CN114062962A - 基于双电压互感器阻尼差值实时测量的配电网高阻接地故障辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双电压互感器阻尼率实时测量的配电网故障辨识方法。包括以下步骤：首先经配电网系统的三相电压互感器向系统注入异频恒幅的小电流特征信号，根据另一端三相空载电压互感器检测返回信号，测算正常运行状态下的配电网等效阻尼率。若配网系统发生接地故障，结合故障时实时返回特征信号与正常情况下的等效阻尼率计算出配电网的阻尼率差值系数，通过差值系数与差值阈值系数的比较，实现高阻接地故障的高精度辨识。仿真结果表明，该方法故障辨识范围广，不受系统不对称度的影响，且双电压互感器巧妙地消除了漏阻、漏抗对测量的影响，有效地解决了传统故障检测方法抗过渡电阻能力较低的问题。

Description

基于双电压互感器阻尼差值实时测量的配电网高阻接地故障 辨识方法

技术领域

本发明涉及配电网接地故障辨识技术领域，特别涉及一种基于双电压互感器阻尼差值实时测量的配电网高阻接地故障辨识方法。

背景技术

配电网深入用电终端区域，运行环境复杂多变，极易发生高阻接地故障，故障检测作为故障处理的前提条件，对保障配电网供电可靠性与安全性具有重大意义。传统配电网主要通过检测中性点的零序电压幅值进行故障辨识，但当发生高阻接地故障时，中性点零序电压偏移量小该方法此时就难以进行有效的故障辨识，且该方法无法可靠地完成由配电系统铁磁谐振、系统不对称度等原因产生较大零序位移电压与接地故障所造成的零序偏移电压之间的区分。因此，通过中性点零序电压幅值进行高阻接地故障辨识的方法一定程度上就极易引起配电网的故障误报，如:在系统处于全补偿条件下，中性点的接地电感和系统对地电容易发生串联谐振，从而让中性点产生很高的零序电压，谐振零序过电压大大超过动作整定值，引起保护误动。

由于采用零序电压启动保护设备受到诸多因素的影响，因此国内外开始尝试采用零序电压以外的方法进行接地故障辨识，如：有效利用故障前后相关电压、电流的幅值与相角关系进行故障辨识、傅里叶变换法、小波分析法、能量法、注入法等。基于电压、电流幅值与相角关系进行故障辨识的方法，常通过实时检测各条线路出口的A、B、C三相电压相位和大小，利用故障前后的相位差变化来辨识接地故障，但是该方法的检测精度有限，受暂态过程影响，并且高阻接地故障时相关电气量的变化量极小，因此难以进行高阻接地故障，同时也无法有效地排除铁磁谐振等原因对接地故障判据的影响。基于小波变换的故障分析方法是一种时频特性分析方法，在时域和频域上都能够对暂态信号进行分析，能够较为准确地表征暂态信号的局部特征。因此，小波变换方法在配电网故障检测方面得到了广泛应用。该类文献利用小波变换将暂态行波信号在时域和频域内分解，然后通过构造时频特征向量来反映信号的时频特性，具有较高的检测精度和准确度。但是暂态行波信号并不仅仅只在接地故障情形下才产生，并且高阻接地故障时的暂态行波信号往往是较为弱小的，因此对高阻接地故障时暂态行波检测精度有着更高的要求，那么此时难免就会产生误判。以上利用小波变换进行接地故障辨识的方法，高阻接地故障时都较难保证小电流、小电压信号检测的精确性，因此存在一定的弊端。

综上所述，现有接地故障检测方法外都是被动式故障检测方法，皆存在一定的局限性，如：配电网高阻接地故障识别困难、高阻接地故障被动式感知不够灵敏以及难以与三相不平衡等原因所造成的零序过电压相区分等问题。不利于日常运行中的故障识别。

发明内容

为了解决目前接地故障检测不准确的技术问题，本发明提出了一种基于双电压互感器阻尼实时测量的配电网高阻接地故障辨识的主动式检测方法，该方法将故障检测由被动式检测变为主动式检测，有效的弥补了这些缺陷。该方法可对多种接地故障类型进行有效识别，不受系统不对称度的影响，能够有效地完成对高阻接地故障的灵敏感知，可靠性强，具有十分长远的发展前景。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种基于双电压互感器阻尼差值实时测量的配电网故障辨识方法，包括以下步骤：

