CN110865278A - 基于暂态突变捕捉能量法的接地故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于暂态突变捕捉能量法的接地故障定位方法，属于测量、测试的技术领域。该方法利用高速采样获取的零序电压和零序电流的极性关系，结合稳态零序电压越限启动判据，通过对比发生单相接地故障时故障点暂态零压变化量和暂态零流的方向来准确判定故障位置。本发明具有很高的可靠性和准确性，不受接地方式的影响，不用额外的信号源，且耐过渡电阻能力高达2000欧姆。本发明得到的故障定位结果能够用于配网故障的隔离及分布式自愈，有效提高了配电网单相接地故障处理的可靠性以及速动性。

Description

基于暂态突变捕捉能量法的接地故障定位方法

技术领域

本发明公开了基于暂态突变捕捉能量法的接地故障定位方法，涉及电力系统继电保护和自动化技术，属于测量、测试的技术领域。

背景技术

小电流接地系统在发生单相接地故障时不会产生很大的接地电流，并且相与相之间的线电压仍可以保持对称，不影响对负荷的供电，因此，我国6～66kV配电网广泛采用小电流接地方式。以往的配网技术导则对于发生单相接地故障的小电流接地系统，不要求立即切除故障点，可以带故障运行1～2小时。但是，系统在单相接地以后长时间运行易使故障发展成两点甚至多点接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，危害系统安全运行。因此，最新的配网技术导则提出对于小电流接地系统，发生单相接地故障后，宜按快速就近隔离故障原则进行处理。由于小电流接地系统发生单相接地故障时故障电流很小，而且配电网结构复杂，运行方式多变，使得配电网的故障定位受到多方面的影响，这就给系统的故障定位、隔离以及非故障段恢复送电造成困难，因此，有必要采取相关措施快速、准确、可靠地定位故障。

业内所采用的小电流接地故障处理方法大致可分为三类：暂态信号法、稳态信号法以及注入信号法。其中，目前大多数暂态信号法无法解决暂态准确判据问题；稳态信号法受系统运行方式以及中性点接地方式影响较大，往往会因为采集的稳态量太小而导致接地故障处理的效果不理想；若采用注入信号法，不仅会加大投资成本，并且有可能会给系统增加额外的故障隐患。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了基于暂态突变捕捉能量法的接地故障定位方法，根据暂态零序功率的变化方向计算接地特征因子，快速、准确、可靠的实现了小电流接地故障的判定，解决了现有小电流接地故障处理方法对故障的判定不准确的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

基于暂态突变捕捉能量法的接地故障定位方法，适用于配电网中性点非有效接地系统，具体包括以下步骤：

(1)利用高精度零序电压互感器和零序电流互感器采集故障点的零序电压和零序电流。

(2)通过稳态零序电压越限判据启动单相接地故障处理流程，所述稳态零序电压越限启动判据为：

U₀’＞U_set’，其中，U₀’为零序电压的稳态量，U_set’为设定的启动阈值，一般设置为相电压额定值的5％，提高灵敏度。

(3)启动单相接地故障处理流程后，开始获取零序电压暂态值、零序电流暂态值、同时检测暂态零序电流的突变值、并计算暂态零压变化量与暂态零流的能量值：

获取零序电压的暂态值：U₀(k)；

获取零序电流的暂态值：I₀(k)；

检测暂态零序电流突变值：ΔI₀(k)＝I₀(k)-I₀(k-1)；

计算暂态零压变化量：ΔU₀(k)＝U₀(k)-U₀(k-1)；

计算ΔU₀(k)与I₀(k)乘积积分ρ(k)。

(4)根据稳态零压定值和暂态零流定值自适应捕捉暂态接地过程，若捕捉到暂态突变，则进入单相接地故障定位判据，根据暂态零压判别阈值、暂态零流判别阈值、暂态零流突变值以及暂态零压变化量和暂态零流的方向来确定故障位置：

(a)U₀(k)＞U_set，其中，U₀(k)为零序电压暂态量，U_set为设定的暂态零压判别阈值；

(b)I₀(k)＞I_set，其中，I₀(k)为零序电流暂态量，I_set为设定的暂态零流判别阈值；

(c)暂态零序电流I₀(k)的突变值ΔI₀(k)大于0；

以上a、b、c三个条件同时满足时，则计算ρ(k)，进入(d)，

(d)判断ρ(k)是否小于0；

ρ(k)小于0时，则认为本次捕捉有效。

(5)若本次接地故障共有N次捕捉到暂态接地过程(一般N≤3)，在N次捕捉中，有M次捕捉有效(M≤N)。同时，搜索有效的M次捕捉中ρ(k)绝对值的最大值|ρ(k)|_max，记录本次捕捉的序号为i，判断捕捉序号为i的ρ(k)值的正负；若ρ(k)小于0，则为区内故障；若ρ(k)大于0，则为区外故障。其中，|ρ(k)|_max为M次有效捕捉中的ρ(k)绝对值的最大值。

