CN112415426A - 一种小电阻接地系统的单相接地故障检测方法、系统、终端及可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小电阻接地系统的单相接地故障检测方法、系统、终端及可读存储介质，所述方法包括：S1：实时采集小电阻接地系统的母线零序电压，并监测所述母线零序电压的幅值；其中，若所述母线零序电压的幅值突变增大且持续至少T时长，在系统中性点接入高频低压电源；S2：采集接入高频低压电源后的各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列；S3：基于各个馈线的零序电流序列识别故障线路，其中，故障线路的零序电流中工频分量大于高频分量且健全线路的零序电流中理论工频分量为零，实际工频分量小于故障线路的工频分量。本发明能够及时感知小电阻接地系统单相高阻接地故障，且所述方法实现简单，适用性强，便于推广。

Description

一种小电阻接地系统的单相接地故障检测方法、系统、终端及 可读存储介质

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种小电阻接地系统的单相接地故障检测方法、系统、终端及可读存储介质。

背景技术

小电阻接地系统主要应用于我国沿海大型城市配电网，当系统发生单相低阻接地故障时，保护装置能快速准确选线，并灵敏切除故障线路或故障区段，可避免系统继续带故障运行。然而，当过渡电阻达到几百欧甚至上千欧时，母线零序电压将小于零序保护启动或动作阈值，故障电流将显著变小，故障特征极其微弱，高阻故障将难以及时感知，故障线路难以有效切除。由于城市人口集中，当小电阻接地系统发生单相高阻接地故障时，极易造成人身触电，扩大事故范围等严重后果。因此，如何及时感知小电阻接地系统单相高阻接地故障是本领域技术研究人员亟待解决的问题，进而为快速切除故障线路奠定了基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种电阻接地系统的单相接地故障检测方法，尤其是能够及时感知小电阻接地系统单相高阻接地故障，且所述方法实现简单，适用性强。

本发明一方面提供一种小电阻接地系统的单相接地故障检测方法，包括如下步骤：

S1：实时采集小电阻接地系统的母线零序电压，并监测所述母线零序电压的幅值；

其中，若所述母线零序电压的幅值突变增大且持续至少T₁时长，在系统中性点接入高频低压电源；

S2：采集接入高频低压电源后的各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列；

S3：基于各个馈线的零序电流序列识别故障线路，其中，故障线路的零序电流中工频分量大于高频分量且健全线路的零序电流中理论工频分量为零，实际工频分量小于故障线路的工频分量。

本发明研究发现故障线路的零序电流包含了工频和接入高频低压电源的高频分量，由于接入的是高频低压电源，高频分量含量小，工频分量远大于高频分量，即使故障点过渡电阻高达5kΩ，工频电流仍大于1A，由此本发明巧妙设置高频电压电源可以拉大工频电流与高频分量的差距，而健全馈线的零序电流理论上仅包含了接入电压源的高频分量，实际上工频分量也很低，由此可知，故障线路和健全线路两者之间的零序电流构成显著差异的故障特征，而基于该故障特征可以有效鉴别故障线路和非故障线路，鉴别的手段本发明优选高频畸变率，其他的可行方案中可以是通过其他计算来实现，如均方根值等。

可选地，步骤S3的实现过程如下：

从各个馈线的零序电流序列中截取至少一个工频周期的波形，并基于所述波形计算出各个馈线对应的高频畸变率，其中，所述高频畸变率的计算公式如下：

式中，

为馈线k的高频畸变率，I_z为接入电压源频率的电流幅值，I_k1为馈线k的零序电流的工频分量幅值；

将各个馈线的高频畸变率与预设整定阈值进行比较，若小于所述整定阈值，对应馈线为故障馈线；否则，对应馈线为健全馈线。

本发明研究发现故障线路零序电流高频畸变率低，健全线路零序电流高频畸变率极高，通过高频畸变率，两者故障特征差异显著，进而可以有效区分健全线路和故障线路。且，本发明发现稳态信号下多个周波与1个周波畸变率的计算结果一样，因此，下文以选用1个周期的零序电流波形为例进行说明。

