CN111398733A - 一种海洋核动力平台电网接地故障选线保护方法和系统 - Google Patents

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CN111398733A CN202010198372.5A CN202010198372A CN111398733A CN 111398733 A CN111398733 A CN 111398733A CN 202010198372 A CN202010198372 A CN 202010198372A CN 111398733 A CN111398733 A CN 111398733A
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Abstract

本发明公开了一种海洋核动力平台电网接地故障选线保护方法和系统，属于海洋核动力平台电网保护领域。方法包括：系统发生单相接地故障时，若故障电流幅值高于给定阈值，则中性点保持高阻接地方式，基于最大能量联合熵比选取最佳小波基和分解尺度，并利用基于模极大值的小波变换方法进行接地故障选线；系统发生高过渡电阻接地故障时，将中性点切换至小电阻接地方式，并基于高阻接地故障特点构造一种分支零序电流与故障相电压突变量比相选线保护方法进行接地故障选线。本发明方法能够与海洋核动力平台电力系统运行方式及接地故障特征有效配合，选线正确率高，适应于平台系统可能发生的多种接地故障形式，有效提高了海洋核动力平台的安全防御能力。

Description

一种海洋核动力平台电网接地故障选线保护方法和系统
技术领域
本发明属于海洋核动力平台电网保护领域，更具体地，涉及一种海洋核动力平台电网接地故障选线保护方法和系统。
背景技术
海洋核动力平台是海上移动式小型核电站，是船舶工程与核能工程的有机结合，可为海洋石油开采和偏远岛屿提供安全有效的能源供给，也可用于海水淡化领域。核动力平台电力系统是一个发电、站内供电和系统外送电能高度集成的系统，系统结构紧凑，接地故障频发且故障形式复杂，在各种接地故障状态下快速准确选择并切除故障线路是关键技术问题。
海洋核动力平台利用船身作为接地回路，为保障接地故障时人身和设备安全，中性点采用非有效接地形式。由于中性点不接地方式易产生弧光接地过电压，经消弧线圈接地方式难以适应系统运行状态变化，而中性点经电阻接地方式利用电阻吸能特性能够在一定程度上减小接地故障电流并抑制弧光过电压，因此核动力平台系统采用经电阻接地方式。
目前配电网常用的故障选线方法主要包括基于智能化方法、故障稳态信息量以及故障暂态信息量故障选线。其中，基于智能化故障选线方法主要利用专家系统、神经网络、模糊理论等信息融合技术，具有较高的故障识别能力，但对不同接地故障形式缺乏统一标准，且方法复杂导致选线时间较长，难以满足核动力平台系统快速切除故障要求；基于故障稳态信息量方法主要包括零序电流比幅比相法、零序有功功率法、谐波法等，由于核动力平台系统多采用经高阻接地形式，故障稳态电流幅值较小，因此，基于故障稳态信息选线方法正确率较低；由于系统发生接地故障时会产生较大的暂态电气量，因此基于故障暂态信息量的选线方法在配网系统接地选线保护中得到广泛应用，其中小波变换方法能够有效提取故障信号局部特征，但在实际应用过程中缺乏针对特定线路故障特征信号的自适应小波变换函数选取方法。除此之外，当系统发生高过渡电阻接地故障时，故障特征量仍不明显，选线保护灵敏度较低。
综上，对于海洋核动力平台电力系统而言，常规故障选线方法在极端故障条件下保护灵敏度较低，且难以适应不同的接地故障形式，无法满足核动力平台安全运行要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种海洋核动力平台电网接地故障选线保护方法和系统，其目的在于提高海洋核动力平台系统选线保护的准确性和灵敏性，从而增强海洋核动力平台的安全防御能力。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种海洋核动力平台电网接地故障选线保护方法，包括：
