CN111413643A - 一种配电网单相接地故障辨识方法 - Google Patents

一种配电网单相接地故障辨识方法 Download PDF

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CN111413643A CN202010297934.1A CN202010297934A CN111413643A CN 111413643 A CN111413643 A CN 111413643A CN 202010297934 A CN202010297934 A CN 202010297934A CN 111413643 A CN111413643 A CN 111413643A
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Abstract

本发明公开了一种配电网单相接地故障辨识方法，它包括：确定故障检测时采集暂态分量作为故障辨识的特征参数；通过对单相接地故障的电气量利用对称分量变换进行解耦；提取故障下暂态分量中的的负序电流和零序电流值，选取最优的故障特征量对单相接地进行识别；基于空间负序矢量法对三相电流进行变换得到空间负序电流，以空间负序电流作为故障辨识特征量识别是否发生单相接地故障，确定故障类型为单相接地故障时启动单相接地选线装置进行故障线路识别，并根据负序分量在故障支路和非故障支路上的差异实现故障线路的辨识；解决了现有技术针对配电网单相接地故障辨识的影响因素较多导致判据可靠性不高，使得单相接地故障的准确识别性差等问题。

Description

一种配电网单相接地故障辨识方法
技术领域
本发明属于配电网故障诊断技术，尤其涉及一种配电网单相接地故障辨识方法。
背景技术
电能质量的高低对于维护电力系统安全可靠的运行起着不可或缺的作用，而在我国6～35kV配电网系统中，电力系统出现故障所占比例最大的是单相接地故障。当系统中的某一相接地时，但由于故障电流比较小，所以在故障发生后仅仅相电压产生改变，但是线电压还是保持对称，还能够对用户正常供电，因此，当发生单相故障后，系统可以带电运行一段时间，但是保护设备需要快速做出动作并发出故障信号，采取恰当的解决办法，缩短故障时间，提高供电可靠性。
在中国经济新常态的形势下，我国的电力系统水平随着经济的高速发展也得到了提高，目前我国配电网的规模越来越大，出线越来越多，为了提高配网系统的节能高效性，电缆和架空线混合的出线方式被大量使用，致使配电系统的对地电容增大，当发生接地时流过线路的故障电流随之增大，如果在这种情况下发生单相接地故障而没有及时处理，那么就很容易引发其他更严重的故障，倘若长时间处于单相接地的运行模式下，极有可能导致电力系统失去平衡，会威胁到整个系统的运行安全。此外，由于发生单相接地后的非故障相的相电压突增为原来的3倍，会对配电设备的绝缘性能产生影响，大大增加了事故发生的可能性。因此，为了保证系统的可靠性及安全性，必须要准确识别并及时找出故障线路。
研究智能配电网故障定位及故障类型判别的意义如下：(1)提高供电可靠性：当配电网输电线路发生接地或者短路故障后，可以迅速地辨识出故障区域的故障类型，这样有助于现场工作人员根据故障地点及故障类型作出最准确最快速的复电方案，这在一定程度上保证了持续供电的能力，也提高了供电的可靠性。(2)提高电网预警能力：根据对某一地区故障定位及故障类型的长期监测，总结该地区经常发生的故障区域以及该区域发生的故障类型，并以此对该区域的配电网输电线路进行优化与调整，达到降低该地区的故障发生率，提高电网的预警能力。(3)提高工作效率：现场工作人员由于无法判断故障原因而需要在检修过程中耗费大量时间来进行故障判别，而精准的故障定位及故障类型判别有助于调度员根据具体故障类型制定合理的检修方案，这不仅快速高效地消除了故障，+也提高了电网工作效率。
目前针对配电线路的单相接地故障研究，大多数学者采用Petri网络法、人工神经网络法、专家系统法等方法对故障的故障特征进行分析，而这类方法的影响因素较多导致判据可靠性不高。对于单相接地故障的准确识别，目前尚无妥善的解决方法。因此如何使辨识单相接地故障更加准确是当前亟需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种配电网单相接地故障辨识方法，以解决现有技术针对配电网单相接地故障辨识采用Petri网络法、人工神经网络法、专家系统法等方法对故障的故障特征进行分析，而这类方法的影响因素较多导致判据可靠性不高，使得单相接地故障的准确识别性差等问题。
本发明技术方案是：
一种配电网单相接地故障辨识方法，它包括：
步骤1、分析配网系统的特征量，确定故障检测时采集暂态分量作为故障辨识的特征参数；
步骤2、通过对单相接地故障的电气量利用对称分量变换进行解耦，并提取故障下暂态分量中的的负序电流和零序电流值，同时分析单相接地故障线路的负序电流值的大小关系，从而选取最优的故障特征量对单相接地进行识别，以提高单相接地辨识的准确性；
步骤3、基于空间负序矢量法对三相电流进行变换得到空间负序电流，以空间负序电流作为故障辨识特征量识别是否发生单相接地故障，当确定故障类型为单相接地故障时，将启动单相接地选线装置进行故障线路识别，并根据负序分量在故障支路和非故障支路上的差异实现故障线路的辨识。
它还包括：
步骤4、对单相接地故障为例进行仿真分析，包含：发生单相接地故障时，故障线路首端空间负序电流有效值分析；在线路不同故障点处发生单相接地时空闻负序电流有效值分析。
步骤1所述分析配网系统的特征量，确定故障检测时采集暂态分量作为故障辨识的特征参数的具体方法包括：
步骤1.1、以
Figure BDA0002452913460000021
分别表示A、B、C三相的电动势，A相在d点金属性接地，各相对地的电压如下所示：
Figure BDA0002452913460000022
当出现单相接地故障时，非故障相的对地电压会发生变化，增加到和线电压一样大，而故障相电压则会减小到0；如下式所示为系统的零序电压：
