CN110118913B - 一种消弧线圈分散补偿配电网接地故障选线方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消弧线圈分散补偿系统单相接地故障选线方法，步骤如下：(1)监测电网中性点位移电压并以此作为单相接地故障的判据，发生单相接地故障后由装置发出报警信号；(2)收到报警信号后对各线路的零序电流进行采样；(3)断开中性点与主消弧线圈之间的开关，使消弧线圈退出；(4)再次采样各线路零序电流后投入主消弧线圈；(5)对消弧线圈切断前后的零序电流进行额定化计算；(6)对(5)计算结果作差比较消弧线圈切断前后各线路零序电流变化量；(7)据(6)计算结果求出各线路零序电流变化特征值并进行整化处理，选出故障线路。本发明可准确选出消弧线圈分散补偿系统发生单相接地故障的线路，有利于提高电网安全性。
Description
技术领域
本发明属电力系统自动化领域，是一种电力系统配电网单相接地故障选线方法，主要适用于配电网消弧线圈分散补偿接地系统，具体涉及基于零序电流变化特征值的消弧线圈分散补偿配电网接地故障选线方法。
背景技术
中性点经消弧线圈接地因为具有抑制弧光过电压和系统供电可靠性较高等优点，所以一直是我国城市35kV及以下配电网主要的中性点运行方式。
随着电力需求的增加、电网规模的壮大和线路电缆化程度的提高，系统对地电容电流呈快速增长趋势，越来越多的配电网由于面临着消弧线圈补偿容量不足的难题不得不进行增容改造。然而，现有的消弧线圈设备更换困难，成本花费大，又比较耗时，在更换期间系统得不到消弧线圈的有效补偿，系统承担风险较大。针对此，通过加装小容量消弧线圈进行分散补偿这一接地方式应运而生，因为其扩容容易、安装方便等优点而被广泛研究和运用。但是，无论是传统谐振接地系统还是分散补偿接地系统，因为消弧线圈对电感电流的补偿作用，难以找到具有明显故障特征的电气信号作为可靠的选线依据，都在接地故障选线技术方面面临着难题；再者，暂态信号难以被检测到，这进一步增大了采集故障特征信号的难度，使得实际选线效果不理想。此外，故障边界条件复杂、影响因素众多、随机性和偶然性较大等都对故障信号有不同程度的干扰和影响，从而使选线难度进一步增大。
目前，小电流接地选线方法主要分为两大类：稳态法(如群体比幅比相法、谐波分量法、零序电流有功分量法、零序导纳法和注入信号法等)和暂态法(如首半波法、S变换法和能量法等)。在故障期间，稳态信号比暂态信号弱很多，而且每一种选线方法都有各自的适用条件和范围，不能应用于所有的单相接地故障情况，这大大增加了谐振接地系统的选线难度。在消弧线圈分散补偿接地系统中，由于消弧线圈数量的增加和补偿点的多样，这更加增加了选线的复杂度。如果能找到一种选线方法，既能保证主消弧线圈的自动跟踪补偿作用，又能采集到能区分故障线路和非故障线路的明显的零序电流信号，这不仅解决了消弧线圈给单相接地故障选线技术带来的难题，同时也有利于提高配电网运行的安全性和可靠性。
发明专利201110195040.2设计了一种选线方法，通过开关人为控制消弧线圈的投入和退出，正常运行时开关为闭合状态，当单相接地故障发生时，短时断开开关然后再将其投入，通过分析消弧线圈退出前后各线路零序电流的变化而选出发生单相接地的线路。该方法认为消弧线圈退出前后非故障线路零序电流的变化值为零，只有发生接地故障的线路的零序电流有变化，利用此特点来选出故障电路。实际上，因为接地点总有过渡电阻，所以非故障线路的零序电流的变化值并不为零，而且当故障线路和非故障线路的零序电流变化值接近时很难辨别出故障线路。另外，当工程上消弧线圈的补偿度不理想时，接地线路的零序电流增量不一定最大，所以这种方法在选线原理上有缺陷。
