CN112557814A - 一种低压配网中性线断线的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压配电网中性线断线监测系统和方法，包括采集器和控制器，采集器采集低压配网侧的相关数据，包括低压配电侧电源首端三相线电流、中性线上的电流和三相负载相电压；控制器基于采集器采集的信息计算中性点偏移电压和中性线阻抗，根据不同的比较结果，判定是否有中线断线故障发生。本发明的应用，能保证全线路的快速、准确、高效、无检测死区的断线故障监测。并在故障发生时，发出跳闸命令和报警信号。

Description

一种低压配网中性线断线的监测方法

技术领域

本发明属于智能电网技术领域，涉及一种低压配网中性线断线的监测方法。

背景技术

智能电网是未来电力系统的发展方向，安全可靠的供电服务是智能电网的主要特征之一。智能配电网保护的研究对提高供电可靠性和减少用户侧停电时间具有重大意义。

低压配电系统广泛采用三相四线制或三相五线制供电系统。当供电系统中性线断线时，用户侧的中性点位移电压将发生偏移，可能烧毁大量用户设备，给用户造成巨大的经济损失；并且中性线一旦断线，采用接地保护的电气设备将失去保护作用，可能造成人身触电事故。

因此，准确监测低压系统中性线断线并采取相应措施是十分必要的。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种低压配网中性线断线的监测方法，具体是基于谐波电流和中性点偏移电压的低压配电网中性线断线的监测方法，将谐波电流监测和中性点偏移电压监测结合起来，在低压配网中性线断线时，控制器能够快速、准确、高效率的检测出故障，并且发出相应的跳闸命令和报警信号。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种低压配电网中性线断线监测系统，包括采集器和控制器；

采集器采集低压配网侧的相关数据，包括低压配电侧电源首端三相线电流、中性线上的电流和三相负载相电压；

控制器基于采集器采集的信息计算中性点偏移电压和中性线阻抗；然后进行以下判断：

当配网三相线路的三次谐波电流同时减小时，判断三次谐波突变率|ΔI₃％|是否大于故障判断整定值σ，若|ΔI₃％|大于σ，则输出中性线断线故障信号，结束；

否则，当配网三相线路的三次谐波电流同时减小，若|ΔI₃％|＞γ且|K|＞μ，则输出中性线断线故障信号，结束；其中，γ为负载正常波动时，三次谐波突变率的最大整定值；μ为负载正常波动时|K|的最大取值；K为三次谐波电流突变量与基波电流突变量之比，K＝ΔI₃/ΔI₁。

进一步地，控制器还进行如下判断：

判断中性点偏移电压U₀和中性线电流I₀是否大于断线故障整定值，若中性点偏移电压U₀和中性线电流I₀大于整定值，则输出中性线断线故障信号，结束。

本发明还涉及的低压配电网中性线断线监测方法，包括以下步骤：

步骤(1)检测和计算低压配网侧的相关数据

检测的电量信号包括：低压配电侧电源首端三相线电流、中性线上的电流和三相负载相电压；计算的电量信号和参数包括：中性点偏移电压和中性线阻抗；

步骤(2)基于瞬时无功功率法，将三相线电流中的基波电流和三次谐波电流分解出来；

根据步骤(1)计算的中性线阻抗和检测的中性线的零序电流计算中性点偏移电压，进行如下判断：

当配网三相线路的三次谐波电流同时减小时，判断三次谐波突变率|ΔI₃％|是否大于故障判断整定值σ，若|ΔI₃％|大于σ，输出中性线断线故障信号，若|ΔI₃％|小于σ，则进进行下一步判断；

当配网三相线路的三次谐波电流同时减小，若|ΔI₃％|＞γ且|K|＞μ，则输出中性线断线故障信号，结束；其中，γ为负载正常波动时，三次谐波突变率的最大整定值；μ为负载正常波动时|K|的最大取值；K为三次谐波电流突变量与基波电流突变量之比，K＝ΔI₃/ΔI₁。

