CN112332385A - 一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法 - Google Patents

一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法步骤包括:步骤1：在配电网线路侧搭建主动探测电路，步骤2：在配电线路相间故障三相跳闸后，经固定延时后接入接地开关Kd释放电量；步骤3：向配电网投入充电附加电容C并采集放电电流数据，电流平均变化率kj,n，通过无故障判据I判断是否故障回路；步骤4：确定故障回路后，对该故障回路多次投切附加电容并计算kj,n，通过永久性故障判据II并判断是否为瞬时性故障，若未达到最大允许判别时间，进行步骤5；步骤5：切除线路附加电容，经固定延时，返回步骤4执行，循环判定，直至判定结束。本发明解决了配电网相间故障后自动重合闸盲目重合的问题。

Description

一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法
技术领域
本发明属于配电网保护技术领域，涉及一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法。
背景技术
现有配电网通常在重要馈线出口处配置三相自动重合闸实现相间故障后的快速恢复供电，以提高供电可靠性。但固定时限的三相重合闸动作存在盲目性，当重合于永久故障，会对配电系统及设备带来二次冲击的风险，甚至可能会进一步恶化供电电能质量。因此，为了更好地解决配电网相间故障后的盲目重合问题，进行配电网相间重合前永久故障判别有助于提高配电网重合闸的自适应能力，从而进一步提高配电系统的供电可靠性。
目前关于配电网相间故障性质判别的研究相对较少，国内外学者对其提出的方法主要包括无源法和有源法。现有无源法主要利用跳闸后短时的储能信息，结合电容放电的衰减特性及网络参数识别进行故障性质的判别，这类方法受并联电容器储能大小及放电时间等因素影响较大，三相跳闸后无可靠稳定的电气信息。现有有源法主要依靠外加电力电子注入装置在配电变压器低压侧注入可靠的逆变信号，检测断路器出口处的暂态电流、电压频谱特征进行故障性质识别，该方法需要配电变压器高压侧与低压侧之间的通信配合以及较为复杂的控制系统，实际应用较难实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法，解决了现有技术中存在的配电网相间故障后自动重合闸盲目重合的问题。
本发明所采用的技术方案是，
一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法，步骤包括:
步骤1：在配电网线路侧搭建主动探测电路，主动探测电路包括三相接地开关Kd、由直流源DC预充电的附加电容C以及相应的直流源开关Kb与附加电容开关S1、S2、S3、S4；
步骤2：在配电线路相间故障三相跳闸后，经固定延时0.1s接入接地开关Kd释放电量；
步骤3：接着向AB、BC、CA三个相间依次投入充电附加电容C，采集其放电电流数据，并分别计算电流平均变化率kj,n，若满足无故障判据I，则切除附加电容，重合闸动作；否则判定故障依然存在，进行故障回路判别；
步骤4：确定故障回路后，对该故障回路多次投切附加电容，检测其电容电流并计算kj,n，若满足永久性故障判据II并达到配电线路重合闸最大允许判别时间，则闭锁重合闸；否则，判定为瞬时性故障，重合闸动作。若未达到最大允许判别时间，进行步骤5；
步骤5：切除线路附加电容，经固定延时，返回步骤4执行，循环判定，直至判定结束。
本发明的特点在于：
主动探测电路包括在配电网母线出口处接入三相接地开关Kd，还包括附加电容C，所述附件电容C的一端分别连接的开关S1、S2，开关S1、S2分别接入线路A相与B相，所述附加电容C的另一端分别连接开关S3、S4，开关S3、S4分别接入线路B相与C相，附加电容C的两端还接入有串联的直流源DC和开关Kb。
步骤3具体为：
步骤3.1：闭合附加电容开关S1和S3向AB相间投入充电附加电容C检测其放电电流数据iAB，投入时长0.1s后将S1和S3断开，闭合直流源开关Kb对附加电容进行充电，充电时长0.1s后断开Kb；
