CN110601151B - 基于暂态零序差动的配电线路单相接地故障保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于暂态零序差动的配电网单相接地故障保护方法及装置，方法包括：线路任一侧的零序电压升高且线电压突变，当满足上述故障特征时保护启动。此外，计算出暂态零序差动电流和暂态零序制动电流以及二者的比值，通过计算出的暂态零序制动电流与设定的门槛值比较进一步进行线路故障的确认，进而通过计算出的暂态差动比率制动系数与相应的设定值比较确认线路故障为单相接地故障或其他不对称故障；经过适当延时确认线路发生单相接地故障后，输出故障指示信号或跳开线路两侧开关。本发明方法可以准确识别出配电网系统中的手拉手线路是否发生了单相接地故障，为定位故障区段和进一步实现故障的消除或隔离提供准确依据。

Description

基于暂态零序差动的配电线路单相接地故障保护方法及装置

技术领域

本发明属于电力系统电网继电保护技术领域，具体涉及一种基于暂态零序差动的配电网单相接地故障保护方法及装置。

背景技术

我国中低压配电网系统普遍采用中性点不直接接地(小电流接地)的运行方式，其发生单相接地故障时，由于不构成低阻抗的短路回路，接地故障稳态电流较小，多数情况下可以自动熄弧，但由于配电网与人们的生产生活联系密切，发生接地短路故障时存在一定的安全隐患，为防止绝缘破坏引发的相间短路及防止事故的扩大，系统在发生单相接地故障时，要求能够准确地选出故障线路，并予于快速切除。

很多学者对于配电网发生单相接地故障后的选线问题进行过详细的理论研究，并且也提出过很多不同的理论，基于相应理论生产的接地选线装置试验中的选线准确率达到了90％以上。然而，大部分接地选线装置在变电站现场使用过程中，受现场条件或真实运行环境的影响，实际选线准确率不到50％。对于中性点经消弧线圈接地的配电网系统，由于消弧线圈的接入，系统发生单相接地故障并进入稳态后，系统的零序电流会受到消弧线圈补偿电流的影响，这对基于零序电流进行选线的装置选线准确率产生了不利影响。

目前，关于配电网单相接地故障的研究主要集中在接地选线上，而接地选线涉及同一条母线上的多条进出线路，并未对其中的关键线路加以区分。配电网系统中的手拉手线路不同于配电母线上的其他馈线，直接关系到整个配电区段供电的稳定性和可靠性，其发生单相接地故障后的准确识别和定位有着特殊的意义，因而有必要对其进行特殊处理。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于暂态零序差动的配电网单相接地故障保护方法，解决了路上发生单线接地故障时快速及准确识别的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于暂态零序差动的配电网单相接地故障保护方法，其特征是，包括以下过程：

采集配电网中线路两侧的零序电压和三相电压，并判断零序电压和三相电压是否满足保护启动条件，若满足则保护启动；

采集线路两侧的暂态零序电流，计算该线路的暂态零序差动电流、暂态零序制动电流以及暂态零序差动比例系数；

判断暂态零序制动电流是否满足线路故障启动条件，若满足则执行下一步；

判断暂态零序差动比例系数是否满足接地故障判别条件，若满足条件则执行下一步；

若故障持续时间达到延时要求，则确认线路发生单相接地故障，输出线路发生单相接地故障的告警信号或跳开线路两侧开关。

进一步的，所述保护启动条件为：

当任意一侧零序电压大于设定的零序电压启动定值，并且线电压突变量大于设定的突变量定值时，则保护启动。

进一步的，线路的暂态零序差动电流为保护启动后T时间内该线路两侧暂态零序电流采样值之和；线路的暂态零序制动电流为保护启动后T时间内该线路两侧暂态零序电流采样值的绝对值之和；线路的暂态零序差动比例系数为该线路暂态零序差动电流与暂态零序制动电流的比值。

进一步的，所述线路故障启动条件为暂态零序制动电流大于零序制动电流门槛值，判别如下式：

I_0zd>I_{0zd_set}

式中：I_0zd为暂态零序制动电流，I_{0zd_set}为零序制动电流门槛值；

零序制动电流门槛值I_{0zd_set}的整定以躲过系统正常运行时该线路暂态零序制动电流能达到的最大值为标准，即满足下式：

I_{0zd_set}>I_{0zd_max}·k_rel

式中：I_{0zd_max}为系统正常运行时该线路暂态零序制动电流能达到的最大值，k_rel为可靠系数。

进一步的，所述接地故障判别条件为暂态零序差动比例系数大于设定的比率制动系数设定值，判别如下式：

式中：K为暂态零序差动比例系数，I_0cd为暂态零序差动电流，I_0zd为暂态零序制动电流，K_set为比率制动系数设定值。

相应的，本发明还提供了一种基于暂态零序差动的配电网单相接地故障保护装置，其特征是，包括保护启动判断模块、电流计算模块、线路故障启动判断模块、接地故障判别模块和延时判断模块；