进一步地，由于三相相线不平衡电压U_unb对零序差动电压U₀'的影响很小，所以零序差动电压U₀'近似为中性点偏移电压U₀。

因此，还包括如下步骤：若|ΔI₃％|＜γ或|K|＜μ，进行如下判断：

判断中性点偏移电压U₀和中性线电流I₀是否大于断线故障整定值，若中性点偏移电压U₀和中性线电流I₀大于整定值，则控制器输出中性线断线故障信号，否则输出正常运行信号。

进一步地，采用瞬时无功功率法计算三相线路的三次谐波电流：

建立旋转频率为三倍基波频率f₃的正序、负序2种同步旋转坐标系，将配电网的三相线电流的正序、负序及零序电流分量分别变换到这2个旋转坐标系中，将滤波处理后得到的直流分量进行Park反变换，可分别得到三次谐波电流的正序、负序及零序电流分量，三次谐波电流即为电流中三倍基波频率的正序、负序及零序分量之和。

进一步地，三次谐波电流的计算具体按以下进行：

(1)基于对称分量法，将三相线电流分解成三相正序电流(i_a ⁺、i_b ⁺、i_c ⁺)，负序电流(i_a ^—、i_b ^—、i_c ^—)和零序电流(i_a ⁰、i_b ⁰、i_c ⁰)，如：

其中对称分量变换矩阵T为：

其中：α为角度换算因子；

(2)将正序、负序及零序电流进行Park变换，变换方式如下：

经过Park变换得到的电流通过LPF滤波后，得到直流分量

再通过Park逆变换：

C_dq/abc＝(C_αβ/dqC_abc/αβ)^-1；

可计算出三次谐波电流的正序i_s3 ⁺、负序i_s3 ^—及零序谐波分量i_s3 ⁰，将它们相加即可得到三次谐波电流i_s3，即：

进一步地，将三次谐波电流的突变率及三次谐波电流和基波电流的突变率之比与各自故障整定值相比较，进而判断是否发生中性线断线故障。

进一步地，判断是否发生中性线断线故障具体按以下进行：

定义三次谐波电流的突变量ΔI₃为：

ΔI₃＝I_3,n-I_3,n-1；

其中：n表示第n次采样的三次谐波电流，n-1表示第n-1次采样的三次谐波电流。

三次谐波电流突变率定义为：

由负载不平衡引起的基波电流突变ΔI₁可以由下列公式计算得到：

负载为恒功率负载时：

负载为恒阻抗负载时：

其中I₁、U_unb、U_r分别是故障位置后负载的基波电流，不平衡相的相线—中性线电压和负载的额定相电压；

三次谐波电流突变量与基波电流突变量之比为：

K＝ΔI₃/ΔI₁。

进一步地，判断中性点偏移电压及中性线电流是否大于故障整定值，具体按以下进行：

定义U_A0、U_B0、U_C0分别为A、B、C相的负载电压，U_A、U_B、U_C为A、B、C相负载的对地电压，U₀为中性点偏移电压，Z_L为线路阻抗，中性线阻抗Z_L0，且考虑三相线路阻抗相等；

定义零序差动电压U₀'为：

定义相线产生的不平衡电压U_unb为：

其中，I₀为零线电流；

线路阻抗Z_L计算公式为：

其中，ρ为线路材料的电阻率，L为线路长度，S为线路的截面积；

中性线偏移电压为：

U₀＝I₀Z_L0＝6U_unb

故三相线路产生的不平衡电压U_unb很小，零序差动电压近似等于中性点偏移电压，即：

U₀≈U′₀。

本发明增加偏移电压的判定，可解决单独采用谐波电流监测方法造成的死区问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明结合了谐波电流检测方法和中性点偏移电压检测方法对中性线断线故障进行监测，能保证全线路的快速、准确、高效、无检测死区的断线故障监测。并在故障发生时，发出跳闸命令和报警信号。保护了用电设备的安全和保证了供电系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明的数据采集原理图；