步骤一，在需要进行故障监控的配电网三相线路两端分别连接一个三相电压互感器，从任一端的三相电压互感器向系统注入异频恒幅的小电流特征信号，并从另一端的三相电压互感器测量接收到的信号，并计算当前状态下的配电网等效阻尼率；

步骤二，保持注入信号并持续接收信号，同时实时计算配电网等效阻尼率，当配电网等效阻尼率发生变化时，则判断配电网出现故障。

所述的一种基于双电压互感器阻尼差值实时测量的配电网故障辨识方法，所注入的小电流特征信号，其特征频率与工频不同。

所述的一种基于双电压互感器阻尼差值实时测量的配电网故障辨识方法，所述的步骤一中，计算当前状态下的配电网等效阻尼率d₀₁是通过以下公式计算：

其中，

分别为注入信号的三相电压互感器的一、二次侧电流，

分别为测量信号的三相电压互感器的一、二侧电压信号，k₁、k₂分别为注入电压互感器与返回电压互感器的变比，g_0A、g_0B、g_0B为配电网各相对地泄漏电导，f₁为注入电流信号的频率，C_0A、C_0B、C_0C为中性点不接地配电网的各相对地电容，Re表示求取向量的实部，IM表示求取向量的虚部。

所述的一种基于双电压互感器阻尼差值实时测量的配电网故障辨识方法，其特征在于，所述的步骤二中，所述的当配电网等效阻尼率发生变化时，则判断配电网出现故障，是将配电网等效阻尼率的变化量与预设的阈值比较，当变化量超过阈值时，则判断配电网出现故障。

所述的一种基于双电压互感器阻尼差值实时测量的配电网故障辨识方法，所述的步骤二中，还包括当变化量超过阈值时，进一步判断具体故障类型的步骤：

将组成当前故障状态下等效阻尼率的零序等效导纳实部和虚部与未发生故障时的实部和虚部比较；当实部不变而虚部变化时，则故障类型为铁磁谐振过电压；当虚部不变而实部变化时，则故障类型为接地故障；其中零序等效导纳为

一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如前述的方法。

一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如前述的方法。

本发明的技术效果在于，通过双互感器的的巧妙应用从源头上消除了测量过程中漏感与漏抗带来的测量误差，从原理上保证了配电网阻尼比测量的精准性。可以较为精准地计算出接地故障过渡电阻的大小且不受系统不对称度的影响，为配电网的高阻接地故障辨识提供了一定的保证。并能够对配电网的铁磁谐振、高阻接地故障工况进行有效区分，创新性地实现了对配电网高阻接地故障的主动监测，大幅提升检测的迅速性与可靠性。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为配电网高阻接地故障检测接线图；

图2为基于双电压互感器阻尼差值实时测量的高阻接地故障检测原理图；

图3为基于双电压互感器阻尼比差值实时测量的高阻接地故障检测等效电路；

图4为注入侧的配电网零序电压互感器测量等效电路；

图5为返回侧的配电网零序电压互感器测量等效电路；

图6为基于双电压互感器的配电网阻尼差值实时测量高阻接地故障检测等效简化电路。

具体实施方式

本实施例的基本工作原理如下：针对配电网发生高阻接地故障时传统检测方法辨识精度较低的问题，提出了一种基于双电压互感器阻尼比实时测量的配电网高阻接地故障辨识方法。通过配电网空载电压互感器向系统注入异频恒幅的小电流特征信号，根据另一端电压互感器检测到的返回信号，测算正常运行状态下的配电网等效阻尼率；当发生接地故障时，结合实时返回特征信号与正常情况下的等效阻尼率计算出配电网的阻尼率比值系数，通过比值系数与比值阈值系数的比较，实现故障的高精度辨识。本实施例所选取的比值阈值系数为5％，即阻尼率变化超过5％时，则判断发生故障。实际实施时，可根据具体需要来确定具体的阈值。

在PSCAD/EMTDC仿真环境中搭建典型10kV配电网模拟不同运行工况下的高阻接地故障，仿真结果表明，该方法故障辨识范围广，且不受系统不对称度的影响，有效地解决了传统故障检测方法抗过渡电阻能力较低的问题。