发明专利201510040683.8公开了一种小电流接地选线方法，利用选线方法有功分量算法、小波暂态算法、首半波算法、基波幅值算法、中电阻选线算法以及谐波分析算法中选取两种以上算法对故障线路进行首次预判，错误时利用开关柜投切功能，通过线路投切的线路增量算法进行二次选线，从而判别出故障线路。该方法考虑了把诸多选线方法联合使用，但一旦首次预判错误，切断线路后大大降低了供电可靠性；而且故障发生在母线上时，若首次预判错误，线路投切方法就不适用了，因此该选线方法的准确性和可靠性有待进一步提高。
上世纪80年代至今，人们已提出了很多谐振接地系统的选线方法，生产出了许多选线装置并得到广泛的应用，但遗憾的是，迄今为止国内对于谐振接地系统选线装置的实际应用效果普遍不理想。按照规程要求，谐振接地配电系统基本上应配备相应的选线装置，但实际上由于选线准确率低等原因并未真正投入使用，仍然不得不使用人工拉闸的方法以确定单相接地故障线路。
多年以来，发明人一直专注于该技术领域的科研，密切关注小电流接地选线的实践状况，并把一定的研究成果应用到实际中。基于发明人的实践经验和现场走访以及最近进行的全国性的问卷调研，经过深入的研究，提出本发明。
本发明立足各线路的零序电流故障特征，在综合研究现有小电流接地选线方法的技术特点及实际应用效果的基础上，提出了一种新的选线方法，从工程上真正改善我国配电网谐振接地系统选线不准确的现状。
发明内容
本发明的目的是：为配电网中消弧线圈分散补偿接地系统提供一种准确、可靠的单相接地选线方法，该方法能够提供明显的特征电气量，且使用性好，能保证电网运行的安全性和供电可靠性。
在研究了大量的小电流接地选线方法和技术之后，发现利用线路的零序基波信号进行选线是比较可靠的。倘若采用线路的零序电流作为选线信号，要善于利用现有的设施和条件，找到零序电流在故障线路与非故障线路之间的明显差异。为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：中性点经消弧线圈接地的电力系统处于正常运行状态时，主消弧线圈和分散补偿消弧线圈都处于工作状态，一旦发生单相接地故障并收到故障报警信号后，立即开始对各线路的零序电流信号进行采样；然后短时断开主消弧线圈的连接开关，信号采样完成后快速闭合该开关，继续发挥主消弧线圈的补偿效果；最后通过分析和比较主消弧线圈退出运行前后各馈线的零序电流变化特征值，从而得出选线结果。
如此设计，不仅发挥了消弧线圈的补偿作用，减小故障点接地电流，抑制弧光过电压的产生，而且利用开关的短时退出再闭合找到了故障线路和非故障线路之间具有明显差异的零序电流特征信号，为系统发生单相接地故障时的准确选线创造了条件。
该技术方案的具体步骤如下：
(1)监测配电网中性点位移电压并进行信号采集，采用系统中性点位移电压作为单相接地故障的判断依据，一旦发生单相接地故障则由相应的装置发生报警信号；
(2)如果系统发生了单相接地故障，在接收到报警信号后马上连续对各线路的零序电流信号进行采样收集；
(3)断开中性点与主消弧线圈之间的开关，使自动跟踪补偿消弧线圈短时退出运行；
(4)信号采集完成后再次投入主消弧线圈，以保证消弧线圈的补偿效果；
(5)根据主消弧线圈切断前后采集到的中性点位移电压信号和各线路的零序电流信号，对主消弧线圈切断前后各线路的零序电流进行额定化计算。
(6)对零序电流信号进行额定化计算完成后，作差比较主消弧线圈切断前后各线路的零序电流额定变化量。
(7)根据步骤(6)计算的各线路的零序电流额定变化量，求出各线路的零序电流变化特征值并进行整化处理，从而选出故障线路。
前述的小电流接地选线方法，其特征在于：所述步骤(1)中采用电力系统中性点的位移电压或母线电压互感器测出的零序电压作为特征量，在线连续监测该特征量以判断是否发生单相接地故障。
前述的小电流接地选线方法，其特征在于：所述步骤(3)中在中性点与主消弧线圈之间串联一个开关K，开关K在系统正常运行时处于接入状态。