步骤3.2：接着闭合附加电容开关S2和S4向BC相间投入充电附加电容C检测其放电电流数据iBC，投入时长0.1s后将S2和S4断开，闭合直流源开关Kb对附加电容进行充电，充电时长0.1s后断开Kb；
步骤3.3：再闭合附加电容开关S1和S4向CA相间投入充电附加电容C检测其放电电流数据iCA，投入时长0.1s后将S1和S4断开，闭合直流源开关Kb对附加电容进行充电，充电时长0.1s后断开Kb；
多次循环步骤3.1～3.3采集放电电流数据，直至每个相间回路某一次采集到的数据与该回路前一次所采集到的数据无明显变化时即可停止；
步骤3.4：根据所采集到的放电电流数据iAB、iBC、iCA，再结合采集到的每个相间回路放电电流前两个波峰所对应的时间点，进行如式(1)所示的计算：
Figure BDA0002748359270000041
其中：j表示相间回路，分别为AB、BC、CA；tj,n,2p、tj,n,1p分别表示第n次投入电容时第二个波峰与第一个波峰对应的时间点；i(tj,n,2p)、i(tj,n,1p)分别表示第n次投入电容时第二个波峰与第一个波峰对应的电流值；kj,n表示第n次投入电容时第二个波峰与第一个波峰间电流平均变化率；
根据式(1)分别计算电流平均变化率kj,n，以投入AB相求得的kAB,n为基准值，多次轮换投切，构造无故障判据I；
步骤3.5：若同时满足无故障判据I，则判定故障在附加电容投入前就已消失，此时切除附加电容，重合闸动作；否则，判定故障依然存在，此时需对故障回路进一步判别。
所述无故障判据I公式如(2)和(3)：
Figure BDA0002748359270000042
其中：λ为判据I的整定门槛，λ取0.1～0.2。
步骤4具体为：
步骤4.1：步骤4.1：对故障回路闭合相应的附加电容开关，投入充电附加电容C检测其放电电流数据iAB，投入时长0.1s后将相应的附加电容开关断开，闭合直流源开关Kb对附加电容进行充电，充电时长0.1s后断开Kb，多次重复此步骤采集电容电流数据，直至某一次采集到的数据与前一次所采集到的数据无明显变化时即可停止；
根据电流数据通过公式(1)计算kj,n，并设置故障判据II；
步骤4.2：若式故障判据II成立并且达到当地配电线路重合闸最大允许判别时间，则判定故障为永久性，重合闸闭锁；若不成立，判定故障为瞬时性，重合闸动作；若未达到最大允许判别时间，进行步骤5。
步骤4中所述故障判据II的公式为公式(4)：
Figure BDA0002748359270000051
其中：δ为判据II的整定门槛，δ取0.3～0.5。
所述步骤5中在所述固定延时内需接入直流源对电容重新充电后再切除直流源。
本发明的有益效果是
针对配电线路相间故障后采用自动重合闸存在重合于永久故障的问题，种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法。通过在配电网线路侧三相跳闸后接入预充电的附加电容，利用附加电容在不同相间回路的放电电流特性以及单一回路多次放电电流特性实现相间永久故障的识别。该方法通过附加电容多次定时限充、放电，避免了配电线路相间故障跳闸后因电气量衰减速度过快导致缺少可利用有效电气信息的影响，人为注入的信号保证了信号的可靠性，控制相对简单，具有较好的实现性。对于一些非常重要的配电网线路，为了提高供电可靠性，具有一定的应用价值。
附图说明
图1是本发明一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法的工作流程图；
图2是本发明一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法中主动探测电路的配电线路结构图；
图3是本发明一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法中当故障存在时附加电容的放电电流波形图；
图4是本发明一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法中当无故障时附加电容的放电电流波形图；