本实施例基于双电压互感器的中性点不接地配电网高阻接地故障实时检测接线图如图1所示，其中C_0A、C_0B、C_0C为中性点不接地配电网的各相对地电容；R_A、R_B、R_C为配电网各相对地泄漏电阻；Z₀为电压互感器消谐电阻。其中零序电压互感器P为异频恒幅的小电流源注入端，零序电压互感器Q的空载开口三角侧为异频电压信号的实时测量返回端。

在中性点不接地配电网一端的零序电压互感器P开口三角侧采用异频恒幅的小电流源注入特征频率电流信号

为配电网一次侧感应出的零序电流；在系统中另一端开口三角侧空载的零序电压互感器Q实时测量返回的该特征频率电压信号

为避免注入信号产生谐波或工频谐振影响系统的稳定运行，注入信号特征频率为非工频信号。基于双电压互感器阻尼率实时测量的中性点不接地配电网高阻接地故障检测等效电路图如图2所示：

根据配电网高阻接地故障实时监测的接线图1，绘制的中性点不接地配电网阻尼率实时测量高阻接地故障检测等效电路如图2所示。

为左端电压互感器P开口三角侧采用异频恒幅电流源注入特征频率电流信号归算到一次侧的等效电流值；

为配电网另一端开口三角侧空载的电压互感器Q处测量返回电压归算到一次侧的电压值。将图2注入侧与测量返回侧三相电压互感器进行进一步简化，此时可以得到如图3所示等效电路图。

注入侧电压互感器的测量等效电路如图4所示，其中R′₁₂、L′₁ ′₂分别为注入侧电压互感器二次侧折算到一次侧的漏阻与漏感，R₁₁、L₁₁分别为注入侧电压互感器一次侧的漏阻与漏感，R_1m、L_1m分别为其励磁电阻与励磁电抗，配电网注入侧零序电压互感器采用恒流源且励磁阻抗远大于漏阻、漏抗，所以既不会产生电流损失也基本上不会分流，此时注入侧电压互感器可以进行如图4所示的简化。返回侧电压互感器的测量等效电路如图5所示，其中R′₂₂、L′₂₂分别为返回侧电压互感器二次侧折算到一次侧的漏阻与漏感，R₂₁、L₂₁分别为返回侧电压互感器一次侧的漏阻与漏感，R_2m、L_2m分别为其励磁电阻与励磁电抗，由于配电网返回侧采用三相零序空载变压器且励磁阻抗远大于漏阻、漏抗，漏阻、漏抗上不会产生压降，所以此时返回侧电压互感器可以进行如图5所示的简化。结合图3到图5，基于双电压互感器的配电网阻尼比实时测量高阻接地故障检测等效电路可进一步简化为图6所示电路图。

当配电网处于正常运行状态下，此时配电网的对地零序等效导纳为Y₀₁，等效的阻尼率为d₀₁，两者相关的原理性推导公式如下：

当配电网发生故障时，此时配电网的对地零序等效导纳为Y₀₂，等效的阻尼率为d₀₂，两者相关的原理性推导公式如下：

其中：

为注入电流源分别在三相电压互感器P二次侧的A、B、C相感应出的等效电流。f₁为注入电流信号的频率。

配电网故障发生前后对应的阻尼之差记为d_f，d_f数学表达式如下：

其中R_f为接地过渡电阻值的大小。

根据本发明的实施例，本发明还提供了一种电子设备和一种计算机可读介质。

其中电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现前述的方法。

具体使用中，用户能够通过作为终端设备的电子设备并基于网络来与同样作为电子设备的服务器进行交互，实现接收或发送消息等功能。终端设备一般是设有显示装置、基于人机界面来使用的各种电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑、笔记本电脑和台式电脑等。其中终端设备上根据需要可安装各种具体的应用软件，包括但不限于网页浏览器软件、即时通信软件、社交平台软件、购物软件等。

服务器是用于提供各种服务的网络服务端，如基于网络来与三相电压互感器进行交互，实现接收或发送消息、控制三相电压互感器注入信号、计算当前状态下的配电网等效阻尼率等功能的服务器。并将实时的故障辨识结果返回至终端设备。