保护启动判断模块，用于采集配电网中线路两侧的零序电压和三相电压，并判断零序电压和三相电压是否满足保护启动条件，若满足则保护启动；

电流计算模块，用于采集线路两侧的暂态零序电流，计算该线路的暂态零序差动电流、暂态零序制动电流以及暂态零序差动比例系数；

线路故障启动判断模块，用于判断暂态零序制动电流是否满足线路故障启动条件，若满足则执行接地故障判别模块；

接地故障判别模块，用于判断暂态零序差动比例系数是否满足接地故障判别条件，若满足条件则执行延时判断模块；

延时判断模块，若故障持续时间达到延时要求，则确认线路发生单相接地故障，输出线路发生单相接地故障的告警信号或跳开线路两侧开关。

进一步的，保护启动判断模块中，所述保护启动条件为：

当任意一侧零序电压大于设定的零序电压启动定值，并且线电压突变量大于设定的突变量定值时，则保护启动。

进一步的，电流计算模块中，线路的暂态零序差动电流为保护启动后T时间内该线路两侧暂态零序电流采样值之和；线路的暂态零序制动电流为保护启动后T时间内该线路两侧暂态零序电流采样值的绝对值之和；线路的暂态零序差动比例系数为该线路暂态零序差动电流与暂态零序制动电流的比值。

进一步的，线路故障启动判断模块中，线路故障启动条件为暂态零序制动电流大于零序制动电流门槛值，判别如下式：

I_0zd>I_{0zd_set}

式中：I_0zd为暂态零序制动电流，I_{0zd_set}为零序制动电流门槛值；

零序制动电流门槛值I_{0zd_set}的整定以躲过系统正常运行时该线路暂态零序制动电流能达到的最大值为标准，即满足下式：

I_{0zd_set}>I_{0zd_max}·k_rel

式中：I_{0zd_max}为系统正常运行时该线路暂态零序制动电流能达到的最大值，k_rel为可靠系数。

进一步的，接地故障判别模块中，接地故障判别条件为暂态零序差动比例系数大于设定的比率制动系数设定值，判别如下式：

K>K_set

式中：K为暂态零序差动比例系数，K_set为比率制动系数设定值。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明一种基于暂态零序差动的配电网单相接地故障保护方法，可以准确识别出配电网系统中的手拉手线路是否发生了单相接地故障，为定位故障区段和进一步实现故障的消除或隔离提供准确依据，适用于中性点采用不同接地方式的配电网系统，在快速无线网络通讯和智能配电网时代具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明的一个具体实施例。

具体实施方式

下面结合附图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。

本发明的一种基于暂态零序差动的配电网单相接地故障保护方法，适用于配电网系统中变电站、配电所和开闭所间的手拉手线路，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1：实时采集配电网中线路两侧的零序电压、零序电流和三相电压信号，并根据三相电压计算出线电压，然后判别：当任意一侧零序电压大于设定的零序电压启动定值，并且线电压突变量(线电压发生突变)大于设定的突变量定值时，表明线路可能发生了故障，则保护启动并转入步骤2；

步骤2：根据采集到的线路两侧的暂态零序电流，计算该线路的暂态零序差动电流、暂态零序制动电流以及暂态零序差动比例系数，然后转入步骤3；

采集对侧暂态零序电流信号可通过5G网络以无线通讯的形式实现。

线路的暂态零序差动电流为保护启动后T时间内该线路两侧暂态零序电流采样值之和；线路的暂态零序制动电流为保护启动后T时间内该线路两侧暂态零序电流采样值的绝对值之和；线路的暂态零序差动比例系数为该线路暂态零序差动电流与暂态零序制动电流的比值。计算公式如下：

