CN110967652A - 一种适应于谐波环境的小电流接地故障识别方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种适用于谐波环境的小电流接地故障识别方法及系统，提取出谐波电流分量，计算出谐波电流的不平衡度，根据不平衡度自适应调整零序电流的触发阈值。本发明所提方案提取出谐波电流分量并计算其不平衡度，为自适应调整故障检测的零序电流阈值提供基础，避免了在谐波电流分量过大的情况下的误报警和误启动故障录波。

Description

一种适应于谐波环境的小电流接地故障识别方法及系统

技术领域

本发明属于电网故障识别领域，涉及故障接地诊断技术领域，具体涉及谐波环境下小电流接地故障的识别方法。

背景技术

配电网故障的快速识别与处理是保障人身与设备安全的重要措施之一。近年来，配 电网建设不断加速，伴随着智能化升级改造的持续推进，诸如暂态录波型故障指示器、一二次融合设备等智能化配电设备得到了大面积的推广应用，为改善配电网运维水平起到了关键性作用。通常，这些配电新设备具备二次保护的功能，通过采集系统运行关键 参数，经过逻辑比较与判断，实现配电网故障的识别与处理。在电力系统正常运行时， 设备只对系统参数进行监测，不启动故障录波与判断。当电力系统发生故障时，设备应 能够准确快速的记录现场故障数据，起到故障保护的功能，维护设备及人身安全。

另一方面，配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉以及各种电力电子设备的使用， 且居民用电负载中不对称谐波负载不断增加(例如电冰箱、彩色电视机、空调等)，使公用电网中受到了严重的谐波污染，威胁着电网和电气设备的安全运行和正常使用。由 于谐波负载的不断增加，传统的基于稳态故障录波数据的故障识别及处理方法已经不再 适用于谐波的应用环境。电力谐波不仅会影响传感器的采集精度，对电力系统特征信号 的处理以及故障启动阈值的设定都会带来影响。这一现象在线路轻载的情况下更加严重。 因此，为避免配电网故障识别及处理装置在谐波环境下发生频繁误报、误动的情况，必 须对相关设备的信号采集回路进行处理，并改进相关设备保护动作的设定方式。

传统配电网故障识别及处理装置启动及判断依据如下：首先，持续监测零序电压U₀, 若零序电压U₀在某一段时间内超过设定值，装置认为有发生接地故障的可能性，启动故障识别程序与数据录波。其次，判断线路零序电流I₀，若零序电流I₀在设定时间段内超 过k倍的设定值，即I₀>kI_0set，，装置认为发生接地故障。最后，进一步采用对比三相电 流量相较于稳态时的变化量ΔI_a、ΔI_b、ΔI_c的方法确定故障相，对于区内故障且故障持 续时间超过定值的情况，立即启动保护处理程序。

由于现代配电网存在由于大量不平衡谐波负载，三相电流量中包含大量不平衡谐波 分量，同样会使零序电流I₀持续超过设定的阈值，且由于谐波分量的不平衡性，ΔI_a、ΔI_b、 ΔI_c有时也存在很大的差别，满足两个判据条件便会引发误报、误动。

发明内容

针对现代配电网包含大量不平衡谐波负载导致故障误报和误动的情况，本发明提出 了一种考虑谐波污染的小电流接地故障识别启动判据。

为实现上述发明目的，本发明具体采用以下技术方案。

一种适用于谐波环境的小电流接地故障识别方法，其特征在于：提取出谐波电流分 量，计算出谐波电流的不平衡度，根据不平衡度自适应调整小电流接地故障零序电流的触发阈值。

一种适用于谐波环境的小电流接地故障识别方法，其特征在于，所述故障识别方法 包括以下步骤：

步骤1、采集小电流接地系统中的A相电压Ua，并通过锁相环PLL得到与A相电网 电压Ua同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号cosωt；

步骤2：根据步骤1得到的正弦信号和余弦信号构建abc坐标系到正交αβ坐标系的变换矩阵C₃₂以及正交αβ坐标系到pq旋转坐标系的变换矩阵C_pq，分别计算变换矩阵 C₃₂和C_pq的逆矩阵

