CN111983510B - 基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于相电压和电流突变量的配电网单相接地故障选相方法及系统，针对现有的配电网小电流单相接地故障选相不准确的问题，提出通过测量线路的三相电压和相电流，利用突变量计算出线路的各相对地电容有效值，通过三相两两差值比较，选出对地电容有效值差异最大相为故障相。由于配网线路的网架、线径、线路材料等基本参数固定不变，健全相的对地电容参数变化很小，基本保持不变，而故障相因为过渡故障电阻存在，导致采用相电压和电流突变量求出的线路对地电容参数变化大。因此，该方法原理简单可靠，不受中性点接地方式、过渡电阻、电网不对称度等因素影响，具有极高的准确性和实用性。

Description

基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相方法及系统
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相方法及系统。
背景技术
配电网中70％的故障为单相接地故障。由于我国电网中大多采用的是不接地或者消弧线圈等中性点接地方式的小电流配网系统，所以在发生单相接地故障后，线路的三相之间线电压基本保持不变，而且故障电流较小，对负荷的供电影响小，无需立即保护跳闸断开。并且相关规定指出可持续运行1-2h，但是由于对供电质量和安全可靠性越来越高，对于单相接地故障的选线和定位也提升了要求。配电网数字化和智能化设备的发展同时为解决配网单相接地故障选线和选相问题解决提供了良好时机和大好环境。
目前的配电网单相接地选相方法，大多数利用单相接地时的故障相电压变化得出的结论：接地故障相一定降低，另外一相电压必然升高。但是对于剩余一相电压变化是不确定的，有可能升高也有可能降低，受制于配网中性点接地方式、线路网架结构以及过渡电阻等影响，接地故障相的相电压不一定是故障后最低相。正是由于这一特征，故障相并不能准确地判断出来。进一步地是，选相问题是选线问题的补充，如果能解决单相接地故障选相问题，那么在这个前提下能够更好地帮助解决选线问题。特别是对于现有配网设备进行升级改造，依靠原有老旧的智能配电设备的前提下，只用相电流或相电压实现故障选线，则更加需要先解决选相问题。因此，有必要研究基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相方法及系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相方法及系统，使得不受中性点接地方式、过渡电阻、电网不对称度等因素影响，即可找出故障相。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相方法，包括如下步骤：
实时采集线路的三相电压和电流；
在发生单相接地故障时，利用相电压和相电流突变量计算出线路的各相对地电容有效值；
通过三相两两差值比较，选出对地电容有效值差异最大相为故障相。
进一步的，所述各相对地电容有效值为：
式中和/>为故障前采集到线路i的三相电流和电压，/>为故障后相电压下的线路电流，/>为故障电流，以上假设a相为故障相；Cki为单相线路的对地电容有效值，w为系统角频率，k＝a，b，c三相；
式(1)、(2)、(3)中， 分别为线路i的故障前与故障后的相电流突变量和相电压突变量。
进一步的，利用采集到的三相电压和电流采样值对突变量进行等效变换，取故障前2个周波以前的稳态采样序列与故障后3个周波以后的稳态采样序列进行逐一对应相减,分别求得电流和电压的差值序列即为突变量序列。
进一步的，采用傅里叶变换方法或快速傅里叶变换方法，分别计算相电压和相电流的突变序列的基波有效值ΔIki和ΔUki，然后代入以下公式求得各相对地电容有效值：
式中k＝a，b，c；ω为系统角频率。
进一步的，所述通过三相两两差值比较，选出对地电容有效值差异最大相为故障相的步骤包括：
采用公式(4)计算出的线路i的各相对地电容有效值Cai、Cbi、Cci两两差值比较，选出绝对值差值最小的两相为健全相，剩下的一相则为故障相；
或者，在相电压降低为故障相，相电压升高为健全相的基础上，再通过比较相电压降低的两相各自对地电容值与健全相的对地电容有效值差值，差值最大的为故障相。
进一步的，将所述对地电容有效值替换为线路阻抗或导纳。
本发明的第二方面提供了一种基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相系统，包括：
