个监测点的故障瞬时正序电流的实部第四个监测点的故障瞬时正序电流的实部第五个监测点的故障瞬时正序电流的实部和第六个监测点的故障瞬时正序电流的实部采用傅式算法对监测点故障瞬时正序电流的实部进行工频分量幅值的提取并上传数据给配电主站1，配电主站1判断单相接地故障区段；在MALAB的仿真环境下，相邻两个监测点实部电流的幅值差如表1所示。
表1
电压初相角 p<sub>12</sub> p<sub>23</sub> p<sub>34</sub> p<sub>45</sub> p<sub>56</sub>
0° 0.0095 0.0098 0.5972 0.0066 0.0082
30° 0.0000 0.0000 0.6130 0.0000 0.0000
60° 0.0002 0.0001 0.6142 0.0070 0.0083
90° 0.0087 0.0089 0.6027 0.0124 0.0153
实验中配电主站1通过馈线上相邻两个监测点的故障瞬时正序电流实部工频分量幅值的差值判断馈线单相接地故障区段，第三个监测点和第四个监测点的故障瞬时正序电流实部工频分量幅值的差值最大，因此，第三个监测点和第四个监测点之间的馈线区段为馈线单相接地故障区段。
实施例2
本实施例与实施例1不同的是，对于电压初相角为90°的小电流接地系统，变换接地电阻计算单相接地故障区段；在MALAB的仿真环境下，相邻两个监测点实部电流的幅值差如表2所示。
表2
实验中配电主站1通过馈线上相邻两个监测点的故障瞬时正序电流实部工频分量幅值的差值判断馈线单相接地故障区段，依然为第三个监测点和第四个监测点的故障瞬时正序电流实部工频分量幅值的差值最大，因此，第三个监测点和第四个监测点之间的馈线区段为馈线单相接地故障区段。
所以可以验证此发明方法对于馈线单相接地故障区段的可靠性,不受故障类型和故障时间的影响，定位效果明显，且定位方法具有较强的自适应性，为缩短电网修复时间提供了可靠依据。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、单相接地故障发生的判断及故障信号的记录；
步骤二、配电自动化终端计算馈线监测点的三相附加状态电流和附加状态电流变量；
步骤三、计算馈线监测点故障瞬时正序电流的实部
步骤四、配电自动化终端提取馈线监测点故障瞬时正序电流实部幅值并上传给配电主站；
步骤五、单相接地故障区段定位判断及隔离命令发出。
2.按照权利要求1所述的一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于：步骤一中在小电流接地系统馈线上安装多个用于分别采集馈线多处监测点故障信号的配电自动化终端(2)，相邻两个配电自动化终端(2)之间的馈线段为馈线区段，多个配电自动化终端(2)均与配电主站(1)进行通信，配电自动化终端(2)实时获取各监测点的三相电流、零序电压；
通过得到的零序电压的有效值U0与设定的电网零序电压门槛值UOP相比较，当U0≥Uop时，判断为单相接地故障发生，否则没有发生单相接地故障；
若发生单相接地故障，记录保存故障前1个周波和故障后1个周波的三相电流数据。
3.按照权利要求2所述的一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于：步骤二中配电自动化终端(2)根据公式计算馈线监测点的三相附加状态电流Δika(n)、Δikb(n)和Δikc(n)，其中，ika(n)、ikb(n)和ikc(n)为第k个配电自动化终端(2)在一个周波上各采样时刻采样的馈线上第k处监测点的三相电流，单位为A，ika(n-N)、ikb(n-N)和ikc(n-N)为第k个配电自动化终端(2)采样的馈线上第k处监测点单相接地故障前一个周波上各采样时刻的三相电流，单位为A，n＝1,2，……，N，N为一个周波上的采样点数且N为正整数；由馈线监测点的三相附加状态电流Δika(n)、Δikb(n)和Δikc(n)组成附加状态电流变量ΔIk，ΔIk＝[Δika(n),Δikb(n),Δikc(n)]T。
4.按照权利要求3所述的一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于：步骤三中计算馈线监测点故障瞬时正序电流的实部过程如下：
步骤301、根据公式得到馈线监测点故障瞬时正序电流其中，s120和s240为移相因子，s120＝ej120°＝cos120°+jsin120°，s240＝ej240°＝cos240°+jsin240°；
步骤302、取得馈线监测点故障瞬时正序电流的实部
5.按照权利要求4所述的一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于：步骤四中配电自动化终端提取馈线监测点故障瞬时正序电流实部幅值并上传给配电主站，过程如下：
步骤401、配电自动化终端(2)采用傅式算法计算故障瞬时正序电流实部的正弦项系数和余弦项系数，得a1k为馈线监测点故障瞬时正序电流的实部工频分量的正弦项系数，b1k为馈线监测点故障瞬时正序电流的实部工频分量的余弦项系数；
步骤402、根据公式提取馈线监测点故障瞬时正序电流的实部工频分量幅值
6.按照权利要求5所述的一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于：步骤五中单相接地故障区段定位判断及隔离命令发出，过程如下：
步骤501、配电主站(1)接收各个配电自动化终端(2)的瞬时正序实部电流幅值并组成实部电流幅值向量M为馈线上配电自动化终端(2)的个数，k＝1，2，…，M；
步骤502、计算相邻监测点实部电流的幅值差其中，q为正整数且q＝1，2，…，(M-1)；
步骤503、由实部电流的幅值差pq(q+1)组成区段定位向量P＝[p12,p23,…,p(M-1)M]；
步骤504、单相接地故障区段定位判断：区段定位向量P＝[p12,p23,…,p(M-1)M]中最大的元素对应的区段为单相接地故障区段；
步骤505、发出隔离命令：配电主站(1)向单相接地故障区段两侧配电自动化终端(2)所在的开关发送跳闸命令，隔离单相接地故障区段。
7.按照权利要求2所述的一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于：步骤一中多个配电自动化终端(2)均通过通信设备(3)与配电主站(1)进行通信。
8.按照权利要求2所述的一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于：所述小电流接地系统为中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统。
9.按照权利要求6所述的一种小电流接地系统馈线单相接地故障区段定位方法，其特征在于：所述区段定位向量P＝[p12,p23,…,p(M-1)M]中最大的元素对应的区段为单相接地故障区段，否则为非故障区段。
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