Figure BDA0002452913460000023
Figure BDA0002452913460000024
Figure BDA0002452913460000025
Figure BDA0002452913460000026
各相对地电容电流为式(3)所示；
Figure BDA0002452913460000027
的有效值为式(4)所示；零序电流为式(5)所示；得出当系统中的某条线路出现单相短路故障时，故障线中相当于不会有零序电流通过；
步骤2.2、配网单相接地的暂态量分析；
将配网中出现的单相接地故障的暂态量的等值电路进行等效；网络分布参数包含R、C、L以及消弧线圈的集中电感Lk；在零序回路里，u(t)为零序电源电压，C为三相对地电容，R为等值电阻，三相线路及电源变压器等作为等值电感L的一部分；
则得
Figure BDA0002452913460000031
忽略Lk的影响，分析暂态电容电流，实质就是分析在RLC串联回路中添加一个零序电压的过渡过程；通过等式Icm＝UmωC以及初始条件ic,st+ic,os＝0，研究暂态电容电流ic含稳态分量ic,st及暂态自由振荡分量ic,os，并且经拉氏变换后如下式所示：
Figure BDA0002452913460000032
τc为回路的时间常数，Icm表示电容电流幅值，δ＝1/τc与ωf表示暂态自由振荡分量的衰减系数及角频率，Ucm表示相电压幅值；τc的大小与自由振荡衰减速度成反比影响，τc越大，其衰减速度越小，τc越小，其衰减速度越大；但是如果系统的运行方式维持稳定不变，则τc的大小也会保持不变；由于
Figure BDA0002452913460000033
和
Figure BDA0002452913460000034
两因子存在于自由分量ic,os中，所以确定只要发生接地故障，系统就会产生自由振荡分量，也就是暂态分量。
步骤2所述通过对单相接地故障的电气量利用对称分量变换进行解耦，并提取故障下暂态分量中的的负序电流和零序电流值，同时分析单相接地故障线路的负序电流值的大小关系，从而选取最优的故障特征量对单相接地进行识别，以提高单相接地辨识的准确性的方法包括：
步骤2.1、在系统发生故障后针对零序和负序的序网图进行分析，得出线路首端和故障点处的电气量相互对应；
步骤2.2、对故障点处的特性进行分析，相当于对故障线路首端进行分析，然后通过测量线路首端的电流以及电压的情况，以此来判别故障所属类型；
步骤2.3、设置线路L1的故障k点处发生A相接地故障，对单相接地故障的序电流等值电路进行分析；根据序特性分析方法系统做出对应的正序、负序和零序等值电路，分析单相接地故障线路的负序电流值的大小关系。
步骤3所述基于空间负序矢量法对三相电流进行变换得到空间负序电流的方法包括：
空间序矢量是指构成rwh坐标系统的一组空间分量，即将一组不对称的三相瞬时值通过空间坐标变换得到的空间序矢量，其对应的坐标变换如下：
Figure BDA0002452913460000035
式中：
Figure BDA0002452913460000036
分别表示rwh坐标系下的瞬时正序、负序和零序矢量；
Figure BDA0002452913460000037
分别表示ABC系统的各相瞬时值；
对系统三相分量进行瞬时对称分量变换，利用得到的三个瞬时负序分量经过变换合成空间负序矢量；令a＝ejθ，设行向量令T2＝(1a2a)，将
Figure BDA0002452913460000038
分别表示以A、B、C相为基准相变换得到的瞬时负序分量，则空间负序矢量为
Figure BDA0002452913460000041
式中：
Figure BDA0002452913460000042
设
Figure BDA0002452913460000043
式中：
Figure BDA0002452913460000044
表示正常运行时三相瞬时序分量，且
Figure BDA0002452913460000045
都为0；
Figure BDA0002452913460000046
表示发生故障时序分量变化量；
根据式(9)和(10)得出
Figure BDA0002452913460000047
根据上式得出：系统波动时的一组分量为
Figure BDA0002452913460000048
由于故障情况下，故障负序变化量
Figure BDA0002452913460000049
取值相对小，甚至有可能小于
Figure BDA00024529134600000410
那么
Figure BDA00024529134600000411
的存在将会影响
Figure BDA00024529134600000412
的应用；通过对其进行变换分析，以此来消除这个影响因素：以A、B、C相为基准的负序分量
Figure BDA00024529134600000416
Figure BDA00024529134600000414
则
Figure BDA00024529134600000415
设三相正序电气量为：ha＝Amsinωt，hb＝Amsin(ωt-120°)，hc＝Amsin(ωt+120°)，当对其进行瞬时对称分量解耦时，在复平面上对hb、hc的相位进行旋转；正常运行时，变换后无负序分量，正序分量三相和为零；但是当运行中的系统的频率发生偏离时，可以通过相位的旋转变换，其旋转角度为120°+θ，则：
h2a＝Amsinωt+Amsin(ωt+120°-θ)+Amsin(ωt+240°+θ) (13)
同理，以B、C相为基准的负序变换为：
h2b＝Amsin(wt-120°)+Amsin(wt-θ)+Amsin(wt+240°+θ)
h2c＝Amsin(wt+120°)+Amsin(wt+θ)+Amsin(wt-120°-θ) (14)
将其化简为：
Figure BDA0002452913460000051
由式(15)可以看出，三个负序矢量可以构成一组正序分量，因此
Figure BDA0002452913460000052
具有正序性质；基于以上分析，则空间负序矢量表示如下式所示：