S1.监测海洋核动力平台电网母线的三相电压、电流波形；判断系统是否发生单相接地故障；若是，则根据故障发生时刻后的母线三相电压，判断接地故障相，并执行步骤S2；若否，则继续监测；
S2.海洋核动力平台电网在正常运行时系统中性点采取高阻接地方式，当监测到发生接地故障时，提取各分支馈线零序电流量，判断各分支馈线零序电流幅值是否均高于给定阈值；若是，则保持系统中性点高阻接地方式不变，并执行步骤S3；若否，则将系统中性点切换至小电阻接地方式，并执行步骤S4；
S3.利用最大能量联合熵比选取最佳小波基函数和分解尺度，并基于小波变换的模极大值方法实现选线保护；
S4.求解各分支馈线故障前后零序电流突变量与故障相电压突变量的相位差，并基于高阻接地故障特征的比相方法实现选线保护。
进一步地，步骤S1中判断系统是否发生单相接地故障以及接地故障相的判断方法具体为：
根据监测得到的母线三相电压计算得到母线零序电压，当母线零序电压大于0.15倍母线额定电压时判定系统发生单相接地故障；
提取单相接地故障发生时刻后的母线三相电压，比较母线三相电压幅值，将幅值最小的一相判断为接地故障相。
进一步地，S2中所述给定阈值根据系统安装的零序电流互感器精度整定。
进一步地，步骤S3具体包括：
S3.1利用最大能量联合熵比从db(n)小波基函数中为各分支馈线选取最佳小波基函数及分解尺度；
S3.2在最佳小波基函数及分解尺度下求解各分支馈线零序电流的小波变换细节分量模极大值；
S3.3判断各分支馈线细节分量模极大值的极性是否一致；若一致，则母线处发生接地故障；若不一致，则零序电流细节系数模极大值平方值最大的线路为故障线路；判断出故障线路后，切除该线路以清除接地故障。
进一步地，所述最大能量联合熵比表达式如下：
Figure BDA0002418444850000031
其中，Ej,n为故障信号小波变换尺度j下对应的能量；H(Y,db)为故障信号与小波基函数db(n)间的交叉熵。
进一步地，步骤S4具体包括：
S4.1将故障发生后一个周波各分支馈线的故障相电压
Figure BDA0002418444850000032
及零序电流量
Figure BDA0002418444850000033
与故障发生前一个周波的对应正常量相减，求取故障前后各分支馈线的故障相电压突变量
Figure BDA0002418444850000034
及零序电流突变量
Figure BDA0002418444850000035
S4.2求解故障前后各分支馈线零序电流突变量
Figure BDA0002418444850000041
与故障相电压突变量
Figure BDA0002418444850000042
的相位差
Figure BDA0002418444850000043
S4.3将相位差
Figure BDA0002418444850000044
位于区间范围(120°,240°)的分支馈线判定为接地故障发生线路；若所有分支馈线相位差均不在上述区间范围，则判定接地故障发生在母线处；判断出故障线路后，切除该线路以清除接地故障。
按照本发明的另一方面提供了一种海洋核动力平台电网接地故障选线保护系统，该系统采用上述的海洋核动力平台电网接地故障选线保护方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
本发明从海洋核动力平台系统可能发生的多种接地故障形式出发，并协同多模接地控制方式，将系统接地方式与接地故障形式自适应结合，提高了选线保护灵敏度；在此基础上结合最大能量联合熵比自适应选取最佳小波基函数和分解尺度，对传统的小波变换选线方法进行了改进，并基于高阻接地故障特点提出比相选线方法，进一步提高了海洋核动力平台系统选线保护的准确性和灵敏性，从而有效提高了海洋核动力平台的安全防御能力，并为其他非有效接地的船舶电力系统提供接地故障选线技术参考。
附图说明
图1是本发明提供的一种海洋核动力平台电网接地故障选线保护方法的流程图；