实时采集模块，用于实时采集线路的三相电压和电流；
对地电容有效值计算模块，在发生单相接地故障时，利用相电压和相电流突变量计算出线路的各相对地电容有效值；
故障相确定模块，通过三相两两差值比较，选出对地电容有效值差异最大相为故障相。
进一步的，所述对地电容有效值计算模块按照下式计算各相对地电容有效值：
式中和/>为故障前采集到线路i的三相电流和电压，/>为故障后相电压下的线路电流，/>为故障电流，以上假设a相为故障相；Cki为单相线路的对地电容有效值，w为系统角频率，k＝a，b，c三相；
式(1)、(2)、(3)中， 分别为线路i的故障前与故障后的相电流突变量和相电压突变量。
进一步的，所述对地电容有效值计算模块利用采集到的三相电压和电流采样值对突变量进行等效变换，取故障前2个周波以前的稳态采样序列与故障后3个周波以后的稳态采样序列进行逐一对应相减,分别求得电流和电压的差值序列即为突变量序列。
进一步的，所述对地电容有效值计算模块采用傅里叶变换方法或快速傅里叶变换方法，分别计算相电压和相电流的突变序列的基波有效值ΔIki和ΔUki，然后代入以下公式求得各相对地电容有效值：
式中k＝a，b，c；ω为系统角频率。
综上所述，本发明提供了一种基于相电压和电流突变量的配电网单相接地故障选相方法及系统，针对现有的配电网小电流单相接地故障选相不准确的问题，本发明指出通过测量线路的三相电压和相电流，利用突变量计算出线路的各相对地电容有效值，通过三相两两差值比较，选出对地电容有效值差异最大相为故障相。由于配网线路的网架、线径、线路材料等基本参数固定不变，配电线路的系统电气参数对地阻抗或导纳不会发生改变，并且由于三相线路基本上是并行架设，所以三相各自的对地电容参数基本一致，所以是健全线路还是故障线路，健全相的对地电容参数变化很小，基本保持不变，而故障相因为过渡故障电阻存在，导致采用相电压和电流突变量求出的线路对地电容参数变化大。因此，该方法原理简单可靠，不受中性点接地方式、过渡电阻、电网不对称度等因素影响，具有极高的准确性和实用性。
附图说明
图1是本发明实施例的一种基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相方法的实施流程图；
图2是本发明实施例的配电网故障网络框图；
图3是本发明实施例包含4条出线的配电网模型结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面结合图表对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明的第一方面提供了一种基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相方法，包括如下步骤：
步骤S100，实时采集线路的三相电压和电流；
步骤S200，在发生单相接地故障时，利用相电压和相电流突变量计算出线路的各相对地电容有效值；
步骤S300，通过三相两两差值比较，选出对地电容有效值差异最大相为故障相。
具体的，图2中是含有N条出线的配电网，当断开开关K则为中性点不接地系统，闭合开关K则为中性点经消弧线圈接地系统。各出线出口电流为iki，其中i＝1,2…N，表示第i条线路，k表示a、b、c三相，每条出线的各相负荷电流表示为iLDki，每出线各相对地电容为Cki，每条出线的各相对地电容电流为iCki。当第i条出线发生A相接地故障时，网络的零序电压为u0，故障点的电流为if。对各条线路或区段的相电压和相电流进行实时同步采样，然后通过模数转换器将采样得到的相电压和相电流转换成数字量。则故障前和故障后采集到线路i的三相电压和电流满足：
式中和/>为故障前采集到线路i的三相电流和电压，Cki为单相线路的对地电容值，/>是线路i的负载电流，w为系统角频率，k＝a，b，c三相；
发生单相接地故障后，对于故障线路i的三相电压和电流会发生相应变化，但是非故障相的线路始端电流仍旧为该故障后相电压下的线路电流根据叠加原理，流经线路的故障相电流为故障电流/>与故障相电压下的线路电流/>之和，以下假设A相为故障相(加“′”表示故障后的值)。故障前和故障后采集到线路i的三相电压和电流也满足：
单相接地故障发生前后配网线电压基本不变，所以故障前和故障后的线路i的负荷电流基本不变，则并且假定由故障前后线路i的三相电压电流值分别求出线路i的各相对地电容值，由式(1)减去式(2)可得：