Figure BDA0002452913460000053
式中：Tw＝(e-jξe-j(ξ+θ)e-j(ξ-θ))
由于
Figure BDA0002452913460000054
具有正序性质，则式(16)的第一项通过变换后的输出为0；
因此，空间负序矢量
Figure BDA0002452913460000055
能够不受系统运行方式以及外界干扰因素的影响，还能消除系统正序分量的影响，是理想的故障特征量。
步骤3所述空间负序电流作为故障辨识特征量识别是否发生单相接地故障的方法为：
空间负序电流是指系统三相电流基于瞬时对称分量法以不同相为基准相通过变换得到的瞬时负序电流，根据瞬时对称分量法，分别以A、B、C相电流为基准得到的各序分量为：
Figure BDA0002452913460000056
Figure BDA0002452913460000057
Figure BDA0002452913460000061
由上式可得：
Figure BDA0002452913460000062
从而在式(18)的基础之上计算空间负序电流矢量为：
Figure BDA0002452913460000063
将具有与
Figure BDA0002452913460000064
相同的性质的实部进行数值计算，能够简化计算，通过用故障前后负序电流变化量来描述故障情况，以此来消除系统运行中不平衡引起的负序分量的影响；同时，首先通过对正常运行的一个周期电流分量进行采样并进行均方根计算；其次，通过利用下一个新的采样点替代前一个周期的第一个采样点，重新构成一个周期并进行计算新的有效值，能够实时得到负序电流变化量的有效值，其计算公式如下：
Figure BDA0002452913460000065
式中，Δiw表示空间负序电流变化量瞬时值，单位用A来表示，N表示每周期的总采样点数。
步骤3所述根据负序分量在故障支路和非故障支路上的差异实现故障线路的辨识的方法为：
在配电网系统中，满足的故障识别判据用单相接地故障时的空间负序电流有效值ΔI1表示如下式所示：
0＜ΔI＜ΔI1 (21)
当空间负序电流ΔI满足上式时，则表示系统发生单相接地故障，当空间负序电流ΔI不满足上式时，则表示系统没有发生单相接地故障。
步骤2.1所述在系统发生故障后针对零序和负序的序网图进行分析，得出线路首端和故障点处的电气量相互对应的方法为：
当系统产生单相接地故障时，故障端口的正序、负序和零序电流用
Figure BDA0002452913460000066
来表示，以k点流出为正方向，故障端口的正序、负序和零序电压降用
Figure BDA0002452913460000067
来表示，且有
Figure BDA0002452913460000068
得到序网中任一节点n的序电压：
Figure BDA0002452913460000071
式中为发生故障点开路的时候，序网中任一节点n的正序电压，由于负序和零序为无源网络，所以
Figure BDA0002452913460000072
表示故障点k与节点n之间的各序互阻抗；
Figure BDA0002452913460000073
表示序网中电源置零时，仅仅
Figure BDA0002452913460000074
在节点n处产生的序电压；
那么故障端口两端的正序、负序和零序电压如下式所示；
Figure BDA0002452913460000075
则故障端口的正序、负序和零序电压表达式为：
Figure BDA0002452913460000076
在配电网运行中，由式(22)和式(24)得出线路首端和故障点处的电气量相互对应。
步骤2.3所述设置线路L1的故障k点处发生A相接地故障，对单相接地故障的序电流等值电路进行分析；根据序特性分析方法系统做出对应的正序、负序和零序等值电路，分析单相接地故障线路的负序电流值的大小关系的方法为：Zx1、Zx2分别为所有非故障线路负载正序和负序阻抗；
Figure BDA0002452913460000077
分别表示所有非故障线路正序、负序和零序电流总和；XCx1、XCx2、XCx0分别表示所有非故障线路对地正序、负序和零序容抗值；
Figure BDA0002452913460000078
分别表示故障线路故障点正序、负序和零序电压；
Figure BDA0002452913460000079
分别表示故障线路负载端正序和负序电流；
Figure BDA00024529134600000710
分别表示故障线路故障点正序、负序和零序电流；XCA1、XCA2、XCA0分别表示故障线路对地正序、负序和零序容抗值；Z′A1、Z′A2分别表示故障线路负载王序和负序阻抗；
Figure BDA00024529134600000711
为电源电动势；Xs1、Xs2分别表示系统电源侧电抗值；
则开路电压和正序阻抗为：
Figure BDA00024529134600000712
系统的负序阻抗和零序阻抗分别为：
Figure BDA0002452913460000081
在配电网中，系统的正序和负序网络中，Xs1＜＜Zx1//XCx1//Z′A1//XCA1，系统的零序电流只能通过对地电容形成回路，正序和负序电流几乎都通过线路形成回路：
Figure BDA0002452913460000082
此时对于故障k处的边界条件为：
Figure BDA0002452913460000083
由对称分量转换成序分量的形式：
Figure BDA0002452913460000084
联立式(24)和式(29)得故障端口的各序电流：
Figure BDA0002452913460000085
本发明有益效果：