其中，I_0cd为暂态零序差动电流，I_0zd为暂态零序制动电流，K为暂态零序差动比例系数，i_0c1和i_0c2分别为线路两侧暂态零序电流采样值。

保护启动后时间T为故障暂态过程持续时间，通常取3～10ms。

步骤3：判断计算出的暂态零序制动电流是否满足线路故障启动条件，若满足条件则执行步骤4，否则结束本次故障判别；

线路故障启动条件为暂态零序制动电流大于零序制动电流门槛值，判别如下式：

I_0zd>I_{0zd_set}

式中：I_{0zd_set}为零序制动电流门槛值。

零序制动电流门槛值I_{0zd_set}的整定(即设定)以躲过系统正常运行时该线路暂态零序制动电流能达到的最大值为标准，即满足下式：

I_{0zd_set}>I_{0zd_max}·k_rel

式中：I_{0zd_max}为系统正常运行时该线路暂态零序制动电流能达到的最大值，k_rel为可靠系数，为经验值。

步骤4：判断计算的暂态零序差动比例系数是否满足线路故障判别条件，若满足条件则转入步骤5，否则结束本次故障判别；

线路故障判别条件为暂态零序差动比例系数大于设定的比率制动系数设定值，判别如下式：

式中：K_set为比率制动系数设定值。

步骤5：若故障持续时间满足延时要求(大于线路接地告警延时或跳闸延时(延时可设定))，则确认线路发生单相接地故障，则输出线路发生单相接地故障的告警信号或跳开线路两侧开关，同时结束本次故障判别，否则直接结束本次故障判别。

如图2所示，为本发明一种基于暂态零序差动的配电网单相接地故障保护方法在5G网络无线通讯应用下的一个具体实施例，即将本发明应用于现有的线路保护测控装置和站域保护测控装置中，各装置通过无线通讯接收线路对侧的暂态零序电流信号用于进行计算和判别，如变电站中的联络线1所配置的线路保护测控装置与开闭所A中配置的站域保护测控装置之间通过无线通讯互传本侧采集的暂态零序电流采样值，通过本方法实现对联络线1发生单相接地故障时的保护，同理，联络线2发生单相接地故障时的保护由开闭所A和开闭所B中配置的站域保护测控装置实现。在快速无线通讯的应用情形下，本发明具有更好的实施效果。

相应的，本发明还提供了一种基于暂态零序差动的配电网单相接地故障保护装置，其特征是，包括保护启动判断模块、电流计算模块、线路故障启动判断模块、接地故障判别模块和延时判断模块；

保护启动判断模块，用于采集配电网中线路两侧的零序电压和三相电压，并判断零序电压和三相电压是否满足保护启动条件，若满足则保护启动；

电流计算模块，用于采集线路两侧的暂态零序电流，计算该线路的暂态零序差动电流、暂态零序制动电流以及暂态零序差动比例系数；

线路故障启动判断模块，用于判断暂态零序制动电流是否满足线路故障启动条件，若满足则执行接地故障判别模块；

接地故障判别模块，用于判断暂态零序差动比例系数是否满足接地故障判别条件，若满足条件则执行延时判断模块；

延时判断模块，若故障持续时间达到延时要求，则确认线路发生单相接地故障，输出线路发生单相接地故障的告警信号或跳开线路两侧开关。

进一步的，保护启动判断模块中，所述保护启动条件为：

当任意一侧零序电压大于设定的零序电压启动定值，并且线电压突变量大于设定的突变量定值时，则保护启动。

进一步的，电流计算模块中，线路的暂态零序差动电流为保护启动后T时间内该线路两侧暂态零序电流采样值之和；线路的暂态零序制动电流为保护启动后T时间内该线路两侧暂态零序电流采样值的绝对值之和；线路的暂态零序差动比例系数为该线路暂态零序差动电流与暂态零序制动电流的比值。

进一步的，线路故障启动判断模块中，线路故障启动条件为暂态零序制动电流大于零序制动电流门槛值，判别如下式：

I_0zd>I_{0zd_set}

式中：I_{0zd_set}为零序制动电流门槛值；

零序制动电流门槛值I_{0zd_set}的整定以躲过系统正常运行时该线路暂态零序制动电流能达到的最大值为标准，即满足下式：

I_{0zd_set}>I_{0zd_max}·k_rel

式中：I_{0zd_max}为系统正常运行时该线路暂态零序制动电流能达到的最大值，k_rel为可靠系数。

进一步的，接地故障判别模块中，接地故障判别条件为暂态零序差动比例系数大于设定的比率制动系数设定值，判别如下式：

式中：K_set为比率制动系数设定值。

综上所述，本发明的工作原理如下：

正常运行的配电网系统中的手拉手线路上发生单相接地故障时，线路任一侧的零序电压升高且线电压突变，当满足上述故障特征时保护启动。此外，线路发生单相接地故障时，线路两侧会检测到大小相等方向相同(均指向线路侧)的零序电流，由此计算出暂态零序差动电流和暂态零序制动电流以及二者的比值，通过计算出的暂态零序制动电流与设定的门槛值比较进一步进行线路故障的确认，进而通过计算出的暂态差动比率制动系数与相应的设定值比较确认线路故障为单相接地故障或其他不对称故障，经过适当延时确认线路发生单相接地故障后，输出故障指示信号或跳开线路两侧开关。

此外，对于中性点经消弧线圈接地的配电网系统，为了提取明显的故障特征，采用暂态量零序电流采样值进行暂态差动电流、制动电流的计算，可以躲过稳态情况下消弧线圈补偿作用的不利影响，提高线路单相接地故障判别的准确性。