前述的小电流接地选线方法，其特征在于，所述步骤(5)中主消弧线圈切断前后各线路的零序电流的额定化计算方法为：根据采集到的各线路零序电流和中性点位移电压的实时数据，对于主消弧线圈切断前的各线路零序电流，乘以UN/U0，这样得到线路的零序电流等于相应的电容和消弧线圈在额定相电压作用下的零序电流之和，本发明把此转化过程定义为“零序电流的额定化”，最后可求得主消弧线圈切断前非故障线路i和故障线路j的额定化零序电流；同理，对于主消弧线圈切断后的各线路零序电流，乘以UN/U0′，可得主消弧线圈切断后非故障线路i和故障线路j的额定化零序电流。
其中，UN为线路的额定相电压大小；U0为主消弧线圈切断前系统的中性点位移电压；U0′为主消弧线圈切断后系统的中性点位移电压。
前述的小电流接地选线方法，其特征在于，所述步骤(6)中作差比较主消弧线圈切断前后各线路的额定化零序电流的变化，可得其变化量(本发明称之为零序电流的额定变化量)有如下特点：非故障线路无论有没有安装分散补偿消弧线圈，主消弧线圈切断前后其零序电流额定变化量都为0，主消弧线圈切断前后故障线路的零序电流额定变化量数值上等于主消弧线圈补偿的额定零序电流，即ILN＝UN/ωL。
其中，ILN为主消弧线圈补偿的额定零序电流；L为主消弧线圈的单相等值电感大小。
前述的小电流接地选线方法，其特征在于，所述步骤(7)中，以ILN为基准值，然后将各线路的零序电流额定变化量换算成标幺值(本发明此标幺值定义为线路的“零序电流变化特征值”)，最后将求得的非故障线路和故障线路的零序电流变化特征值进行整数化(简称整化)处理可得：主消弧线圈投切前后，非故障线路的零序电流变化特征值为0，而故障线路的零序电流变化特征值等于1，二者有明显差别，因此利用此特点可准确选出故障线路。
本发明的有益效果
本发明的小电流接地选线方法，在单相接地故障时通过开关控制主消弧线圈的短时退出再投入，从而创造出一种可用于选线的零序电流信号，然后利用采样装置采集主消弧线圈切断前后各线路的零序电流信号，最后计算出各线路的零序电流变化特征值，从而选出故障线路。该选线方法判据可靠，选线准确性高；实现简便，成本可控，实用性好；不影响现场运行的可靠性和安全性。
附图说明
图1为中性点经消弧线圈接地电力系统结构及单相接地故障示意图。
图2是系统发生单相接地故障时的零序网络图。
图3为实施例中消弧线圈分散补偿系统接线图。
图4为实施例中中性点位移电压信号和各线路首端零序电流信号波形图。
具体实施方式
本发明揭示了一种基于零序电流变化特征值对消弧线圈分散补偿系统单相接地故障进行选线的方法。图1是消弧线圈分散补偿系统的结构模型。当系统正常运行时，开关K闭合，主消弧线圈和分散补偿消弧线圈都处于接入状态。当系统发生单相接地故障时，在收到故障报警信号后，断开开关K使主消弧线圈短时退出运行然后再闭合，以发挥其补偿效果。如此控制和操作，有利于采集到明显的零序电流特征信号，以帮助准确选线。
图2是系统发生单相接地故障时的零序网络图。
假设总共有n条线路，线路i为非故障线路，线路j为故障线路，取零序电流正方向为从母线流向线路的方向。主消弧线圈切断前，各线路的零序电流计算如下。
非故障线路i首端流入的零序电流为本线路对地零序电容电流与本线路分散补偿消弧线圈补偿的零序电感电流(若线路没有安装分散补偿消弧线圈，则补偿的零序电感电流取零)之和，方向为母线流向线路，其零序电流表达式为：
式中，Ci为线路i单相对地电容大小；U0为系统中性点位移电压；Li为线路i安装的分散补偿消弧线圈的单相等值电感大小；
为线路i安装的分散补偿消弧线圈提供的零序电流，
故障线路j首端流入的零序电流等于所有非故障线路对地零序电容电流与本线路除外的所有消弧线圈补偿的零序电感电流之和，方向为线路流向母线，其零序电流表达式为：
式中，IL为主消弧线圈提供的零序电流，L为主消弧线圈的单相等值电感大小。