图2是本发明的瞬时无功功率法提取三次谐波电流的流程图；

图3是本发明的监测方法的流程图；

上面结合附图描述了本发明的实施方式，但实现时不受上述实施例限制，本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变化或修改。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是对本发明一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，图中所示电路为低压配电网简单的三相四线制电路图，电路包括三相电源，三相负载阻抗，中性线阻抗，并且三相负载阻抗分别串接在三相线路上，所标注的三相线电流、中性线电流和负载相电压为所测量的电气量。

如图3所示，本实施例的基于谐波电流和中性点偏移电压的低压配网中性线断线的监测方法，包括以下步骤：

步骤(1)：检测和计算低压配网侧的相关数据

检测的电气量如图1所示，检测的电量信号包括：低压配电侧电源首端三相线电流i_a、i_b、i_c，中性线上的电流i₀，负载相电压U_A0、U_B0、U_C0；计算的电量信号和参数包括：中性点偏移电压U₀，中性线阻抗Z_L0。

步骤(2)：基于瞬时无功功率法，将三相线电流中的基波电流和三次谐波电流分解出来。

利用瞬时无功功率法计算三相线路上的三次谐波电流：

建立旋转频率为f₃(三倍基波频率)的正序、负序2种同步旋转坐标系，将配电网的三相线电流的正序、负序及零序电流分量分别变换到这2个旋转坐标系中，将滤波处理后得到的直流分量进行Park反变换，可分别得到三次谐波电流的正序、负序及零序电流分量。三次谐波电流即为电流中三倍基波频率的正序、负序及零序分量之和。

设电网电流i_s(s＝a、b、c)中的正序电流分量包含频率为f₁的基波电流正序分量，频率为f₃的谐波电流正序分量，频率为f_p的谐波电流正序分量(其它次谐波电流)，则三相电流正序分量经过Park变换，得到在旋转频率为f₃的正序旋转坐标系统的电流分量i_d，i_q，其中包括直流分量、频率为f₁-f₃的正序旋转电流分量及频率为f₃-f_p的正序旋转电流分量，这些电流分量分别对应于三相静止坐标系中频率为f₃，f₁，f_p的正序电流分量。通过坐标变换，将频率为f₃的三次谐波电流正序分量变换为直流分量，而非f₃频率的正序分量在旋转坐标系统中仍为交流分量。

再通过低通滤波器(LPF)即可将交流分量滤除，得到直流分量

最后通过Park逆变换，可得到f₃的三相正序谐波分量。同理三次谐波的负序、零序电流分量也可提取出来，计算流程图如图2所示。

图2中包括用对称分量法计算出的三相正序、负序、零序线电流，在瞬时无功功率法计算过程中出现的交流分量和直流分量，以及计算出的三次谐波正序、负序、零序电流分量。

计算出三次谐波电流的正序、负序、零序分量之后再将它们相加即可得到三次谐波电流i_s3，进而可计算得到三次谐波突变率ΔI₃％。

2.1基于对称分量法，将三相线电流分解成三相正序电流(i_a ⁺、i_b ⁺、i_c ⁺)，负序电流(i_a ^—、i_b ^—、i_c ^—)和零序电流(i_a ⁰、i_b ⁰、i_c ⁰)，如：

其中对称分量变换矩阵T为(α为角度换算因子)：

2.2将正序、负序及零序电流进行Park变换，变换方式如下：

经过Park变换得到的电流通过LPF滤波后，得到直流分量

再通过Park逆变换：

C_dq/abc＝(C_αβ/dqC_abc/αβ)^-1

可计算出三次谐波电流的正序i_s3 ⁺、负序i_s3 ^—及零序谐波分量i_s3 ⁰，将它们相加即可得到三次谐波电流i_s3，即：

根据步骤(1)计算的中性线阻抗和检测的中性线的零序电流计算中性点偏移电压。当配网三相线路的三次谐波电流同时减小时，判断三次谐波突变率|ΔI₃％|是否大于故障判断整定值σ(即|ΔI₃％|＞σ)，若|ΔI₃％|大于σ，则控制器输出中性线断线故障信号，若|ΔI₃％|小于σ，则进入步骤(3)；

