CN110988598B - 基于零序电流关联的花瓣式城市电网接地故障定位方法 - Google Patents

基于零序电流关联的花瓣式城市电网接地故障定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于零序电流关联的花瓣式城市电网接地故障定位方法，对花瓣式城市电网进行了单相和两相接地故障特性分析，充分挖掘了发生接地故障时故障点所在线路两端零序电流的关联关系，为简单有效地实现故障位置精确定位奠定了基础。本发明仅需在收到线路对端保护的零序电流稳态值之后就能实现精确接地故障定位，无需加装行波测量装置、信号注入装置等，所需通信量少、对信息的同步性要求低，性能可靠，简单易行。

Description

基于零序电流关联的花瓣式城市电网接地故障定位方法
技术领域
本发明属于电力系统配电网保护与控制领域，基于花瓣式城市电网接地故障特性分析结果，提出了一种基于线路两端零序电流关联关系的基于零序电流关联的花瓣式城市电网接地故障定位方法。
背景技术
直接面向电力用户的城市电网，承担着为用户提供优质电能的重要责任。传统城市电网大多采用辐射状接线方式，故障影响范围大，难以满足城市地区快速经济发展和民生需求。随着城市用电负荷密度迅速增长，对供电可靠性的要求逐渐提高，城市电网接线方式逐渐向单环网、双环网、多分段多联络等接线方式发展，但环网式城市电网在正常运行方式下通常采用闭环设计、开环运行的模式。另一方面，一些占据重要经济地位的高负荷密度的新区则对电网供电可靠性提出了更高要求，如中新广州知识城要求供电可靠率不低于99.999％。因此，在高负荷密度和高供电可靠性需求的区域，采用花瓣式新型城市电网架构的需求日益增强，并且我国的江苏泰州中国医药城、中新广州知识城、北京城市副中心行政办公区等均已完成花瓣式城市电网建设，为实现我国“建设世界一流电网”目标开展了积极探索。
花瓣式城市电网通常采用中性点经小电阻接地方式。为实现花瓣式城市电网接地故障点的精确定位，在对花瓣式城市电网进行单相接地短路和两相接地短路故障分析的基础上，根据单一花瓣环网主干线两端连接在相同母线呈现出的两侧零序电流特殊关联关系，本发明提出了一种基于线路两端零序电流大小之比的基于零序电流关联的花瓣式城市电网接地故障定位方法。本发明仅需根据线路两端零序电流大小就能够快速实现接地故障位置的准确定位，方法简单，在花瓣式城市电网配置纵联电流差动保护作为主保护的基础上，无需加装设备，所需通信量少，对数据同步性要求低，易于在工程中实施。
发明内容
本发明的目的在于充分利用单一花瓣主干线连接在相同母线呈现出的两侧零序电流特殊关联关系，提供一种简单有效的基于零序电流关联的花瓣式城市电网接地故障定位方法，对花瓣主干线上的接地故障进行精确定位。
本发明的技术方案如下：
一种基于零序电流关联的花瓣式城市电网接地故障定位方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
(1)花瓣式城市电网主干线上每段线路两端均安装有保护装置和断路器，因此每一条花瓣环网主干线上均装有偶数个保护装置，按照顺时针方向，依次对各保护装置进行编号，并称编号较小的保护装置所在线路为上游线路，编号较大的保护装置所在线路为下游线路。所有保护装置，均预先写入该保护所在线路长度、该保护上游线路长度、该保护下游线路长度一级单位长度线路零序阻抗信息。
(2)对花瓣式城市电网主干线进行单相接地故障分析，则流过故障点所在线路两端、编号为奇数和偶数保护的零序电流表达式分别如下：
Figure GDA0002830439220000021
Figure GDA0002830439220000022
其中：
Figure GDA0002830439220000023
和
Figure GDA0002830439220000024
分别为单相接地故障时流过故障点所在线路两端保护的零序电流有效值；
Figure GDA0002830439220000025
为单相接地故障复合序网图中的正序或负序或零序电流的有效值；
ZL1(0)表示故障点所在线路以及该线路所有上游线路的零序阻抗之和；
ZL2(0)表示故障点所在线路所有下游线路的总的零序阻抗；
α为故障点经上游线路到变电站母线的距离与故障点所在线路和该线路所有上游线路总体长度的比值；
(3)对花瓣式城市电网主干线进行两相接地故障分析，则流过故障点所在线路两端、编号为奇数和偶数保护的零序电流表达式分别如下：
Figure GDA0002830439220000026
Figure GDA0002830439220000027
其中：
