CN110031716A - 一种具有谐振接地的配电系统分散式故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有谐振接地的配电系统分散式故障检测方法，属于电力自动化技术领域。本发明首先根据中性点对地电压位移检测故障；然后使用故障前和故障后电压（相对地）来识别故障相位；最后，根据故障发生后零序电流的初始瞬变与故障相电压的关系，识别出故障馈线（以及长馈线的故障区域）。本发明使用来自相应电压互感器和电流互感器的电压和电流信号，因此，在同一条或不同的馈线中，保护装置之间不需要通信来识别故障的馈线。

Description

一种具有谐振接地的配电系统分散式故障检测方法

技术领域

本发明涉及一种具有谐振接地的配电系统分散式故障检测方法，属于电力系统故障检测技术领域。

背景技术

故障检测是电力系统安全、可靠、避免事故、设备损坏和意外停电的重要问题。电力系统中可能出现的故障类型有：单相接地(SPG)故障、相间故障、双相接地故障和三相接地故障。在这些故障中，SPG故障是最常见的一种，需要对其进行检测，以便尽快隔离故障段。公用设施最常见的做法是使用过流继电器检测配电系统中的故障，配电系统跟踪馈线电流，如果电流高于预定阈值，则指示故障。过电流阈值继电器取决于负载电流。通常，阈值被设置为略高于馈线的正常负载电流。然而，这种技术不适用于故障电流非常低的故障，因为这些故障的馈线电流处于阈值水平以下。另一方面，由于配电网接地故障而导致的故障电流大小取决于配电变电所变压器接地实践，为了安全起见，要求故障电流非常低。变电站变压器的中性点可以是通过各种方式接地，例如牢固接地、电阻接地、不接地(隔离)和谐振接地(RG)在这些接地实践中，基于RG的技术可以快速降低故障电流，由于单相接地故障，故障电流(通常为三次循环)减小到一个非常小的水平，所以需要在三个周期内识别出来，在这情况下，故障电流接地故障很小，常规过电流继电器不工作。因此，需要一种新的改进方法检测SPG故障并识别RG的故障类型。

发明内容

本发明提供一种具有谐振接地的配电系统分散式故障检测方法，用以检测谐振接地(RG)的配电系统中的单相接地(SPG)故障。

为了实现上述目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的：

一种具有谐振接地的配电系统分散式故障检测方法，包括以下步骤：

1)测量故障馈线上的电压和零序电流，计算中性点对地电压及中性点对地电压斜率；

2)将中性点对地电压与设定的电压阈值进行比较，检测故障；

3)估计故障发生时间；

4)将延时一段时间后的中性点对地电压与设定的电压阈值进行比较，识别故障类型；

5)基于相地电压的均方根值偏差识别故障相位；

6)基于故障发生时刻的开关分合操作零序电流识别故障馈线。

前述的步骤2)中，检测故障分为初步检测和二次检测；

所述初步检测是指，将中性点对地电压V_n与设定的电压阈值V_th进行比较，如果中性点对地电压V_n大于电压阈值V_th，则系统被识别为故障系统；

所述二次检测是指，对于中性点对地电压V_n小于等于电压阈值V_th的情况，将中性点对地电压的斜率dV_n与设定的斜率阈值dV_th进行比较，如果dV_n<dV_th，则表示系统正常，否则，将当前时间记录为t_l，在Δt₀的持续时间内持续检查dV_n和V_n，如果在Δt₀期间中性点对地电压的斜率dV_n的平均值大于dV_th，且在Δt₀期间中性点对地电压V_n的平均值大于V_th，则识别为故障系统。

前述的中性点对地电压V_n计算如下：

其中，Z_ASC是通过消弧线圈的阻抗，Z_l和Z_c分别是配电线路的电感和电容阻抗，Z_f是系统故障阻抗，V_pn是相间电压。

前述的步骤3)中，故障发生时间为：t_f＝min[t，t_l]，其中，t_f为故障发生时间，t_l为中性点对地电压的斜率大于斜率阈值的起始点，t为当前时间。

前述的步骤4)中，识别故障类型分为初步识别和二次识别，

所述初步识别为，设定延时Δt_c，在Δt_c延时后，比较中性点对地电压V_n与设定的电压阈值V_th，如果中性点对地电压V_n大于电压阈值V_th，则系统被识别为永久性故障；

