CN112858837B - 一种判断输电线路高阻故障方向的方法及装置 - Google Patents

一种判断输电线路高阻故障方向的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种判断输电线路高阻故障方向的方法及装置，采集保护安装处零序电流和三相电压的一个工频周波的离散值序列作为输入量；对各序列分别以各自最大值为基准进行标幺，利用全波傅里叶变换计算各序列工频分量的相角，利用零序电流和相电压的相角差选出故障相；利用零序电流—相电压曲线在第一象限包围的面积以及零序电流一个正半周内相电压瞬时值的代数和判断高阻故障为正方向还是反方向。本发明可直接应用于输电线路的保护装置中，无需安装新设备，成本低，计算量小，响应速度快。

Description

一种判断输电线路高阻故障方向的方法及装置
技术领域
本发明属于电力系统故障检测与保护领域，特别涉及一种判断输电线路高阻故障方向的方法及装置。
背景技术
受绝缘子闪络、雷击、山火等因素影响，交流输电线路常发生对周围树枝、毛竹放电以及经山火焰放电造成单相高阻接地故障。传统交流输电线路保护如差动保护、零序电流保护、距离保护在高阻接地故障易发生动作延时甚至拒动作。目前交流输电线路高阻故障识别方法主要有阻抗原理和行波原理，但基于阻抗原理的故障检测方法耐过渡电阻能力有限；基于行波原理的故障检测方法受到启动门槛的限制，精度也受到了较大的挑战。因此对于输电线路高阻故障方向元件的研究具有重要意义。
高阻故障的接地电流较小，极端情况下甚至不到负荷电流的10％，受不平衡电流、电容电流等因素的影响，当高阻故障的接地电流幅值较小时，判断故障发生在区内还是区外具有很大的难度。针对这一问题，本发明将利用零序电流—故障相电压曲线在第一象限包围的面积以及零序电流一个正半周内故障相电压瞬时值的代数和判断高阻接地故障的方向，实现输电线路发生高阻故障时保护动作的快速性和可靠性。
发明内容
为了克服现有技术的问题，一方面，本发明提出一种判断输电线路高阻故障方向的方法，包括以下步骤：
步骤1：对保护安装处的零序电流i0(t)以及相电压ua(t)、ub(t)、uc(t)进行持续采样，获得零序电流和相电压每个电气量一个工频周波的N点离散值序列，分别记作f0(m)、f1(m)、f2(m)、f3(m)；
步骤2：对序列f0(m)、f1(m)、f2(m)、f3(m)分别以各自最大值为基准进行标幺，获得每个电气量的一个工频周波N点标幺序列i0(n)、ua(n)、ub(n)、uc(n)，即：
Figure BDA0002896705500000021
Figure BDA0002896705500000022
Figure BDA0002896705500000023
Figure BDA0002896705500000024
步骤3：用全波傅里叶变换计算标幺序列i0(n)、ua(n)、ub(n)、uc(n)的工频分量的相角，并分别计算ua(n)、ub(n)、uc(n)与i0(n)的工频相角差
Figure BDA0002896705500000025
若某个相角差满足
Figure BDA0002896705500000026
或者
Figure BDA0002896705500000027
则对应相为高阻故障的故障相，进行步骤4)；若均不满足，则判断为未有高阻故障发生。
Figure BDA0002896705500000028
为相角差整定值，可取
Figure BDA0002896705500000029
步骤4：假设故障相为
Figure BDA00028967055000000210
计算零序电流—相电压曲线在第一象限包围的面积S以及零序电流一个正半周内相电压瞬时值的代数和Q，计算采用以下公式：
Figure BDA00028967055000000211
Figure BDA00028967055000000212
S＝sign(S1+S2)·|S1-S2|
Figure BDA00028967055000000213
式中S1为零序电流从零增大到最大值过程中零序电流—相电压曲线与零序电流轴包围的面积，S2为零序电流从最大值反方向变化时零序电流—相电压曲线与零序电流轴包围的面积，i0(k)为零序电流序列，
Figure BDA0002896705500000031
为故障相电压序列；
若S>Sset且Q>Qset，则判断为正方向高阻故障；反之，判断为反方向高阻故障。Sset和Qset为整定值，取Sset＝0.01，Qset＝N/5。
另一方面，本发明提出一种判断输电线路高阻故障方向的装置，包括以下模块：
电气量采样模块：用于对保护安装处的零序电流i0(t)以及相电压ua(t)、ub(t)、uc(t)进行持续采样，获得零序电流和相电压每个电气量一个工频周波的N点离散值序列，分别记作f0(m)、f1(m)、f2(m)、f3(m)；
电气量序列标幺模块：用于对序列f0(m)、f1(m)、f2(m)、f3(m)分别以各自最大值为基准进行标幺，获得每个电气量的一个工频周波N点标幺序列i0(n)、ua(n)、ub(n)、uc(n)，
Figure BDA0002896705500000032
Figure BDA0002896705500000033
Figure BDA0002896705500000034
Figure BDA0002896705500000035