和

得到坐标变换矩阵C₃₂C_pq以及反坐标变换矩阵

步骤3：采集小电流接地系统三相负载电流I_a、I_b、I_c，通过坐标变换矩阵得到有功电流I_p，然后将有功电流I_p经过低通滤波器得到直流分量

无功电流I_q经过低通滤 波器得到直流分量

并通过坐标反变换求出三相基波电流I_a1、I_b1、I_c1；

步骤4：用小电流接地系统三相负载电流I_a、I_b、I_c减去三相基波电流I_a1、I_b1、I_c1，求出谐波电流分量I_ah、I_bh、I_ch，计算谐波电流的不平衡度，根据谐波电流的不平衡度， 计算零序电流阈值I_0set的自适应系数k；

步骤5：实时检测小电流接地系统零序电流I₀，若零序电流I₀在设定时间段内超过预设门槛值k倍以上，且某相电流突变量远大于其余两相，则认为小电流接地系统发生 了接地故障，判据即为：

I₀>kI_0set且ΔI_a>KΔI_b,ΔI_a>KΔI_c，则判断A相故障；

I₀>kI_0set且ΔI_b>>KΔI_a,ΔI_b>>KΔI_c，则判断B相故障；

I₀>kI_0set且ΔI_c>>KΔI_a,ΔI_c>>KΔI_b，则判断C相故障；

其中，ΔI_a、ΔI_b、ΔI_c分别表示A、B、C三相电流突变量；

K为相电流差异系数，根据线路负载不平衡度和负荷性质，设为5-10。

本发明进一步包括以下优选方案。

在步骤1中，若采集的是B相或C相电压，通过将其相位+120°或-120°使其变为A 相电压。

在步骤2中，abc坐标系到正交αβ坐标系的变换矩阵C₃₂如下式所示：

正交αβ坐标系到pq旋转坐标系的变换矩阵C_pq如下式所示：

在步骤3中，所述低通滤波器通带截止频率为2100Hz，阻带起始频率为2500Hz，通带波动为3dB，阻带内最小衰减为25dB。

在步骤4中，根据三相谐波电流分量I_ah、I_bh、I_ch，计算出谐波电流的不平衡度p_ah，p_bh，p_ch，计算公式如下：

式中，|I_ah|、|I_bh|、|I_ch|为三相谐波电流的幅值，I_av为三相谐波电流幅值的平均值I_av＝(|I_ah|+|I_bh|+|I_ch|)/3

零序电流I₀阈值的自适应系数k:

k＝max(p_ah,p_bh,p_ch)+1

式中max(g)表示三者中的较大值。

在步骤5中，所述设定时间段是指经过连续5个采样数据点，或者超过一个周波即0.02s。

在步骤5中，所述预设门槛值为随系统规模变化，典型推荐值为1A。

本申请同时公开了一种基于前述故障识别方法的小电流接地故障识别系统，包括电 压采集模块、三相电流采集模块、锁相环、谐波电流检测单元、零序电流阈值自适应系数计算单元，以及零序电流保护单元；其特征在于：

所述电压采集模块采集小电流接地系统中的A相电压Ua，上传至锁相环，通过锁相环得到与A相电网电压Ua同相位的正弦信号和对应的余弦信号，并将所述正弦信号和 余弦信号发送至谐波电流检测单元；

所述谐波电流检测单元对三相电流采集模块采集小电流接地系统三相负载电流，进 行谐波提取，得到小电流接地系统三相负载电流；

所述零序电流阈值自适应系数计算单元根据谐波电流的不平衡度中的最大值计算得 到零序电流I₀阈值的自适应系数k；

所述零序电流保护单元实时检测小电流接地系统零序电流I₀，若零序电流I0乘以自 适应系数k在设定时间段内超过k倍的设定值(也称预设门槛值)，即I₀>kI_0set，则认为 小电流接地系统发生了接地故障。

所述谐波电流检测单元包括坐标变换矩阵模块、低通滤波器、坐标反变换矩阵模块、 减法器模块，

其中，三相负载电流经坐标变换模块后经过低通滤波器得到直流分量，然后通过坐 标反变换模块求出三相基波电流，通过减法器模块将三相负载电流减去三相基波电流即 可求出谐波电流分量。