本发明通过针对配网系统的特征分析、配网单相接地的稳态量分析以及配网单相接地的暂态量分析，从序分量的角度对各类故障序特性进行研究，基于空间负序矢量法对三相电流进行变换得到空间负序电流，以空间负序电流作为故障辨识特征量识别是否发生单相接地故障，当确定故障类型为单相接地故障时，将启动单相接地选线装置进行故障线路识别，并根据负序分量在故障支路和非故障支路上的差异实现故障线路的辨识，提出一种单相接地故障判别方法，通过对单相接地故障为例进行了仿真分析，验证了该方法的科学合理性；提高了故障辨识的准确性，解决了现有技术针对配电网单相接地故障辨识采用Petri网络法、人工神经网络法、专家系统法等方法对故障的故障特征进行分析，而这类方法的影响因素较多导致判据可靠性不高，使得单相接地故障的准确识别性差等问题。
附图说明
图1是具体实施方式中单相接地故障示意图；
图2是具体实施方式中A相接地各序等值电路图；
图3是具体实施方式中A相接地复合序网图；
图4是具体实施方式中单线路网络单相短路电路图；
图5是具体实施方式中A相短路向量图；
图6是具体实施方式中单相接地故障简单暂态等值电路；
图7是具体实施方式中正序、负序、零序网络示意图；
图8是具体实施方式中中10kV的系统图；
图9是具体实施方式中单相接地空间负序电流有效值变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
步骤1，配网系统的特征包含：电流信号非常小、干扰大以及信噪比小、随机因素的影响不确定、不稳定的电容电流波形这四个方面；配网单相接地的稳态量包含：分析系统中的某条线路出现单相短路故障时，故障线中相当于不会有零序电流通过；配网单相接地的暂态量包含：分析配网出现单相接地时，暂态过程与接地方式无关，故做故障检测时，得出研究暂态分量比较重要。具体如下：
(1)配网系统的特征
目前在我国的配网系统中，处于35kV以下电压等级的系统中，一般的接线方式是单相接地方式。配网系统主要有以下的特征：
1)电流信号非常小
2)干扰大、信噪比小
3)随机因素的影响不确定
4)不稳定的电容电流波形
(2)配网单相接地的稳态量分析
如图3所示的配网系统，其中
Figure BDA0002452913460000091
分别表示A、B、C三相的电动势，A相在d点金属性接地。图3所示系统中各个电气量的向量如图4所示：
各相对地的电压如下所示：
Figure BDA0002452913460000092
由上式可以看出，当出现单相接地故障时，非故障相的对地电压会发生变化，增加到和线电压一样大，而故障相电压则会减小到0。如下式所示为系统的零序电压：
Figure BDA0002452913460000093
Figure BDA0002452913460000094
Figure BDA0002452913460000095
Figure BDA0002452913460000096
各相对地电容电流为式(3)所示；
Figure BDA0002452913460000097
的有效值为式(4)所示；零序电流为式(5)所示。因此，当系统中的某条线路出现单相短路故障时，故障线中相当于不会有零序电流通过。
(3)配网单相接地的暂态量分析
可以将配网中出现的单相接地故障的暂态量的等值电路等效为如图5所示。
网络分布参数包含R、C、L以及消弧线圈的集中电感Lk。在零序回路里，u(t)为零序电源电压，C为三相对地电容，R为等值电阻，三相线路及电源变压器等作为等值电感L的一部分。
由图5及电路理论可得；
Figure BDA0002452913460000098
由于可以忽略Lk的影响，分析暂态电容电流，其实质就是分析在RLC串联回路中添加一个零序电压的过渡过程。通过等式Icm＝UmωC以及初始条件ic,st+ic,os＝0，研究暂态电容电流ic含稳态分量ic,st及暂态自由振荡分量ic,os，并且经拉氏变换后如下式所示：
Figure BDA0002452913460000101
τc为回路的时间常数，Icm表示电容电流幅值，δ＝1/τc与ωf表示暂态自由振荡分量的衰减系数及角频率，Ucm表示相电压幅值。τc的大小与自由振荡衰减速度成反比影响，τc越大，其衰减速度越小，τc越小，其衰减速度越大；但是如果系统的运行方式维持稳定不变，则τc的大小也会保持不变。由于
Figure BDA0002452913460000102
和
Figure BDA0002452913460000103
两因子存在于自由分量ic,os中，所以只要发生接地故障，系统就会产生自由振荡分量。
步骤2中所述从序分量的角度对各类故障序特性进行研究，提出一种单相接地的序特性方法包含：通过对单相接地故障的电气量利用对称分量变换进行解耦，并分析故障下的负序电流和零序电流值，同时分析了单相接地故障线路的负序电流值的大小关系，从而选取更科学的故障特征量对单相接地进行识别，以提高单相接地辨识的准确性：
针对配网中的不对称断线故障或者不对称短路接地故障，我们都能够从故障点处把它等效为一个二端口网络。由于该二端口网络具有相互独立性和对称性，我们通过对此系统进行解藕，得到零序、负序、正序网图。零序和负序网络都是无源网络，而且零序和负序网络不存在故障发生前，而正序网络是有源网络，对它的变化量的分析相对复杂，因此在系统发生故障后主要针对零序和负序的序网图进行分析。
如图6所示，其为系统产生单相接地故障时，故障k点处等效的零序、负序和正序网图，断线故障时k′为端口的另一端，单相接地故障时k′与d点同电位。故障端口的正序、负序和零序电流用
Figure BDA0002452913460000104
来表示，以k点流出为正方向，故障端口的正序、负序和零序电压降用
Figure BDA0002452913460000105
来表示，且有
Figure BDA0002452913460000106
由图6可以得到序网中任一节点n的序电压：
Figure BDA0002452913460000107
式中为发生故障点开路的时候，序网中任一节点n的正序电压，由于负序和零序为无源网络，所以
Figure BDA0002452913460000108
表示故障点k与节点n之间的各序互阻抗；
Figure BDA0002452913460000109
表示序网中电源置零时，仅仅
Figure BDA00024529134600001010
在节点n处产生的序电压。
那么故障端口两端的正序、负序和零序电压如下式所示；
