CN113687188A - 一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法及装置，属于配电网继电保护技术领域，适用于不接地系统同名相两点接地故障的情况。通过实时采集系统零序电压和各线路零序电流，进一步计算得到各线路无功功率，基于该无功功率对各线路进行判定从而得到两点接地故障所对应的两条故障线路。本发明由于采用了各线路无功功率在两个阶段的变化量并结合了零序电压的变化情况，对线路接地故障进行判断，提高了选线准确性，有效解决了当同名相两点相继接地时，现有故障选线装置的难以保证选线可靠性的问题。

Description

一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法及装置

技术领域

本发明属于配电网继电保护技术领域，具体涉及一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法及装置。

背景技术

目前我国中压配电网大部分采用的是中性点不接地方式，且主要集中在农村和山区，线路长、出线多且绝缘老化。此类配电网在某条线路发生单相接地故障时，仍可满足正常供电要求，不需立即切除发生单相接地故障的线路，但带故障运行将会威胁到系统已存在的绝缘薄弱环节，进而可能引发其他线路再次接地，形成两点接地故障。此外，由于间歇性接地时故障相电压波动频繁，以及外力破坏等偶然因素，也难免会出现同名相两点相继接地的情况，使得故障影响范围扩大。因此，当发生同名相两点故障时，及时准确选出所有故障线路，对提高配电网供电可靠性，保障设备安全具有重要意义。

系统发生单点接地故障时，各条健全线路零序电流由母线流向本线路，并从接地点流经故障线路流回母线。理论上讲，故障线路零序电流等于所有线路电容电流之和，且其幅值最大，相位则与其他线路相反。根据单点接地故障特征，近年来厂家们研制出各类故障选线装置，选线准确率不断得到提升。但目前绝大多数故障选线装置尚未具备两点接地故障的判断能力，发生两点接地故障时，选线可靠性难以得到保证。研究发现，对于不接地系统而言，两条线路同相两点接地时由于故障电流分流的原因，故障线路零序电流往往要小于单点接地时的故障电流，且过渡电阻较大的故障线路电流特征是随过渡电阻变化的，这更增加了选线的难度。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在解决当同名相两点相继接地时，现有故障选线装置的难以保证选线可靠性的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法，包括：

实时采集系统零序电压与各线路零序电流；

以一个工频周期为时间间隔，计算各个工频周期的系统零序电压有效值U₀与相位θ_μ，以及各线路零序电流有效值I_k与相位θ_ik，其中k为各线路的编号；

基于系统零序电压有效值U₀与相位θ_μ，以及各线路零序电流有效值I_k与相位θ_ik计算各线路的零序功率Q_k；

在第一个接地点出现后，将零序功率Q_k<0的线路记为第一故障线路，第一故障线路为第一个接地点所在的线路；

当系统零序电压增大时，将零序功率Q_k减小的线路记为第二故障线路，第二故障线路为第二个接地点所在的线路。

进一步的，各线路的零序功率Q_k根据下式进行计算：

Q_k＝U₀I_ksinθ_k

式中，θ_k＝θ_μ-θ_ik，代表所述零序电压与所述各线路零序电流的相角差。

进一步的，基于系统零序电压有效值U₀与相位θ_μ，以及各线路零序电流有效值I_k与相位θ_ik计算各线路的零序功率Q_k之前还包括：

判断系统零序电压有效值U₀是否满足U₀≥λU_N，若是，则继续执行后续步骤，若否，则在预设周期后重新进行判断直至满足后再执行后续步骤，其中U_N为系统额定相电压有效值，λ为整定系数。

进一步的，当系统零序电压增大时，将零序功率Q_k减小的线路记为第二故障线路之后还包括：

切除第一故障线路和第二故障线路；

判断系统零序电压有效值U₀是否满足U₀＜λU_N，若是，则认为系统恢复正常。

进一步的，整定系数λ＝0.15。

第二方面，本发明提供了一种基于两阶段零序功率变化的故障选线装置，包括：

数据采集模块，用于实时采集系统零序电压与各线路零序电流；

第一计算模块，用于以一个工频周期为时间间隔，计算各个工频周期的系统零序电压有效值U₀与相位θ_μ，以及各线路零序电流有效值I_k与相位θ_ik，其中k为各线路的编号；