步骤(3)：当配网三相线路的三次谐波电流同时减小，控制器判断|ΔI₃％|＞γ(γ为负载正常波动时，三次谐波突变率的最大整定值)和|K|＞μ(K＝ΔI₃/ΔI₁；μ为负载正常波动时|K|的最大取值)，若|ΔI₃％|＞γ且|K|＞μ，则控制器输出中性线断线故障信号；

σ为三次谐波电流突变率的故障动作整定值、γ为最大负荷波动时三次谐波电流突变率的整定值、μ为三次谐波电流变量与基波电流变量之比K的整定值。

控制器将三次谐波电流的突变率及三次谐波电流和基波电流的突变率之比与各自故障整定值相比较，进而判断是否发生中性线断线故障。

定义三次谐波电流的突变量ΔI₃为：

ΔI₃＝I_3,n-I_3,n-1

其中：n表示第n次采样的三次谐波电流，n-1表示第n-1次采样的三次谐波电流。

三次谐波电流突变率可定义为：

由负载不平衡引起的基波电流突变ΔI₁可以由下列公式计算得到：

负载为恒功率负载时：

负载为恒阻抗负载时：

其中I₁、U_unb、U_r分别是故障位置后负载的基波电流，不平衡相的相线—中性线电压和负载的额定相电压。

三次谐波电流突变量与基波电流突变量之比为：

K＝ΔI₃/ΔI₁。

若|ΔI₃％|＜γ或|K|＜μ，控制器进入步骤(4)。

当故障后负荷不平衡时，对于恒阻抗负载而言，除了三相线路三次谐波电流同时减小外，在重载相会有基波电流的减小，轻载相有基波电流的增大，即三相线电流会出现基波电流突增或突降，因此需要计算出三次谐波电流突变量与基波电流突变量之比K的值，来对故障情况和正常负荷波动情况进行区分。

步骤(4)设定故障动作值。由于三相相线不平衡电压U_unb对零序差动电压U₀'的影响很小，所以零序差动电压U₀'近似为中性点偏移电压U₀。控制器判断中性点偏移电压U₀和中性线电流I₀是否大于断线故障整定值，若中性点偏移电压U₀和中性线电流I₀大于整定值，则控制器输出中性线断线故障信号，否则输出正常运行信号。

定义U_A0、U_B0、U_C0分别为A、B、C相的负载电压，U_A、U_B、U_C为A、B、C相负载的对地电压，U₀为中性点偏移电压，Z_L为线路阻抗，中性线阻抗Z_L0，且考虑三相线路阻抗相等。

定义零序差动电压U₀'为：

定义相线产生的不平衡电压U_unb为：

其中，I₀为零线电流。

线路阻抗Z_L计算公式为：

其中，ρ为线路材料的电阻率，L为线路长度，S为线路的截面积。

低压配网要求中性线截面积大于相线截面积的一半，取最不利的情况，中性线截面积为相线的一半，即中性线阻抗Z_L0为相线阻抗Z_L的2倍。所以中性线偏移电压为：

U₀＝I₀Z_L0＝6U_unb；

故三相线路产生的不平衡电压U_unb很小，零序差动电压近似等于中性点偏移电压，即：

U₀≈U′₀

根据中性线电流和中性线阻抗计算出零序差动电压U₀'，而中性点偏移电压U₀约等于U₀'，即可求出U₀。

判断中性点偏移电压及中性线电流是否大于故障整定值，解决谐波电流监测方法的死区问题：

本实施例针对某低配电中性线的检测情况如下：

通过观测，在正常情况下，三相上三次谐波电流同时减小的百分比很少超过10％，超过14％的情况几乎不会发生。

三相上|ΔI₃％|同时减小10％以上且|K|大于0.3的情况也几乎为零。

综上所述，σ取10％，γ取14％，μ取0.3。

考虑到单相负载在额定电压的±10％范围内均可正常工作。整定电压U_set按照额定电压的10％整定,取22V；当三相负载不平衡度较小时，I_set整定值可取99.4A。