图2是本发明提供的基于多模接地控制方式的海洋核动力平台中压电力系统示意图；
图3是本发明实例提供的海洋核动力平台中压电力系统线路3末端发生高过渡电阻接地故障时，各馈线零序电流分量的突变量与故障相电压分量突变量的相位差仿真结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种海洋核动力平台电网接地故障选线保护方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：
S1.监测海洋核动力平台电网运行状态下的母线三相电压、电流波形；判断系统是否发生单相接地故障；若是，则根据故障发生时刻后的母线三相电压，判断接地故障相，并执行步骤S2；若否，则继续监测；
具体地，当母线零序电压大于0.15倍母线额定电压时判定系统发生单相接地故障，零序电压突变时刻为故障发生时刻。以采样频率10kHz采样并提取单相接地故障发生时刻后的母线三相电压
Figure BDA0002418444850000051
比较三相电压幅值，幅值最小的一相判断为接地故障相；
S2.提取各分支馈线零序电流量，判断各分支馈线零序电流幅值是否均高于给定阈值；若是，则保持系统中性点高阻接地方式不变，并执行步骤S3；若否，则将系统中性点切换至小电阻接地方式，并执行步骤S4；
具体地，以采样频率10kHz采样并提取单相接地故障发生时刻后各馈线零序电流量
Figure BDA0002418444850000052
若每个馈线零序电流幅值均高于给定阈值3I0m，系统中性点仍采用高阻接地方式；其中i表示海洋核动力平台电网中的第i条分支馈线，给定阈值3I0m根据所安装的零序电流互感器精度整定，建议采用高精度零序电流互感器；若存在分支馈线零序电流幅值低于给定阈值的情况，协同多模接地控制方式，将系统中性点切换至小电阻接地方式；
在本发明实施例中，多模接地控制是指在发电机中性点处配置图2中的多模电阻器，其中R1为高阻接地电阻器、R2为小电阻接地电阻器，R1、R2的阻值根据系统发生单相接地故障时的对地电容电流确定，具体地，系统高阻接地电阻器R1的阻值根据系统发生单相接地故障时流过R1的电流等于对地电容电流确定；系统低阻接地电阻器R2的阻值根据系统发生单相接地故障时流过R2的电流等于4倍的对地电容电流确定；。系统正常运行时，采用高阻接地方式，开关K1闭合，K2断开；当系统发生金属性、间歇性弧光、低过渡电阻接地故障时，各分支馈线零序电流较大，满足接地选线保护灵敏性要求，系统运行不变，仍采用高阻接地方式，有效防止接地故障电流过大给平台内人身设备安全构成威胁，并利用电阻吸能原理抑制暂态弧光过电压；当系统监测到单相接地故障后，若存在分支馈线零序电流幅值低于给定阈值的情况，认为系统发生高过渡电阻接地故障，此时各分支馈线零序电流较小，因此将开关K2闭合，K1断开，系统切换至小电阻接地方式，从而提高选线保护灵敏度。
S3.利用最大能量联合熵比选取最佳小波基函数和分解尺度，并基于小波变换的模极大值方法实现选线保护；
具体地，系统监测到单相接地故障后，若每个馈线零序电流幅值均高于给定阈值，系统中性点仍采用高阻接地方式，此时利用基于小波变换的模极大值方法实现选线保护。海洋核动力平台电力系统发生单相接地故障时，故障初期产生的暂态量具有突变或者奇异性，根据小波变换奇异性检测原理，故障后零序电流暂态分量小波变换系数模极大值和零序电流暂态分量奇异性相对应。因此，对发生接地故障后各线路的暂态零序电流进行小波分解和重构，求解重构后各分支馈线零序电流细节系数模极大值，比较模极大值极性可判断故障发生在母线还是分支馈线，当故障发生在分支馈线时，模极大值平方值最大线路为故障线路。但若小波基函数和分解尺度选取不当，变换结果将无法体现故障特征，可能导致选线结果误判，影响系统安全，因此需要制定相应的评估标准来选取故障信号的最佳小波基和分解尺度。本发明从小波变换结果的能量以及小波基函数与故障暂态信号的相关性角度出发，提出最大能量联合熵比，实现故障选线最佳小波基函数和分解尺度的自适应选取。
具体过程如下：
将步骤S2得到的各分支馈线的零序电流