所述二次识别为，对于中性点对地电压V_n小于等于电压阈值V_th的情况，设定二次延时Δt_h，比较t_f+Δt_c到t_f+Δt_c+Δt_h期间内中性点对地电压V_n的平均值与设定的电压阈值，如果V_n的平均值超过电压阈值，则识别为永久性故障，否则识别为暂时故障。

前述的步骤5)中，相地电压的均方根值偏差计算如下：

其中，ΔV_p为相地电压故障前后的均方根值偏差，和分别为相地电压故障前和故障后的均方根值，和通过保护电压互感器获取，和为故障发生前和发生后时刻；

如果ΔV_p值为负则为故障相，如果ΔV_p值为正则为健康相。

前述的步骤6)中，如果开关分合操作零序电流的极性与故障相电压的瞬时电压相同，则为故障馈线；如果开关分合操作零序电流的极性与故障相电压的瞬时电压相反，则为正常线路；

开关分合操作零序电流通过零序电流偏差计算如下：

其中，Δi₀为零序电流偏差，和分别是故障后和故障前的零序电流的瞬时值，和通过保护电流互感器获取，和为故障发生前和发生后时刻，t_f为故障发生时间。

本发明所达到的有益效果为：

本发明使用来自相应电压互感器和电流互感器的电压和电流信号，因此，在同一条或不同的馈线中，保护装置之间不需要通信来识别故障的馈线。本发明还能够甄别故障的性质，区分故障是否为永久性故障。

附图说明

图1为单相接地故障谐振接地配电系统的等效电路图；

图2为故障相等效电路；

图3为本发明故障检测流程图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种具有谐振接地的配电系统分散式故障检测方法，包括以下几个部分：

一，进行故障检测

在RG系统发生SPG故障时，相电压之间会产生不平衡，从而增加中性点对地电压。为了解释这种情况，图1显示了一个带有两条馈电线的配电系统，其中一条SPG故障应用于馈电线1的A相。图1中，出线1故障，出线2正常，Z_l1为出线1的等效电感，i_c1c为出线1中C相的充电电流，i_c1b为出线1中B相的充电电流，i_d1a为出线1中A相的放电电流，Z_l2为出线2的等效电感，i_c2c为出线2中C相的充电电流，i_c2b为出线2中B相的充电电流，i_d2a为出线2中A相的放电电流。在这种情况下，虽然合成的故障电流由于共振而接近于零，但电压将遵循基尔霍夫电压定律(KVL)。故障相位的简化电路如图2所示，故障期间的中性点对地电压(VN)可表示为：

其中，Z_ASC是通过消弧线圈(ASC)的阻抗，Z_l和Z_c分别是配电线路的电感和电容阻抗，Z_f是系统故障阻抗(FI)，V_pn是相间电压。

对于健康状况，V_n是：

从这些方程可以看出，系统的中性点对地电压在发生故障时会随着Z_c||Z_f<Z_c而升高。因此，中性点对地电压可用于检测由中性点对地电压超过设定阈值指示故障的接地故障。这里，每个系统的中性点对地电压阈值是不同的，取决于系统参数，如系统不平衡。

二、故障发生时刻估算

当中性点对地电压在一个时间延迟后超过阈值时，需要时间来检测故障。这个时间延迟取决于系统的动态以及故障阻抗(FI)。因为中性点对地电压的斜率在故障发生时很陡，中性点对地电压的斜率可用于估计故障发生时间。本发明提出，如果中性点对地电压的斜率大于设定值并持续到中性点对地电压超过其阈值，则斜率变陡的起始点时间可被视为故障发生时间。

三、故障特征识别

在故障期间，中性点对地电压很高。此外，从公式(1)和(2)可知，故障清除后，电压将恢复正常值。因此，如果中性点对地电压的大小超过设定的阈值V_th，并在高于该阈值的指定时间内持续存在，则该故障可定义为永久性故障。

在RG系统的SPG故障过程中，故障相的电荷通过同一相的相对地电容放电。从图2可以看出，故障相(A相)的电压通过FI放电，所有馈电线的相同相(即A相)的相对地电容放电。另一方面，充电电流从健康相(即B相和C相)流过健康相和FI的相对地电容，进入故障相。因此，相地电压变化并稳定到不同的值，其中故障相的电压降低到较低的值，健康相的电压增加到较高的值。因此，通过计算相地电压(ΔV_p)的均方根(RMS)值偏差，可以很容易地识别出故障相和健康相，如下所示：