本实施例的判断过程中：

1)如果在线路首端同时观察到三次谐波电流突变率|ΔI₃％|＞σ，表明发生中性线断线故障，而|ΔI₃％|越大表明故障位置越接近线路首端。

2)如果在线路首端同时观察到明显的三次谐波电流减小，但|ΔI₃％|大于α，并且有三次谐波电流和基波电流之比|K|＞0.3，表明发生中性线断线。

3)当检测方法仅利用中性点偏移电压时，在正常运行且三相负载不平衡度较大时，该方法可能发生误判，进而，在中性线上装设一个穿心式电流互感器，当中性点偏移电压大于整定值U_set且中性线电流I₀大于整定值I_set时，才判断为零线断线：

|U′₀|≥U_set且|I₀|≥I_set。

该监测方法克服了因三相负载不平度较大导致控制器发生误判的困难。

结束一轮判断之后，若无故障发生则重复实时监测。若出现中性线断线故障，那么控制器将发出跳闸命令，并且输出报警信号。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低压配电网中性线断线监测系统，其特征在于：

包括采集器和控制器；

采集器采集低压配网侧的相关数据，包括低压配电侧电源首端三相线电流、中性线上的电流和三相负载相电压；

控制器基于采集器采集的信息计算中性点偏移电压和中性线阻抗；然后进行以下判断：

当配网三相线路的三次谐波电流同时减小时，判断三次谐波突变率|ΔI₃％|是否大于故障判断整定值σ，若|ΔI₃％|大于σ，则输出中性线断线故障信号，结束；

否则，当配网三相线路的三次谐波电流同时减小，若|ΔI₃％|＞γ且|K|＞μ，则输出中性线断线故障信号，结束；其中，γ为负载正常波动时，三次谐波突变率的最大整定值；μ为负载正常波动时|K|的最大取值；K为三次谐波电流突变量与基波电流突变量之比，K＝ΔI₃/ΔI₁。

2.根据权利要求1所述的低压配电网中性线断线监测系统，其特征在于：控制器还进行如下判断：

判断中性点偏移电压U₀和中性线电流I₀是否大于断线故障整定值，若中性点偏移电压U₀和中性线电流I₀大于整定值，则输出中性线断线故障信号，结束。

3.一种低压配电网中性线断线监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)检测和计算低压配网侧的相关数据

检测的电量信号包括：低压配电侧电源首端三相线电流、中性线上的电流和三相负载相电压；计算的电量信号和参数包括：中性点偏移电压和中性线阻抗；

步骤(2)基于瞬时无功功率法，将三相线电流中的基波电流和三次谐波电流分解出来；

根据步骤(1)计算的中性线阻抗和检测的中性线的零序电流计算中性点偏移电压，进行如下判断：

当配网三相线路的三次谐波电流同时减小时，判断三次谐波突变率|ΔI₃％|是否大于故障判断整定值σ，若|ΔI₃％|大于σ，输出中性线断线故障信号，若|ΔI₃％|小于σ，则进进行下一步判断；

当配网三相线路的三次谐波电流同时减小，若|ΔI₃％|＞γ且|K|＞μ，则输出中性线断线故障信号，结束；其中，γ为负载正常波动时，三次谐波突变率的最大整定值；μ为负载正常波动时|K|的最大取值；K为三次谐波电流突变量与基波电流突变量之比，K＝ΔI₃/ΔI₁。