第二计算模块，用于基于系统零序电压有效值U₀与相位θ_μ，以及各线路零序电流有效值I_k与相位θ_ik计算各线路的零序功率Q_k；

第一选线模块，用于在第一个接地点出现后，将零序功率Q_k<0的线路记为第一故障线路，第一故障线路为第一个接地点所在的线路；

第二选线模块，用于当系统零序电压增大时，将零序功率Q_k减小的线路记为第二故障线路，第二故障线路为第二个接地点所在的线路。

进一步的，还包括：

线路故障判定模块，用于判断系统零序电压有效值U₀是否满足U₀≥λU_N，若是，则激活第二计算模块，若否，则在预设周期后重新进行判断直至满足后再激活第二计算模块，其中U_N为系统额定相电压有效值，λ为整定系数。

进一步的，还包括：

线路切除模块，用于切除第一故障线路和第二故障线路；

线路正常判定模块，用于判断系统零序电压有效值U₀是否满足U₀＜λU_N，若是，则认为系统恢复正常。

第三方面，本发明提供了一种基于两阶段零序功率变化的故障选线设备，设备包括处理器以及存储器：

存储器用于存储计算机程序，并将计算机程序的指令发送至处理器；

处理器根据计算机程序的指令执行如第一方面的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法。

第四方面，本发明提供了一种计算机存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如第一方面的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法。

综上，本发明提供了一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法及装置，适用于不接地系统同名相两点接地故障的情况。通过实时采集系统零序电压和各线路零序电流，进一步计算得到各线路无功功率，基于该无功功率对各线路进行判定从而得到两点接地故障所对应的两条故障线路。本发明由于采用了各线路无功功率在两个阶段的变化量以及零序电压变化情况，对线路接地故障进行判断，提高了选线准确性，有效解决了当同名相两点相继接地时，现有故障选线装置的难以保证选线可靠性的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法的具体流程图；

图3为本发明实施例提供的典型不接地系统仿真模型图；

图4为本发明实施例提供的典型不接地系统发生同名相两点接地故障时系统零序电压的波形图；

图5为本发明实施例提供的典型不接地系统发生同名相两点接地故障时各条线路零序电流的波形图。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

目前我国中压配电网大部分采用的是中性点不接地方式，且主要集中在农村和山区，线路长、出线多且绝缘老化。此类配电网在某条线路发生单相接地故障时，仍可满足正常供电要求，不需立即切除发生单相接地故障的线路，但带故障运行将会威胁到系统已存在的绝缘薄弱环节，进而可能引发其他线路再次接地，形成两点接地故障。此外，由于间歇性接地时故障相电压波动频繁，以及外力破坏等偶然因素，也难免会出现同名相两点相继接地的情况，使得故障影响范围扩大。因此，当发生同名相两点故障时，及时准确选出所有故障线路，对提高配电网供电可靠性，保障设备安全具有重要意义。

系统发生单点接地故障时，各条健全线路零序电流由母线流向本线路，并从接地点流经故障线路流回母线。理论上讲，故障线路零序电流等于所有线路电容电流之和，且其幅值最大，相位则与其他线路相反。根据单点接地故障特征，近年来厂家们研制出各类故障选线装置，选线准确率不断得到提升。但目前绝大多数故障选线装置尚未具备两点接地故障的判断能力，发生两点接地故障时，选线可靠性难以得到保证。研究发现，对于不接地系统而言，两条线路同相两点接地时由于故障电流分流的原因，故障线路零序电流往往要小于单点接地时的故障电流，且过渡电阻较大的故障线路电流特征是随过渡电阻变化的，这更增加了选线的难度。