本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所提方案考虑了现代配电网中谐波分量过大的问题，并提出一种基于瞬时无 功功率理论的谐波电流检测电路，提取出谐波电流分量。本发明所提方案提取出谐波电流分量并计算其不平衡度，为自适应调整故障检测的零序电流阈值提供基础，避免了在 谐波电流分量过大的情况下的误报警和误启动故障录波。本发明适用于所有以电流判据 为主的配电网故障识别与处理装置，无需增加硬件成本，具有普遍推广价值。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明。

图1是本发明适应于谐波环境的小电流接地故障识别启动方法中谐波电流的检测电 路；

图2为本发明适用于谐波环境的小电流接地故障识别方法流程示意图；

图3为本发明适用于谐波环境的小电流接地故障识别系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细介绍。

如图2所示，为本发明适用于谐波环境的小电流接地故障识别方法流程示意图。

为解决现有技术存在的问题，本发明公开了一种适用于谐波环境的小电流接地故障 识别方法，具体包括以下步骤：

步骤1、采集小电流接地系统中的A相电压Ua，并通过锁相环PLL得到与A相电网 电压Ua同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号cosωt；

参见附图1，PLL(锁相环)作为电力电子领域通用的电路模型，典型参数取值如下：相位裕度为44.996°，PI环节中的比例系数k_p为129.62，积分系数k_i为6971.7。

步骤2：根据步骤1得到的正弦信号和余弦信号构建abc坐标系到正交αβ坐标系的变换矩阵C₃₂以及正交αβ坐标系到pq旋转坐标系的变换矩阵C_pq(参见附图1)，分别计 算变换矩阵C₃₂和C_pq的逆矩阵

和

得到坐标变换矩阵C₃₂C₃₂以及反坐标变换矩阵

坐标变换矩阵C₃₂和C_pq具体公式如下

反坐标变换矩阵

和

具体公式如下

步骤3：采集小电流接地系统三相负载电流I_a、I_b、I_c，通过坐标变换矩阵得到有功电流I_p，然后将有功电流I_p经过低通滤波器得到直流分量

将无功电流I_q经过低通 滤波器得到直流分量

并通过坐标反变换求出三相基波电流I_a1、I_b1、I_c1；

有功电流I_P和无功电流I_q计算公式如下

式中，I_q代表经过坐标变换得到的无功电流，低通滤波器的取典型参数：通带截止频率为2100Hz，阻带起始频率为2500Hz，通带波动(通带内所允许的最大衰减)为3dB， 阻带内最小衰减为25dB。

三相基波电流I_a1、I_b1、I_c1计算公式如下

步骤4：用小电流接地系统三相负载电流I_a、I_b、I_c减去三相基波电流I_a1、I_b1、I_c1，求出谐波电流分量I_ah、I_bh、I_ch，计算谐波电流的不平衡度，根据谐波电流的不平衡度， 计算零序电流I₀阈值的自适应系数k；

谐波电流分量I_ah、I_bh、I_ch的计算公式如下：

根据三相谐波电流分量I_ah、I_bh、I_ch，计算出谐波电流的不平衡度p_ah，p_bh，p_ch， 计算公式如下：

式中，|I_ah|、|I_bh|、|I_ch|为三相谐波电流的幅值，I_av为三相谐波电流幅值的平均值I_av＝(|I_ah|+|I_bh|+|I_ch|)/3

零序电流I₀阈值的自适应系数k:

k＝max(p_ah,p_bh,p_ch)+1

式中max(g)表示两者中的较大值。

步骤5：实时检测小电流接地系统零序电流I₀，若零序电流I₀在设定时间段内超过k倍的设定值，即I₀>kI_0set，且持续时间超过5个连续的采样间隔时间，或者超过一个周 波即0.02s，且三相电流故障分量ΔI_a，ΔI_b，ΔI_c幅值差异明显，则认为小电流接地系 统发生了接地故障。判据即为：