综上所述，本发明一种基于暂态零序差动的配电网单相接地故障保护方法，可以准确识别出配电网系统中的手拉手线路是否发生了单相接地故障，为定位故障区段和进一步实现故障的消除或隔离提供准确依据，适用于中性点采用不同接地方式的配电网系统，在快速无线网络通讯和智能配电网时代具有广泛的应用前景。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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 (2)

1.基于暂态零序差动的配电网单相接地故障保护方法，其特征是，包括以下过程：

采集配电网中线路两侧的零序电压和三相电压，并判断零序电压和三相电压是否满足保护启动条件，若满足则保护启动；

采集线路两侧的暂态零序电流，计算该线路的暂态零序制动电流以及暂态零序差动比例系数；

判断暂态零序制动电流是否满足线路故障启动条件，若满足则执行下一步；

判断暂态零序差动比例系数是否满足接地故障判别条件，若满足条件则执行下一步；

若故障持续时间达到延时要求，则确认线路发生单相接地故障，输出线路发生单相接地故障的告警信号或跳开线路两侧开关；

所述保护启动条件为：

当任意一侧零序电压大于设定的零序电压启动定值，并且线电压突变量大于设定的突变量定值时，则保护启动；

线路的暂态零序差动电流为保护启动后T时间内该线路两侧暂态零序电流采样值之和；线路的暂态零序制动电流为保护启动后T时间内该线路两侧暂态零序电流采样值的绝对值之和；线路的暂态零序差动比例系数为该线路暂态零序差动电流与暂态零序制动电流的比值；

所述线路故障启动条件为暂态零序制动电流大于零序制动电流门槛值，判别如下式：

I_0zd＞I_{0zd_set}

式中：I_0zd为暂态零序制动电流，I_{0zd_set}为零序制动电流门槛值；

零序制动电流门槛值I_{0zd_set}的整定以躲过系统正常运行时该线路暂态零序制动电流能达到的最大值为标准，即满足下式：

I_{0zd_set}＞I_{0zd_max}·k_rel

式中：I_{0zd_max}为系统正常运行时该线路暂态零序制动电流能达到的最大值，k_rel为可靠系数；

所述接地故障判别条件为暂态零序差动比例系数大于设定的比率制动系数设定值，判别如下式：

K＞K_set

式中：K为线路的暂态零序差动比例系数，K_set为比率制动系数设定值。

2.基于暂态零序差动的配电网单相接地故障保护装置，其特征是，包括保护启动判断模块、电流计算模块、线路故障启动判断模块、接地故障判别模块和延时判断模块；

保护启动判断模块，用于采集配电网中线路两侧的零序电压和三相电压，并判断零序电压和三相电压是否满足保护启动条件，若满足则保护启动；

电流计算模块，用于采集线路两侧的暂态零序电流，计算该线路的暂态零序制动电流以及暂态零序差动比例系数；

线路故障启动判断模块，用于判断暂态零序制动电流是否满足线路故障启动条件，若满足则执行接地故障判别模块；

接地故障判别模块，用于判断暂态零序差动比例系数是否满足接地故障判别条件，若满足条件则执行延时判断模块；

延时判断模块，若故障持续时间达到延时要求，则确认线路发生单相接地故障，输出线路发生单相接地故障的告警信号或跳开线路两侧开关；

保护启动判断模块中，所述保护启动条件为：

当任意一侧零序电压大于设定的零序电压启动定值，并且线电压突变量大于设定的突变量定值时，则保护启动；

电流计算模块中，线路的暂态零序差动电流为保护启动后T时间内该线路两侧暂态零序电流采样值之和；线路的暂态零序制动电流为保护启动后T时间内该线路两侧暂态零序电流采样值的绝对值之和；线路的暂态零序差动比例系数为该线路暂态零序差动电流与暂态零序制动电流的比值；

线路故障启动判断模块中，线路故障启动条件为暂态零序制动电流大于零序制动电流门槛值，判别如下式：

I_0zd＞I_{0zd_set}

式中：I_0zd为暂态零序制动电流，I_{0zd_set}为零序制动电流门槛值；

零序制动电流门槛值I_{0zd_set}的整定以躲过系统正常运行时该线路暂态零序制动电流能达到的最大值为标准，即满足下式：

I_{0zd_set}＞I_{0zd_max}·k_rel

式中：I_{0zd_max}为系统正常运行时该线路暂态零序制动电流能达到的最大值，k_rel为可靠系数；

接地故障判别模块中，接地故障判别条件为暂态零序差动比例系数大于设定的比率制动系数设定值，判别如下式：

K＞K_set

式中：K为线路的暂态零序差动比例系数，K_set为比率制动系数设定值。

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