图5是本发明一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法中配电网在出现相间故障时主动探测电路的等值网络图；
图6是图5简化后的等效电路图；
图7是本发明一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法中配电网在未出现相间故障时主动探测电路的等值网络图。
图中，1.主动探测电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法，如图1，具体步骤包括：
步骤1：在配电网线路侧搭建主动探测电路1，主动探测电路1包括三相接地开关Kd、由直流源DC预充电的附加电容C以及相应的直流源开关Kb与附加电容开关S1、S2、S3、S4。
步骤2：在配电线路相间故障三相跳闸后，经固定延时0.1s接入接地开关Kd释放电量，以避免线路残余电量影响判定结果。
步骤3：接着向AB、BC、CA三个相间依次投入充电附加电容C，采集其放电电流数据，并分别计算电流平均变化率kj,n，若满足无故障判据I，则切除附加电容，重合闸动作；否则判定故障依然存在，进行故障回路判别。
步骤4：确定故障回路后，对该故障回路多次投切附加电容，检测其电容电流并计算kj,n，若满足永久性故障判据II并达到配电线路重合闸最大允许判别时间，则闭锁重合闸；否则，判定为瞬时性故障，重合闸动作。若未达到最大允许判别时间，进行步骤5。
步骤5：切除线路附加电容，经固定延时(该延时内，接入直流源对电容重新充电后再切除直流源)，返回执行步骤4，循环判定，直至判定结束。
其中主动探测电路1的搭建如图2，包括在配电网母线出口处接入三相接地开关Kd，还包括附加电容C，所述附件电容C的一端分别连接的开关S1、S2，开关S1、S2分别接入线路A相与B相，所述附加电容C的另一端分别连接开关S3、S4，开关S3、S4分别接入线路B相与C相，附加电容C的两端还接入有串联的直流源DC和开关Kb。
其中步骤3具体为：
步骤3.1：闭合附加电容开关S1和S3向AB相间投入充电附加电容C检测其放电电流数据iAB，投入时长0.1s后将S1和S3断开，闭合直流源开关Kb对附加电容进行充电，充电时长0.1s后断开Kb。
步骤3.2：接着闭合附加电容开关S2和S4向BC相间投入充电附加电容C检测其放电电流数据iBC，投入时长0.1s后将S2和S4断开，闭合直流源开关Kb对附加电容进行充电，充电时长0.1s后断开Kb。
步骤3.3：再闭合附加电容开关S1和S4向CA相间投入充电附加电容C检测其放电电流数据iCA，投入时长0.1s后将S1和S4断开，闭合直流源开关Kb对附加电容进行充电，充电时长0.1s后断开Kb。
可多次循环步骤3.1～3.3采集放电电流数据，直至每个相间回路某一次采集到的数据与该回路前一次所采集到的数据无明显变化时即可停止。
步骤3.4：为了更好地表征附加电容多次投切期间放电电流衰减特性，引入前两次放电电流波峰变化率特征反映衰减特性。根据所采集到的放电电流数据iAB、iBC、iCA，再结合采集到的每个相间回路放电电流前两个波峰所对应的时间点，进行如式(1)所示的计算：
Figure BDA0002748359270000081
其中：j表示相间回路，分别为AB、BC、CA；tj,n,2p、tj,n,1p分别表示第n次投入电容时第二个波峰与第一个波峰对应的时间点；i(tj,n,2p)、i(tj,n,1p)分别表示第n次投入电容时第二个波峰与第一个波峰对应的电流值；kj,n表示第n次投入电容时第二个波峰与第一个波峰间电流平均变化率。
附加电容放电电流波形如图3和图4，图3为将附加电容投入故障回路时的放电电流波形，图4为将附加电容投入无故障回路时的放电电流波形，根据波形图对比可看出在故障存在时电容电流呈振荡衰减趋势，而无故障时电容电流迅速衰减至零，可利用故障存在时与无故障时衰减特性的显著差异判别故障状态。
考虑到相间故障跳闸后接入接地开关有利于加速电弧的熄灭，可能存在短时的瞬时性故障在附加电容首次投入前故障就已消失的情况，此时三个回路的电容放电电流衰减特性具有高度相似性。根据式(1)分别计算电流平均变化率kj,n，以投入AB相求得的kAB,n为基准值，多次轮换投切，利用波形相似特征构造无故障判据I，无故障判据I公式如(2)和(3)：