Figure BDA00024529134600001011
则故障端口的正序、负序和零序电压表达式为：
Figure BDA0002452913460000111
在配电网运行中，由式(8)和式(10)得出线路首端和故障点处的电气量相互对应，于是对故障点处的特性进行分析，相当于对故障线路首端进行分析，然后通过测量线路首端的电流以及电压的情况，以此来判别故障所属类型。
设置如图1所示的单相接地故障示意图，在10kV的配网系统中设置线路L1的故障k点处发生A相接地故障，对单相接地故障的序电流等值电路进行分析。根据序特性分析方法对图1所示的10kV系统可做出对应的正序、负序和零序等值电路，如图2所示。
图2中，Zx1、Zx2分别为所有非故障线路负载正序和负序阻抗；
Figure BDA0002452913460000112
分别表示所有非故障线路正序、负序和零序电流总和；XCx1、XCx2、XCx0分别表示所有非故障线路对地正序、负序和零序容抗值；
Figure BDA0002452913460000113
分别表示故障线路故障点正序、负序和零序电压；
Figure BDA0002452913460000114
分别表示故障线路负载端正序和负序电流；
Figure BDA0002452913460000115
分别表示故障线路故障点正序、负序和零序电流；XCA1、XCA2、XCA0分别表示故障线路对地正序、负序和零序容抗值；Z′A1、Z′A2分别表示故障线路负载王序和负序阻抗；
Figure BDA0002452913460000116
为电源电动势；Xs1、Xs2分别表示系统电源侧电抗值。
对图2的(a)正序等值电路图进行戴维南等效，开路电压和正序阻抗为：
Figure BDA0002452913460000117
系统的负序阻抗和零序阻抗分别为：
Figure BDA0002452913460000118
在配电网中，系统的正序和负序网络中，Xs1＜＜Zx1//XCx1//Z′A1//XCA1，系统的零序电流只能通过对地电容形成回路，正序和负序电流几乎都通过线路形成回路：
Figure BDA0002452913460000119
此时，系统发生单相接地故障时复合序网等值电路，如图3所示。
对于故障k处的边界条件为：
Figure BDA00024529134600001110
由对称分量(A相为基准相)转换成序分量的形式：
Figure BDA00024529134600001111
联立式(32)和式(5)得故障端口的各序电流：
Figure BDA0002452913460000121
步骤3中所述提出一种单相接地故障判别方法包含：基于空间负序矢量法对三相电流进行变换得到空间负序电流，以空间负序电流作为故障辨识特征量识别是否发生单相接地故障，当确定故障类型为单相接地故障时，将启动单相接地选线装置进行故障线路识别，并根据负序分量在故障支路和非故障支路上的差异实现故障线路的辨识：
通过分析空间负序矢量的特征，研究基于负序分量的单相接地辨识方法，以空间负序电流作为故障辨识特征量识别是否发生单相接地故障，以此来实现故障线路的辨识。
空间序矢量是指构成rwh坐标系统的一组空间分量，即将一组不对称的三相瞬时值通过空间坐标变换得到的空间序矢量。其对应的坐标变换如下：
Figure BDA0002452913460000122
式中：
Figure BDA0002452913460000123
分别表示rwh坐标系下的瞬时正序、负序和零序矢量；
Figure BDA0002452913460000124
分别表示ABC系统的各相瞬时值。
对系统三相分量进行瞬时对称分量变换，利用得到的三个瞬时负序分量经过变换合成空间负序矢量。令a＝ejθ，设行向量令T2＝(1a2a)，将
Figure BDA0002452913460000125
分别表示以A、B、C相为基准相变换得到的瞬时负序分量，则空间负序矢量为
Figure BDA0002452913460000126
式中：
Figure BDA0002452913460000127
设
Figure BDA0002452913460000128
式中：
Figure BDA0002452913460000129
表示正常运行时三相瞬时序分量，且
Figure BDA00024529134600001210
都为0；
Figure BDA00024529134600001211
表示发生故障时序分量变化量。
根据式(18)和(19)得出
Figure BDA00024529134600001212
根据上式得出：系统波动时的一组分量为
Figure BDA00024529134600001213
由于故障情况下，故障负序变化量
Figure BDA00024529134600001214
取值相对小，甚至有可能小于
Figure BDA00024529134600001215
那么
Figure BDA00024529134600001216
的存在将会影响
Figure BDA00024529134600001217
的应用。通过对其进行变换分析，以此来消除这个影响因素：以A、B、C相为基准的负序分量
Figure BDA00024529134600001218
Figure BDA0002452913460000131
则
Figure BDA0002452913460000132
设三相正序电气量为：ha＝Amsinωt，hb＝Amsin(ωt-120°)，hc＝Amsin(ωt+120°)，当对其进行瞬时对称分量解耦时，在复平面上对hb、hc的相位进行旋转。正常运行时，变换后无负序分量，正序分量三相和为零；但是当运行中的系统的频率发生偏离时，可以通过相位的旋转变换，其旋转角度为120°+θ，则：
h2a＝Amsinωt+Amsin(ωt+120°-θ)+Amsin(ωt+240°+θ) (23)
同理，以B、C相为基准的负序变换为：
h2b＝Amsin(wt-120°)+Amsin(wt-θ)+Amsin(wt+240°+θ)