高阻故障有无判断模块：利用全波傅里叶变换计算标幺序列i0(n)、ua(n)、ub(n)、uc(n)的工频分量的相角，并分别计算ua(n)、ub(n)、uc(n)与i0(n)的工频相角差
Figure BDA0002896705500000036
若某个相角差满足
Figure BDA0002896705500000037
或者
Figure BDA0002896705500000038
则对应相为高阻故障相，则继续进行步骤4)；若均不满足，则判断为未有高阻故障发生；
Figure BDA0002896705500000039
为相角差整定值，
Figure BDA00028967055000000310
高阻故障相故障方向判断模块：假设故障相为
Figure BDA00028967055000000311
计算零序电流—相电压曲线在第一象限包围的面积S以及零序电流一个正半周内相电压瞬时值的代数和Q，若S>Sset且Q>Qset，则判断为正方向高阻故障；反之，判断为反方向高阻故障；Sset和Qset为整定值，取Sset＝0.01，Qset＝N/5。
高阻故障相故障方向判断模块中，零序电流—相电压曲线在第一象限包围的面积S的计算公式为
S＝sign(S1+S2)·|S1-S2|
Figure BDA0002896705500000041
Figure BDA0002896705500000042
零序电流一个正半周内相电压瞬时值的代数和Q的计算公式为
Figure BDA0002896705500000043
式中，S1为零序电流从零增大到最大值过程中零序电流—相电压曲线与零序电流轴包围的面积，S2为零序电流从最大值反方向变化时零序电流—相电压曲线与零序电流轴包围的面积，i0(k)为零序电流序列，
Figure BDA0002896705500000044
为故障相电压序列。
本发明的特点及技术效果：
本发明利用输电线路高阻故障时零序电流和故障相电压之间的关系，计算零序电流—相电压曲线在第一象限包围的面积以及零序电流一个正半周内相电压瞬时值的代数和，根据面积以及代数和的正负判断高阻故障为正方向还是反方向。算法计算量小，响应速度快，可有效判断输电线路高阻故障的方向，加快保护动作速度并增强保护的可靠性。
附图说明
图1为应用本发明方法的输电线路结构示意图；
图2为输电线路正方向高阻故障时零序电流—故障相电压关系曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的一种判断输电线路高阻故障方向的方法和装置的实施例详细说明。
应用本发明方法的输电线路模型如图1所示，线路PM长度为100km，线路MN长度为200km，线路NQ长度为100km，输电线路参数值和系统阻抗值如表1、表2所示，EM和EN分别为1.1062倍和1.1069倍的额定电压，EN落后44°。本发明的装置分别通过电压互感器(PT)、电流互感器(CT)量测保护安装处的电压和零序电流值。假设图中F3点A相发生弧光高阻故障，电弧长度为20cm，塔基电阻设为1000Ω，采样频率为2000Hz。
表1输电线路阻抗参数
Figure BDA0002896705500000051
表2系统阻抗参数
Figure BDA0002896705500000052
以图1所示系统中MN线路M侧的方向装置R1为例：
1)对保护安装处的零序电流i0(t)以及相电压ua(t)、ub(t)、uc(t)进行持续采样，获得每个电气量一个工频周波的40个点的离散值序列，分别记作f0(m)、f1(m)、f2(m)、f3(m)，作为输入量。
2)对序列f0(m)、f1(m)、f2(m)、f3(m)分别以各自最大值为基准进行标幺，获得一工频周波序列i0(n)、ua(n)、ub(n)、uc(n)。
3)用全波傅里叶变换计算i0(n)、ua(n)、ub(n)、uc(n)的工频分量的相角，结果如下：
Figure BDA0002896705500000061
可得到
Figure BDA0002896705500000062
由于
Figure BDA0002896705500000063
判断A相为高阻故障的故障相。
4)计算零序电流相电压曲线在第一象限包围的面积S以及零序电流一个正半周内相电压瞬时值的代数和Q：S1＝0.6541，S2＝0.3968，S＝0.2573，Q＝12.9667。
5)取Sset＝0.01，Qset＝8，由于S＝0.2573>0.01且Q＝12.9667>8，故判断发生正方向高阻故障。图2为输电线路正方向高阻故障时零序电流—故障相电压关系曲线示意图。表3示出了输电线路不同位置处高阻故障方向的判断结果。
表3输电线路不同位置处高阻故障方向判断结果
Figure BDA0002896705500000064
上述实施例仅为对本发明内容进行说明，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种判断交流输电线路高阻故障方向的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：对保护安装处的零序电流i0(t)以及相电压ua(t)、ub(t)、uc(t)进行持续采样，获得零序电流和相电压每个电气量一个工频周波的N点离散值序列，分别记作f0(m)、f1(m)、f2(m)、f3(m)；