Figure BDA0002748359270000091
其中：λ为判据I的整定门槛。判据I越接近0，表明两波形越相似。结合仿真分析建议λ取0.1～0.2。
步骤3.5：若同时满足式(2)与式(3)，则判定故障在附加电容投入前就已消失，此时切除附加电容，重合闸动作；否则，判定故障依然存在，此时需对故障回路进一步判别。
其中步骤4具体为：
步骤4.1：对故障回路闭合相应的附加电容开关，投入充电附加电容C检测其放电电流数据iAB，投入时长0.1s后将相应的附加电容开关断开，闭合直流源开关Kb对附加电容进行充电，充电时长0.1s后断开Kb，多次重复此步骤采集电容电流数据，直至某一次采集到的数据与前一次所采集到的数据无明显变化时即可停止；根据式(1)计算kj,n，并设置故障判据II：
Figure BDA0002748359270000101
其中：δ为判据II的整定门槛。判据II越接近0，表明两波形越相似。由于存在模型简化误差与计算误差，在进行永久故障判别时，判据需留有一定裕量，结合仿真分析建议δ取0.3～0.5。
步骤4.2：若式(4)成立并且达到当地配电线路重合闸最大允许判别时间，则判定故障为永久性，重合闸闭锁；若不成立，判定故障为瞬时性，重合闸动作。若未达到最大允许判别时间，进行步骤5。
本发明的原理为：
如图5为故障相间等值网络。附加电容C两端电压为uc，其初始值为U0；ic为C的放电电流；Rl、Ll为线路自电阻和自电感；m为故障点到线路首端的距离占线路全长的比值；Rf为故障过渡电阻，RT、LT为配电降压变压器的等值电阻与等值电感；图5可简化为如图6所示的RLC等效电路。Req、Leq为电容放电回路等效电阻和等效电感。从二阶零输入响应入手，设电容开关在t＝0时刻闭合，根据基尔霍夫电压定律，将有以下关系成立：
Figure BDA0002748359270000102
由电路分析，可得：
Figure BDA0002748359270000111
τ为衰减时间常数，反映了放电电流衰减速度。
线路三相跳闸，故障消失前接入附加电容C，出现放电电流ic，并逐渐衰减至0。对于永久性故障，无论处于何种放电状态，多次投切附加电容放电的过程中，回路结构始终无变化，即衰减时间常数τ不变，因此多次放电电流的衰减特性存在高度的一致性。
根据图7所示的非故障相间等值网络图，从零输入响应分析可得如下表达式：
Figure BDA0002748359270000112
由电路分析，可得：
Figure BDA0002748359270000113
非故障相间回路结构与故障相间回路结构存在明显差异，非故障相间的衰减时间常数τ'与放电回路的固有参数有关，其明显区别于故障相间的衰减时间常数τ。
根据图5～图7的分析可知，本发明是通过搭建主动探测电路1，当主动探测电路中的附加电容C在故障相间回路进行放电时，其放电电流衰减特性与另外两个非故障相间回路放电特性有较显著差异。基于不同相间回路放电特性差异进行相间故障状态识别，再通过故障回路多次放电特性判别相间故障性质。

Claims (7)

1.一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法,其特征在于，步骤包括:
步骤1：在配电网线路侧搭建主动探测电路(1)，主动探测电路(1)包括三相接地开关Kd、由直流源DC预充电的附加电容C以及相应的直流源开关Kb与附加电容开关S1、S2、S3、S4；
步骤2：在配电线路相间故障三相跳闸后，经固定延时0.1s接入接地开关Kd释放电量；
步骤3：接着向AB、BC、CA三个相间依次投入充电附加电容C，采集其放电电流数据，并分别计算电流平均变化率kj,n，若满足无故障判据I，则切除附加电容，重合闸动作；否则判定故障依然存在，进行故障回路判别；
步骤4：确定故障回路后，对该故障回路多次投切附加电容，检测其电容电流并计算kj,n，若满足永久性故障判据II并达到配电线路重合闸最大允许判别时间，则闭锁重合闸；否则，判定为瞬时性故障，重合闸动作；若未达到最大允许判别时间，进行步骤5；
步骤5：切除线路附加电容，经固定延时，返回步骤4执行，循环判定，直至判定结束。
