CN111781461A - 一种小电流接地电力系统的接地故障选线定段方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小电流接地电力系统的接地故障选线定段方法，涉及电网故障测量技术领域。在10kV小电流接地电力系统的接地故障选线定段中，确定电力系统拓扑结构特征矩阵，在电力系统中标记出保护线路的末端、断路器出线处、母线虚拟节点为电气节点，断路器处装设零序电流互感器与零序电压互感器，其采集的实时数据作为故障特征值矩阵的信号来源，故障特征值矩阵与电力系统拓扑结构特征矩阵构成电力系统故障状态矩阵，解出每一个单元格中各支路故障状态值之和，在所有故障状态值非负的单元中，故障状态值最小的即为接地故障点。有效保证故障选线的可靠性，对故障点进行有效定位，方法可广泛用于装设有功率方向保护的系统中，有较高的环境适应力。

Description

一种小电流接地电力系统的接地故障选线定段方法
技术领域
本发明涉及电网故障测量技术领域，具体涉及一种小电流接地电力系统的接地故障选线定段方法。
背景技术
小电流接地方式具有较高的可靠性，我国中压配电网普遍采用小电流接地方式，特别是在10kV配电网中。发生小电流接地故障时，三相之间仍能保持线电压的对称，且故障电流很小，供电设备可继续工作1至2小时。但随着城市电网的快速发展，电缆在配电线路中所占比重提升，电缆-架空线的混合度提升，导致配电线路单相接地故障时接地点故障电流增大，且不易熄弧，容易引发故障扩大和设备过电压绝缘损坏等问题。由于该接地方式下故障电流较小，且极易与因电力系统运行方式改变或负荷波动所带来的过电流混淆，导致故障的选线定段困难。因此，需要一种快速可靠的故障选线定段方法。
传统的电流速断保护尽管有着很高的可靠性，但由于在小电流接地系统中接地短路电流较小经常造成继电保护的拒动，同时依靠整定短路电流判断故障选线准确性低且不具有定段功能。随着电力设备技术的发展，诸如零序电流互感器的方向监测器件广泛用于电力系统。
如图1所示，在配电线路与大地之间存在分布电容，其大小与线路出线长度成正比，电力系统正常运行时，线路中零序电流相位超前于零序电压，当系统中的某一线路发生接地短路故障时，容性无功功率方向由线路流向母线，故障线路中的零序电流由非故障线路对地电容电流和母线至变压器低压侧出线的对地电容电流构成，其关系如下，同时，线路中零序电流相位将滞后于零序电压。
Figure 2
其中，I0j为故障线路中的零序电流，I0s为母线至变压器低压侧出线的对地电容电流， I0i为非故障线路的对地电容电流，n为母线上所接线路数。
基于线路在发生接地短路时的这一特性，衍生出大量的故障检测方法。发表在2012 Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference，作者为Z.Qi，S.Xiao和B.Wang的一篇名为“Research on Algorithm for Single-Phase-to-Earth FaultSection Location in Medium Voltage Distribution”的会议论文中，作者基于对线路中零序电流方向在故障前后的对比提出了一种对母线上单一线路发生接地故障的定位方法，对中性点不接地和中性点谐振接地两种接地方式下的接地故障能做到快速定位。但是，文章没有考虑到对母线上的其他线路和母线本身进行故障检测。发表在2017IEEEConference on Energy Internet and Energy System Integration(EI2)，作者为Y.Yuan，X.Chen，L.Yang，X.Zeng，J.Cai和M.Yu的一篇名为“A novel fault lineselection method of resonant grounding system”的会议论文中，作者基于零序电流的信号量的S变换提出接地故障时的选线方法，但文章对故障具体的定位没有进行考虑。上述两种方法在实现上较为复杂，在实施中对设备具有较高要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小电流接地电力系统的接地故障选线定段方法，适用于10kV 单相接地，解决现有选线定段方法未综合考虑母线线路分布、对设备要求高、无法进行快速准确定位的问题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：一种小电流接地电力系统的接地故障选线定段方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：标记电气节点：在电力系统中依次标记出保护线路末端、断路器出线、母线虚拟分流点为电气节点；