I₀>kI_0set且ΔI_a>KΔI_b,ΔI_a>KΔI_c，则判断A相故障；

I₀>kI_0set且ΔI_b>>KΔI_a,ΔI_b>>KΔI_c，则判断B相故障；

I₀>kI_0set且ΔI_c>>KΔI_a,ΔI_c>>KΔI_b，则判断C相故障；

其中，ΔI_a、ΔI_b、ΔI_c分别表示A、B、C三相电流突变量；

K为相电流差异系数，根据线路负载不平衡度和负荷性质，设为5-10。

三相电流故障分量ΔI_a，ΔI_b，ΔI_c定义和计算如下：

零序电流I₀超过设定值的时刻记为t₀，取t₀前一个周波三相电流数据I_{a_before}，I_{b_before}， I_{c_before}，取t₀后一个周波三相电流数据I_{a_after}，I_{b_after}，I_{c_after}，则三相电流的故障分量 ΔI_a，ΔI_b，ΔI_c可由下式计算：

ΔI_a＝I_{a_before}-I_{a_after}

ΔI_b＝I_{b_before}-I_{b_after}

ΔI_c＝I_{c_before}-I_{c_after}

因为三相电流故障分量ΔI_a，ΔI_b，ΔI_c在一个周波内随时间变化，为得到量化指标 且消除个别坏数据点的干扰，对ΔI_a，ΔI_b，ΔI_c在一个周波内进行积分运算：

若满足某一相故障分量的积分远大于其余两相，且其余两相故障分量的积分接近零， 则判断发生单相接地故障。假设A相发生单相接地故障，有如下关系式成立 ∫△I_a＞＞∫△I_b≈∫△I_c≈0。

如附图3所示，本申请还同时公开一种基于前述故障识别方法的小电流接地故障识 别系统，包括电压采集模块、三相电流采集模块、锁相环、谐波电流检测单元、零序电 流阈值自适应系数计算单元，以及零序电流保护单元。

所述电压采集模块采集小电流接地系统中的A相电压Ua，上传至锁相环，通过锁相环得到与A相电网电压Ua同相位的正弦信号和对应的余弦信号，并将所述正弦信号和 余弦信号发送至谐波电流检测单元；所述谐波电流检测单元对三相电流采集模块采集小 电流接地系统三相负载电流，进行谐波提取，得到小电流接地系统三相负载电流；所述 零序电流阈值自适应系数计算单元根据谐波电流的不平衡度中的最大值计算得到零序 电流I₀阈值的自适应系数k；所述零序电流保护单元实时检测小电流接地系统零序电流 I₀，若零序电流I₀在设定时间段内超过k倍的设定值，即I₀>kI_0set，且持续时间超过5 个连续的采样间隔时间，，且三相电流故障分量ΔI_a，ΔI_b，ΔI_c幅值差异明显，则认为小 电流接地系统发生了接地故障。

所述谐波电流检测单元包括坐标变换矩阵模块、低通滤波器、坐标反变换矩阵模块、 减法器模块，其中，三相负载电流经坐标变换模块后经过低通滤波器得到直流分量，然后通过坐标反变换模块求出三相基波电流，通过减法器模块将三相负载电流减去三相基波电流即可求出谐波电流分量。

在三相平衡正弦电压供电系统下，三相电源电压U_a、U_b、U_c为

式中U为三相电源电压的有效值，三相三线制系统的非线性负载电流I_a、I_b、I_c可以分解为正序分量和负序分量，即

式中I_+k和I_-k分别为基波(k＝1)或k次谐波(k≠1)非线性负载电流正序和负序分量的有效值，φ_+k和φ_-k为基波(k＝1)或k次谐波(k≠1)非线性负载电流正序和负序 分量的相角。

所提基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测电路见图1。图中由锁相环(phaselocked loop，PLL)得到与A相电网电压Ua同相位的正弦信号和对应的余弦信号正弦 信号和余弦信号通过PLL锁相环得到，PLL锁相环本领域常用的电路，无需另行说明； 这两个信号构成了Cpq和其逆矩阵