可选地，所述整定阈值为200％。

可选地，步骤S3中从各个馈线的零序电流序列中截取时，起始时刻t₁为接入高频低压电源后T₂s，所述T₂至少大于瞬时性故障持续时间。譬如，选择t₁为接入高频低压电源后0.5s，如果瞬时性故障持续实际小于0.5s，则可躲过该瞬时性故障。且本发明截取接入高频低压电源后的零序电流波形也可以有效避免接入高频低压电源的暂态谐波对计算结果的影响。

可选地，所述方法还包括：若鉴别出故障馈线，则控制对应馈线的保护装置动作以切除高阻故障。

可选地，母线零序电压的幅值突变增大的鉴别标准为：U₀>1.5％U_N，U_N为系统正常运行时的额定相电压；

持续的T₁时长满足：T₁大于5s。

本发明待母线零序电压突变后一段时间再接入高频电压电源也可以有效避免瞬时性故障。

可选地，所述高频低压电源的频率和幅值的要求为：频率一般选择系统故障时不出现的频率，以避免故障时出现频率的干扰，幅值则选择实际上容易达到本发明要求的幅值即可，本发明对此不进行具体的限定。

第二方面，本发明还提供一种基于所述单相接地故障检测方法的检测系统，包括母线零序电压互感器、零序电流互感器以及控制器，所述母线零序电压互感器、零序电流互感器均与控制器连接；

其中，所述母线零序电压互感器与母线连接，用于采集母线零序电压并传输给控制器，控制器对母线零序电压进行幅值计算以及监测；

所述零序电流互感器设置于各个馈线上，与对应馈线连接，用于采集馈线出口处的零序电流并传输给控制器；

所述控制器基于各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列，并基于各个馈线的零序电流序列识别故障线路。

第三方面，本发明还提供一种检测终端，包括处理器和存储器，所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用所述计算机程序以执行：

获取小电阻接地系统的母线零序电压，并监测所述母线零序电压的幅值；其中，若所述母线零序电压的幅值突变增大且持续至少T₁时长，反馈高频低压电源接入信息；待所述小电阻接地系统的中性点接入高频低压电源后，获取各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列，并基于各个馈线的零序电流序列识别故障线路。

第四方面，本发明还提供一种可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被调用以执行：

获取小电阻接地系统的母线零序电压，并监测所述母线零序电压的幅值；其中，若所述母线零序电压的幅值突变增大且持续至少T₁时长，反馈高频低压电源接入信息；待所述小电阻接地系统的中性点接入高频低压电源后，获取各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列，并基于各个馈线的零序电流序列识别故障线路。

有益效果

本发明提供的一种电阻接地系统的单相接地故障检测方法，是基于研究发现的故障线路的零序电流包含了工频和接入高频低压电源的高频分量，而由于接入的是高频低压电源，因此高频分量含量小，工频分量远大于高频分量，即使故障点过渡电阻高达5kΩ，工频电流仍大于1A，由此本发明巧妙设置高频电压电源可以拉大工频电流与高频分量的差距，而健全馈线的零序电流理论上仅包含了接入电压源的高频分量，实际上工频分量也很低，进而可知，通过接入高频低压电源，故障线路和健全线路两者之间的零序电流构成显著差异的故障特征，而基于该故障特征可以有效鉴别故障线路和非故障线路。通过上述手段，本发明可以简单、高效地实现小电阻系统单相高阻接地故障的检测与辨别，进而实现单相高阻接地保护；与此同时，接入电源的电压低，对系统三相电压影响小，且易于实施与实现。

附图说明

图1是本发明实施例的配电网仿真模型图；

图2是本发明实施例的配电网仿真模型的零序等效电路图；

图3是本发明实施例的零序电流序列的波形图。

具体实施方式

本发明提供的一种电阻接地系统的单相接地故障检测方法，是可以及时感知小电阻接地系统单相高阻接地故障，下文将以单相高阻接地故障为例，对本发明做进一步的说明。

如图1所示，应用本发明方法的配电网为一10kV单端电源供电辐射状仿真模型，图中共有5条馈线，馈线长度分别为10km、20km、10km、19km、6km，其中馈线1、2为架空-电缆混合线路，馈线3、4为架空线路、馈线5为电缆线路。系统中性点通过接地变经小电阻接地，小电阻R_N数值为10Ω，E_z为配电网中性点接入的可控电压源，U_z和ω_z分别为可控电压源的幅值和角频率。假设馈线5发生了单相接地故障，过渡电阻为2000Ω。另外考虑到实际电压源存在内阻，仿真中接入电压源串联1Ω电阻。