h2c＝Amsin(wt+120°)+Amsin(wt+θ)+Amsin(wt-120°-θ) (24)
将其化简为：
Figure BDA0002452913460000133
由式(47)可以看出，三个负序矢量可以构成一组正序分量，因此
Figure BDA0002452913460000134
具有正序性质。基于以上分析，则空间负序矢量表示如下式所示：
Figure BDA0002452913460000135
式中：Tw＝(e-jξe-j(ξ+θ)e-j(ξ-θ))
由于
Figure BDA0002452913460000136
具有正序性质，则式(26)的第一项通过变换后的输出为0。因此，空间负序矢量
Figure BDA0002452913460000137
能够不受系统运行方式以及外界干扰因素的影响，还能消除系统正序分量的影响，是一种较为理想的故障特征量。
(1)单相接地故障检测方法
空间负序电流是指系统三相电流基于瞬时对称分量法以不同相为基准相通过变换得到的瞬时负序电流。根据瞬时对称分量法，分别以A、B、C相电流为基准得到的各序分量为：
Figure BDA0002452913460000141
Figure BDA0002452913460000142
Figure BDA0002452913460000143
由上式可得：
Figure BDA0002452913460000144
从而在式(28)的基础之上计算空间负序电流矢量为：
Figure BDA0002452913460000145
将具有与
Figure BDA0002452913460000146
相同的性质的实部进行数值计算，能够简化计算，通过用故障前后负序电流变化量来描述故障情况，以此来消除系统运行中不平衡引起的负序分量的影响；同时，首先通过对正常运行的一个周期电流分量进行采样并进行均方根计算。其次，通过利用下一个新的采样点替代前一个周期的第一个采样点，重新构成一个周期并进行计算新的有效值，能够实时得到负序电流变化量的有效值，其计算公式如下：
Figure BDA0002452913460000147
式中，Δiw表示空间负序电流变化量瞬时值，单位用A来表示，N表示每周期的总采样点数。
(2)单相接地辨识判据分析
在配电网系统中，满足的故障识别判据用单相接地故障时的空间负序电流有效值ΔI1表示如下式所示：
0＜ΔI＜ΔI1 (31)
当空间负序电流ΔI满足式(31)时，则表示系统发生单相接地故障，当空间负序电流ΔI不满足上式时，则表示系统没有发生单相接地故障。发生单相接地故障时，故障电流大多由线路对地电容产生，电流相对比较小，因此单相短路接地故障将不会产生大电流的回路。处于运行状态的配电网，由于故障点处的零序和负序的电流变化量一样，所以对空间负序电流的阈值ΔI可以设置一个较小的阈值。
步骤4中所述对单相接地故障为例进行仿真分析包含：1)发生单相接地故障(A相)故障线路首端空间负序电流有效值分析；2)在线路不同故障点处发生A相接地时空闻负序电流有效值分析：
在图1的系统模型中，将其简化为图8所示，设置最长线路L1在距线路首端1km处发生故障，故障电阻为Rg为100Ω，故障时间为0.06～0.2s。并设置故障阈值ΔI1为1A。
则发生各类故障时的空间负序电流有效值变化如下：
以A相为例，出现单相接地故障时，如图9所示为故障线路首端的空间负序电流有效值变化图。
由图9可知，当发生单相接地故障时，得出的空间负序电流有效值ΔI的值大概为0.2431A，小于ΔI1且大于0A。
在线路L1不同故障点处出现A相接地故障时，其空间负序电流有效值的情况，如表1所示。
表1单相接地故障空间负序电流有效值
Figure BDA0002452913460000151
通过对表1的分析得出，假定故障电阻维持不变，当线路不同故障点发生单相接地故障时，得到的空间负序电流有效值都满足式(53)的判据。
通过以上分析，可以根据空间负序有效值所在设定的阈值范围来识别故障类型，并且由于单相接地故障的判据不受故障点位置的影响，因此该仿真分析了该方法的的可行性和正确性。

Claims (9)

1.一种配电网单相接地故障辨识方法，它包括：
步骤1、分析配网系统的特征量，确定故障检测时采集暂态分量作为故障辨识的特征参数；
步骤2、通过对单相接地故障的电气量利用对称分量变换进行解耦，并提取故障下暂态分量中的的负序电流和零序电流值，同时分析单相接地故障线路的负序电流值的大小关系，从而选取最优的故障特征量对单相接地进行识别，以提高单相接地辨识的准确性；
步骤3、基于空间负序矢量法对三相电流进行变换得到空间负序电流，以空间负序电流作为故障辨识特征量识别是否发生单相接地故障，当确定故障类型为单相接地故障时，将启动单相接地选线装置进行故障线路识别，并根据负序分量在故障支路和非故障支路上的差异实现故障线路的辨识。
2.根据权利要求1所述的一种配电网单相接地故障辨识方法，其特征在于：它还包括：
步骤4、对单相接地故障为例进行仿真分析，包含：发生单相接地故障时，故障线路首端空间负序电流有效值分析；在线路不同故障点处发生单相接地时空闻负序电流有效值分析。
3.根据权利要求1所述的一种配电网单相接地故障辨识方法，其特征在于：
步骤1所述分析配网系统的特征量，确定故障检测时采集暂态分量作为故障辨识的特征参数的具体方法包括：
步骤1.1、以
Figure FDA0002452913450000011
分别表示A、B、C三相的电动势，A相在d点金属性接地，各相对地的电压如下所示：
Figure FDA0002452913450000012
当出现单相接地故障时，非故障相的对地电压会发生变化，增加到和线电压一样大，而故障相电压则会减小到0；如下式所示为系统的零序电压：
Figure FDA0002452913450000013
Figure FDA0002452913450000014
Figure FDA0002452913450000015
Figure FDA0002452913450000016
各相对地电容电流为式(3)所示；
Figure FDA0002452913450000021
