CN112485588A - 一种基于级联h桥控制的永久高阻故障区段定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于级联H桥控制的永久高阻故障区段定位方法，属于电力系统配电网保护技术领域。本发明方法能有效识别故障上下游，快速进行故障区段定位，当系统发生单相接地高阻故障时，通过级联H桥变流器向馈线的三相注入相同的高频电流信号，采集线路各个区段前后测量点三相相电流，由于发生单相接地高阻故障，故障相线路接地点呈阻性，高频电流无法通过，比较两个非故障相与故障相的每个区段前后相电流变化量，变化量最大的区段为故障区段，从而有效实现区段定位，电流变化量对高阻故障响应灵敏，速动性好，有较强应用前景。

Description

一种基于级联H桥控制的永久高阻故障区段定位方法
技术领域
本发明属于电力系统配电网保护技术领域，具体涉及一种基于级联H桥控制的永久高阻故障区段定位方法。
背景技术
配电系统受离地面较近、馈入居民区、自然灾害等因素的影响，导线很容易接触到树枝或发生断线并坠落，此时往往会发生高阻接地故障。当高阻接地故障发生时，存在检测难度大、不能快速切除等问题，若故障长期存在，不但有可能会导致两相接地短路故障，扩大故障范围和改变故障性质，甚至会引发火灾，对人身、财产安全造成威胁。配电网作为电网中重要的组成部分，对其进行检测、保证其正常的运行也是重要的，因为一旦配电线路出现故障，造成停电，给用电用户带来不便的同时，还给供电公司造成重大损失。由于电网配电线路传输距离远，沿途地势复杂，环境和气候条件恶劣，再加上供电压力大，造成故障率大幅升高。因此，快速准确地检测出高阻接地故障具有重要意义。
目前针对时域的高阻检测方法包括暂态有功功率方向法、暂态无功功率方向法能量法等，此类方法可以直观反映故障信号的时域特征，有利于滤除各种干扰，保证可靠性，与利用频域的检测方法相比，具有一定优势。然而配电网高阻接地故障的电阻值目前没有明确的定义，常规检测保护装置反应接地电阻的能力不超过300Ω。而导线断线掉地、对树枝放电等接地故障的电阻值远超300Ω,是典型的高阻接地故障，目前还未能有可靠解决的措施，是配电技术领域的一个难题。这类故障极易造成社会人身触电或火灾事故，涉及社会公共安全问题，是个十分迫切需要解决的技术问题。因此如何克服现有技术的不足是目前电力系统配电网保护技术领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于级联H桥控制的永久高阻故障区段定位方法，该方法能有效识别故障上下游，快速进行故障区段定位，当系统发生单相接地故障时，通过级联H桥变流器向馈线的三相注入相同的高频电流信号，采集线路各个区段前后测量点三相相电流，由于发生永久性单相接地故障，故障相线路接地点呈阻性，高频电流无法通过，比较两个非故障相与故障相的每个区段前后相电流变化量，变化量最大的区段为故障区段，从而有效实现区段定位，速动性好，有较强应用前景。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于级联H桥控制的永久高阻故障区段定位方法，包括如下步骤：
第一步，系统发生单相接地故障后，首先根据CPS-SPWM原理生成驱动信号，使得级联H桥变流器输出三相高频交流电流；
第二步，将级联H桥变流器输出的三相高频交流电流注入每条馈线；
第三步，采集馈线中每个测量点的故障时刻前一个周期到故障后三个周期的电流；
第四步，利用FFT分解出各个频段的电流幅值，得到每个测点在注入频段的电流幅值i1、i2、…、iN；
第五步，将每个区段的电流幅值与后一个区段电流幅值做差得到Δi1、Δi2、…、ΔiM，M＝N-1；
第六步，比较求出的Δii大小，变化量最大的区段为故障区段。
进一步，优选的是，级联H桥变流器输出的350Hz的三相交流电流。
进一步，优选的是，馈线类型包括架空线路、线缆混合线路和纯电缆线路。
基于级联H桥控制的永久高阻故障区段定位系统，采用上述基于级联H桥控制的永久高阻故障区段定位方法，包括：
驱动信号生成模块，用于当系统发生单相接地故障后，根据CPS-SPWM原理驱动信号生成，使得级联H桥变流器输出三相高频交流电流；
三相高频交流电流注入模块，用于将级联H桥变流器输出的三相高频交流电流注入每条馈线；
数据采集模块，用于采集馈线中每个测量点的故障时刻前一个周期到故障后三个周期的电流；
FFT分解模块，用于利用FFT分解出各个频段的电流幅值，得到每个测点在注入频段的电流幅值i1、i2、…、iN；
