CN110456218A - 基于中值电阻投切前后工频增量系数的快速故障选线方法 - Google Patents
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Abstract
基于中值电阻投切前后工频增量系数的快速故障选线方法，针对经消弧线圈并联中值电阻接地的配电网系统，在该配电网系统发生单相接地故障时，分析中值电阻投切前后零序电流故障特征及其差异性，以中值电阻投切前后半个周期为数据窗口，利用小波变换提取零序电流工频分量，基于半周积分算法计算零序电流工频分量，依据投切前后零序电流工频分量积分值的比值，构建增量系数K值，最终利用增量系数K值的比较，确立故障选线判据。本发明故障选线方法原理简洁，可靠性高，且不受过渡电阻、故障合闸角等因素的影响；同时该方法仅利用各线路的零序电流工频分量，应用在工程上容易实现。
Description
技术领域
本发明属于电力系统继电保护领域，特别涉及一种基于中值电阻投切前后工频增量系数的快速故障选线方法。
背景技术
我国中低压配电网大多采用中性点经消弧线圈接地方式运行，当系统发生单相接地故障时，由于消弧线圈的补偿作用，故障点不存在较大电流，从而保证系统可以带故障运行1-2个小时。但这种补偿方式，由于故障线路电流特征趋于非故障线路，导致故障选线困难。
国内外研究人员针对经消弧线圈接地系统的故障选线做了大量的研究。故障选线方法大致分为稳态选线方法和暂态选线方法，其中暂态选线方法最为突出，有以下几类主流方法：一类是时频分析法，其原理是把故障暂态信号分解至多个频带暂态分量，利用小波变换法，Hilbert-Huang换法，S变换法等方法提取有效频带信息，基于故障特征判断故障线路。一类是零序能量法，依据故障线路能量绝对值最大，能量极性与非故障线路能量极性相反的特性构建选线判据。但在实际系统中，这些方法由于阻性分量在暂态信号中比例较小，多存在故障选线不精确。
为提高故障选线准确性，工程中增加一个中值电阻并联消弧线圈，在系统发生单相接地故障2-3工频周期后，投入中值电阻，改变故障线路零序电流，基于此构建故障选线，但目前多采用稳态信息实现选线，时间较长，故障电流持续存在，系统线电流不在对称，于系统运行不利。因此，开发一种短时电阻投切快速故障选线方法至关重要。
发明内容
针对工程上配网系统中性点采用中值电阻并联消弧线圈接地运行方式，存在故障选线长，系统不安全问题。本发明提供一种基于中值电阻投切前后工频增量系数的快速故障选线方法，该故障选线方法原理简洁，可靠性高，且不受过渡电阻、故障合闸角等因素的影响；同时该方法仅利用各线路的零序电流工频分量，应用在工程上容易实现。
本发明采取的技术方案为：
基于中值电阻投切前后工频增量系数的快速故障选线方法，针对经消弧线圈并联中值电阻接地的配电网系统，在该配电网系统发生单相接地故障时，分析中值电阻投切前后零序电流故障特征及其差异性，以中值电阻投切前后半个周期为数据窗口，利用小波变换提取零序电流工频分量，基于半周积分算法计算零序电流工频分量，依据投切前后零序电流工频分量积分值的比值，构建增量系数K值，最终利用增量系数K值的比较，确立故障选线判据。
基于中值电阻投切前后工频增量系数的快速故障选线方法，包括以下步骤：
步骤1：针对经消弧线圈并联中值电阻接地的配电网系统，在监测到该配电网系统发生单相接地故障后，在发出投切中值电阻时刻，记录每条馈出线路此时刻前后半个周期的电流测量数据；
步骤2：针对每条馈出线路的电流测量数据，利用小波变换滤除高频分量，仅提取零序电流工频分量；
步骤3：针对每一条馈出线路的零序电流工频分量序列，分别采用半周积分法计算中值电阻投入时刻前后半个周波数据窗的积分值，记为前半个周波积分值Si-；后半个周波积分值Si+。
步骤4：计算任意一条馈出线路中值电阻投切前后零序工频分量增量系数
步骤5：对于任一条馈出线路i，基于增量系数K值在故障线路和健全线路的差别特性，构建故障选线判据，对于任一条馈出线路i，计算增量系数Ki，判据为Ki>Kset，式中，Kset为阈值，基于可靠系数选取原则，一般选取1.05～1.1。
步骤6：对于i＝1,2,…,M，M为线路总数，逐一比较各线路增量系数判据，基于K值大小判别故障线路。当线路i增量系统满足Ki>Kset时，认为该线路为故障线路，否则，认为线路i为健全线路。
所述步骤1中，在系统监测到母线零序电压U0>αμUN后2个周波，发出投入中值电阻，记录每条馈出线路此时刻前后半个周期的电流测量数据，这里αu为系数，根据工程一般取值为0.1～0.35；UN为系统额定电压。
