发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种配电网单相断线故障保护方法及系统,解决配电网单相断线不接地、电源侧接地以及负荷侧接地三种形态下的隔离问题。
本发明采用以下技术方案:
一种配电网单相断线故障保护方法,采集变电站各条出线的三相电流;利用FFT提取三相电流的基波向量;利用基波向量计算三相电流幅值的突变量;当三相电流幅值的突变量
均小于0时,启动保护;保护启动后,对三相电流幅值突变量的绝对值进行排序,分别计算三相电流幅值突变量的绝对值最大相与故障前负荷电流的比值λ和突变量绝对值最小和中间相电流相位差β;根据λ和β判断线路是否发生断线高阻故障,当满足条件时,故障发生在本条线路,否则故障不在本条线路,当判断为本条线路故障时,进行故障保护。
其中,
为三相电流幅值突变量,
为三相电流的第k个采样点幅值,
为三相电流的第(k-N)个采样点幅值,N为一工频周波对应的采样点数,
B、C,表示ABC三相。
具体的,当三相电流幅值的突变量大于0,返回步骤S1。
具体的,三相电流幅值突变量的绝对值最大相与故障前负荷电流的比值λ具体为:
其中,
表示三相电流幅值突变量的绝对值最大,I
L表示故障前的负荷电流。
具体的,突变量绝对值最小和中间相电流相位差β具体为:
其中,
表示幅值降幅最小相对应的工频电流向量,
表示幅值降幅中间相对应的工频电流。
具体的,故障发生在本条线路的条件如下:
其中,λ
set为电流有效值变化量门槛,
为非故障相电流相角差的整定裕度。
进一步的,采用极差配合的方式实现断线故障区段定位时,采用线电压突变量对AB、BC、CA线电压对称度进行判断,当AB、BC、CA线电压突变量
时,故障发生在测点下游,
为线电压的额定值,k为整定系数。
进一步的,λset为20%~30%。
本发明的另一技术方案是,一种配电网单相断线高阻故障保护系统,包括:
采集模块,采集变电站各条出线的三相电流;
计算模块,利用FFT提取采集模块采集的三相电流的基波向量,利用基波向量计算三相电流幅值的突变量;
启动模块,如果计算模块得到的三相电流幅值的突变量均小于0,启动保护;
排序模块,启动模块启动保护后,对三相电流幅值突变量的绝对值进行排序,分别计算三相电流幅值突变量的绝对值最大相与故障前负荷电流的比值λ和突变量绝对值最小和中间相电流相位差β;
保护模块,根据排序模块得到的λ和β判断线路是否发生断线高阻故障,当满足条件时,故障发生在本条线路,否则故障不在本条线路,当判断为本条线路故障时,进行故障保护。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
本发明一种配电网单相断线故障保护方法,利用三相电流的特征实现断线故障保护,嵌入现有的相间故障电流保护装置,易于工程实现,变电站无需额外改造;断线故障发生后,三相电流变小,通过三相电流幅值的这种变化设置启动判据,可以有效避免其它故障时保护装置误启动,有效降低保护装置误启动带来的频繁计算负担。当配置本发明提出的断线高阻故障保护方法后,发生断线时运维人员能够及时发现故障且故障能够快速隔离,从而避免因断线引起的人畜触电、山火等事故发生。
进一步的,通过计算三相电流的幅值突变量,可以根据断线故障发生后三相电流幅值的变化规律构造启动判据。
进一步的,当三相电流幅值的突变量大于0时,证明三相电流增大,此时可以肯定没有发生断线故障,通过配置该判据,保护装置可以避免进行后续的故障判别计算。
进一步的,断线故障发生后,故障相的电流突变量幅值最大,三相电流幅值突变量的绝对值最大相与故障前负荷电流比值本身反映的是故障前故障点下游负荷占该条线路总负荷的比例,所以通过该特征构造保护判据时可以有效反映断线故障的特征。
进一步的,对于单相断线故障,突变量绝对值最小和中间相实际为两健全相,故障发生后两健全相的相位基本反相,所以通过该特征构造保护判据也可以有效反映断线故障的特征。
进一步的,通过故障发生在本条线路的条件可以确定断线故障发生在本条线路,保护能够快速发跳闸信号驱动断路器跳闸,进而可以快速隔离断线故障,避免因断线故障引起山火等事故。
进一步的,对于变电站外具备极差配合条件的情况,为了实现级差配合隔离故障线路,采用线电压闭锁的方式,三个线电压对称时,故障点在上游线路,三个线电压不对称时,故障点位于下游线路。
进一步的,将λset设置为20%~30%时,除了断线点下游负荷占整条线路负荷较小时本发明提出的保护会失效,反映大部分断线故障特征,能够快速隔离故障。
进一步的,将
设置为30°~45°时,除了断线点下游负荷占整条线路负荷较小时本发明提出的保护会失效,可以反映大部分断线故障特征,能够快速隔离故障。
综上所述,采用本发明方法当仅在变电站内嵌入相间电流保护装置时可以实现整条线路上大部分单相断线故障的检测与隔离,当在变电站外实现级差配合时可以在更小范围内实现断线故障的快速隔离。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
具体实施方式
