CN113899980B - 一种配电网单相接地故障区段定位方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网单相接地故障区段定位方法及其系统，该方法包括：分别采集故障消弧和故障电压放大工况下的配电网故障线路上故障相中每个测量点的零序电流；分别计算同一个测量点在故障消弧和故障电压放大工况下的零序电流有功分量，作差得到有功分量变化量；计算每两个相邻测量点之间零序电流有功分量变化量的差值；依据计算出的差值识别出故障区段；其中，得到的所有零序电流有功分量变化量的差值中绝对值的最大值对应的相邻两个测量点之间的区段为故障区段。本发明通过该方法实现了一种全新的故障区段识别手段，使故障特征最大化，能够消除三相不平衡导致的对比误差，提高了定位可靠性。

Description

一种配电网单相接地故障区段定位方法及其系统

技术领域

本发明属于配电网技术领域，具体涉及一种配电网单相接地故障区段定位方法及其系统。

背景技术

近年来，随着电网的不断发展，我国配电网普遍采用中性点非有效接地的运行方式，对于提高配电网供电可靠性效果显著，其不足是接地选线准确率有待进一步提高。特别的，对于谐振接地系统，由于消弧线圈的补偿作用，故障区段工频电流和非故障区段相比没有明显的故障特征，导致故障定位困难。而在中低压配电网中，高达80％的故障类型是单相接地故障，其中高阻接地故障占故障总数5％左右。若无法及时确定故障点，将会对电气设备造成损坏，对人身安全构成威胁。因此，当配电网发生单相接地故障时，需及时准确地判别故障区段，以便隔离故障区域并尽快恢复非故障区域供电，对于保证供电可靠性和人身安全具有重要意义。

目前实用化的配电网接地故障带电定位技术主要有三种，第一种方法是“S”信号注入法，S注入法的主要问题在于随着电网的不断扩大，电网对地电容增大，线路对地的电容在高次谐波作用下容抗变小，使得信号在高阻接地情况下也能在非故障区段流通，无法正确定位；第二种方法是“故障指示器”方法，其不足之处在于对于中性点非有效接地系统而言，接地电流远远小于负荷电流，“故障指示器”无法进行有效识别；第三种方法是基于FTU的定位方法，通过在各变电站、开闭所、配电线路上安装分段开关和远方控制终端(FTU)，实现对配电网的实时监控，大幅缩短故障定位时间，但配电自动化通讯控制复杂，运维成本高，且同样难以感知与处理1000欧姆以上的高阻接地故障。

此外，针对复杂的配电网故障情况，发生高阻接地故障时，故障特征及其微弱，传统的采用零序电流变化量的故障区段判别方法准确率低，现有的通过调控零序电压仅放大故障特征来判别故障区段的方法容易受系统三相不平衡的影响，存在较大的误差。因此，需要一种可以解决高阻接地故障定位精度不高及故障特征对比不明显的单相接地故障区段定位方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种配电网单相接地故障区段定位方法及其系统，其通过采集在故障消弧和故障电压放大工况下的零序电流，再进行差值计算得到各个测量点的零序电流有功分量变化量，再基于发现相邻测量点之间零序电流有功分量变化量的差值在故障区段、非故障区段下存在差异的特性识别出故障区段，本发明一方面提供了一种全新的故障区段定位方法，二方面，本发明通过先消弧再放大故障特征，使对比效果最大化，能够消除三相不平衡导致的对比误差，灵敏感知高阻接地故障，大大提高了单相接地故障的定位准确率。

本发明提供的一种配电网单相接地故障区段定位方法，包括如下步骤：

S1：分别采集故障消弧和故障电压放大工况下的配电网故障线路上故障相中每个测量点的零序电流；

其中，配电网的线路上等间距安装零序电流检测装置，每个测量点上设有一个零序电流检测装置，相邻两个测量点之间的线路为一个区段；

S2：基于测量点的零序电流分别计算同一个测量点在故障消弧和故障电压放大工况下的所述零序电流有功分量，两者作差得到有功分量变化量；

其中，测量点上零序电流有功分量的差值的绝对值为有功分量变化量；

S3：计算每两个相邻测量点之间零序电流有功分量变化量的差值；

S4：依据步骤S3计算出的差值识别出故障区段；

其中，得到的所有零序电流有功分量变化量的差值中绝对值的最大值对应的相邻两个测量点之间的区段为故障区段。

进一步优选，步骤S1中通过向配电网中性点注入零序电流信号来实现故障消弧和故障电压放大工况。

进一步优选，故障消弧工况下对应注入零序电流如下：

式中，表示注入零序电流，/>为配电网故障相的电源电压，λ为A相、B相或C相，r₀、C₀分别为单相对地泄漏电阻和对地电容，L为消弧线圈的电感值，j表示复数阻抗的虚部，ω表示电流信号/>的角频率。