的有效值为式(4)所示；零序电流为式(5)所示；得出当系统中的某条线路出现单相短路故障时，故障线中相当于不会有零序电流通过；
步骤2.2、配网单相接地的暂态量分析；
将配网中出现的单相接地故障的暂态量的等值电路进行等效；网络分布参数包含R、C、L以及消弧线圈的集中电感Lk；在零序回路里，u(t)为零序电源电压，C为三相对地电容，R为等值电阻，三相线路及电源变压器等作为等值电感L的一部分；
则得
Figure FDA0002452913450000022
忽略Lk的影响，分析暂态电容电流，实质就是分析在RLC串联回路中添加一个零序电压的过渡过程；通过等式Icm＝UmωC以及初始条件ic,st+ic,os＝0，研究暂态电容电流ic含稳态分量ic,st及暂态自由振荡分量ic,os，并且经拉氏变换后如下式所示：
Figure FDA0002452913450000023
τc为回路的时间常数，Icm表示电容电流幅值，δ＝1/τc与ωf表示暂态自由振荡分量的衰减系数及角频率，Ucm表示相电压幅值；τc的大小与自由振荡衰减速度成反比影响，τc越大，其衰减速度越小，τc越小，其衰减速度越大；但是如果系统的运行方式维持稳定不变，则τc的大小也会保持不变；由于
Figure FDA0002452913450000024
和
Figure FDA0002452913450000025
两因子存在于自由分量ic,os中，所以确定只要发生接地故障，系统就会产生自由振荡分量，也就是暂态分量。
4.根据权利要求1所述的一种配电网单相接地故障辨识方法，其特征在于：
步骤2所述通过对单相接地故障的电气量利用对称分量变换进行解耦，并提取故障下暂态分量中的的负序电流和零序电流值，同时分析单相接地故障线路的负序电流值的大小关系，从而选取最优的故障特征量对单相接地进行识别，以提高单相接地辨识的准确性的方法包括：
步骤2.1、在系统发生故障后针对零序和负序的序网图进行分析，得出线路首端和故障点处的电气量相互对应；
步骤2.2、对故障点处的特性进行分析，相当于对故障线路首端进行分析，然后通过测量线路首端的电流以及电压的情况，以此来判别故障所属类型；
步骤2.3、设置线路L1的故障k点处发生A相接地故障，对单相接地故障的序电流等值电路进行分析；根据序特性分析方法系统做出对应的正序、负序和零序等值电路，分析单相接地故障线路的负序电流值的大小关系。
5.根据权利要求1所述的一种配电网单相接地故障辨识方法，其特征在于：步骤3所述基于空间负序矢量法对三相电流进行变换得到空间负序电流的方法包括：
空间序矢量是指构成rwh坐标系统的一组空间分量，即将一组不对称的三相瞬时值通过空间坐标变换得到的空间序矢量，其对应的坐标变换如下：
Figure FDA0002452913450000031
式中：ξ＝ωt；
Figure FDA0002452913450000032
分别表示rwh坐标系下的瞬时正序、负序和零序矢量；
Figure FDA0002452913450000033
分别表示ABC系统的各相瞬时值；
对系统三相分量进行瞬时对称分量变换，利用得到的三个瞬时负序分量经过变换合成空间负序矢量；令a＝ejθ，设行向量令T2＝(1 a2 a)，将
Figure FDA0002452913450000034
分别表示以A、B、C相为基准相变换得到的瞬时负序分量，则空间负序矢量为
Figure FDA0002452913450000035
式中：
Figure FDA0002452913450000036
设
Figure FDA0002452913450000037
式中：
Figure FDA0002452913450000038
表示正常运行时三相瞬时序分量，且
Figure FDA0002452913450000039
都为0；
Figure FDA00024529134500000310
表示发生故障时序分量变化量；
根据式(9)和(10)得出
Figure FDA00024529134500000311
根据上式得出：系统波动时的一组分量为
Figure FDA00024529134500000312
由于故障情况下，故障负序变化量
Figure FDA00024529134500000313
取值相对小，甚至有可能小于
Figure FDA00024529134500000314
那么
Figure FDA00024529134500000315
的存在将会影响
Figure FDA00024529134500000316
的应用；通过对其进行变换分析，以此来消除这个影响因素：以A、B、C相为基准的负序分量
Figure FDA00024529134500000317
Figure FDA00024529134500000318
则
Figure FDA0002452913450000041
设三相正序电气量为：ha＝Amsinωt，hb＝Amsin(ωt-120°)，hc＝Amsin(ωt+120°)，当对其进行瞬时对称分量解耦时，在复平面上对hb、hc的相位进行旋转；正常运行时，变换后无负序分量，正序分量三相和为零；但是当运行中的系统的频率发生偏离时，可以通过相位的旋转变换，其旋转角度为120°+θ，则：
h2a＝Am sinωt+Am sin(ωt+120°-θ)+Am sin(ωt+240°+θ) (13)
同理，以B、C相为基准的负序变换为：
h2b＝Am sin(wt-120°)+Am sin(wt-θ)+Am sin(wt+240°+θ)
h2c＝Am sin(wt+120°)+Am sin(wt+θ)+Am sin(wt-120°-θ) (14)
将其化简为：
Figure FDA0002452913450000042
Figure FDA0002452913450000043
Figure FDA0002452913450000044
由式(15)可以看出，三个负序矢量可以构成一组正序分量，因此
Figure FDA0002452913450000045
具有正序性质；基于以上分析，则空间负序矢量表示如下式所示：