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,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。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他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在,但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解,在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样,除非上下文清楚地指明其它情况,否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解,在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合,并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的,其中为了清楚表达的目的,放大了某些细节,并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的,实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差,并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明一种配电网单相断线故障保护方法,包括以下步骤:
S1、采集变电站各条出线的三相电流,设A、B、C三相电流的时域波形为iA、iB、iC;
S2、利用傅里叶变换FFT提取三相电流的基波分量向量
其中,
为三相电流幅值突变量,
为三相电流的第k个采样点幅值,
为三相电流的第(k-N)个采样点幅值,N为一工频周波(20ms)对应的采样点数,
表示ABC三相。
S4、如果三相电流幅值的突变量都小于0,则启动保护,进入步骤S5,否则返回步骤S1;
启动判据如下:
S5、对三相电流幅值突变量的绝对值进行排序,设三相电流幅值突变量的绝对值最大为
计算三相电流幅值突变量的绝对值最大相与故障前负荷电流的比值λ,计算突变量绝对值最小和中间相电流相位差β;
三相电流幅值突变量的绝对值最大相与故障前负荷电流的比值λ具体为:
突变量绝对值最小和中间相电流相位差β具体为:
其中,
表示幅值降幅最小相对应的工频电流向量,
表示幅值降幅中间相对应的工频电流。
S6、判断线路是否发生断线高阻故障,当满足条件时,故障发生在本条线路,否则故障不在本条线路。
满足条件具体为:
其中,λ
set为电流有效值变化量门槛,通常可整定为20%~30%,
为非故障相电流相角差的整定裕度,通常可整定为30°~45°。
本发明再一个实施例中,提供一种配电网单相断线高阻故障保护系统,该系统能够用于实现上述配电网单相断线故障保护方法,具体的,该配电网单相断线高阻故障保护系统包括采集模块、计算模块、启动模块、排序模块以及保护模块。
其中,采集模块,采集变电站各条出线的三相电流;
计算模块,利用FFT提取采集模块采集的三相电流的基波向量
利用基波向量计算三相电流幅值的突变量
启动模块,如果计算模块得到的三相电流幅值的突变量
均小于0,启动保护;
排序模块,启动模块启动保护后,对三相电流幅值突变量
的绝对值进行排序,分别计算三相电流幅值突变量的绝对值最大相与故障前负荷电流的比值λ和突变量绝对值最小和中间相电流相位差β;
保护模块,根据排序模块得到的λ和β判断线路是否发生断线高阻故障,当满足条件时,故障发生在本条线路,否则故障不在本条线路,当判断为本条线路故障时,进行故障保护。
本发明再一个实施例中,提供了一种终端设备,该终端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,所述计算机程序包括程序指令,所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit,CPU),还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal 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,其是终端的计算核心以及控制核心,其适于实现一条或一条以上指令,具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能;本发明实施例所述的处理器可以用于配电网单相断线故障保护方法的操作,包括:
采集变电站各条出线的三相电流;利用FFT提取三相电流的基波向量;利用基波向量计算三相电流幅值的突变量;如果三相电流幅值的突变量均小于0,启动保护;保护启动后,对三相电流幅值突变量的绝对值进行排序,分别计算三相电流幅值突变量的绝对值最大相与故障前负荷电流的比值λ和突变量绝对值最小和中间相电流相位差β;根据λ和β判断线路是否发生断线高阻故障,当满足条件时,故障发生在本条线路,否则故障不在本条线路,当判断为本条线路故障时,进行故障保护。
本发明再一个实施例中,本发明还提供了一种存储介质,具体为计算机可读存储介质(Memory),所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备,用于存放程序和数据。可以理解的是,此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质,当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间,该存储空间存储了终端的操作系统。并且,在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令,这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是,此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器,也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory),例如至少一个磁盘存储器。