为了简便，实施例中的线路参数设为相同，具体线路参数为：

架空线路：

正序电阻、电感、电容分别为：r₁＝0.178Ω/km、l₁＝1.21mH/km、c₁＝0.012uF/km；

零序电阻、电感、电容分别为：r₀＝0.25Ω/km、l₀＝5.54mH/km、c₀＝0.006uF/km。

电缆线路：

正序电阻、电感、电容分别为：r₁＝0.27Ω/km、l₁＝0.255mH/km、c₁＝0.379uF/km；

零序电阻、电感、电容分别为：r₀＝2.7Ω/km、l₀＝1.109mH/km、c₀＝0.276uF/km。

实施例具体步骤如下：

图1所示仿真模型的零序等效电路图如图2所示。由图应用叠加原理可知，故障线路的零序电流

与健全线路的零序电流

如下式所示：

式中，

为故障点电压，R_f为故障点过渡电阻，U_z和ω_z分别为接入的高频低压电源的幅值和角频率，C₅₀和C_k0分别为故障线路5和健全线路k(k＝1,2,3,4)的零序分布电容。由上式可知，故障线路的零序电流包含工频分量和接入高频低压电源的高频分量，由于接入电压低，高频分量含量较小，工频电流一般远大于高频电流，即使故障点过渡电阻高达5kΩ，工频电流仍大于1A；而健全线路理论上仅含有接入电压源的高频分量，由此健全线路和故障线路的零序电流构成了显著差异的故障特征。

需要注意的是，为避免高频分量电流过大造成保护判据误判，接入电压源的频率和幅值不宜过高。实际应用中，可通过改变接入低压电源的频率和幅值改变各馈线零序电流幅值，或故障线路高频畸变率；整定阈值可通过大量仿真实验获得。基于上述原理性内容，本实施例所述方法主要由以下步骤构成：

1)馈线5发生单相高阻接地故障后，利用傅里叶算法得到母线零序电压的突变量为95V，经过一段时间后，突变量仍然存在，则在系统中性点经接地变压器接入高频低压电源，高频低压电源初相角为0°、幅值和频率分别为50V、150Hz。其中，接入的高频低压电源中频率高低以及电压高低的鉴定以本领域的标准为准，选择本领域定义的高频、低压范围的对应电源，譬如以相电压小于等于220V为低压，相对于工频50Hz更高的为高频。

其中，利用母线零序电压互感器采集到母线零序电压后，利用傅里叶算法可以计算出母线零序电压的幅值。

2)以5kHz的采样频率在各馈线上对零序电流进行实时采样，得到各馈线零序电流采样序列i₁₀(n)、i₂₀(n)、…、i₅₀(n)，n表示采样点，具体波形如附3所示。

3)截取接入低压电源0.5s后1个工频周期的波形数据，用全波傅里叶算法求得各馈线工频、高频电流幅值(mA)分别为4.104、132.0；9.888、350.5；0.1736、5.426；0.3288、10.33；2862、150.6。

4)按照前述高频畸变率的公式计算出5条馈线的高频畸变率分别为3217.14％、3544.23％、3167.04％、3122.11％、5.26％，对比整定阈值200％可知，馈线5为故障线路。

6)执行馈线5的保护动作，并及时切除高阻故障，实现了小电阻接地系统单相高阻接地保护。

在一些可行的方式中，本发明还提供一种基于所述单相接地故障检测方法的检测系统，包括母线零序电压互感器、零序电流互感器以及控制器，所述母线零序电压互感器、零序电流互感器均与控制器连接；

其中，所述母线零序电压互感器与母线连接，用于采集母线零序电压并传输给控制器，控制器对母线零序电压进行幅值计算以及监测；

若监测到发生单相高阻接地故障后，且母线零序电压存在突变量且经过一段时间后，突变量仍然存在，则在系统中性点经接地变压器接入高频低压电源，

所述零序电流互感器设置于各个馈线上，与对应馈线连接，用于采集馈线出口处的零序电流并传输给控制器；

所述控制器基于各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列，并基于各个馈线的零序电流序列识别故障线路。