测得的三相负载电流I_a、I_b、I_c经坐标变换为有功电流I_p，I_p经过低通滤波器(lowpass filter，LPF)得到直流分量

并通过坐标反变换求出三相基波电流I_a1、I_b1、I_c1。用三相负载电流I_a、I_b、I_c减去三相基波电流I_a1、I_b1、I_c1即可求出谐波电流分量I_ah、I_bh、 I_ch。该方法具有较好的实时性，即使电网电压发生畸变，也能准确地对谐波电流进行检 测。

图1中锁相环(phase locked loop，PLL)和低通滤波器(low pass filter，LPF)是电力电子领域经典的电路模块，通常使用Butterworth低通滤波器，这里不作细致描 述。

C₃₂是abc坐标系到正交αβ坐标系的变换矩阵；C_pq是正交αβ坐标系到pq旋转坐标系的变换矩阵；

为C_pq的逆矩阵，是pq旋转坐标系的到正交αβ坐标系的变换矩阵；

为C₃₂的逆矩阵，是正交αβ坐标系到abc坐标系的变换矩阵。其中C₃₂、C_pq分别为：

根据三相谐波电流分量I_ah、I_bh、I_ch，计算出谐波电流的不平衡度p_ah，p_bh，p_ch， 计算公式如下：

式中，|I_ah|、|I_bh|、|I_ch|为三相谐波电流的幅值，I_av为三相谐波电流幅值的平均值I_av＝(|I_ah|+|I_bh|+|I_ch|)/3

零序电流I₀阈值的自适应系数k:

k＝max(p_ah,p_bh,p_ch)+1

式中max(g)表示三者中的较大值。

当电网中含有大量不平衡谐波电流分量时，可利用所提检测电路提取出谐波分量， 并经过进一步分析计算出谐波分量的不平衡度，进而提供零序电流阈值的考虑不平衡谐 波分量自适应系数，自动提高门槛值，降低误报警和误启动故障录波的几率。

根据谐波电流检测电路提取出的谐波电流分量I_ah、I_bh、I_ch，计算出谐波电流的不平 衡度p_ah，p_bh，p_ch，选取不平衡度的较大值来自适应调整零序电流的触发阈值。

本发明所提方案考虑了现代配电网中谐波分量过大的问题，并提出一种基于瞬时无 功功率理论的谐波电流检测电路，提取出谐波电流分量。

本发明所提方案提取出谐波电流分量并计算其不平衡度，为自适应调整故障检测的 零序电流阈值提供基础，避免了在谐波电流分量过大的情况下的误报警和误启动故障录 波。

本发明适用于所有以电流判据为主的配电网故障识别与处理装置，无需增加硬件成 本，具有普遍推广价值。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术 人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发 明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于谐波环境的小电流接地故障识别方法，其特征在于：提取出谐波电流分量，计算出谐波电流的不平衡度，根据不平衡度自适应调整零序电流的触发阈值。

2.一种适用于谐波环境的小电流接地故障识别方法，其特征在于，所述故障识别方法包括以下步骤：

步骤1、采集小电流接地系统中的A相电压Ua，并通过锁相环PLL得到与A相电网电压Ua同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号cosωt；

步骤2：根据步骤1得到的正弦信号和余弦信号构建abc坐标系到正交αβ坐标系的变换矩阵C₃₂以及正交αβ坐标系到pq旋转坐标系的变换矩阵C_pq，分别计算变换矩阵C₃₂和C_pq的逆矩阵

和

得到坐标变换矩阵C₃₂C_pq以及反坐标变换矩阵

步骤3：采集小电流接地系统三相负载电流I_a、I_b、I_c，通过坐标变换矩阵得到有功电流I_p，然后将有功电流I_p经过低通滤波器得到直流分量

无功电流I_q经过低通滤波器得到直流分量

并通过坐标反变换求出三相基波电流I_a1、I_b1、I_c1；

步骤4：用小电流接地系统三相负载电流I_a、I_b、I_c减去三相基波电流I_a1、I_b1、I_c1，求出谐波电流分量I_ah、I_bh、I_ch，计算谐波电流的不平衡度，根据谐波电流的不平衡度，计算零序电流阈值I_0set的自适应系数k；