步骤2：对序列f0(m)、f1(m)、f2(m)、f3(m)分别以各自最大值为基准进行标幺，获得每个电气量的一个工频周波N点标幺序列i0(n)、ua(n)、ub(n)、uc(n)，
Figure FDA0003459565930000011
Figure FDA0003459565930000012
Figure FDA0003459565930000013
Figure FDA0003459565930000014
步骤3：用全波傅里叶变换计算标幺序列i0(n)、ua(n)、ub(n)、uc(n)的工频分量的相角，并分别计算ua(n)、ub(n)、uc(n)与i0(n)的工频相角
Figure FDA0003459565930000015
若某个相角差满足
Figure FDA0003459565930000019
或者
Figure FDA00034595659300000110
则对应相为高阻故障相，则继续进行步骤4)；若均不满足，则判断为未有高阻故障发生；
Figure FDA00034595659300000111
为相角差整定值，
Figure FDA0003459565930000018
步骤4：假设故障相为
Figure FDA0003459565930000016
Figure FDA0003459565930000017
计算零序电流—相电压曲线在第一、四象限包围的面积S以及零序电流一个正半周内相电压瞬时值的代数和Q；
步骤5：根据所述步骤4的计算结果，若S>Sset且Q>Qset，则判断故障相为正方向高阻故障；反之，判断故障相为反方向高阻故障，Sset和Qset为整定值，取Sset＝0.01，Qset＝N/5。
2.根据权利要求1所述的一种判断交流输电线路高阻故障方向的方法，其特征在于，所述步骤4中，零序电流—相电压曲线在第一、四象限包围的面积S的计算公式为
S＝sign(S1+S2)·|S1-S2|
Figure FDA0003459565930000021
Figure FDA0003459565930000022
零序电流一个正半周内相电压瞬时值的代数和Q的计算公式为
Figure FDA0003459565930000023
式中，S1为零序电流从零增大到最大值过程中零序电流—相电压曲线与零序电流轴包围的面积，S2为零序电流从最大值反方向变化时零序电流—相电压曲线与零序电流轴包围的面积，i0(k)为零序电流序列，
Figure FDA0003459565930000024
为故障相电压序列。
3.一种判断交流输电线路高阻故障方向的装置，包括以下模块：
电气量采样模块：用于对保护安装处的零序电流i0(t)以及相电压ua(t)、ub(t)、uc(t)进行持续采样，获得零序电流和相电压每个电气量一个工频周波的N点离散值序列，分别记作f0(m)、f1(m)、f2(m)、f3(m)；
电气量序列标幺模块：用于对序列f0(m)、f1(m)、f2(m)、f3(m)分别以各自最大值为基准进行标幺，获得每个电气量的一个工频周波N点标幺序列i0(n)、ua(n)、ub(n)、uc(n)，
Figure FDA0003459565930000025
Figure FDA0003459565930000026
Figure FDA0003459565930000031
Figure FDA0003459565930000032
高阻故障有无判断模块：利用全波傅里叶变换计算标幺序列i0(n)、ua(n)、ub(n)、uc(n)的工频分量的相角，并分别计算ua(n)、ub(n)、uc(n)与i0(n)的工频相角差
Figure FDA0003459565930000033
若某个相角差满足
Figure FDA0003459565930000034
或者
Figure FDA0003459565930000035
则对应相为高阻故障相，则继续进行步骤4)；若均不满足，则判断为未有高阻故障发生；
Figure FDA0003459565930000036
为相角差整定值，
Figure FDA0003459565930000037
高阻故障相故障方向判断模块：假设故障相为
Figure FDA0003459565930000038
计算零序电流—相电压曲线在第一、四象限包围的面积S以及零序电流一个正半周内相电压瞬时值的代数和Q，若S>Sset且Q>Qset，则判断为正方向高阻故障；反之，判断为反方向高阻故障；Sset和Qset为整定值，取Sset＝0.01，Qset＝N/5。
4.根据权利要求3所述的一种判断交流输电线路高阻故障方向的装置，其特征在于，所述高阻故障相故障方向判断模块中，零序电流—相电压曲线在第一、四象限包围的面积S的计算公式为
S＝sign(S1+S2)·|S1-S2|
Figure FDA0003459565930000039
Figure FDA00034595659300000310
零序电流一个正半周内相电压瞬时值的代数和Q的计算公式为
Figure FDA00034595659300000311
式中，S1为零序电流从零增大到最大值过程中零序电流—相电压曲线与零序电流轴包围的面积，S2为零序电流从最大值反方向变化时零序电流—相电压曲线与零序电流轴包围的面积，i0(k)为零序电流序列，
Figure FDA0003459565930000041
为故障相电压序列。
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