进一步优选，故障电压放大工况下中性点电压为k倍故障相电压，对应的注入零序电流如下：

其中，为配电网故障相的电源电压，λ为A相、B相或C相，r₀、C₀分别为单相对地泄漏电阻和对地电容，R_f为接地故障过渡电阻，L为消弧线圈的电感值，j表示复数阻抗的虚部，ω表示电流信号/>的角频率，k的取值范围为(0,1)。

进一步优选，k的取值为0.3。

进一步优选，所述零序电流检测装置为故障指示器或RTU设备(英文全称RemoteTerminal Unit,中文全称为远程终端单元)。

另一方面，本发明还提供一种基于上述方法的系统，包括：

第一采集模块：用于采集故障消弧工况下的配电网故障线路上故障相中每个测量点的零序电流；

第二采集模块：用于采集故障电压放大工况下的配电网故障线路上故障相中每个测量点的零序电流；

计算模块：用于分别计算同一个测量点在故障消弧和故障电压放大工况下的所述零序电流有功分量，两者作差得到有功分量变化量；以及用于计算每两个相邻测量点之间零序电流有功分量变化量的差值；

识别模块：用于基于计算模块计算出的差值识别出故障区段，得到的所有零序电流有功分量变化量的差值中绝对值的最大值对应的相邻两个测量点之间的区段为故障区段。

有益效果

本发明通过采集在故障消弧和故障电压放大工况下的零序电流，再进行差值计算得到各个测量点的零序电流有功分量变化量，再基于发现相邻测量点之间零序电流有功分量变化量的差值在故障区段、非故障区段下存在差异的特性识别出故障区段，实现了一种全新的故障区段定位方法，同时，本发明使故障特征最大化，能够消除三相不平衡导致的对比误差，尤其是针对单相高阻接地故障，其故障特征极其微弱的特性，本发明通过先消弧再放大故障电压的方式来放大故障特征，给零序电流检测装置提供检测条件，灵敏感知高阻接地故障，同时放大对比效果，使得本发明所述方法对于高阻接地故障区段定位仍然具有较好的效果，大大提高了单相接地故障的定位准确率。

本发明所述方法中判定故障区段的差值公式不受参数不对称的影响，不需要考虑其他馈线的电气量，差值提取量为零序电流有功分量，不需要考虑零序电流与电压的相位关系。

附图说明

图1为配电网柔性调控零序电压原理图；

图2为故障零序网络等效简化模型。

图3为本发明在具体应用实例中的实验原理示意图。

图4为各测量点零序电流有功分量检测图，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别对应F1测量点、F2测量点、F3测量点、F4测量点、F5测量点。

图5为各测量点零序有功分量变化量检测图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

本发明提供的一种配电网单相接地故障区段定位方法及其系统，用于实现单相接地故障区段的定义，本发明实施例中以图1中线路Ⅲ的C相发生单相接地故障为例进行说明，但应当理解，本发明不限于该线路以及该相位。

如图1所示为配电网柔性调控零序电压原理图，其采用中性点经消弧线圈接地方式，设线路Ⅲ的C相发生单相接地故障：分别为配电网三相电源电压，r₀、C₀分别为单相对地泄漏电阻和对地电容，/>为中性点电压，/>为消弧线圈，R_f为接地故障过渡电阻，/>为通过PWM有源逆变器注入的方向、大小可控的零序电流信号。忽略线路阻抗，单相接地故障零序网络等效简化模型如图2所示，其中：∑C为非故障线路Ⅰ、Ⅱ的单相等效对地零序电容之和：∑C＝2C₀；∑g为非故障线路单相等效对地零序电导之和，/>(n为正整数，表示测量点的数量)分别为故障相等效对地零序电容和电导均匀分布参数，即为各个测量点等效对地零序电容和电导，/>为故障点电动势，/>故障点零序电压。

当图1中所示的配电网发生单相接地故障后，线路沿线各处安装的故障指示器或RTU等零序电流检测装置测量线路上各个区段的零序电流，其中，各个区段是等间距划分。采用等效电流源向谐振接地配电网中性点注入一零序电流信号由基尔霍夫定律可知，图1中注入零序电流/>与中性点零序电压/>的关系为：