应当理解，上述元器件的具体实现过程参照方法内容，本发明在此不进行具体的赘述。

在一些可行的方式中，本发明还提供一种检测终端，包括处理器和存储器，所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用所述计算机程序以执行：

获取小电阻接地系统的母线零序电压，并监测所述母线零序电压的幅值；其中，若所述母线零序电压的幅值突变增大且持续至少T₁时长，反馈高频低压电源接入信息；待所述小电阻接地系统的中性点接入高频低压电源后，获取各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列，并基于各个馈线的零序电流序列识别故障线路。

在一些可行的方式中，本发明还提供一种可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被调用以执行：

获取小电阻接地系统的母线零序电压，并监测所述母线零序电压的幅值；其中，若所述母线零序电压的幅值突变增大且持续至少T₁时长，反馈高频低压电源接入信息；待所述小电阻接地系统的中性点接入高频低压电源后，获取各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列，并基于各个馈线的零序电流序列识别故障线路。

应当理解，在本发明实施例中，所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据。存储器的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

所述可读存储介质为计算机可读存储介质，其可以是前述任一实施例所述的控制器的内部存储单元，例如控制器的硬盘或内存。所述可读存储介质也可以是所述控制器的外部存储设备，例如所述控制器上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述可读存储介质还可以既包括所述控制器的内部存储单元也包括外部存储设备。所述可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述控制器所需的其他程序和数据。所述可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种小电阻接地系统的单相接地故障检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：实时采集小电阻接地系统的母线零序电压，并监测所述母线零序电压的幅值；

其中，若所述母线零序电压的幅值突变增大且持续至少T₁时长，在系统中性点接入高频低压电源；

S2：采集接入高频低压电源后的各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列；

S3：基于各个馈线的零序电流序列识别故障线路。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S3的实现过程如下：

从各个馈线的零序电流序列中截取至少一个工频周期的波形，并基于所述波形计算出各个馈线对应的高频畸变率，其中，所述高频畸变率的计算公式如下：

式中，

为馈线k的高频畸变率，I_z为接入电压源频率的电流幅值，I_k1为馈线k的零序电流的工频分量幅值；

将各个馈线的高频畸变率与预设整定阈值进行比较，若小于所述整定阈值，对应馈线为故障馈线；否则，对应馈线为健全馈线。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述整定阈值为200％。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤S3中从各个馈线的零序电流序列中截取时，起始时刻t₁为接入高频低压电源后T₂s，所述T₂至少大于瞬时性故障持续时间。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括：若鉴别出故障馈线，则控制对应馈线的保护装置动作以切除高阻故障。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：母线零序电压的幅值突变增大的鉴别标准为：若U₀>1.5％U_N，U_N为系统正常运行时的额定相电压，U₀为母线零序电压的幅值；

持续的T₁时长满足：T₁大于5s。

7.一种基于权利要求1所述的检测系统，其特征在于：包括母线零序电压互感器、零序电流互感器以及控制器，所述母线零序电压互感器、零序电流互感器均与控制器连接；

其中，所述母线零序电压互感器与母线连接，用于采集母线零序电压并传输给控制器，控制器对母线零序电压进行幅值计算以及监测；

所述零序电流互感器设置于各个馈线上，与对应馈线连接，用于采集馈线出口处的零序电流并传输给控制器；

所述控制器基于各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列，并基于各个馈线的零序电流序列识别故障线路。

8.一种检测终端，其特征在于：包括处理器和存储器，所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用所述计算机程序以执行：

获取小电阻接地系统的母线零序电压，并监测所述母线零序电压的幅值；其中，若所述母线零序电压的幅值突变增大且持续至少T₁时长，反馈高频低压电源接入信息；待所述小电阻接地系统的中性点接入高频低压电源后，获取各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列，并基于各个馈线的零序电流序列识别故障线路。

9.一种可读存储介质，其特征在于：存储了计算机程序，所述计算机程序被调用以执行：

获取小电阻接地系统的母线零序电压，并监测所述母线零序电压的幅值；其中，若所述母线零序电压的幅值突变增大且持续至少T₁时长，反馈高频低压电源接入信息；待所述小电阻接地系统的中性点接入高频低压电源后，获取各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列，并基于各个馈线的零序电流序列识别故障线路。

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