S2：构建电力系统拓扑结构特征矩阵D：元素Dij表示第i节点与第j节点间的拓扑结构关系；以电力系统正常运行时的方向，即从变压器低压侧流程母线、母线流向负载为正方向，从第i节点到第j节点，其方向与正反向相同，则Dij＝1，其方向与正反向相反，则 Dij＝-1；第i节点与第j节点在几何上不连接，则Dij＝0；
S2：构建故障特征值矩阵S：根据零序电流相位的采集信号确定元素Si；Si表示第i节点的相位状态，当i节点是线路末端时，Si＝0，当i节点的零序电流相位超前零序电压时，Si＝1，当i节点的零序电流相位滞后零序电压时，Si＝-1；
S3：构建电力系统故障状态矩阵P：用故障特征值矩阵中的元素Si替换电路系统拓扑结构特征矩阵中的对角元素Dii，得到电力系统故障状态矩阵P；
S4：计算区域故障状态值Mk：计算出每一条支路的故障特征值mij，将区域内各支路的故障特征值mij累加得到区域故障状态值Mk，非负区域障状态值Mk中最小值对应的电气节点位置即为接地故障点；其中mij＝pii+pjj×pij，pii、pij、pjj为电力系统故障状态矩阵P 中的元素；Mk＝∑mij。
更进一步的技术方案是所述步骤S4中，当pii和pij均为负值时，mij使用修正公式计算，修正公式为mij＝pjj+pii×pij。
更进一步的技术方案是所述步骤S1中断路器处装设有零序电流互感器与零序电压互感器。
工作机理：在10kV小电流接地电力系统的接地故障选线定段中，确定电力系统拓扑结构特征矩阵，在电力系统中标记出保护线路的末端、断路器出线处、母线虚拟节点为电气节点，断路器处装设零序电流互感器与零序电压互感器，其采集的实时数据作为故障特征值矩阵的信号来源，故障特征值矩阵与电力系统拓扑结构特征矩阵构成电力系统故障状态矩阵，在此基础上解出每一个单元格中各支路故障状态值之和，在所有故障状态值非负的单元中，故障状态值最小的即为接地故障点。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.测量设备安装简便，在断路器处装设零序电流和零序电压互感器即可，便于老旧线路的改造升级，可广泛用于装设有功率方向保护的系统中，有较高的环境适应力。
2.电气节点出线路末端、断路器出线，还综合考虑了母线中的虚拟分流点，考虑了母线上其它线路对于故障检测的影响。
3.计算方法简单快捷，有效保证了在复杂电力系统配电网中接地故障选线的可靠性，同时也能对故障线路上的节点进行有效定位，缩短了确定故障所用的时间。
附图说明
图1是小电流接地系统单相接地时等效零序网络图；
图2是本发明在拓扑结构A实例实验的测量示意图；
图3是本发明在拓扑结构B实例实验的测量示意图；
图4是本发明流程示意图。
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。
实施例1
以图2中简化的存在多分支线路的小电流接地系统为例，进行故障定位计算和分析。图2中有节点11个，9、10、11为监测线路末端，1、3、4、5、6、7、8节点为断路器出线，2为虚拟节点。根据电流参考方向和电力系统拓扑结构特征矩阵规则，参考图4中的方法流程，建立电力系统拓扑结构特征矩阵D如下：
Figure BDA0002519428690000041
图2中在节点7与节点9之间发生了接地故障，则可得故障特征值矩阵S如下：
S＝[-1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 0 0 0]
用故障特征值矩阵S替换电力系统拓扑结构特征矩阵D的主对角元素，令pii＝Si，得到电力系统故障状态矩阵P如下：
Figure BDA0002519428690000042
由故障特征值计算规则：Mk＝∑mij，mij＝pii+pjj×pij，得出各区域中各支路和区域故障状态值，如表1所示。
表1
Figure BDA0002519428690000043
Figure BDA0002519428690000051
通过区域故障状态值可知，Ⅵ区域的故障状态值为非负单元中最小，故判断Ⅵ区域发生接地故障，与实际结果相符合。