其中，

设三相电源对称：故障相电压/>则：

故障消弧，从而一直故障相电压为零，对应调控的注入零序电流为：

通过上述注入零序电流，从而控制中性点零序电压从而控制中性点零序电压，从而抑制故障相电压为零/>实现故障消弧。图2中，设故障相存在n个测量点，即n-1个测量区段，本实施例中，取第i-1个测量点、第i个测量点和第i+1个测量点为分析对象，假设故障发生在测量点i和i+1之间，即非故障区段为(i-1，i)，故障区段为(i，i+1)，由图2计算出故障线路第i-1、i、i+1个测量点流入的零序电流/>其中，故障点零序电压/>

此时在故障消弧的工况下，化简得到：

从公式(7)(8)(9)中分别提取第i-1、i、i+1个测量点的零序电流有功分量I_p0i-1、I_p0i、I_p0i+1分别为：

改变注入零序电流信号为调控中性点电压为k倍的故障相电压：/>本实施例中k取0.3，其他可行的实施例中，k的取值范围为(0，1)，本发明通过放大故障特征，由公式(2)可得，此时对应的注入零序电流/>为：

再由零序网络等效电路图2计算出此时故障线路上第i-1、i、i+1个测量点流过的零序电流其中，故障点零序电压/>

从公式(14)(15)(16)中分别提取第i-1、i、i+1个测量点的零序电流有功分量I'_p0i-1、I'_p0i、I'_p0i+1分别为：

对第i-1个测量点就地作差，即：测量点i-1在消弧和放大故障特征两种状态下得到的零序电流有功分量作差(公式(10)和(17)作差))，化简得到有功分量变化量I_pi-1：

对第i个测量点就地作差，即：测量点i在消弧和放大故障特征两种状态下得到的零序电流有功分量作差(公式(11)和(18)作差))，化简得到有功分量变化量I_pi：

对第i+1个测量点就地作差，即：测量点i+1在消弧和放大故障特征两种状态下得到的零序电流有功分量作差(公式(12)和(19)作差))，化简得到有功分量变化量I_pi+1：

计算非故障区段为(i-1，i)两端测量点i-1、i的有功变化量I_pi-1、I_pi的差值ΔI_p1：

计算故障区段为(i，i+1)两端测量点i、i+1的有功变化量I_pi、I_pi+1的差值ΔI_p2：

根据公式(23)、(24)，比较非故障区段差值的绝对值|ΔI_p1|和故障区段差值的绝对值|ΔI_p2|可知：|ΔI_p1|＜|ΔI_p2|。根据零序电流有功分量的分布特点，故障线路可检测到零序电流有功分量，同时由于过渡电阻的存在，零序电流中的有功分量通过该路径流向变压器的中性点，经过大地与故障点形成零序回路，而其余任意非故障区段之间的零序有功变化量差值仅与该区段对地等效泄漏电阻和对地电容有关，差值均远小于故障区段。根据第i个和第i+1个测量点之间的零序电流有功分量差值的绝对值最大，从而判定故障发生在该区段之间。

同理，通过测量可以得到任意两个相邻测量点之间的零序电流有功分量变化量的差值，比较可知，任意非故障区段两端测量点之间的差值绝对值均远小于故障区段两端测量点间的差值绝对值，即故障区段的差值的绝对值最大。

基于上述原理性分析可知，本发明提供的一种配电网单相接地故障区段定位方法，包括如下步骤：

S1：分别采集故障消弧和故障电压放大工况下的配电网故障线路上故障相中每个测量点的零序电流；

其中，配电网的线路上等间距安装零序电流检测装置，每个测量点上设有一个零序电流检测装置，相邻两个测量点之间的线路为一个区段；

S2：基于测量点的零序电流分别计算同一个测量点在故障消弧和故障电压放大工况下的所述零序电流有功分量的差值得到有功分量变化量；

其中，测量点上零序电流有功分量的差值的绝对值为有功分量变化量；

S3：计算每两个相邻测量点之间零序电流有功分量变化量的差值；

S4：依据步骤S3计算出的差值识别出故障区段；

其中，得到的所有零序电流有功分量变化量的差值中绝对值的最大值对应的相邻两个测量点之间的区段为故障区段。

同时，还提供一种基于上述方法的系统，其包括：

第一采集模块：用于采集故障消弧工况下的配电网故障线路上故障相中每个测量点的零序电流；

第二采集模块：用于采集故障电压放大工况下的配电网故障线路上故障相中每个测量点的零序电流；

计算模块：用于分别计算同一个测量点在故障消弧和故障电压放大工况下的所述零序电流有功分量，两者作差得到有功分量变化量；以及用于计算每两个相邻测量点之间零序电流有功分量变化量的差值；