所述步骤2中，零序电流工频分量，其序列记为i0_i(1)、i0_i(2)、…、i0_i(N)；其中，N为基频周期的采样点数，下标i为第i条线路值。
所述步骤3中，前半个周波积分值后半个周波积分值其中，下标i为第i条线路值。
所述步骤4中，定义中值电阻投切前后零序工频分量增量系数为K，对任意一条线路，其表达式为：此时，由于中值电阻的投入，中性点电压略升高，且该电压对中值电阻产生的零序电流，经大地、故障点、故障线路构成零序电流环路，故障线路Si+>Si-；而健全线路并不流经中值电阻产生的零序电流，而且由于中性点电压升高，健全线路的电容电流略微减低，存在Si+<Si-现象。
本发明一种基于中值电阻投切前后工频增量系数的快速故障选线方法，有益效果在于：
(1)：只需要利用零序工频分量构建故障选线判据，工程实用性强；
(2)：通过中值电阻投切前后半个周波工频分量积分比较实现选线，有效减少故障选线时间；
(3)：该选线方案简单、可靠性高，且抗高阻接地能力强。
(4)：该故障选线方法原理简洁，可靠性高，且不受过渡电阻、故障合闸角等因素的影响；同时该方法仅利用各线路的零序电流工频分量，应用在工程上容易实现。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为基于增量系数的快速故障选线原理框架图。
图2为本发明故障线路投切前后零序电流工频分量波形图。
图3为本发明流程图。
图4为本发明的仿真模型拓扑结构图。
图5为故障合闸角0°、过渡电阻0Ω时故障线路零序电流波形图；
图6为故障合闸角0°、过渡电阻0Ω时健全线路零序电流波形图。
图7为故障合闸角90°、过渡电阻0Ω时故障线路零序电流波形图；
图8为故障合闸角90°、过渡电阻0Ω时健全线路零序电流波形图。
图9为故障合闸角0°、过渡电阻200Ω时故障线路零序电流波形图；
图10为故障合闸角0°、过渡电阻200Ω时健全线路零序电流波形图。
图11为故障合闸角90°、过渡电阻200Ω时故障线路零序电流波形图；
图12为故障合闸角90°、过渡电阻200Ω时健全线路零序电流波形图。
图13为故障合闸角0°、过渡电阻500Ω时故障线路零序电流波形图；
图14为故障合闸角0°、过渡电阻500Ω时健全线路零序电流波形图。
图15为故障合闸角90°、过渡电阻500Ω时故障线路零序电流波形图；
图16为故障合闸角90°、过渡电阻500Ω时健全线路零序电流波形图。
图17为健全线路L2零序电流工频分量波形图。
具体实施方式
基于中值电阻投切前后工频增量系数的快速故障选线方法，其选线原理框架如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1：如图1所示，对于M条馈出线路的消弧线圈接地系统，当系统发生故障时，监测母线零序电压，当持续2个周波满足U0>αμUN，保护没有启动，可以认为系统发生单相接地故障，发出投入中值电阻，记录每条馈出线路此时刻(t1)前后半个周期的电流测量数据。这里αu为系数，根据工程一般取值为0.1～0.35；UN为系统额定电压。
步骤2：针对每条馈出线路的记录测量数据，应用小波变换，选择小波基为DB5，分解尺度为4层，滤除测量数据中的高频分量，仅提取零序电流工频分量，其序列记为i0_i(1)、i0_i(2)、…、i0_i(N)；其中N为基频周期的采样点数，下标i为第i条线路零序电流工频分量值。其结果如图2所示，[t1-T/2,t1]为投入电阻前半周波波形，[t1,t1+T/2]为投入电阻后半周波波形。
步骤3：针对每一条馈出线路的零序电流工频分量序列，分别采用半周积分法计算中值电阻投入时刻前后半个周波数据窗的积分值，记为前半个周波积分值后半个周波积分值其中下标i为第i条线路值。此时，由于中值电阻的投入，中性点电压略升高，且该电压对中值电阻产生的零序电流，经大地、故障点、故障线路构成零序电流环路，故障线路Si+>Si-；而健全线路并不流经中值电阻产生的零序电流，而且由于中性点电压升高，健全线路的电容电流略微减低，存在Si+<Si-现象。
步骤4：定义中值电阻投切前后零序工频分量增量系数为K，对任意一条线路，其表达式为：基于增量系数K值在故障线路和健全线路的差别特性，构建故障选线判据。对于任一条馈出线路i，基于权利要求5计算增量系数Ki，判据为Ki>Kset，式中Kset为阈值，基于可靠系数选取原则，一般选取1.05～1.1。