在此需说明在实际操作中所遇到的一些细节问题，如当Ⅶ区域中发生接地故障时，若按公式计算则会出现Ⅳ区域故障状态值为0，Ⅶ区域故障状态值为1的错误情况，这是由于在多分支区域中节点标号优先级不明确导致，故补充算法修正，当pii和pij均为负值时，mij使用修正公式计算，mij＝pjj+pii×pij。
为了进一步论证该算法在不同的故障特征区间的有效性，以图2的拓扑结构为例，将接地故障点设置在节点6的出口与线路分支之间的多支路区域，则可得故障特征值矩阵
S＝[-1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 0 0 0]
得出各区域中各支路和区域故障状态值，如表2所示。
表2
Figure BDA0002519428690000052
通过区域故障状态值可知，Ⅳ区域的故障状态值为非负单元中最小，故判断Ⅳ区域发生接地故障，与实际结果相符合。
实施例2
为证明本算法在不同拓扑结构的电力系统中仍具有广泛实用性，以区别于图2拓扑结构的图3拓扑结构为例，与图2不同，图3中电网的拓扑结构具有支路数量显著增多的特点，电网结构进一步复杂。
图3中有节点20个，15、16、17、18、19、20为监测线路末端，1、3、4、5、6、7、 8、9、10、11、12、13、14节点为断路器出线，2为虚拟节点。因为2为虚拟节点在故障特征值矩阵中该点始终置为-1，根据电流参考方向和电力系统拓扑结构特征矩阵规则，建立电力系统拓扑结构特征矩阵如下：
Figure BDA0002519428690000061
如图3中在节点4与节点7之间发生了接地故障，则可得故障特征值矩阵如下：
S＝[-1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 0 0 0 0 0 0 0]
用故障特征值矩阵S替换电力系统拓扑结构特征矩阵的主对角元素，令pii＝Si，得到电力系统故障状态矩阵P如下：
Figure BDA0002519428690000071
由故障特征值计算规则：Mk＝∑mij，mij＝pii+pjj×pij，得出各区域中各支路和区域故障状态值，如表3所示。
表3
Figure BDA0002519428690000072
Figure BDA0002519428690000081
通过区域故障状态值可知，Ⅲ区域的故障状态值为非负单元中最小，故判断Ⅲ区域发生接地故障，与实际结果相符合。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种小电流接地电力系统的接地故障选线定段方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：标记电气节点：在电力系统中依次标记出保护线路末端、断路器出线、母线虚拟分流点为电气节点；
S2：构建电力系统拓扑结构特征矩阵D：元素Dij表示第i节点与第j节点间的拓扑结构关系；以电力系统正常运行时的方向，即从变压器低压侧流程母线、母线流向负载为正方向，从第i节点到第j节点，其方向与正反向相同，则Dij＝1，其方向与正反向相反，则Dij＝－1；第i节点与第j节点在几何上不连接，则Dij＝0；
S2：构建故障特征值矩阵S：根据零序电流相位的采集信号确定元素Si；Si表示第i节点的相位状态，当i节点是线路末端时，Si＝0，当i节点的零序电流相位超前零序电压时，Si＝1，当i节点的零序电流相位滞后零序电压时，Si＝－1；
S3：构建电力系统故障状态矩阵P：用故障特征值矩阵中的元素Si替换电路系统拓扑结构特征矩阵中的对角元素Dii，得到电力系统故障状态矩阵P；
S4：计算区域故障状态值Mk：计算出每一条支路的故障特征值mij，将区域内各支路的故障特征值mij累加得到区域故障状态值Mk，区域障状态值Mk中非负最小值对应的电气节点位置即为接地故障点；其中mij＝pii+pjj×pij，pii、pij、pjj为电力系统故障状态矩阵P中的元素；Mk＝∑mij。
2.根据权利要求1所述的一种小电流接地电力系统的接地故障选线定段方法，其特征在于：所述步骤S4中，当pii和pij均为负值时，mij使用修正公式计算，修正公式为mij＝pjj+pii×pij。
3.根据权利要求1所述的一种小电流接地电力系统的接地故障选线定段方法，其特征在于：所述步骤S1中断路器处装设有零序电流互感器与零序电压互感器。
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