Figure GDA0002830439220000028
和
Figure GDA0002830439220000029
分别为两相接地故障时流过故障点所在线路两端保护的零序电流有效值；
Figure GDA00028304392200000210
为两相接地故障复合序网图中的零序电流有效值；
(4)故障点所在线路两端保护零序电流大小的比值K1或K2满足如下关系式：
Figure GDA0002830439220000031
Figure GDA0002830439220000032
(5)由步骤(4)中的K1、K2关系式，分别可推导得到α的表达式如下：
Figure GDA0002830439220000033
Figure GDA0002830439220000034
(6)各保护装置按照躲开正常运行时可能出现的最大不平衡电流进行整定，将该整定值作为各保护装置接地故障的启动值I(0)qd，另外，根据主干线各条线路长度，确定主干线中点位置所在线路，根据花瓣式城市电网故障分析结果，同一故障点发生单相接地故障时比发生两相接地故障时流过故障点两侧保护的零序电流要更大，并且当主干线中点处发生接地短路故障时，流过故障点所在线路两端保护的零序电流相等，而此时流过非故障线路两端保护的零序电流也相等，因此，对于主干线中点位置所在线路两侧的保护，预先存入以主干线中点位置发生单相接地故障时的零序电流值乘以大于1的可靠系数得到的数值I(0)pj，并作为后续故障定位判据；
(7)若保护装置启动，则对比流过本保护的零序电流大小和流过所在线路对端保护的零序电流大小，并根据不同情况采取不同定位策略，具体如下：
(a)若奇数号保护的零序电流大于偶数号保护的零序电流，则这两个保护之间的线路为故障线路，并且由奇数号保护给出故障点定位结果，即根据K1计算式求得零序电流比值K1，然后根据步骤(5)中表达式求得α，进而可以求得故障点和奇数号保护之间的距离l1为αZL1(0)-ZL(0)sy，其中ZL(0)sy为该奇数号保护所有上游线路的零序阻抗之和；
(b)若奇数号保护的零序电流小于偶数号保护的零序电流，则这两个保护之间的线路为故障线路，并且由偶数号保护给出故障点定位结果，即根据K2计算式求得零序电流比值K2，然后根据步骤(5)中表达式求得α，进而可以求得故障点和偶数号保护之间的距离l2为(1-α)ZL1(0)；
(c)对于主干线中点所在线路两端的保护，若奇数号保护的零序电流等于偶数号保护的零序电流，并且该零序电流值小于预先整定的I(0)pj，则该线路奇数号保护直接判定故障位置位于本线路内主干线中点所在位置；
(d)对于主干线中点所在线路两端的保护，若奇数号保护的零序电流等于偶数号保护的零序电流，并且该零序电流值大于预先整定的I(0)pj，同时在超过1s时间内本线路保护仍处于零序电流启动状态，则由该线路奇数号保护发出告警信号，可能存在断路器拒动、通信错误或失败等情况。
本发明的优点及有益效果为：
1、本发明对花瓣式城市电网进行了单相和两相接地故障特性分析，充分挖掘了发生接地故障时故障点所在线路两端零序电流的关联关系，为简单有效地实现故障位置精确定位奠定了基础。
2、无论发生单相接地故障还是两相接地故障，本发明均能够实现精确接地故障定位，不受接地故障类型的影响。
3、本发明仅需在收到线路对端保护的零序电流稳态值之后就能实现精确接地故障定位，无需加装行波测量装置、信号注入装置等，所需通信量少、对信息的同步性要求低，性能可靠，简单易行。
附图说明
图1为基于接地故障零序电流关联关系的基于零序电流关联的花瓣式城市电网接地故障定位方法流程图；
图2为花瓣式城市电网拓扑结构图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
首先，按照顺时针方向，对单一花瓣环网主干线上各个保护依次进行编号，如图2所示主干线包括5条线路L1～L5，配置有10个保护装置，依次编号为1～10。另外，假设主干线上5条线路长度均相等，由于花瓣式城市电网在单一花瓣上采用的是同一型号的电缆，因此5条线路的零序阻抗值也相等。同时可知，主干线中点位置位于线路L3上，并且是线路L3的中点位置。
其次，对各保护零序电流启动值进行整定，以判断是否发生接地故障。零序电流启动值按照躲开正常运行时可能出现的最大不平衡电流进行整定，整定公式为
Figure GDA0002830439220000041
其中Krel为大于1的可靠系数，Kre为小于1的返回系数，Iunb为正常运行时的最大不平衡电流。同时，对主干线中点所在线路两端的保护，预先录入该线路两端分别发生单相或两相接地故障时的流过奇数号保护5的零序电流值，并将计算得到两个单相接地故障零序电流值构成一个闭区间SI(0)qj1，将计算得到两个两相接地故障零序电流值构成另一个闭区间SI(0)qj2。