同理可得，主消弧线圈切断后各线路的零序电流计算如下。
非故障线路i首端流入的零序电流为本线路对地零序电容电流与本线路分散补偿消弧线圈补偿的零序电感电流(若线路没有安装分散补偿消弧线圈，则补偿的零序电感电流取零)之和，方向为母线流向线路，其表达式为：
式中，U0′为主消弧线圈切断后系统的中性点位移电压。
故障线路j首端流入的零序电流等于所有非故障线路零序电流之和，方向为线路流向母线，其表达式为：
设UN为线路的额定相电压大小。将式(1)和式(2)乘以UN/U0，这样得到线路的零序电流等于相应的电容和消弧线圈在额定相电压作用下的零序电流之和，本发明把此转化过程定义为“零序电流的额定化”。可得主消弧线圈切断前非故障线路i和故障线路j的额定化零序电流分别为：
同理，将式(3)和式(4)乘以UN/U0′，可得主消弧线圈切断后非故障线路i和故障线路j的额定化零序电流分别为：
经零序电流的额定化后，比较主消弧线圈切断前后各线路的零序电流变化，可得其变化量(本发明称之为零序电流的额定变化量)计算如下。
由式(5)和式(7)相减可求主消弧线圈切断前后非故障线路的零序电流额定变化量为
由式(9)可知，非故障线路无论有没有安装分散补偿消弧线圈，主消弧线圈切断前后其零序电流额定变化量都为0。
由式(6)和式(8)相减可求主消弧线圈切断前后故障线路的零序电流额定变化量为
由式(10)可知，主消弧线圈切断前后故障线路的零序电流额定变化量数值上等于主消弧线圈补偿的额定零序电流。
设ILN为主消弧线圈补偿的额定零序电流大小，则
以ILN为基准值，将ΔI0iN和ΔI0jN换算成标幺值可得：
本发明把ΔI0i *和ΔI0j *定义为线路i和线路j的“零序电流变化特征值”。
由上述计算和分析得知，主消弧线圈投切前后，非故障线路的零序电流变化特征值为0，即ΔI0i *＝0，而故障线路的零序电流变化特征值等于1，即ΔI0j *＝1。
倘若单相接地故障恰好发生在母线上，则所有馈线为非故障线路，可得所有馈线的零序电流变化特征值等于零，即ΔI0i *＝0。
由于变压器和线路串联阻抗的存在，使得实际上按式(11)和式(12)算出的零序电流变化特征值距0或1会有很小的偏差。为了让本发明前述选线判据的使用更加简单、方便，在实际应用中，应先将按式(11)和式(12)求得的非故障线路和故障线路的零序电流变化特征值进行整数化(简称整化)处理，方法如下：首先将所求得的零序电流变化特征值小数点后面只保留一位小数，然后将小数点后保留的一位小数进行四舍五入处理。如此得到的零序电流变化特征值非0即1，使得前述判据的应用(尤其是计算机编程时)更加确切！
实施例
下面根据某一具体配电网建立仿真模型作为实例，采用本发明的方法实现单相接地故障选线。本发明的其它特征、目的和优点也可以从实施例的说明和附图中看出。
图3中的10kV配电网有5条线路，由一条100km架空线路、三条电缆线路(线路长度依次为15km、16km、12km)和一条混合线路(由10km架空线路和8km电缆构成)组成。分散补偿消弧线圈分别安装在线路四和线路五末端。系统总的额定零序电容电流为35A，分散补偿额定零序补偿电流设为14A，由两个零序额定补偿电流为7A的消弧线圈共同补偿，取失谐度为-5％，则主消弧线圈的调谐额定零序电流为22.75A，即ILN＝22.75A。
假设系统在0.05S时发生单相接地故障，其故障点过渡电阻为5Ω，并在0.4S时切断主消弧线圈开关和在0.5S时重新合上主消弧线圈开关。
采集主消弧线圈切断前后中性点位移电压信号和各线路首端零序电流信号(图4)，然后利用式(5)～式(8)进行额定化计算，利用式(9)和式(10)作差，利用式(11)和式(12)进行特征值计算并整化，最后选出故障线路。