步骤5：对于i＝1,2,…,M，M为线路总数，逐一比较各线路增量系数判据，基于K值大小判别故障线路。当线路i增量系统满足Ki>Kset时，认为该线路为故障线路，否则，认为线路i为健全线路。
步骤6：在故障线路选出后，系统发出切除中值电阻命令，实现中值电阻的快速解除。进一步根据系统运行需要，确立故障线路的切除与维护。
具体故障选线实现方法如图3所示选线流程图。
为进一步说明和验证本发明所提出的方法，利用仿真软件MATLAB搭建图4所示35kv配电网多馈出线模型进行仿真验证，模型包含5条馈出线，变压器中性点通过消弧线圈并联中值电阻接地，变压器采用过补偿方式运行。其中架空线路l1＝15km，l2＝20km；电缆线路l3＝12km，l4＝20km；线-缆混合线路l5＝17km，其中架空线路7km，电缆线路10km。
基于图4仿真模型，分别设定架空线路、电缆线路和混合线路发生单相接地故障，并考虑过渡电阻及故障合闸角对选线新原理的影响，仿真得到故障线路与健全线路零序电流波形。图5、图6为系统线路3发生故障合闸角0°、过渡电阻0Ω时，故障线路与健全线路零序电流波形。图7、图8为系统线路3发生故障合闸角90°、过渡电阻0Ω时，故障线路与健全线路零序电流波形。图9、图10为系统线路3发生故障合闸角0°、过渡电阻200Ω时，故障线路与健全线路零序电流波形。图11、图12为系统线路3发生故障合闸角90°、过渡电阻200Ω时，故障线路与健全线路零序电流波形。图13、图14为系统线路3发生故障合闸角0°、过渡电阻500Ω时，故障线路与健全线路零序电流波形。图15、图16为系统线路3发生故障合闸角90°、过渡电阻500Ω时，故障线路与健全线路零序电流波形。
由图5～16所示波形图可知，当过渡电阻一定时，由于中值电阻投切时间处于系统稳态期间，线路零序电流大小与故障合闸角无关，因此在不同故障合闸角下，故障线路零序电流在中值电阻投切前后变化趋势相同、大小相等；健全线路零序电流变化同样如此。当故障合闸角一定时，线路零序电流大小与过渡电阻大小有关。对于故障线路而言，过渡电阻越大，中值电阻投切后零序电流增量越小，两者呈现负相关性，但零序电流工频分量仍呈现上升趋势。对于健全线路而言，当过渡电阻较小时，其零序电流在中值电阻投切前后几乎不变，随着过渡电阻的增加，当电阻值大于一定数值时，过渡电阻呈现高阻特性，工频分量在投切后呈现减小趋势，高频分量呈现上升趋势，但由于高频分量较为微弱，对选线原理影响较小，可忽略高频分量。对图14健全线路零序电流滤除高频分量后得图17。
依据图4仿真模型，设置电缆线路3、架空线路2发生不同过渡电阻单相接地故障，其仿真结果如表1、表2所示。
表1 L3不同过渡电阻下的选线结果表
| R<sub>g</sub>(Ω) | K<sub>1</sub> | K<sub>2</sub> | K<sub>3</sub> | K<sub>4</sub> | K<sub>5</sub> | 结果 |
| 0 | 0.99 | 0.98 | 2.42 | 0.99 | 1.00 | 正确 |
| 100 | 0.96 | 0.93 | 1.83 | 0.95 | 0.96 | 正确 |
| 300 | 0.87 | 0.87 | 1.58 | 0.85 | 0.84 | 正确 |
| 500 | 0.74 | 0.75 | 1.31 | 0.78 | 0.73 | 正确 |
表2 L2不同过渡电阻下的选线结果表
| R<sub>g</sub>(Ω) | K<sub>1</sub> | K<sub>2</sub> | K<sub>3</sub> | K<sub>4</sub> | K<sub>5</sub> | 结果 |
| 0 | 0.99 | 2.51 | 0.98 | 0.99 | 0.99 | 正确 |
| 100 | 0.94 | 1.75 | 0.92 | 0.94 | 0.93 | 正确 |
| 300 | 0.84 | 1.43 | 0.86 | 0.89 | 0.86 | 正确 |
| 500 | 0.79 | 1.25 | 0.83 | 0.83 | 0.81 | 正确 |
表1、表2分析可得，故障线路K值均大于门槛值且大于非故障线路K值。过渡电阻越小，故障线路与非故障线路K值差值越大。随着过渡电阻的增加，故障线路K值呈现减小的趋势，非故障线路K值同样呈现减小趋势，但两者仍存在一定数值差异。针对于高阻故障，两者仍满足判据要求，能够完成高阻选线，具备较高的适用性。