可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令,以实现上述实施例中有关配电网单相断线故障保护方法的相应步骤;计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤:
采集变电站各条出线的三相电流;利用FFT提取三相电流的基波向量;利用基波向量计算三相电流幅值的突变量;如果三相电流幅值的突变量均小于0,启动保护;保护启动后,对三相电流幅值突变量的绝对值进行排序,分别计算三相电流幅值突变量的绝对值最大相与故障前负荷电流的比值λ和突变量绝对值最小和中间相电流相位差β;根据λ和β判断线路是否发生断线高阻故障,当满足条件时,故障发生在本条线路,否则故障不在本条线路,当判断为本条线路故障时,进行故障保护。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作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。
采用本发明方法可直接写入现有的相间故障电流保护装置,实现断线高阻故障站内保护。
对于变电站外具备极差配合条件的情况,为了实现级差配合隔离故障线路,采用线电压闭锁的方式,对于故障点上游线路,三个线电压对称,对于故障点下游线路,三个线电压不对称。为了判断三个线电压是否依然对称,引入线电压突变量判据,具体为
其中,
表示AB、BC、CA线电压的突变量幅值,
为线电压的额定值,k为整定系数,可整定为0.05。
当电流满足式(5)且三个线电压满足式(6)时可以认为故障发生在测点下游。
以图1所示配电网为例,线路出口断路器CB,主干线路开关Q1、Q4,分支线路开关Q2与Q5,以及分界开关Q3与Q6都部署断线故障保护。
分界开关动作时限选为t0;分支线路开关Q2与Q5的动作时限增加一个时间级差,设为t0+Δt;主干线路开关Q4的动作时限比Q5增加一个时间级差,设为t0+2Δt;
Q1动作时限比Q4增加一个时间级差,设为t0+3Δt;变电站出口保护的动作时限则设为t0+4Δt。
以上时间的整定需要大于相间故障的时间,以免相间故障时误动作,可以考虑与现有的接地保护时间相同。
仿真验证
为了验证所提方法的正确性,基于PSCAD建立如图2所示的配电网,配电网的中性点可通过开关位置改变,模型的详细参数如下。
35kV变电站有两回进线,通过两台主变压器配出的10kV系统为单母线形式;母线带有4条主馈线,出线上各区段的编号如图2所示。其中,区段1、3、5、10为电缆,区段2、9、11、12、13为架空绝缘线,区段4、6、7、8、14为架空裸导线。消弧线圈装在所用变中性点上。开关K打开时,系统为中性点不接地系统;开关K闭合于1时,为消弧线圈接地系统,过补偿度取为10%,开关K闭合于2时,为电阻阻接地系统,电阻取为10Ω。35kV各等效电源的阻抗为(0.3+j3.2)Ω。
各区段长度分别为:
L1=5.1km,L2=4km,L3=3.8km,L4=7.5km,L5=4km,L6=10km,L7=0.1km,L8=3km,L9=4km,L10=3.2km,L11=10km,L12=5km,L13=3km,L14=7.5km。
电缆参数为:
r1=0.157Ω/km,x1=0.076Ω/km,b1=132×10-6S/km;r0=0.307Ω/km,x0=0.304Ω/km,b0=110×10-6S/km。
架空绝缘线参数:
r1=0.27Ω/km,x1=0.352Ω/km,b1=3.178×10-6S/km;r0=0.42Ω/km,x0=3.618Ω/km,b0=0.676×10-6S/km。
区段7、8裸导线参数:
r1=0.91Ω/km,x1=0.403Ω/km,b1=2.729×10-6S/km;r0=1.06Ω/km,x0=3.618Ω/km,b0=0.672×10-6S/km。
其它区段裸导线参数:
r1=0.63Ω/km,x1=0.392Ω/km;r0=0.78Ω/km,x0=3.593Ω/km,b0=0.683×10-6S/km。
两台主变参数分别为:
SN=2MVA,Pk=20.586kW,Uk%=6.37%,P0=2.88kW,I0%=0.61%;SN=2MVA,Pk=20.591kW,Uk%=6.35%,P0=2.83kW,I0%=0.62%。
令各配电变压器与所连接区段编号一致,则它们的容量分别为:S5N=50kVA,S7N=500kVA,S8N=200kVA,S9N=1MVA,S10N=100kVA,S12N=1MVA,S13N=400kVA,S14N=630kVA。为简单起见,各配电变压器所带负荷统一为变压器容量的80%,功率因数可调。
请参阅图3,图4和图5,分别给出中性点经消弧线圈接地系统区段11断线不接地时区段1~4以及区段10~13的电流特征,从图中可以看出只有区段3、11~13满足式(2)和式(5),据此可以选出故障线路为区段3所在线路。当要完成定位时,还需要线电压信息实现。
请参阅图6和图7,分别给出了区段11上游和下游的三个线电压,可以看出上游三个线电压基本对称,而下游三个线电压中有两个相同,不再对称,据此闭锁判据可以实现时间配合的断线故障处理。
综上所述,本发明一种配电网单相断线故障保护方法及系统,可以与站内电流保护融合,实现断线故障的快速隔离,也可以通过时间极差配合的方法,在最小范围内隔离断线故障。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。