然后，结合各保护所在线路位置，预先录入各保护所在线路长度、所在线路的上游线路总体长度、所在线路的下游线路总体长度、单位长度零序阻抗Z1(0)等信息，以备故障点定位时调用。按照顺时针方向，先将单一花瓣环网在母线处解环，然后根据各线路与母线距离的远近定义上游线路和下游线路，其中靠近母线的线路为上游线路，远离母线的线路为下游线路，分别以线路L1和L2及其线路上保护为例进行说明：
对于线路L1，线路L2～L5均为其下游线路，因此保护1和保护2预先录入保护所在线路L1的长度、下游线路L2～L5的总体长度和单位长度线路零序阻抗等信息；
对于线路L2，线路L1为其上游线路，L3～L5为其下游线路，因此保护3和保护4预先录入所在线路L2的长度、上游线路L1的长度、下游线路L3～L5的总体长度和单位长度线路零序阻抗等信息。
最后，当单一花瓣环网主干线发生接地短路故障时，流过主干线上各保护的零序电流将大于启动值，各保护开始进入故障定位模式。下面以图2中f1～f3不同位置发生接地故障为例，介绍基于零序电流关联特性的花瓣式城市电网故障定位方法：
当f1点发生接地故障时，流过保护1～保护10的零序电流大于启动值，各保护进入故障定位模式，并对比流过本保护及对端保护零序电流值的大小。其中，对于非主干线中点所在线路的L1、L4、L5，流过这些线路两端保护的零序电流大小相等，无需参与故障定位；对于主干线中点所在线路L3，流过该线路两端保护的零序电流大小也相等，但是零序电流值既不在区间SI(0)qj1内，也不在区间SI(0)qj2内，因此不会发出故障定位结果或告警信息；对于故障点所在线路L2，流过该线路保护3的零序电流大于流过保护4的零序电流，因此由奇数号保护3给出故障定位结果，故障点到保护3的距离为Z1(0)(L1+L2+L3+L4+L5)/(I3(0)/I4(0)+1)-Z1(0)L1。
当f2点发生接地故障时，流过保护1～保护10的零序电流大于启动值，各保护进入故障定位模式，并对比流过本保护及对端保护零序电流值的大小。其中，对于非主干线中点所在线路的L1、L2、L5，流过这些线路两端保护的零序电流大小相等，无需参与故障定位；对于主干线中点所在线路L3，流过该线路两端保护的零序电流大小也相等，但是零序电流值既不在区间SI(0)qj1内，也不在区间SI(0)qj2内，因此不会发出故障定位结果或告警信息；对于故障点所在线路L4，流过该线路保护8的零序电流大于流过保护7的零序电流，因此由奇数号保护8给出故障定位结果，故障点到保护8的距离为Z1(0)(L1+L2+L3)-Z1(0)(L1+L2+L3+L4+L5)/(I7(0)/I8(0)+1)。
当f3点发生接地故障时，流过保护1～保护10的零序电流大于启动值，各保护进入故障定位模式，并对比流过本保护及对端保护零序电流值的大小。其中，对于非主干线中点所在线路的L1、L2、L4、L5，流过这些线路两端保护的零序电流大小相等，无需参与故障定位。若f3点不在线路L3的中点位置，且靠近保护5，则流过保护5的零序电流大于流过保护6的零序电流，由保护5给出故障定位结果，故障点到保护5的距离为Z1(0)(L1+L2+L3+L4+L5)/(I5(0)/I6(0)+1)-Z1(0)(L1+L2)；若f3点不在线路L3的中点位置，且靠近保护6，则流过保护6的零序电流大于流过保护5的零序电流，由保护6给出故障定位结果，故障点到保护5的距离为Z1(0)(L1+L2)-Z1(0)(L1+L2+L3+L4+L5)/(I6(0)/I5(0)+1)；若f3点在线路L3的中点位置，流过保护6的零序电流等于流过保护5的零序电流，且该电流值在区间SI(0)qj1或区间SI(0)qj2内，则由奇数号保护5给出故障定位结果，故障点位于线路L3的中点位置；若f3点在线路L3的中点位置，流过保护6的零序电流等于流过保护5的零序电流，且该电流值既不在区间SI(0)qj1内，也不在区间SI(0)qj2内，当零序电流保护启动时间大于1s时，由奇数号保护5发出告警信号，提示可能出现断路器拒动、保护拒动或者通信失败。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (2)

1.一种基于零序电流关联的花瓣式城市电网接地故障定位方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