式中 (k＝a,b,c)分别为线路i的故障前与故障后的相电流突变量和相电压突变量。并且从式(3)、(4)、(5)可以看出，故障相由于故障电流/>的影响，会造成Cai与Cbi和Cci差别较大。但是实际上，三相线路都是同线材、同杆架设，线路实际对地电容参数/>
假定即假设三相都为健全相。那么，反过来通过已知线路i故障前和故障后采集到的电压和电流，代入公式(3)、(4)、(5)分别计算出各相的对地电容参数值中故障相必定比其它两个健全相的对地电容有效值差异最大，因此可以直接判断为故障相，该方法对于非故障线路同样适用。
因无法经过测量直接得出，现在假定/>由此可以求出线路i的A相对地电容：
为方便计算线路的各相对地电容参数有效值，利用采集到的三相电压和电流采样值对突变量进行等效变换，一般取故障前2个周波以前的采样序列与故障后3个周波以后的稳态采样序列进行逐一对应相减,分别求得电流和电压的差值序列即为突变量序列。
本发明所述的一种基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相方法，采用傅里叶变换方法或快速傅里叶变换方法，分别计算相电压和相电流的突变序列的基波有效值ΔIki和ΔUki，然后代入以下公式求得各相对地电容有效值。
式中k＝a，b，c；ω为系统角频率，例如系统频率f＝50Hz，则ω＝2πf＝100π。
上述采用公式计算出的线路i的三相对地电容有效值Cai、Cbi、Cci。在相电压降低为故障相，相电压升高为健全相的基础上，再通过比较相电压降低的两相各自对地电容值与健全相的对地电容有效值差值，差值最大的为故障相。
进一步的，所述通过三相两两差值比较，选出对地电容有效值差异最大相为故障相的步骤包括：采用公式(4)计算出的线路i的各相对地电容有效值Cai、Cbi、Cci两两差值比较，选出绝对值差值最小的两相为健全相，剩下的一相则为故障相；或者，在相电压降低为故障相，相电压升高为健全相的基础上，再通过比较相电压降低的两相各自对地电容值与健全相的对地电容有效值差值，差值最大的为故障相。
进一步的，为了验证上述步骤的正确性，在PSCAD上搭建了如图3所示的配网线路仿真模型，具体参数如表1所示。然后仿真在不同线路、各种故障初相角、不同过渡电阻情况下的单相接地故障选相结果，具体结果如表2-1、表2-2、表2-3所示。由此可知，采用本发明提出的方法可以快速、方便、简单的选出故障相。
表1仿真线路参数表
表2-1 A相发生单相接地故障选相结果
线路1 线路2 线路3 线路4
A相对地电容(uF) 0.0923 0.1112 0.0525 1.8170
B相对地电容(uF) 0.9173 2.3532 1.4522 4.0767
C相对地电容(uF) 1.0720 2.4309 1.6711 6.5175
故障相 A A A A
表2-2 B相发生单相接地故障选相结果
线路1 线路2 线路3 线路4
A相对地电容(uF) 1.0800 2.4295 1.6659 6.7281
B相对地电容(uF) 0.1346 0.1093 0.0488 1.6357
C相对地电容(uF) 0.9184 2.3421 1.4439 4.2025
故障相 B B B B
表2-3 C相发生单相接地故障选相结果
线路1 线路2 线路3 线路4
A相对地电容(uF) 1.456 3.3360 2.5277 5.9582
B相对地电容(uF) 1.547 2.8231 2.6837 7.7182
C相对地电容(uF) 0.6660 0.6990 1.0883 0.0639
故障相 C C C C
进一步的，将所述对地电容有效值替换为线路阻抗或导纳。本发明中只介绍了采用对地电容参数模型实现的选相方法，采用其它线路参数例如线路阻抗、导纳等也可以采用上述相类似的计算方法进行计算并选取故障相。
本发明的第二方面提供了一种基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相系统，包括：实时采集模块，用于实时采集线路的三相电压和电流；对地电容有效值计算模块，在发生单相接地故障时，利用相电压和相电流突变量计算出线路的各相对地电容有效值；对地电容有效值计算模块按照上述公式(3)、(4)、(5)进行计算；故障相确定模块，通过三相两两差值比较，选出对地电容有效值差异最大相为故障相。