基于此，本发明提供了一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法及装置。

以下是对本发明的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法的实施例进行的详细介绍。

请参阅图1，本实施例提供一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法，包括：

S101：实时采集系统零序电压与各线路零序电流。

S102：以一个工频周期为时间间隔，计算各个工频周期的系统零序电压有效值U₀与相位θ_μ，以及各线路零序电流有效值I_k与相位θ_ik，其中k为各线路的编号；

需要说明的是，系统零序电压有效值U₀根据下式进行计算：

系统零序电压相位θ_μ根据下式进行计算：

各线路零序电流有效值I_k根据下式进行计算：

各线路零序电流相位θ_ik根据下式进行计算：

上述各式中，u₀(t)为所采集瞬时零序电压信号；i_k(t)为所采集各线路的瞬时零序电流信号；T为所采集信号的周期；ω为角频率。

S103：基于系统零序电压有效值U₀与相位θ_μ，以及各线路零序电流有效值I_k与相位θ_ik计算各线路的零序功率Q_k；

需要说明的是，在计算各线路零序功率之前还需要判断线路是否发生接地故障，只有在线路发生了接地故障的情况下，才需要进一步计算各线路的额零序功率。

线路接地故障的判定方法是判断系统零序电压有效值U₀是否满足U₀≥λU_N，满足则说明线路发生了接地故障，需要继续进行后续计算；若不满足则说明线路正常，则在预设周期之后再进行判断。其中U_N为系统额定相电压有效值，λ为整定系数。

对于中性点不接地系统而言，其正常运行时的中性点电压位移较小，考虑到三相对地参数不对称和三相负载不对称，一般可设置零序电压启动判据的整定系数λ＝0.15。

各线路的零序功率Q_k根据下式进行计算：

Q_k＝U₀I_ksinθ_k

式中，θ_k＝θ_μ-θ_ik，代表所述零序电压与所述各线路零序电流的相角差。

S104：在第一个接地点出现后，将零序功率Q_k<0的线路记为第一故障线路，第一故障线路为第一个接地点所在的线路；

需要说明的是，单点接地时各条线路零序无功功率的规律为：

健全线路的零序无功功率由母线流向本线路，由于其流向与零序电流互感器(TA)的参考方向一致，则表现为健全线路的零序无功功率恒为正，即满足Q_k＞0；故障线路的零序无功功率由本线路流向母线，由于其流向与零序电流互感器(TA)的参考方向相反，则表现为故障线路的零序无功功率恒为负，即满足Q_k＜0。

S105：当系统零序电压增大时，将零序功率Q_k减小的线路记为第二故障线路，第二故障线路为第二个接地点所在的线路；

需要说明的是，两点接地时各条线路零序无功功率的规律为：

第二个接地点的出现会抬高系统零序电压，使得健全线路的零序无功功率增大，且其流向不变，仍由母线流向本线路；而第二个接地点出现后，第二条故障线路的零序无功功率会减小，其变化量取决于自身过渡电阻的大小，随着过渡电阻的减小，其零序无功功率变化越明显；而当第二个故障点过渡电阻减小到一定程度时，第二条故障线路的零序无功功率流向会发生改变，变为由本线路流向母线。

另外，第二个接地点所在故障线路也可由以下步骤确定，即：

当系统零序电压增大时，无功功率由大于0变为小于0的线路。

本实施例提供了一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法，适用于不接地系统同名相两点接地故障的情况。通过实时采集系统零序电压和各线路零序电流，进一步计算得到各线路无功功率，基于该无功功率对各线路进行判定从而得到两点接地故障所对应的两条故障线路。本发明由于采用了各线路无功功率在两个阶段的变化量并结合了零序电压的变化情况，对线路接地故障进行判断，提高了选线准确性，有效解决了当同名相两点相继接地时，现有故障选线装置的难以保证选线可靠性的问题。

请参阅图2-5，以下将结合典型不接地系统对本实施例的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法进行进一步的详细介绍。

图3为与本发明相匹配的典型10kV不接地系统，其中G为发电机，T为降压变压器，高压侧和低压侧分别为110kV和10kV。系统共设置6条电缆与架空线混合线路，分别为L1-L6，线路长度分别为9.5km，8.5km，9km，8km，7km，7km，其中线路L5、线路L6分别为发生接地的两条故障线路，接地故障相均为A相。架空线路参数采用标准参数：正/负序参数：R₁＝0.17Ω/km，L₁＝1.02mH/km，C₁＝0.12μF/km；零序参数：R₀＝0.32Ω/km，L₀＝3.56mH/km，C₀＝0.006μF/km。电缆线路参数：正/负序参数：R₁＝0.27Ω/km，L₁＝0.26mH/km，C₁＝0.38μF/km；零序参数：R₀＝2.7Ω/km，L₀＝1.11mH/km，C₀＝0.276μF/km。设置线路L5在0.1-0.5s时间段距母线5km处发生A相接地故障，接地点过渡电阻为1000Ω；线路L6在0.25-0.5s时间段距母线6km处发生A相接地故障，接地点过渡电阻为10Ω，以此为例，利用上述系统验证本发明所述方法的有效性，具体实施步骤如下：