本实施例所提供的故障辨识方法一般由服务器执行，在实际运用中，在满足必要条件下，终端设备亦可直接执行故障辨识。

类似的，本发明的计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本发明实施例的一种配电网故障辨识方法。

仿真验证：

在PSCAD/EMTDC仿真环境中搭建如图1所示，典型10kV中性点不接地配电网模型，对所提出的配电网配电网高阻接地故障实时检测方法进行验证，系统参数如表1所示。其中k₁、k₂分别为零序电压互感器P、Q变比，g_0A、g_0B、g_0C为配电网各相对地泄漏电导。C_0A、C_0B、C_0C分别为配电网各相对地电容。基于双电压互感器的中性点不接地配电网阻尼实时监测高阻接地故障辨识接线图如图1所示。

采用变频恒幅电流源从中性点不接地配电网零序电压互感器开口三角侧注入一幅值为10A的特征频率电流信号，电流相量的初相角为0°，从系统另一开口三角侧空载的零序电压互感器测量返回的该频率电压信号，依次改变注入电流的特征频率，测算中性点不接地配电网高阻故障前后的阻尼大小。

高阻接地故障检测的相关仿真数据如表2-4所示：

根据表2至表4中检测结果，在不同的注入频率信号、不同的接地过渡电阻以及不同的消谐阻尼电阻情况下，前后阻尼变化均十分明显，所提检测方法都能够有效地实现配电网的高阻接地故障灵敏辨识。

表1 10kV中性点不接地配电网典型线路仿真参数

表2 不同特征信号频率下对地参数测量结果(Z₀＝30Ω，R_f＝1000Ω)

表3 不同过渡电阻下的故障检测结果(Z₀＝30Ω，f₁＝60Hz)

表4 不同阻尼电阻下的故障检测结果(R_f＝1000Ω，f₁＝60Hz)

Claims (7)

1.一种基于双电压互感器阻尼差值实时测量的配电网故障辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在需要进行故障监控的配电网三相线路两端分别连接一个三相电压互感器，从任一端的三相电压互感器向系统注入异频恒幅的小电流特征信号，并从另一端的三相电压互感器测量接收到的信号，并计算当前状态下的配电网等效阻尼率；

步骤二，保持注入信号并持续接收信号，同时实时计算配电网等效阻尼率，当配电网等效阻尼率发生变化时，则判断配电网出现故障。

2.根据权利要求1所述的一种基于双电压互感器阻尼差值实时测量的配电网故障辨识方法，其特征在于，所注入的小电流特征信号，其特征频率与工频不同。

3.根据权利要求1所述的一种基于双电压互感器阻尼差值实时测量的配电网故障辨识方法，其特征在于，所述的步骤一中，计算当前状态下的配电网等效阻尼率d₀₁是通过以下公式计算：

其中，

分别为注入信号的三相电压互感器的一、二次侧电流，

分别为测量信号的三相电压互感器的一、二侧电压信号，k₁、k₂分别为注入电压互感器与返回电压互感器的变比，g_0A、g_0B、g_0B为配电网各相对地泄漏电导，f₁为注入电流信号的频率，C_0A、C_0B、C_0C为中性点不接地配电网的各相对地电容，Re表示求取向量的实部，IM表示求取向量的虚部。

4.根据权利要求3所述的一种基于双电压互感器阻尼差值实时测量的配电网故障辨识方法，其特征在于，所述的步骤二中，所述的当配电网等效阻尼率发生变化时，则判断配电网出现故障，是将配电网等效阻尼率的变化量与预设的阈值比较，当变化量超过阈值时，则判断配电网出现故障。

5.根据权利要求4所述的一种基于双电压互感器阻尼差值实时测量的配电网故障辨识方法，其特征在于，所述的步骤二中，还包括当变化量超过阈值时，进一步判断具体故障类型的步骤：

将组成当前故障状态下等效阻尼率的零序等效导纳实部和虚部与未发生故障时的实部和虚部比较；当实部不变而虚部变化时，则故障类型为铁磁谐振过电压；当虚部不变而实部变化时，则故障类型为接地故障；其中零序等效导纳为

6.一种电子设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-5中任一所述的方法。

7.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一所述的方法。

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