Figure BDA0002418444850000075
视为故障信号Y(i)。对采样长度为N的故障信号Y(i)在db(n)小波基函数下进行尺度为j的小波分解和细节分量重构，得到长度为N的小波分解细节系数W(j,n)，则在小波变换尺度j下对应的能量为
Figure BDA0002418444850000071
当小波分解细节系数与故障暂态信号相近时，小波变换结果能够有效反映故障特征信息，利用信息论中交叉熵的概念来衡量故障暂态信号与小波分解细节系数的相关度，则信号Y(i)与小波基函数db(n)间的交叉熵定义为
Figure BDA0002418444850000072
其中p(Yi,dbn)为故障信号Y(i)与小波基系数间的联合能量分布概率，
Figure BDA0002418444850000073
在小波变换接地选线保护中，小波变换结果的能量越大，越容易区分故障线路和非故障线路；交叉熵越小，说明该小波基函数对故障信号的拟合程度越高、有效信息越多。综合小波变换结果能量及小波基函数与故障信号信号的交叉熵两方面因素，本发明提出“最大能量联合熵比”作为最佳小波变换基函数与分解尺度的衡量指标。最大能量联合熵比定义为
Figure BDA0002418444850000074
R越大，故障信号对应的小波系数幅值越大，与原信号相似程度越高，越能够反映故障信号的暂态局部特性，利用最大能量联合熵比可从db(n)小波基中为各分支馈线选取最佳小波基函数及分解尺度；
在最佳小波基函数及分解尺度下求解各分支馈线零序电流的小波变换细节分量模极大值，判断各分支馈线细节分量模极大值的极性是否一致，若一致，则母线处发生接地故障；若不一致，则零序电流细节系数模极大值平方值最大的线路为故障线路。判断出故障线路后，切除该线路以清除接地故障。
S4.求解各分支馈线故障前后零序电流突变量与故障相电压突变量相位差，并基于高阻接地故障特征的比相方法实现选线保护；
具体地，系统监测到单相接地故障后，若存在馈线零序电流幅值低于给定阈值的情况，认为系统发生高过渡电阻接地故障，系统中性点切换至小电阻接地方式。此时对于故障线路而言，由于过渡电阻阻值较高，故障电流以阻性电流为主，零序电流突变量
Figure BDA0002418444850000081
与故障相电压突变量
Figure BDA0002418444850000082
相位差在180°左右；而对于非故障线路而言，流过线路首端的零序电流主要由本线路对地电容电流提供，以容性电流为主，零序电流突变量
Figure BDA0002418444850000083
与故障相电压突变量
Figure BDA0002418444850000084
相位差在90°左右。根据这一差异，可以构造基于高阻接地故障特征的比相选线判据，即比较各分支出线故障前后一个周波内零序电流突变量
Figure BDA0002418444850000085
与故障相电压突变量
Figure BDA0002418444850000086
相位差；若各馈线相位差均在90°附近，则故障发生在母线；若存在相位差位于区间(120°,240°)，则判定该线路为接地故障线路。
基于上述分析，系统中性点在小电阻接地方式下，接地故障选线方法具体如下：
S4.1将故障发生后一个周波各分支馈线的故障相电压
Figure BDA0002418444850000087
及零序电流量
Figure BDA0002418444850000088
与故障发生前一个周波的对应正常量相减，求取故障前后各分支馈线的故障相电压突变量
Figure BDA0002418444850000089
及零序电流突变量
Figure BDA00024184448500000810
S4.2求解故障前后各分支馈线零序电流突变量
Figure BDA00024184448500000811
与故障相电压突变量
Figure BDA00024184448500000812
的相位差
Figure BDA00024184448500000813
其中，arg表示相量的相角求解运算；