(1)花瓣式城市电网主干线上每段线路两端均安装有保护装置和断路器，因此每一条花瓣环网主干线上均装有偶数个保护装置，按照顺时针方向，依次对各保护装置进行编号，并称编号较小的保护装置所在线路为上游线路，编号较大的保护装置所在线路为下游线路；所有保护装置，均预先写入该保护所在线路长度、该保护上游线路长度、该保护下游线路长度以及单位长度线路零序阻抗信息；
(2)对花瓣式城市电网主干线进行单相接地故障分析，则流过故障点所在线路两端、编号为奇数和偶数保护的零序电流表达式分别如下：
Figure FDA0002830439210000011
Figure FDA0002830439210000012
其中：
Figure FDA0002830439210000013
和
Figure FDA0002830439210000014
分别为单相接地故障时流过故障点所在线路两端保护的零序电流有效值；
Figure FDA0002830439210000015
为单相接地故障复合序网图中的正序或负序或零序电流的有效值；
ZL1(0)表示故障点所在线路以及该线路所有上游线路的零序阻抗之和；
ZL2(0)表示故障点所在线路所有下游线路的总的零序阻抗；
α为故障点经上游线路到变电站母线的距离与故障点所在线路和该线路所有上游线路总体长度的比值；
(3)对花瓣式城市电网主干线进行两相接地故障分析，则流过故障点所在线路两端、编号为奇数和偶数保护的零序电流表达式分别如下：
Figure FDA0002830439210000016
Figure FDA0002830439210000017
其中：
Figure FDA0002830439210000018
和
Figure FDA0002830439210000019
分别为两相接地故障时流过故障点所在线路两端保护的零序电流有效值；
Figure FDA00028304392100000110
为两相接地故障复合序网图中的零序电流有效值；
(4)故障点所在线路两端保护零序电流大小的比值K1或K2满足如下关系式：
Figure FDA0002830439210000021
Figure FDA0002830439210000022
(5)由步骤(4)中的K1、K2关系式，分别可推导得到α的表达式如下：
Figure FDA0002830439210000023
Figure FDA0002830439210000024
(6)各保护装置按照躲开正常运行时可能出现的最大不平衡电流进行整定，将该整定值作为各保护装置接地故障的启动值I(0)qd，另外，根据主干线各条线路长度，确定主干线中点位置所在线路，根据花瓣式城市电网故障分析结果，同一故障点发生单相接地故障时比发生两相接地故障时流过故障点两侧保护的零序电流要更大，并且当主干线中点处发生接地短路故障时，流过故障点所在线路两端保护的零序电流相等，而此时流过非故障线路两端保护的零序电流也相等，因此，对于主干线中点位置所在线路两侧的保护，预先存入以主干线中点位置发生单相接地故障时的零序电流值乘以大于1的可靠系数得到的数值I(0)pj，并作为后续故障定位判据；
(7)若保护装置启动，则对比流过本保护的零序电流大小和流过所在线路对端保护的零序电流大小，并根据不同情况采取不同定位策略。
2.根据权利要求1所述的基于零序电流关联的花瓣式城市电网接地故障定位方法，其特征在于：所述步骤(7)中定位策略的具体操作为：
(a)若奇数号保护的零序电流大于偶数号保护的零序电流，则这两个保护之间的线路为故障线路，并且由奇数号保护给出故障点定位结果，即根据K1计算式求得零序电流比值K1，然后根据步骤(5)中表达式求得α，进而可以求得故障点和奇数号保护之间的距离l1为αZL1(0)-ZL(0)sy，其中ZL(0)sy为该奇数号保护所有上游线路的零序阻抗之和；
(b)若奇数号保护的零序电流小于偶数号保护的零序电流，则这两个保护之间的线路为故障线路，并且由偶数号保护给出故障点定位结果，即根据K2计算式求得零序电流比值K2，然后根据步骤(5)中表达式求得α，进而可以求得故障点和偶数号保护之间的距离l2为(1-α)ZL1(0)；
(c)对于主干线中点所在线路两端的保护，若奇数号保护的零序电流等于偶数号保护的零序电流，并且该零序电流值小于预先整定的I(0)pj，则该线路奇数号保护直接判定故障位置位于本线路内主干线中点所在位置；
(d)对于主干线中点所在线路两端的保护，若奇数号保护的零序电流等于偶数号保护的零序电流，并且该零序电流值大于预先整定的I(0)pj，同时在超过1s时间内本线路保护仍处于零序电流启动状态，则由该线路奇数号保护发出告警信号，可能存在断路器拒动、通信错误或失败。
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