在步骤(1)中，零序电压互感器和零序电流互感器均具有高精度、宽范围的灵敏性高等特点，具有采集小信号的功能。本系统在一个工频周波内仅需采80个点，采样频率仅为4000HZ，因此对硬件的要求不高，便可获得很好的故障定位效果，节约了可观的硬件成本。

在步骤(2)中，稳态零序电压越限启动阈值U_set’的取值为0.5V。

在步骤(4)、(5)中，暂态零序电压判别阈值U_set取值0.5V。暂态零序电流判别阈值I_set的一次值取值2A。利用以下公式计算接地特征因子，由接地特征因子的正负表达暂态零压变化量和暂态零流的方向：

其中，ρ(k)为接地特征因子，若ρ(k)小于0，则发生单相接地故障，若ρ(k)大于0，则未发生单相接地故障。

(6)若单相接地故障定位在联络线或母线上，则当一侧终端接地故障元件动作、另一侧终端接地故障元件未动作或开关分位时，定位故障点在两终端安装处的开关之间；若单相接地故障定位在分支线路上，则当分支开关处的终端接地故障元件动作时，定位故障点在该分支上。故障点定位成功后，若故障点相邻开关为断路器，则故障点相邻开关直接快速隔离；若故障点相邻开关为负荷开关，则故障点相邻开关等待无压无流跳闸隔离。待联络开关收到故障隔离成功信号以后，通过系统内级联传递优先级、剩余容量等信号，利用故障重构分布式自愈策略找到最优联络开关实现故障后段转供电恢复供电。故障点两侧开关直接快速隔离故障，并实现故障后段转供电恢复供电。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本接地故障定位方法，不受中性点接地方式的影响，适用范围广，耐过渡电阻能力强，快速准确，灵敏度高；当过渡电阻在2000欧姆以内时，准确率在100％；基于本申请的接地故障定位结果能够实现配网故障隔离及分布式自愈功能，有效提高了配电网单相接地故障处理的可靠性以及速动性。

附图说明

图1为接地实验系统的拓扑图。

图2为本发明的RTDS仿真验证图。

图3为本发明基于暂态突变捕捉能量法的接地故障定位方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

以图1所示的系统拓扑图为例，介绍本发明的接地故障定位、隔离及分布式自愈系统。图1所示为某线路拓扑图，该线路为单环网线路，101开关为110kV变电站出线侧断路器，环网线路上有A、B、C、D四个自动化环网柜，每个环网柜里有4个间隔单元。

主干线环网开关配置断路器成套自动化开关，具有的策略包括智能分布式保护、电压电流型馈线自动化和常规保护三种保护。日常运行时采用基于对等通信的速动型智能分布式自动化策略，实现故障的快速定位和隔离及非故障段恢复送电。若单相接地故障定位在联络线或母线上，则当一侧终端接地故障元件动作、另一侧终端接地故障元件未动作或开关分位时，定位故障点在两终端安装处的开关之间；若单相接地故障定位在分支线路上，则当分支开关处的终端接地故障元件动作时，定位故障点在该分支上。故障点定位成功后，若故障点相邻开关为断路器，则故障点相邻开关直接快速隔离；若故障点相邻开关为负荷开关，则故障点相邻开关等待无压无流跳闸隔离。待联络开关收到故障隔离成功信号以后，通过系统内级联传递优先级、剩余容量等信号，利用故障重构分布式自愈策略找到最优联络开关实现故障后段转供电恢复供电。

本发明公开的基于暂态突变捕捉能量法的接地故障定位方法流程图如图3所示，包括以下步骤：

步骤1：通过间隔单元里的高精度零序电压互感器和零序电流互感器采集各线路的零序电压U₀和零序电流I₀，并循环存入一个可容纳三个周波数据宽度的采样缓冲区。

步骤2：通过判断稳态零序电压U₀’是否大于越限启动阈值U_set’来确定是否启动算法，在本发明的实施例中优选越限启动阈值U_set’为0.5V；。

步骤3：启动单相接地故障处理流程后，开始获取零序电压暂态值、零序电流暂态值、同时检测暂态零序电流的突变值、并计算暂态零压变化量与暂态零流的能量值：

获取零序电压的暂态值：U₀(k)；

获取零序电流的暂态值：I₀(k)；

检测暂态零序电流突变值：ΔI₀(k)＝I₀(k)-I₀(k-1)，

计算ΔU₀(k)与I₀(k)乘积积分ρ(k)。

步骤4：根据稳态零压定值和暂态零流定值自适应捕捉暂态接地过程，若捕捉到暂态突变，则进入单相接地故障定位判据，根据暂态零压判别阈值、暂态零流判别阈值、暂态零流判别突变值以及暂态零压变化量和暂态零流的方向来确定故障位置：