S4.3将相位差
Figure BDA0002418444850000091
位于区间范围(120°,240°)的分支馈线判定为接地故障发生线路；若所有分支馈线相位差均不在上述区间范围，则判定接地故障发生在母线处；判断出故障线路后，切除该线路以清除接地故障。
本发明实施例在MATLAB/Simulink软件平台中搭建图2所示的基于多模接地控制方式的海洋核动力平台中压电力系统仿真模型，其中，各分支馈线长度已在图2中标出，根据系统对地电容电流与接地电阻器阻值间的关系可计算出系统高阻接地电阻器R1的阻值为2286Ω，高阻接地电阻器R2的阻值为572Ω。为比较本发明所提供的基于协同多模接地控制的海洋核动力平台电网接地故障选线保护方法在不同形式的单相接地故障下的应用效果，在系统内分别设置低过渡电阻(100Ω)接地故障和高过渡电阻(1000Ω)接地故障。
1、设置0.1s时线路3末端发生接地过渡电阻为100Ω的A相接地故障，执行本发明提出的故障选线保护方法，具体步骤如下：
(1)对配电网运行状态进行实时监测，记录的电网正常运行条件下的电压、电流波形，每隔10个工频周波进行更新。当母线零序电压大于0.15倍母线额定电压时判定系统发生单相接地故障，零序电压突变时刻为故障发生时刻。以采样频率10kHz采样并提取单相接地故障发生时刻后的母线三相电压
Figure BDA0002418444850000092
比较三相电压幅值，其中A相幅值最小，判断为A相接地故障；
(2)以采样频率10kHz采样并提取单相接地故障发生时刻后各馈线零序电流量
Figure BDA0002418444850000093
由于每个馈线零序电流幅值均高于给定阈值3I0m，系统中性点仍采用高阻接地方式；
(3)利用最大能量联合熵比选取各馈线故障零序电流信号的最佳小波基函数和分解尺度，选取结果如表1所示。在最佳小波基函数和分解尺度下对各馈线零序电流进行小波变换，得到的细节系数模极大值结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002418444850000101
分析表1中的故障选线结果可知，线路3零序电流细节系数极性与其他线路相反，且模极大值平方值最大，判定为故障线路，选线结果正确。
2、设置0.1s时线路3末端发生接地过渡电阻为1000Ω的A相接地故障，执行本发明提出的故障选线保护方法，具体步骤如下：
(1)对配电网运行状态进行实时监测，记录的电网正常运行条件下的电压、电流波形，每隔10个工频周波进行更新。当母线零序电压大于0.15倍母线额定电压时判定系统发生单相接地故障，零序电压突变时刻为故障发生时刻。以采样频率10kHz采样并提取单相接地故障发生时刻后的母线三相电压
Figure BDA0002418444850000102
比较三相电压幅值，其中A相幅值最小，判断为A相接地故障；
(2)以采样频率10kHz采样并提取单相接地故障发生时刻后各馈线零序电流量
Figure BDA0002418444850000103
由于存在馈线零序电流幅值低于给定阈值3I0m，判断为系统发生高过渡电阻接地故障；协同多模接地控制方式，将开关K2闭合，K1断开，系统切换至小电阻接地方式；
(3)求解各分支馈线故障前后一个周波内零序电流突变量
Figure BDA0002418444850000104
与故障相电压突变量
Figure BDA0002418444850000105
相位差，结果如图3所示。分析图3结果可知，线路1、2、4对应的突变量相位差均在90°附近，线路3对应的突变量相位差接近180°，则判定线路3为接地故障线路，选线结果正确。
与传统接地故障选线方法相比，本发明中基于核动力平台系统故障模式特点进行接地故障选线保护方法的设计，协同多模接地控制方式，在不同类型的接地故障情况下灵活变换系统运行方式，有效提高了选线保护的准确性与灵敏度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种海洋核动力平台电网接地故障选线保护方法，其特征在于，包括：