其中，和是故障前和故障后的RMS值，和通过保护PT(电压互感器)获取，t_f为故障发生时间。故障相的ΔV_p值为负值，而健康相的ΔV_p值为正值。因此，使用ΔV_p识别故障相位。

四、故障馈线识别

为了识别故障馈线，在SPG故障期间，首先需要识别故障和正常馈线的特征。本发明中，故障电流I_f在故障的第一次发生时流过故障的馈电线，可以表示为：

其中，i_f是故障电流瞬时值，ω为角频率，V_f＝V_f∠δ_v为故障阻抗处的电压，I_f＝I_f∠δ_i为故障电流，Z_f＝Z_f∠δ_z为故障阻抗。δ_v，δ_i，δ_z的分别为V_f，I_f，Z_f三个相量的角度值。

因为故障阻抗FI通常是电阻的，δ_z≈0。因此，式(5)可以写为：

δ_i≈δ_v

(t-t_f)＞≈0 (6)

从(4)–(6)得出结论，故障馈线瞬时故障相电压的极性和故障电流在故障点(FL)处相同。此外，该故障电流的一个重要部分通过零序路径，因为这是接地故障。因此，当故障发生时，馈电线的零序电流会相应地改变。可以得出这样的结论：故障发生时，故障馈线零序电流的变化与故障相的瞬时电压具有相同的极性。

综上，本发明提出故障线路零序电流偏差的极性与故障相电压的瞬时电压相同，而正常线路零序电流偏差的极性则相反。这也适用于间歇性电弧故障，因为电弧和非电弧故障的初始瞬态相同。在这种情况下，零序电流(Δi₀)的偏差可以表示为：

其中，和分别是故障后和故障前零序电流的瞬时值，和通过保护CT(电流互感器)获取。

综上所述，本发明利用电网中性点对地电压位移检测电网故障，利用中性点对地电压的斜率估计故障发生时间，对故障线路进行识别。在检测到故障后，通过比较故障前和故障后的相电压来识别故障相。本发明根据故障发生后零序电流的初始瞬态与故障相电压之间的关系来识别故障馈线。同时故障的性质(暂时性或永久性)也可以通过中性点对地电压位移来识别。

参见图3，本发明的具有谐振接地的配电系统分散式故障检测方法，包括以下步骤：

11)测量故障馈线上的电压和零序电流I₀。

12)将中性点对地电压V_n与设定的电压阈值V_th进行比较，以检测故障。如果V_n大于电压阈值，则系统被识别为故障系统，进入步骤16)。否则，转入下一步。

13)计算中性点对地电压的斜率dV_n，并检查其是否超过设定的斜率阈值dV_th。在这里，估计故障发生时间的准确性将取决于dV_th，其中较小的dV_th将提供更好的准确性。然而，很小的dV_th值可以与系统通常的瞬态混合。如果dV_n<dV_th，则表示系统正常。否则，进入下一步。

14)将当前时间记录为t_l，并在Δt₀(通常为几毫秒)的持续时间内再次检查dV_n，以确认它是故障还是其他干扰。如果在Δt₀期间中性点对地电压的斜率dV_n的平均值大于dV_th，则进入下一步；否则识别为系统正常。

15)再次检查V_n，如果在Δt₀期间中性点对地电压V_n的平均值大于V_th，则识别为故障系统，然后进入下一步。否则，识别为系统正常。

16)估计故障发生时间，并记录故障发生时间为t_f＝min[t，t_l]，t_l即中性点对地电压的斜率大于设定的斜率阈值的起始点。

17)在Δt_c延时后比较V_n和V_th，检查故障是永久性的还是暂时性的。如果V_n>V_th，则故障将被识别为永久性故障，然后转入步骤18)。但是，由于在故障期间，电弧故障的中性电压可能会低于临界值，因此可能无法检测到某些永久性间歇性电弧故障。因此，如果V_n≤V_th，需再次将另一个时间段Δt_h(从t_f+Δt_c到t_f+Δt_c+Δt_h)期间内中性点对地电压V_n的平均值与阈值进行比较。如果V_n超过阈值，则将其识别为永久性故障，转入步骤18)。否则将其识别为暂时故障。