步骤一，正常工作时对系统零序电压信号进行采样，并将零序电压的采样值与装置启动门槛值进行比较，可设置零序电压启动判据的整定系数λ为0.15，即当测到系统零序电压U₀满足U₀≥λUN(0.86kV)时，判断线路中有接地故障发生。从附图4可以看到，在仿真实例的0.1s处，系统零序电压升高至2.62kV，超过装置的启动门槛值，说明发生了接地故障，故障选线装置启动。

步骤二，实时采集系统零序电压与各线路零序电流，以一个工频周期为时间间隔，计算各个工频周期的系统零序电压有效值U₀与相位θu，各线路零序电流有效值I_k与相位θ_ik，其中k为各条线路的编号。系统零序电压与各条线路零序电流波形如附图4～5所示。根据下述公式计算各条线路的零序无功功率Q_k：

Q_k＝U₀I_ksinθ_k

其中θ_k＝θ_u-θ_ik，为零序电压U₀与线路零序电流I_k的相角差；若Q_k＞0，则表示线路k的零序无功功率由母线流向线路k；若Q_k＜0，则表示线路k的零序无功功率由线路k流向母线；仿真实例中，在线路L5单点接地期间(0.1-0.25s)和线路L5、线路L6两点接地期间(0.25-0.5s)，健全线路L1与两条故障线路L5、L6的零序无功功率变化如下：

步骤三，线路L5单点接地期间(0.1-0.25s)，线路L1的零序无功功率Q1＝7.62kVar，线路L5的零序无功功率Q₁＝-37.63kVar，线路L6的零序无功功率Q₁＝6.31kVar。根据这一时间段内的各线路零序无功功率，判断Q_k＜0的线路为第一个接地点所在的故障线路I，即仿真实例中的线路L5。其余线路的无功功率均由母线流向本线路，其值大于零，表现为健全线路的特征。

步骤四，如附图4所示，第二个接地点出现后，系统零序电压升高至5.49kV。在两点接地期间(0.25-0.5s)，线路L1的零序无功功率Q₁＝28.13kVar，线路L5的零序无功功率Q₁＝19.66kVar，线路L6的零序无功功率Q₁＝-141.61kVar。根据两点接地期间的各线路零序无功功率，判断无功功率减小的线路为第二个接地点所在的故障线路II，即仿真实例中的线路L6，而在第二个接地点出现后，健全线路的无功功率将会增大。至此，利用零序电压和零序无功功率的变化，将两条故障线路L5和L6全部选出。

步骤五，切除两条故障线路后，当系统零序电压满足U₀＜λU_N时，则认为系统恢复正常，故障选线装置返回，为下一次故障做准备。

以上是对本发明的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法的实施例进行的详细介绍，以下将对本发明的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线装置的实施例进行详细的介绍。

本实施例提供一种基于两阶段零序功率变化的故障选线装置，包括：

数据采集模块，用于实时采集系统零序电压与各线路零序电流；

第一计算模块，用于以一个工频周期为时间间隔，计算各个工频周期的系统零序电压有效值U₀与相位θ_μ，以及各线路零序电流有效值I_k与相位θ_ik，其中k为各线路的编号；

第二计算模块，用于基于系统零序电压有效值U₀与相位θ_μ，以及各线路零序电流有效值I_k与相位θ_ik计算各线路的零序功率Q_k；

第一选线模块，用于在第一个接地点出现后，将零序功率Q_k<0的线路记为第一故障线路，第一故障线路为第一个接地点所在的线路；

第二选线模块，用于当系统零序电压增大时，将零序功率Q_k减小的线路记为第二故障线路，第二故障线路为第二个接地点所在的线路。

需要说明的，本装置中还包括：

线路故障判定模块，用于判断系统零序电压有效值U₀是否满足U₀≥λU_N，若是，则激活第二计算模块(即在满足该条件后第二计算模块才计算各线路的零序功率)，若否，则在预设周期后重新进行判断直至满足后再激活第二计算模块，其中U_N为系统额定相电压有效值，λ为整定系数。

进一步的，还包括：

线路切除模块，用于切除第一故障线路和第二故障线路；

线路正常判定模块，用于判断系统零序电压有效值U₀是否满足U₀＜λU_N，若是，则认为系统恢复正常。

本实施例提供了一种基于两阶段零序功率变化的故障选线装置，利用各线路零序无功功率实现准确的故障选线，响应及时并且选线可靠性高。

以上是对本发明的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线装置的实施例进行的详细介绍，以下将对本发明的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线设备的实施例进行详细的介绍。