4.根据权利要求3所述的低压配电网中性线断线监测方法，其特征在于：还包括如下步骤：若|ΔI₃％|＜γ或|K|＜μ，进行如下判断：

判断中性点偏移电压U₀和中性线电流I₀是否大于断线故障整定值，若中性点偏移电压U₀和中性线电流I₀大于整定值，则控制器输出中性线断线故障信号，否则输出正常运行信号。

5.根据权利要求3所述的低压配电网中性线断线监测方法，其特征在于：采用瞬时无功功率法计算三相线路的三次谐波电流：

建立旋转频率为三倍基波频率f₃的正序、负序2种同步旋转坐标系，将配电网的三相线电流的正序、负序及零序电流分量分别变换到这2个旋转坐标系中，将滤波处理后得到的直流分量进行Park反变换，可分别得到三次谐波电流的正序、负序及零序电流分量，三次谐波电流即为电流中三倍基波频率的正序、负序及零序分量之和。

6.根据权利要求5所述的低压配电网中性线断线监测方法，其特征在于：三次谐波电流的计算具体按以下进行：

(1)基于对称分量法，将三相线电流分解成三相正序电流(i_a ⁺、i_b ⁺、i_c ⁺)，负序电流(i_a ^—、i_b ^—、i_c ^—)和零序电流(i_a ⁰、i_b ⁰、i_c ⁰)，如：

其中对称分量变换矩阵T为：

其中：α为角度换算因子；

(2)将正序、负序及零序电流进行Park变换，变换方式如下：

经过Park变换得到的电流通过LPF滤波后，得到直流分量

再通过Park逆变换：

C_dq/abc＝(C_αβ/dqC_abc/αβ)^-1；

可计算出三次谐波电流的正序i_s3 ⁺、负序i_s3 ^—及零序谐波分量i_s3 ⁰，将它们相加即可得到三次谐波电流i_s3，即：

7.根据权利要求3所述的低压配电网中性线断线监测方法，其特征在于：将三次谐波电流的突变率及三次谐波电流和基波电流的突变率之比与各自故障整定值相比较，进而判断是否发生中性线断线故障。

8.根据权利要求7所述的低压配电网中性线断线监测方法，其特征在于：判断是否发生中性线断线故障具体按以下进行：

定义三次谐波电流的突变量ΔI₃为：

ΔI₃＝I_3,n-I_3,n-1；

其中：n表示第n次采样的三次谐波电流，n-1表示第n-1次采样的三次谐波电流。

三次谐波电流突变率定义为：

由负载不平衡引起的基波电流突变ΔI₁可以由下列公式计算得到：

负载为恒功率负载时：

负载为恒阻抗负载时：

其中I₁、U_unb、U_r分别是故障位置后负载的基波电流，不平衡相的相线—中性线电压和负载的额定相电压；

三次谐波电流突变量与基波电流突变量之比为：

K＝ΔI₃/ΔI₁。

9.根据权利要求4所述的低压配电网中性线断线监测方法，其特征在于：判断中性点偏移电压及中性线电流是否大于故障整定值，具体按以下进行：

定义U_A0、U_B0、U_C0分别为A、B、C相的负载电压，U_A、U_B、U_C为A、B、C相负载的对地电压，U₀为中性点偏移电压，Z_L为线路阻抗，中性线阻抗Z_L0，且考虑三相线路阻抗相等；

定义零序差动电压U₀'为：

定义相线产生的不平衡电压U_unb为：

其中，I₀为零线电流；

线路阻抗Z_L计算公式为：

其中，ρ为线路材料的电阻率，L为线路长度，S为线路的截面积；

中性线偏移电压为：

U₀＝I₀Z_L0＝6U_unb；

故三相线路产生的不平衡电压U_unb很小，零序差动电压近似等于中性点偏移电压，即：

U₀≈U′₀。

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