S1.监测海洋核动力平台电网母线的三相电压、电流波形；判断系统是否发生单相接地故障；若是，则根据故障发生时刻后的母线三相电压，判断接地故障相，并执行步骤S2；若否，则继续监测；
S2.海洋核动力平台电网在正常运行时系统中性点采取高阻接地方式，当监测到发生接地故障时，提取各分支馈线零序电流量，判断各分支馈线零序电流幅值是否均高于给定阈值；若是，则保持系统中性点高阻接地方式不变，并执行步骤S3；若否，则将系统中性点切换至小电阻接地方式，并执行步骤S4；
S3.利用最大能量联合熵比选取最佳小波基函数和分解尺度，并基于小波变换的模极大值方法实现选线保护；
S4.求解各分支馈线故障前后零序电流突变量与故障相电压突变量的相位差，并基于高阻接地故障特征的比相方法实现选线保护。
2.根据权利要求1所述的一种海洋核动力平台电网接地故障选线保护方法，其特征在于，步骤S1中判断系统是否发生单相接地故障以及接地故障相的判断方法具体为：
根据监测得到的母线三相电压计算得到母线零序电压，当母线零序电压大于0.15倍母线额定电压时判定系统发生单相接地故障；
提取单相接地故障发生时刻后的母线三相电压，比较母线三相电压幅值，将幅值最小的一相判断为接地故障相。
3.根据权利要求1或2所述的一种海洋核动力平台电网接地故障选线保护方法，其特征在于，S2中所述给定阈值根据系统安装的零序电流互感器精度整定。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种海洋核动力平台电网接地故障选线保护方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
S3.1利用最大能量联合熵比从db(n)小波基函数中为各分支馈线选取最佳小波基函数及分解尺度；
S3.2在最佳小波基函数及分解尺度下求解各分支馈线零序电流的小波变换细节分量模极大值；
S3.3判断各分支馈线细节分量模极大值的极性是否一致；若一致，则母线处发生接地故障；若不一致，则零序电流细节系数模极大值平方值最大的线路为故障线路；判断出故障线路后，切除该线路以清除接地故障。
5.根据权利要求4所述的一种海洋核动力平台电网接地故障选线保护方法，其特征在于，所述最大能量联合熵比表达式如下：
Figure FDA0002418444840000021
其中，Ej,n为故障信号在小波变换尺度j下对应的能量；H(Yi,dbn)为故障信号与小波基函数db(n)间的交叉熵，n表示小波基函数的消失矩，i表示海洋核动力平台电网中的分支馈线序号。
6.根据权利要求1所述的一种海洋核动力平台电网接地故障选线保护方法，其特征在于，步骤S4具体包括：
S4.1将故障发生后一个周波各分支馈线的故障相电压
Figure FDA0002418444840000022
及零序电流量
Figure FDA0002418444840000023
与故障发生前一个周波的对应正常量相减，求取故障前后各分支馈线的故障相电压突变量
Figure FDA0002418444840000024
及零序电流突变量
Figure FDA0002418444840000025
S4.2求解故障前后各分支馈线零序电流突变量
Figure FDA0002418444840000026
与故障相电压突变量
Figure FDA0002418444840000027
的相位差
Figure FDA0002418444840000028
S4.3将相位差
Figure FDA0002418444840000029
位于区间范围(120°,240°)的分支馈线判定为接地故障发生线路；若所有分支馈线相位差均不在上述区间范围，则判定接地故障发生在母线处；判断出故障线路后，切除该线路以清除接地故障。
7.一种海洋核动力平台电网接地故障选线保护系统，其特征在于，所述系统采用如权利要求1至6任一项所述的海洋核动力平台电网接地故障选线保护方法。
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