18)一旦检测到永久性故障，就需要进行故障相位识别和故障定位。为了识别故障相位，故障发生时各相电压的偏差将使用公式(3)计算。如果三相的均方根值偏差均大于0，则三相正常，即系统正常。如果三相的均方根值偏差均小于0，则判断为故障相，进入下一步。

19)计算F_CODO(t_f)，如果F_CODO(t_f)＞0则判断为出线故障，否则出线正常。

closing opening difference operation(CODO)，F_CODO(t_f)即在t_f时刻的开关分合操作零序电流，用于判别出现故障，这个电流可以直接通过互感器采集。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有谐振接地的配电系统分散式故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)测量故障馈线上的电压和零序电流，计算中性点对地电压及中性点对地电压斜率；

2)将中性点对地电压与设定的电压阈值进行比较，检测故障；

3)估计故障发生时间；

4)将延时一段时间后的中性点对地电压与设定的电压阈值进行比较，识别故障类型；

5)基于相地电压的均方根值偏差识别故障相位；

6)基于故障发生时刻的开关分合操作零序电流识别故障馈线。

2.根据权利要求1所述的一种具有谐振接地的配电系统分散式故障检测方法，其特征在于，所述步骤2)中，检测故障分为初步检测和二次检测；

所述初步检测是指，将中性点对地电压V_n与设定的电压阈值V_th进行比较，如果中性点对地电压V_n大于电压阈值V_th，则系统被识别为故障系统；

所述二次检测是指，对于中性点对地电压V_n小于等于电压阈值V_th的情况，将中性点对地电压的斜率dV_n与设定的斜率阈值dV_th进行比较，如果dV_n<dV_th，则表示系统正常，否则，将当前时间记录为t_l，在Δt₀的持续时间内持续检查dV_n和V_n，如果在Δt₀期间中性点对地电压的斜率dV_n的平均值大于dV_th，且在Δt₀期间中性点对地电压V_n的平均值大于V_th，则识别为故障系统。

3.根据权利要求2所述的一种具有谐振接地的配电系统分散式故障检测方法，其特征在于，所述中性点对地电压V_n计算如下：

其中，Z_ASC是通过消弧线圈的阻抗，Z_l和Z_c分别是配电线路的电感和电容阻抗，Z_f是系统故障阻抗，V_pn是相间电压。

4.根据权利要求2所述的一种具有谐振接地的配电系统分散式故障检测方法，其特征在于，所述步骤3)中，故障发生时间为：t_f＝min[t，t_l]，其中，t_f为故障发生时间，t_l为中性点对地电压的斜率大于斜率阈值的起始点，t为当前时间。

5.根据权利要求4所述的一种具有谐振接地的配电系统分散式故障检测方法，其特征在于，所述步骤4)中，识别故障类型分为初步识别和二次识别，

所述初步识别为，设定延时Δt_c，在Δt_c延时后，比较中性点对地电压V_n与设定的电压阈值V_th，如果中性点对地电压V_n大于电压阈值V_th，则系统被识别为永久性故障；

所述二次识别为，对于中性点对地电压V_n小于等于电压阈值V_th的情况，设定二次延时Δt_h，比较t_f+Δt_c到t_f+Δt_c+Δt_h期间内中性点对地电压V_n的平均值与设定的电压阈值，如果V_n的平均值超过电压阈值，则识别为永久性故障，否则识别为暂时故障。

6.根据权利要求1所述的一种具有谐振接地的配电系统分散式故障检测方法，其特征在于，所述步骤5)中，相地电压的均方根值偏差计算如下：

其中，ΔV_p为相地电压故障前后的均方根值偏差，和分别为相地电压故障前和故障后的均方根值，和通过保护电压互感器获取，和为故障发生前和发生后时刻；

如果ΔV_p值为负则为故障相，如果ΔV_p值为正则为健康相。

7.根据权利要求1所述的一种具有谐振接地的配电系统分散式故障检测方法，其特征在于，所述步骤6)中，如果开关分合操作零序电流的极性与故障相电压的瞬时电压相同，则为故障馈线；如果开关分合操作零序电流的极性与故障相电压的瞬时电压相反，则为正常线路；

开关分合操作零序电流通过零序电流偏差计算如下：

其中，Δi₀为零序电流偏差，和分别是故障后和故障前的零序电流的瞬时值，和通过保护电流互感器获取，和为故障发生前和发生后时刻，t_f为故障发生时间。