综上所述，本发明提供了一种基于相电压和电流突变量的配电网单相接地故障选相方法及系统，针对现有的配电网小电流单相接地故障选相不准确的问题，本发明指出通过测量线路的三相电压和相电流，利用突变量计算出线路的各相对地电容有效值，通过三相两两差值比较，选出对地电容有效值差异最大相为故障相。由于配网线路的网架、线径、线路材料等基本参数固定不变，配电线路的系统电气参数对地阻抗或导纳不会发生改变，并且由于三相线路基本上是并行架设，所以三相各自的对地电容参数基本一致，所以是健全线路还是故障线路，健全相的对地电容参数变化很小，基本保持不变，而故障相因为过渡故障电阻存在，导致采用相电压和电流突变量求出的线路对地电容参数变化大。因此，该方法原理简单可靠，不受中性点接地方式、过渡电阻、电网不对称度等因素影响，具有极高的准确性和实用性。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相方法，其特征在于，包括如下步骤：
实时采集线路的三相电压和电流；
在发生单相接地故障时，利用相电压和相电流突变量计算出线路的各相对地电容有效值；
通过三相两两差值比较，选出对地电容有效值差异最大相为故障相；
所述各相对地电容有效值为：
式中和/>为故障前采集到线路i的三相电流和电压，/>为故障后相电压下的线路电流，/>为故障电流，以上假设a相为故障相；Cki为单相线路的对地电容有效值，w为系统角频率，k＝a，b，c三相；
式(1)、(2)、(3)中，分别为线路i的故障前与故障后的相电流突变量和相电压突变量；
利用采集到的三相电压和电流采样值对突变量进行等效变换，取故障前2个周波以前的稳态采样序列与故障后3个周波以后的稳态采样序列进行逐一对应相减,分别求得电流和电压的差值序列即为突变量序列。
2.根据权利要求1所述的一种基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相方法，其特征在于：
采用傅里叶变换方法或快速傅里叶变换方法，分别计算相电压和相电流的突变序列的基波有效值ΔIki和ΔUki，然后代入以下公式求得各相对地电容有效值：
式中k＝a，b，c；ω为系统角频率。
3.根据权利要求1所述的一种基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相方法，其特征在于，所述通过三相两两差值比较，选出对地电容有效值差异最大相为故障相的步骤包括：
采用公式(4)计算出的线路i的各相对地电容有效值Cai、Cbi、Cci两两差值比较，选出绝对值差值最小的两相为健全相，剩下的一相则为故障相；
或者，在相电压降低为故障相，相电压升高为健全相的基础上，再通过比较相电压降低的两相各自对地电容值与健全相的对地电容有效值差值，差值最大的为故障相。
4.根据权利要求1所述的一种基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相方法，其特征在于，将所述对地电容有效值替换为线路阻抗或导纳。
5.一种基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相系统，其特征在于，包括：
实时采集模块，用于实时采集线路的三相电压和电流；
对地电容有效值计算模块，在发生单相接地故障时，利用相电压和相电流突变量计算出线路的各相对地电容有效值；
故障相确定模块，通过三相两两差值比较，选出对地电容有效值差异最大相为故障相；
所述对地电容有效值计算模块按照下式计算各相对地电容有效值：
式中和/>为故障前采集到线路i的三相电流和电压，/>为故障后相电压下的线路电流，/>为故障电流，以上假设a相为故障相；Cki为单相线路的对地电容有效值，w为系统角频率，k＝a，b，c三相；
式(1)、(2)、(3)中，分别为线路i的故障前与故障后的相电流突变量和相电压突变量；
所述对地电容有效值计算模块利用采集到的三相电压和电流采样值对突变量进行等效变换，取故障前2个周波以前的稳态采样序列与故障后3个周波以后的稳态采样序列进行逐一对应相减,分别求得电流和电压的差值序列即为突变量序列。
6.根据权利要求5所述的一种基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相系统，其特征在于：
所述对地电容有效值计算模块采用傅里叶变换方法或快速傅里叶变换方法，分别计算相电压和相电流的突变序列的基波有效值ΔIki和ΔUki，然后代入以下公式求得各相对地电容有效值：
式中k＝a，b，c；ω为系统角频率。
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