故障区段判别模块，用于将每个区段的电流幅值与后一个区段电流幅值做差得到Δi1、Δi2、…、ΔiM，M＝N-1；比较求出的Δii大小，变化量最大的区段为故障区段。
进一步，优选的是，还包括显示模块，用于显示故障区段判别模块的判别结果。
本方法适用于含架空线路和电缆线路的多条馈线的故障区段定位。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
1、通过级联H桥变流器向三相注入电流，放大电流信号，方便测量各个区段相电流变化量，有利于解决谐振接地系统高阻接地故障特征不明显和检测难度高的问题。
2、针对非故障线路对地参数呈容性，故障线路对地参数呈阻性，高频电流信号在故障线路无法流过故障点，采集相电流变化量既能判断故障区段，同时故障相与非故障相电流变化量差异明显，能有有效实现选相，有较强应用前景。
3、本发明提出的高阻故障区段定位方法能够有效识别故障电阻值超过300Ω的高阻故障，针对导线断线掉地、对树枝放电等接地故障的电阻值远超300Ω典型高阻接地故障有效实现区段定位。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明谐振接地系统结构图；
图3是本发明实例1中A点不同频段电流幅值；
图4是本发明实例1中B点不同频段电流幅值；
图5是本发明实例1中C点不同频段电流幅值；
图6是本发明实例1中D点不同频段电流幅值；
图7是本发明实例2中A点不同频段电流幅值；
图8是本发明实例2中B点不同频段电流幅值；
图9是本发明实例2中C点不同频段电流幅值；
图10是本发明实例2中D点不同频段电流幅值；
图11是本发明实例3中A点不同频段电流幅值；
图12是本发明实例3中B点不同频段电流幅值；
图13是本发明实例3中C点不同频段电流幅值；
图14是本发明实例3中D点不同频段电流幅值；
图15为本发明系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
一种基于级联H桥控制的永久高阻故障区段定位方法，包括如下步骤：
第一步，系统发生单相接地故障后，首先根据CPS-SPWM原理生成驱动信号，使得级联H桥变流器输出三相高频交流电流；
第二步，将级联H桥变流器输出的三相高频交流电流注入每条馈线；
第三步，采集馈线中每个测量点的故障时刻前一个周期到故障后三个周期的电流；
第四步，利用FFT分解出各个频段的电流幅值，得到每个测点在注入频段的电流幅值i1、i2、…、iN；
第五步，将每个区段的电流幅值与后一个区段电流幅值做差得到Δi1、Δi2、…、ΔiM，M＝N-1；
第六步，比较求出的Δii大小，变化量最大的区段为故障区段。
优选，级联H桥变流器输出的350Hz的三相交流电流。
优选，馈线类型包括架空线路、线缆混合线路和纯电缆线路。
如图15所示，基于级联H桥控制的永久高阻故障区段定位系统，采用上述基于级联H桥控制的永久高阻故障区段定位方法，包括：
驱动信号生成模块101，用于当系统发生单相接地故障后，根据CPS-SPWM原理驱动信号生成，使得级联H桥变流器输出三相高频交流电流；
三相高频交流电流注入模块102，用于将级联H桥变流器输出的三相高频交流电流注入每条馈线；
数据采集模块103，用于采集馈线中每个测量点的故障时刻前一个周期到故障后三个周期的电流；
FFT分解模块104，用于利用FFT分解出各个频段的电流幅值，得到每个测点在注入频段的电流幅值i1、i2、…、iN；
故障区段判别模块105，用于将每个区段的电流幅值与后一个区段电流幅值做差得到Δi1、Δi2、…、ΔiM，M＝N-1；比较求出的Δii大小，变化量最大的区段为故障区段。
还包括显示模块106，用于显示故障区段判别模块的判别结果。
首先利用PSCAD/EMTDC建立如图2所示的配电网仿真模型，110kV/10kV的变电所共有6回出线，馈线L1、L2、L3、L5为架空线路，馈线L4为线缆混合线路，L6是纯电缆线路。线路L1上分布4个测点，分别记为测点A，B，C，D，相邻测点相距3km。其中，架空馈线的正序阻抗为：R1＝0.45Ω/km，L1＝1.172mH/km，C1＝6.1nF/km，零序阻抗为：R0＝0.7Ω/km，L0＝3.91mH/km，C0＝3.8nF/km；电缆馈线的正序阻抗为：R1＝0.075Ω/km，L1＝0.254mH/km，C1＝318nF/km，零序阻抗为：R0＝0.102Ω/km，L0＝0.892mH/km，C0＝212nF/km。该配电系统的中性点从母线的Z字型接地变压器引出，经消弧线圈接地，系统采样频率为20kHz。
应用实例1