本实施例提供了一种基于两阶段零序功率变化的故障选线设备，设备包括处理器以及存储器：

存储器用于存储计算机程序，并将计算机程序的指令发送至处理器；

处理器根据计算机程序的指令执行如前述实施例的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法。

以上是对本发明的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线设备的实施例进行的详细介绍，以下将对本发明的一种计算机存储介质的实施例进行详细的介绍。

本实施例提供了一种计算机存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如前述实施例的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法，其特征在于，包括：

实时采集系统零序电压与各线路零序电流；

以一个工频周期为时间间隔，计算各个工频周期的系统零序电压有效值U₀与相位θ_μ，以及各线路零序电流有效值I_k与相位θ_ik，其中k为各线路的编号；

基于所述系统零序电压有效值U₀与相位θ_μ，以及各线路零序电流有效值I_k与相位θ_ik计算各线路的零序功率Q_k；

在第一个接地点出现后，将零序功率Q_k<0的线路记为第一故障线路，所述第一故障线路为第一个接地点所在的线路；

当所述系统零序电压增大时，将零序功率Q_k减小的线路记为第二故障线路，所述第二故障线路为第二个接地点所在的线路。

2.根据权利要求1所述的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法，其特征在于，所述各线路的零序功率Q_k根据下式进行计算：

Q_k＝U₀I_ksinθ_k

式中，θ_k＝θ_μ-θ_ik，代表所述零序电压与所述各线路零序电流的相角差。

3.根据权利要求1所述的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法，其特征在于，所述基于所述系统零序电压有效值U₀与相位θ_μ，以及各线路零序电流有效值I_k与相位θ_ik计算各线路的零序功率Q_k之前还包括：

判断所述系统零序电压有效值U₀是否满足U₀≥λU_N，若是，则继续执行后续步骤，若否，则在预设周期后重新进行判断直至满足后再执行后续步骤，其中U_N为系统额定相电压有效值，λ为整定系数。

4.根据权利要求3所述的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法，其特征在于，所述当所述系统零序电压增大时，将所述零序功率Q_k减小的线路记为第二故障线路之后还包括：

切除所述第一故障线路和所述第二故障线路；

判断所述系统零序电压有效值U₀是否满足U₀＜λU_N，若是，则认为系统恢复正常。

5.根据权利要求3所述的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法，其特征在于，所述整定系数λ＝0.15。

6.一种基于两阶段零序功率变化的故障选线装置，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于实时采集系统零序电压与各线路零序电流；

第一计算模块，用于以一个工频周期为时间间隔，计算各个工频周期的系统零序电压有效值U₀与相位θ_μ，以及各线路零序电流有效值I_k与相位θ_ik，其中k为各线路的编号；

第二计算模块，用于基于所述系统零序电压有效值U₀与相位θ_μ，以及各线路零序电流有效值I_k与相位θ_ik计算各线路的零序功率Q_k；

第一选线模块，用于在第一个接地点出现后，将零序功率Q_k<0的线路记为第一故障线路，所述第一故障线路为第一个接地点所在的线路；

第二选线模块，用于当所述系统零序电压增大时，将所述零序功率Q_k减小的线路记为第二故障线路，所述第二故障线路为第二个接地点所在的线路。

7.根据权利要求6所述的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线装置，其特征在于，还包括：

线路故障判定模块，用于判断所述系统零序电压有效值U₀是否满足U₀≥λU_N，若是，则激活所述第二计算模块，若否，则在预设周期后重新进行判断直至满足后再激活所述第二计算模块，其中U_N为系统额定相电压有效值，λ为整定系数。

8.根据权利要求7所述的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线装置，其特征在于，还包括：

线路切除模块，用于切除所述第一故障线路和所述第二故障线路；

线路正常判定模块，用于判断所述系统零序电压有效值U₀是否满足U₀＜λU_N，若是，则认为系统恢复正常。

9.一种基于两阶段零序功率变化的故障选线设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储计算机程序，并将所述计算机程序的指令发送至处理器；

所述处理器根据所述计算机程序的指令执行如权利要求1-5中任一项所述的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法。

10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的一种基于两阶段零序功率变化的故障选线方法。

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