步骤5：实时检测小电流接地系统零序电流I₀，若零序电流I₀在设定时间段内超过预设门槛值k倍以上，且某相电流突变量远大于其余两相，则认为小电流接地系统发生了接地故障，判据即为：

I₀>kI_0set且ΔI_a>KΔI_b,ΔI_a>KΔI_c，则判断A相故障；

I₀>kI_0set且ΔI_b>>KΔI_a,ΔI_b>>KΔI_c，则判断B相故障；

I₀>kI_0set且ΔI_c>>KΔI_a,ΔI_c>>KΔI_b，则判断C相故障；

其中，ΔI_a、ΔI_b、ΔI_c分别表示A、B、C三相电流突变量；

K为相电流差异系数，根据线路负载不平衡度和负荷性质，设为5-10。

3.根据权利要求2所述的用于谐波环境的小电流接地故障识别方法，其特征在于：

在步骤1中，若采集的是B相或C相电压，通过将其相位+120°或-120°使其变为A相电压。

4.根据权利要求2所述的用于谐波环境的小电流接地故障识别方法，其特征在于：

在步骤2中，abc坐标系到正交αβ坐标系的变换矩阵C₃₂如下式所示：

正交αβ坐标系到pq旋转坐标系的变换矩阵C_pq如下式所示：

5.根据权利要求2所述的用于谐波环境的小电流接地故障识别方法，其特征在于：

在步骤3中，所述低通滤波器通带截止频率为2100Hz，阻带起始频率为2500Hz，通带波动为3dB，阻带内最小衰减为25dB。

6.根据权利要求5所述的用于谐波环境的小电流接地故障识别方法，其特征在于：

在步骤4中，根据三相谐波电流分量I_ah、I_bh、I_ch，计算出谐波电流的不平衡度p_ah，p_bh，p_ch，计算公式如下：

式中，|I_ah|、|I_bh|、|I_ch|为三相谐波电流的幅值，I_av为三相谐波电流幅值的平均值I_av＝(|I_ah|+|I_bh|+|I_ch|)/3

零序电流I₀阈值的自适应系数k:

k＝max(p_ah,p_bh,p_ch)+1

式中max(g)表示三者中的较大值。

7.根据权利要求2或6所述的用于谐波环境的小电流接地故障识别方法，其特征在于：

在步骤5中，所述设定时间段是指经过连续5个采样数据点，或者超过一个周波即0.02s。

8.根据权利要求7所述的用于谐波环境的小电流接地故障识别方法，其特征在于：

在步骤5中，所述预设门槛值为随系统规模变化，典型推荐值为1A。

9.一种基于权利要求2-8任一项权利要求所述的故障识别方法的小电流接地故障识别系统，包括电压采集模块、三相电流采集模块、锁相环、谐波电流检测单元、零序电流阈值自适应系数计算单元，以及零序电流保护单元；其特征在于：

所述电压采集模块采集小电流接地系统中的A相电压Ua，上传至锁相环，通过锁相环得到与A相电网电压Ua同相位的正弦信号和对应的余弦信号，并将所述正弦信号和余弦信号发送至谐波电流检测单元；

所述谐波电流检测单元对三相电流采集模块采集小电流接地系统三相负载电流，进行谐波提取，得到小电流接地系统三相负载电流；

所述零序电流阈值自适应系数计算单元根据谐波电流的不平衡度中的最大值计算得到零序电流I₀阈值的自适应系数k；

所述零序电流保护单元实时检测小电流接地系统零序电流I₀，若零序电流I₀在设定时间段内超过k倍的预设门槛值，即I₀>kI_0set，则认为小电流接地系统发生了接地故障。

10.根据权利要求9所述的小电流接地故障识别系统，其特征在于：

所述谐波电流检测单元包括坐标变换矩阵模块、低通滤波器、坐标反变换矩阵模块、减法器模块，

其中，三相负载电流经坐标变换模块后经过低通滤波器得到直流分量，然后通过坐标反变换模块求出三相基波电流，通过减法器模块将三相负载电流减去三相基波电流即可求出谐波电流分量。

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