(a)U₀(k)＞U_set，其中，U₀(k)为零序电压暂态量，U_set为设定的判别阈值；

(b)I₀(k)＞I_set，其中，I₀(k)为零序电流暂态量，I_set为设定的判别阈值；

(c)暂态零序电流I₀(k)的突变值ΔI₀(k)大于0；

以上a、b、c三个条件同时满足时，则计算ρ(k)，进入(d)，

(d)ρ(k)小于0；

当以上4个条件均满足时，则认为本次捕捉有效。

步骤5：若本次接地故障共有N次捕捉到暂态接地过程(一般N≤3)，在N次捕捉中，有M次捕捉有效(M≤N)。同时，搜索有效的M次捕捉中ρ(k)绝对值的最大值|ρ(k)|_max，记录本次捕捉的序号为i，判断捕捉序号为i的ρ(k)值的正负；若ρ(k)小于0，则为区内故障；若ρ(k)大于0，则为区外故障。其中，|ρ(k)|_max为M次有效捕捉中的ρ(k)绝对值的最大值。

利用以下公式计算并表达暂态零压变化量和暂态零流方向：

其中，ρ(k)为接地特征因子，k表示在60ms内所存储的采样数据的序号，n表示在60ms内所存储的采样数据的总数。

在图1中F1点发生接地故障时，A环网柜601开关判失压且无过流信号，则跳闸；C环网柜602开关按照电源点剩余容量判断是否合闸。

在图1中F2点发生接地故障时，A环网柜601开关因检测到发生接地故障而动作，判断下游故障；A环网柜602开关无过流信号，收到上游601开关发出下游动作信号且603、604开关无过流信号，判断母线故障；C环网柜602开关按照电源点剩余容量判断是否合闸。

在图1中F3点发生接地故障时，A环网柜601开关因检测到发生接地故障而动作，判断下游故障；603开关过流动作，判断603开关下游故障，为分支故障。

在图1中F4点发生接地故障时，A环网柜601、602开关因检测到发生接地故障而动作，判断602开关下游故障；B环网柜601开关无过流信号且收到602开关下游故障信号，判断601开关上游故障；C环网柜602开关按照电源点剩余容量判断是否合闸。

图2为F4点发生接地故障时，发生接地故障线路与未发生接地故障线路的零序电流、零序电压RTDS仿真验证图。由图2可知，接地故障线路的接地瞬间暂态零序电流脉冲波形与非接地故障线路暂态零序电流脉冲波形方向相反，而且接地故障线路的暂态零序电流的脉冲方向与同一时刻的系统零序电压变化方向相反，非接地故障线路的暂态零序电流的脉冲方向与同一时刻的系统零序电压变化方向都相同。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.基于暂态突变捕捉能量法的接地故障定位方法，其特征在于，

采集故障点出的零序电压序列和零序电流序列，在零序电压稳态量越限时进行接地故障定位，在零序电压暂态量和零序电流暂态量均越限且暂态零序电流的突变值大于0时计算表征暂态零压变化量和暂态零流方向的接地特征因子，接地特征因子小于0表示故障点处发生单相接地故障，接地因子大于0表示故障点处未发生单相接地故障；

若单相接地故障定位在联络线或母线上，则当一侧终端接地故障元件动作、另一侧终端接地故障元件未动作或开关分位时，定位故障点在两终端安装处的开关之间，

若单相接地故障定位在分支线路上，则当分支开关处的终端接地故障元件动作时，定位故障点在该分支上。

2.根据权利要求1所述基于暂态突变捕捉能量法的接地故障定位方法，其特征在于，多次捕捉零序电压暂态量和零序电流暂态量并在零序电压暂态量和零序电流暂态量都越限时计算接地特征因子，比较多次计算的接地特征因子的绝对值，根据绝对值最大的接地特征因子判断故障点是否发生单相接地故障。

3.根据权利要求1或2所述基于暂态突变捕捉能量法的接地故障定位方法，其特征在于，零序电压稳态量超过相电压额定值的5％时即为越限。

4.根据权利要求1或2所述基于暂态突变捕捉能量法的接地故障定位方法，其特征在于，零序电压暂态量超过0.5V且零序电流暂态量超过2A时即为零序电压暂态量和零序电流暂态量均越限。

5.根据权利要求1或2所述基于暂态突变捕捉能量法的接地故障定位方法，其特征在于，计算接地特征因子的表达式为：

ρ(k)为根据k时刻采集的零序电压和零序电流计算的接地特征因子，I0(k)为k时刻零序电流暂态量，U0(k)、U0(k-1)为k时刻、k-1时刻零序电压暂态量，n为采样点总数。

6.配网单相接地故障隔离方法，其特征在于，采用权利要求1所述方法定位故障点，根据故障点相邻开关的类型执行隔离操作，具体为：若故障点相邻开关为断路器，则故障点相邻开关直接快速隔离；若故障点相邻开关为负荷开关，则故障点相邻开关等待无压无流跳闸隔离。

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