Figure FDA0002452913450000046
式中：Tw＝(e-jξe-j(ξ+θ)e-j(ξ-θ))
由于
Figure FDA0002452913450000047
具有正序性质，则式(16)的第一项通过变换后的输出为0；
因此，空间负序矢量
Figure FDA0002452913450000048
能够不受系统运行方式以及外界干扰因素的影响，还能消除系统正序分量的影响，是理想的故障特征量。
6.根据权利要求1所述的一种配电网单相接地故障辨识方法，其特征在于：步骤3所述空间负序电流作为故障辨识特征量识别是否发生单相接地故障的方法为：
空间负序电流是指系统三相电流基于瞬时对称分量法以不同相为基准相通过变换得到的瞬时负序电流，根据瞬时对称分量法，分别以A、B、C相电流为基准得到的各序分量为：
Figure FDA0002452913450000049
Figure FDA0002452913450000051
Figure FDA0002452913450000052
由上式可得：
Figure FDA0002452913450000053
从而在式(18)的基础之上计算空间负序电流矢量为：
Figure FDA0002452913450000054
将具有与
Figure FDA0002452913450000055
相同的性质的实部进行数值计算，能够简化计算，通过用故障前后负序电流变化量来描述故障情况，以此来消除系统运行中不平衡引起的负序分量的影响；同时，首先通过对正常运行的一个周期电流分量进行采样并进行均方根计算；其次，通过利用下一个新的采样点替代前一个周期的第一个采样点，重新构成一个周期并进行计算新的有效值，能够实时得到负序电流变化量的有效值，其计算公式如下：
Figure FDA0002452913450000056
式中，Δiw表示空间负序电流变化量瞬时值，单位用A来表示，N表示每周期的总采样点数。
7.根据权利要求1所述的一种配电网单相接地故障辨识方法，其特征在于：步骤3所述根据负序分量在故障支路和非故障支路上的差异实现故障线路的辨识的方法为：在配电网系统中，满足的故障识别判据用单相接地故障时的空间负序电流有效值ΔI1表示如下式所示：
0＜ΔI＜ΔI1 (21)
当空间负序电流ΔI满足上式时，则表示系统发生单相接地故障，当空间负序电流ΔI不满足上式时，则表示系统没有发生单相接地故障。
8.根据权利要求4所述的一种配电网单相接地故障辨识方法，其特征在于：步骤2.1所述在系统发生故障后针对零序和负序的序网图进行分析，得出线路首端和故障点处的电气量相互对应的方法为：
当系统产生单相接地故障时，故障端口的正序、负序和零序电流用
Figure FDA0002452913450000061
来表示，以k点流出为正方向，故障端口的正序、负序和零序电压降用
Figure FDA0002452913450000062
来表示，且有
Figure FDA0002452913450000063
得到序网中任一节点n的序电压：
Figure FDA0002452913450000064
式中为发生故障点开路的时候，序网中任一节点n的正序电压，由于负序和零序为无源网络，所以
Figure FDA0002452913450000065
Znh(v)表示故障点k与节点n之间的各序互阻抗；
Figure FDA0002452913450000066
表示序网中电源置零时，仅仅
Figure FDA0002452913450000067
在节点n处产生的序电压；
那么故障端口两端的正序、负序和零序电压如下式所示；
Figure FDA0002452913450000068
则故障端口的正序、负序和零序电压表达式为：
Figure FDA0002452913450000069
在配电网运行中，由式(22)和式(24)得出线路首端和故障点处的电气量相互对应。
9.根据权利要求4所述的一种配电网单相接地故障辨识方法，其特征在于：步骤2.3所述设置线路L1的故障k点处发生A相接地故障，对单相接地故障的序电流等值电路进行分析；根据序特性分析方法系统做出对应的正序、负序和零序等值电路，分析单相接地故障线路的负序电流值的大小关系的方法为：
Zx1、Zx2分别为所有非故障线路负载正序和负序阻抗；
Figure FDA00024529134500000610
分别表示所有非故障线路正序、负序和零序电流总和；XCx1、XCx2、XCx0分别表示所有非故障线路对地正序、负序和零序容抗值；
Figure FDA00024529134500000611
分别表示故障线路故障点正序、负序和零序电压；
Figure FDA00024529134500000612
分别表示故障线路负载端正序和负序电流；
Figure FDA00024529134500000613
分别表示故障线路故障点正序、负序和零序电流；XCA1、XCA2、XCA0分别表示故障线路对地正序、负序和零序容抗值；Z′A1、Z′A2分别表示故障线路负载王序和负序阻抗；
Figure FDA00024529134500000614
为电源电动势；Xs1、Xs2分别表示系统电源侧电抗值；
则开路电压和正序阻抗为：
Figure FDA0002452913450000071
系统的负序阻抗和零序阻抗分别为：
Figure FDA0002452913450000072
在配电网中，系统的正序和负序网络中，Xs1＜＜Zx1//XCx1//Z′A1//XCA1，系统的零序电流只能通过对地电容形成回路，正序和负序电流几乎都通过线路形成回路：
Figure FDA0002452913450000073
此时对于故障k处的边界条件为：
Figure FDA0002452913450000074
由对称分量转换成序分量的形式：
Figure FDA0002452913450000075
联立式(24)和式(29)得故障端口的各序电流：
Figure FDA0002452913450000076
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