Claims (7)
1.基于中值电阻投切前后工频增量系数的快速故障选线方法，其特征在于：针对经消弧线圈并联中值电阻接地的配电网系统，在该配电网系统发生单相接地故障时，分析中值电阻投切前后零序电流故障特征及其差异性，以中值电阻投切前后半个周期为数据窗口，利用小波变换提取零序电流工频分量，基于半周积分算法计算零序电流工频分量，依据投切前后零序电流工频分量积分值的比值，构建增量系数K值，最终利用增量系数K值的比较，确立故障选线判据。
2.基于中值电阻投切前后工频增量系数的快速故障选线方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：针对经消弧线圈并联中值电阻接地的配电网系统，在监测到该配电网系统发生单相接地故障后，在发出投切中值电阻时刻，记录每条馈出线路此时刻前后半个周期的电流测量数据；
步骤2：针对每条馈出线路的电流测量数据，利用小波变换滤除高频分量，仅提取零序电流工频分量；
步骤3：针对每一条馈出线路的零序电流工频分量序列，分别采用半周积分法计算中值电阻投入时刻前后半个周波数据窗的积分值，记为前半个周波积分值Si-；后半个周波积分值Si+；
步骤4：计算任意一条馈出线路中值电阻投切前后零序工频分量增量系数
步骤5：对于任一条馈出线路i，基于增量系数K值在故障线路和健全线路的差别特性，构建故障选线判据，对于任一条馈出线路i，计算增量系数Ki，判据为Ki>Kset，式中，Kset为阈值；
步骤6：对于i＝1,2,…,M，M为线路总数，逐一比较各线路增量系数判据，基于K值大小判别故障线路；当线路i增量系统满足Ki>Kset时，认为该线路为故障线路，否则，认为线路i为健全线路。
3.根据权利要求2所述基于中值电阻投切前后工频增量系数的快速故障选线方法，其特征在于：所述步骤1中，在系统监测到母线零序电压U0>αμUN后2个周波，发出投入中值电阻，记录每条馈出线路此时刻前后半个周期的电流测量数据，这里αu为系数，根据工程一般取值为0.1～0.35；UN为系统额定电压。
4.根据权利要求2所述基于中值电阻投切前后工频增量系数的快速故障选线方法，其特征在于：所述步骤2中，零序电流工频分量，其序列记为i0_i(1)、i0_i(2)、…、i0_i(N)；其中，N为基频周期的采样点数，下标i为第i条线路值。
5.根据权利要求2所述基于中值电阻投切前后工频增量系数的快速故障选线方法，其特征在于：所述步骤3中，前半个周波积分值后半个周波积分值其中，下标i为第i条线路值。
6.根据权利要求2所述基于中值电阻投切前后工频增量系数的快速故障选线方法，其特征在于：所述步骤4中，定义中值电阻投切前后零序工频分量增量系数为K，对任意一条线路，其表达式为：此时，由于中值电阻的投入，中性点电压略升高，且该电压对中值电阻产生的零序电流，经大地、故障点、故障线路构成零序电流环路，故障线路Si+>Si-；而健全线路并不流经中值电阻产生的零序电流，而且由于中性点电压升高，健全线路的电容电流略微减低，存在Si+<Si-现象。
7.如权利要求1-6所述任意一种基于中值电阻投切前后工频增量系数的快速故障选线方法，其特征在于：用于配网系统中性点采用中值电阻并联消弧线圈接地的故障选线中。
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Application publication date: 20191115 Assignee: Hubei Yispatiotemporal Unmanned Aerial Vehicle Technology Co.,Ltd. Assignor: CHINA THREE GORGES University Contract record no.: X2023980044218 Denomination of invention: Fast fault line selection method based on power frequency increment coefficient before and after switching of median resistance Granted publication date: 20210921 License type: Common License Record date: 20231024 |