2.如权利要求1所述的一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法，其特征在于，所述主动探测电路(1)包括在配电网母线出口处接入三相接地开关Kd，还包括附加电容C，所述附件电容C的一端分别连接的开关S1、S2，开关S1、S2分别接入线路A相与B相，所述附加电容C的另一端分别连接开关S3、S4，开关S3、S4分别接入线路B相与C相，附加电容C的两端还接入有串联的直流源DC和开关Kb。
3.如权利要求1所述的一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
步骤3.1：闭合附加电容开关S1和S3向AB相间投入充电附加电容C检测其放电电流数据iAB，投入时长0.1s后将S1和S3断开，闭合直流源开关Kb对附加电容进行充电，充电时长0.1s后断开Kb；
步骤3.2：接着闭合附加电容开关S2和S4向BC相间投入充电附加电容C检测其放电电流数据iBC，投入时长0.1s后将S2和S4断开，闭合直流源开关Kb对附加电容进行充电，充电时长0.1s后断开Kb；
步骤3.3：再闭合附加电容开关S1和S4向CA相间投入充电附加电容C检测其放电电流数据iCA，投入时长0.1s后将S1和S4断开，闭合直流源开关Kb对附加电容进行充电，充电时长0.1s后断开Kb；
多次循环步骤3.1～3.3采集放电电流数据，直至每个相间回路某一次采集到的数据与该回路前一次所采集到的数据无明显变化时即可停止；
步骤3.4：根据所采集到的放电电流数据iAB、iBC、iCA，再结合采集到的每个相间回路放电电流前两个波峰所对应的时间点，进行如式(1)所示的计算：
Figure RE-FDA0002792830970000021
其中：j表示相间回路，分别为AB、BC、CA；tj,n,2p、tj,n,1p分别表示第n次投入电容时第二个波峰与第一个波峰对应的时间点；i(tj,n,2p)、i(tj,n,1p)分别表示第n次投入电容时第二个波峰与第一个波峰对应的电流值；kj,n表示第n次投入电容时第二个波峰与第一个波峰间电流平均变化率；
根据式(1)分别计算电流平均变化率kj,n，以投入AB相求得的kAB,n为基准值，多次轮换投切，构造无故障判据I；
步骤3.5：若满足无故障判据I，则判定故障在附加电容投入前就已消失，此时切除附加电容，重合闸动作；否则，判定故障依然存在，此时需对故障回路进一步判别。
4.如权利要求3所述的一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法，其特征在于，所述无故障判据I公式如(2)和(3)：
Figure RE-FDA0002792830970000031
其中：λ为判据I的整定门槛，λ取0.1～0.2。
5.如权利要求3所述的一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法，所述步骤4具体为：
步骤4.1：对故障回路闭合相应的附加电容开关，投入充电附加电容C检测其放电电流数据iAB，投入时长0.1s后将相应的附加电容开关断开，闭合直流源开关Kb对附加电容进行充电，充电时长0.1s后断开Kb，多次重复此步骤采集电容电流数据，直至某一次采集到的数据与前一次所采集到的数据无明显变化时即可停止；
根据电流数据通过公式(1)计算kj,n，并设置故障判据II；
步骤4.2：若故障判据II成立并且达到当地配电线路重合闸最大允许判别时间，则判定故障为永久性，重合闸闭锁；若不成立，判定故障为瞬时性，重合闸动作；若未达到最大允许判别时间，进行步骤5。
6.如权利要求5所述的一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法，其特征在于，所述步骤4中所述故障判据II的公式为公式(4)：
Figure RE-FDA0002792830970000041
其中：δ为判据II的整定门槛，δ取0.3～0.5。
7.如权利要求1所述的一种探测式的配电网相间重合前永久性故障判别方法，其特征在于，所述步骤5中在所述固定延时内需接入直流源对电容重新充电后再切除直流源。
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