(1)假设在图1所示馈线L1上测点B、C之间距离C点2km处发生单相接地故障，故障时刻0.04s，过渡电阻为500Ω；
(2)将级联H桥变流器输出的350Hz的三相交流电流注入每条馈线；
(3)采集馈线中每个测量点的0.02s～0.5s时刻的电流，
(4)利用FFT分解出各个频段的电流幅值，得到四个测点在350Hz频段的电流幅值如图3～图6，i1＝23.24kA、i2＝23.3kA、i3＝19.21kA、i4＝19.26kA；
(4)每个区段的测量点电流幅值与后一个区段测量点电流幅值做差得到Δi1＝0.06kA、Δi2＝4.1kA、Δi3＝0.05kA；
(5)得出Δi2最大，即BC区段变化量最大，可以判断该区段即为故障区段；
应用实例2
(1)假设在图1所示馈线L1上测点A、B之间距离A点3km处发生单相接地故障，故障时刻0.04s，过渡电阻为800Ω；
(2)将级联H桥变流器输出的350Hz的三相高频交流电流注入每条馈线；
(3)采集馈线中每个测量点的0.02s～0.5s时刻的电流，
(4)利用FFT分解出各个频段的电流幅值，得到四个测点在350Hz频段的电流幅值如图7～图10，i1＝21.75kA、i2＝19.22kA、i3＝19.28kA、i4＝19.33kA；
(4)每个区段的测量点电流幅值与后一个区段测量点电流幅值做差得到Δi1＝2.53kA、Δi2＝0.06kA、Δi3＝0.05kA；
(5)得出Δi1最大，即AB区段变化量最大，可以判断该区段即为故障区段；
应用实例3
(1)假设在图1所示馈线L1上测点C，D之间距离D点2km处发生单相接地故障，故障时刻0.04s，过渡电阻为1000Ω；
(2)将级联H桥变流器输出的350Hz的三相高频交流电流注入每条馈线；
(3)采集馈线中每个测量点的0.02s～0.5s时刻的电流，
(4)利用FFT分解出各个频段的电流幅值，得到四个测点在350Hz频段的电流幅值如图11～图14，i1＝21.14kA、i2＝21.21kA、i3＝21.27kA、i4＝19.3kA；
(4)每个区段的测量点电流幅值与后一个区段测量点电流幅值做差得到Δi1＝0.07kA、Δi2＝0.06kA、Δi3＝1.97kA；
(5)得出Δi3最大，即CD区段变化量最大，可以判断该区段即为故障区段。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于级联H桥控制的永久高阻故障区段定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，系统发生单相接地故障后，首先根据CPS-SPWM原理生成驱动信号，使得级联H桥变流器输出三相高频交流电流；
第二步，将级联H桥变流器输出的三相高频交流电流注入每条馈线；
第三步，采集馈线中每个测量点的故障时刻前一个周期到故障后三个周期的电流；
第四步，利用FFT分解出各个频段的电流幅值，得到每个测点在注入频段的电流幅值i1、i2、…、iN；
第五步，将每个区段的电流幅值与后一个区段电流幅值做差得到Δi1、Δi2、…、ΔiM，M＝N-1；
第六步，比较求出的Δii大小，变化量最大的区段为故障区段。
2.根据权利要求1所述的基于级联H桥控制的永久高阻故障区段定位方法，其特征在于，级联H桥变流器输出的350Hz的三相交流电流。
3.根据权利要求1所述的基于级联H桥控制的永久高阻故障区段定位方法，其特征在于，馈线类型包括架空线路、线缆混合线路和纯电缆线路。
4.基于级联H桥控制的永久高阻故障区段定位系统，采用权利要求1～3任意一项所述的基于级联H桥控制的永久高阻故障区段定位方法，其特征在于，包括：
驱动信号生成模块，用于当系统发生单相接地故障后，根据CPS-SPWM原理驱动信号生成，使得级联H桥变流器输出三相高频交流电流；
三相高频交流电流注入模块，用于将级联H桥变流器输出的三相高频交流电流注入每条馈线；
数据采集模块，用于采集馈线中每个测量点的故障时刻前一个周期到故障后三个周期的电流；
FFT分解模块，用于利用FFT分解出各个频段的电流幅值，得到每个测点在注入频段的电流幅值i1、i2、…、iN；
故障区段判别模块，用于将每个区段的电流幅值与后一个区段电流幅值做差得到Δi1、Δi2、…、ΔiM，M＝N-1；比较求出的Δii大小，变化量最大的区段为故障区段。
5.根据权利要求4所述的基于级联H桥控制的永久高阻故障区段定位系统，其特征在于，还包括显示模块，用于显示故障区段判别模块的判别结果。
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