识别模块：用于基于计算模块计算出的差值识别出故障区段，得到的所有零序电流有功分量变化量的差值中绝对值的最大值对应的相邻两个测量点之间的区段为故障区段。

如图3所示，在一个具体应用实例中，母线上带有L₁、L₂、L₃、L₄4条馈线，馈线按测量装置F划分成各个区段，主变压器变比为110/10kV，消弧线圈按过补偿10％计算，计算得到对应消弧线圈电感为1.55H。本发明按图3所示的10kV配电系统进行了实验，架空线路长度及对地参数取值见表1。

表1

馈线编号	线路长度/km	对地电容/μF	泄漏电阻/kΩ
				L1	25	0.1175	102
L2	18	0.0846	73.44
				L3	20	0.094	81.6
L4	15	0.705	61.2

设置L4线路沿线检测装置(F3，F4)之间发生单相接地故障，沿线采集装置F1～F5将线路L4分成区间(F1，F2)(F2，F3)(F3，F4)(F4，F5)。逐渐调控注入信号，针对50Ω、100Ω、200Ω、500Ω、1kΩ过渡电阻进行分析，得到故障消弧和特征放大两种状态下，各检测点零序电流有功分量值及变化量，规定母线流出为正方向。限于篇幅，只列出单相接地故障电阻为200Ω时故障线路L4各监测点零序电流有功分量及变化量的检测图，如图4、图5所示。

通过图4、图5可知，零序电流中的有功分量通过过渡电阻流向变压器的中性点，经过大地与故障点形成零序回路，通过调控零序电压先消弧再放大故障电压的方式来放大故障特征，便于检测装置检测，同时使对比效果最大化，单相接地故障发生在检测点F3、F4之间，因此F3与F4之间的有功分量变化量对比明显，而非故障区段两端检测点之间有功分量变化量相差非常小。

进一步计算各相邻检测点之间的有功分量变化量的差值，结果如下所示：

表2(R_f＝200Ω)

检测区段(Fi-Fj)	零序有功分量变化量差值
		(F1，F2)	0.57
(F2，F3)	0.57
		(F3，F4)	12.44
(F4，F5)	0.58

通过结果可知，故障区段(F3，F4)之间的零序有功分量变化量的差值最大，且相较于非故障区段，差值对比明显，针对不同的过渡电阻，结果均表明该发明方法能够有效准确判别故障区段，不受系统参数不对称影响，保证了定位可靠性。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种配电网单相接地故障区段定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：分别采集故障消弧和故障电压放大工况下的配电网故障线路上故障相中每个测量点的零序电流；

其中，配电网的线路上等间距安装零序电流检测装置，每个测量点上设有一个零序电流检测装置，相邻两个测量点之间的线路为一个区段；

S2：基于测量点的零序电流分别计算同一个测量点在故障消弧和故障电压放大工况下的所述零序电流的有功分量，两者作差得到有功分量变化量；

S3：计算每两个相邻测量点之间零序电流有功分量变化量的差值；

S4：依据步骤S3计算出的差值识别出故障区段；

其中，得到的所有零序电流有功分量变化量的差值中绝对值的最大值对应的相邻两个测量点之间的区段为故障区段；

步骤S1中通过向配电网中性点注入零序电流信号来实现故障消弧和故障电压放大工况；

故障消弧工况下对应注入零序电流如下：

式中，表示注入零序电流，/>为配电网故障相的电源电压，λ为A相、B相或C相，r₀、C₀分别为单相对地泄漏电阻和对地电容，L为消弧线圈的电感值，j表示复数阻抗的虚部，ω表示电流信号/>的角频率；

故障电压放大工况下中性点电压为k倍故障相电压，对应的注入零序电流如下：

其中，R_f为接地故障过渡电阻，k的取值范围为(0,1)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：k的取值为0.3。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述零序电流检测装置为沿线安装的故障指示器或RTU装置。

4.根据权利要求1-3任一项所述方法的系统，其特征在于：包括：

第一采集模块：用于采集故障消弧工况下的配电网故障线路上故障相中每个测量点的零序电流；

第二采集模块：用于采集故障电压放大工况下的配电网故障线路上故障相中每个测量点的零序电流；

计算模块：用于分别计算同一个测量点在故障消弧和故障电压放大工况下的所述零序电流有功分量，两者作差得到有功分量变化量；以及用于计算每两个相邻测量点之间零序电流有功分量变化量的差值；

识别模块：用于基于计算模块计算出的差值识别出故障区段，得到的所有零序电流有功分量变化量的差值中绝对值的最大值对应的相邻两个测量点之间的区段为故障区段。