通过信号处理与数据计算、分析可得，线路1至线路4的零序电流变化特征值为0，线路5的零序电流变化特征值为1。通过各线路的零序电流变化特征值的比较和分析，可认定线路5为故障线路，可见选线结果与实际相符。
综上所述，通过本发明所述的方法可以准确地选出故障线路，结合选线结果指导现场运行人员准确切除故障线路，达到保障配电网安全稳定运行的目的。本发明按照上述实施例进行了说明、验证，但上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.基于零序电流变化特征值的消弧线圈分散补偿配电网接地故障选线方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)监测配电网中性点位移电压并进行信号采集，采用系统中性点位移电压作为单相接地故障的判断依据，一旦发生单相接地故障则由相应的装置产生并发送报警信号；
(2)如果系统发生了单相接地故障，在接收到报警信号后马上连续对各线路的零序电流信号进行采样收集；
(3)断开中性点与主消弧线圈之间的开关，使自动跟踪补偿消弧线圈短时退出运行；
(4)信号采集完成后再次投入主消弧线圈，以保证消弧线圈的补偿效果；
(5)根据主消弧线圈切断前后采集到的中性点位移电压信号和各线路的零序电流信号，对主消弧线圈切断前后各线路的零序电流进行额定化计算；
(6)对零序电流信号进行额定化计算完成后，作差比较主消弧线圈切断前后各线路的零序电流额定变化量；
(7)根据步骤(6)计算的各线路的零序电流额定变化量，求出各线路的零序电流变化特征值并进行整化处理，从而选出故障线路；
将所述步骤(5)中主消弧线圈切断前后各线路的零序电流进行额定化计算，方法如下：根据采集到的各线路零序电流和中性点位移电压的实时数据，对于主消弧线圈切断前的各线路零序电流，乘以UN/U0，这样得到线路的零序电流等于相应的电容和消弧线圈在额定相电压作用下的零序电流之和，本发明把此转化过程定义为“零序电流的额定化”，最后可求得主消弧线圈切断前非故障线路和故障线路的额定化零序电流；同理，对于主消弧线圈切断后的各线路零序电流，乘以UN/U0′，可得主消弧线圈切断后非故障线路和故障线路的额定化零序电流；
其中，UN为线路的额定相电压大小；U0为主消弧线圈切断前系统的中性点位移电压；U0′为主消弧线圈切断后系统的中性点位移电压；
所述步骤(6)中作差比较主消弧线圈切断前后各线路的额定化零序电流的变化，可得其变化量(本发明称之为零序电流的额定变化量)有如下特点：非故障线路无论有没有安装分散补偿消弧线圈，主消弧线圈切断前后其零序电流额定变化量都为0，主消弧线圈切断前后故障线路的零序电流额定变化量数值上等于主消弧线圈补偿的额定零序电流，即ILN＝UN/ωL；
其中，ILN为主消弧线圈补偿的额定零序电流；L为主消弧线圈的单相等值电感大小；
所述步骤(7)中，以ILN为基准值，然后将各线路的零序电流额定变化量换算成标幺值(本发明此标幺值定义为线路的“零序电流变化特征值”)，最后将求得的非故障线路和故障线路的零序电流变化特征值进行整数化(简称整化)处理可得：主消弧线圈投切前后，非故障线路的零序电流变化特征值为0，而故障线路的零序电流变化特征值等于1，二者具有明显差别，因此利用此特点可准确选出故障线路。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述步骤(1)中采用电力系统中性点的位移电压作为特征量，在线连续监测该特征量以判断是否发生单相接地故障。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述步骤(3)中在中性点与主消弧线圈之间串联一个开关K，开关K在系统正常运行时处于接入状态。
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