CN114397598A - 一种基于相序电流一致性的接地故障方向检测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于相序电流一致性的接地故障方向检测方法及系统，在接地故障稳态过程中，按照预设周期获取零序电流有效值及三相相电流突变量有效值；计算三相相电流突变量有效值中最大值与零序电流有效值之比T1，计算三相相电流突变量有效值中最大值与最小值之比T2；T1大于第一整定值且T2大于第二整定值时，判断故障方向为第一方向，否则，判断故障方向为第二方向。本发明克服了暂态信号难以精确提取的问题，系统负荷波动时无零序电流产生，利用相电流突变量与零序电流的一致性关系作为故障方向判据，减少了负荷波动的影响。

Description

一种基于相序电流一致性的接地故障方向检测方法及系统
技术领域
本发明属于配电网故障检测与保护技术领域，具体涉及一种基于相序电流一致性的接地故障方向检测方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
小电流接地方式是配电网采用的主要接地方式，根据相关统计资料，为配电网供电的变电站一半以上采用中性点不接地方式，约三分之一是谐振接地方式。过去部分区域电网运行规程允许配电网带接地故障运行一段时间，以避免用户停电，但系统带接地点长期运行，接地故障产生的过电压容易导致非故障相绝缘薄弱环节击穿，引发两相接地短路故障，使事故扩大；接地故障还时常引发电缆沟与电缆隧道着火、开关柜烧损、母线短路而导致大面积停电；在发生人体触电事故时，不能及时终止对触电者的伤害。
社会经济的发展对供电安全与质量提出了更高的要求，配电网接地保护问题已引起了业界的高度重视。很多电网公司均修改制定配电网运行规程，要求解决小电流接地故障的保护问题，快速就近隔离永久性接地故障，对小电流接地系统故障处理带来了新的挑战。
目前，针对小电流接地系统的单相接地故障，文献《仅利用零序电流的谐振接地系统接地故障方向算法》提出利用零序电流工频分量作为零序电压的极化相量,进一步识别故障方向，该方法仅适用于谐振接地系统，中性点不接地系统不能够利用该方法实现故障方向判别；文献《基于相电流突变量的配电网单相接地故障区段定位》提出一种基于相电流突变量的配电网单相接地故障区段定位方法，但该方法需要利用暂态信号，容易受到干扰，互感器较低的测量精度不利于精确提取暂态信号，可靠性较低。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出一种基于相序电流一致性的接地故障方向检测方法及系统，本发明克服了暂态信号难以精确提取的问题，系统负荷波动时无零序电流产生，利用相电流突变量与零序电流的一致性关系作为故障方向判据，减少了负荷波动的影响。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种基于相序电流一致性的接地故障方向检测方法，适用于小电流接地系统，包括以下步骤：
在接地故障稳态过程中，按照预设周期获取零序电流有效值及三相相电流突变量有效值；
计算三相相电流突变量有效值中最大值与零序电流有效值之比T1，计算三相相电流突变量有效值中最大值与最小值之比T2；
T1大于第一整定值且T2大于第二整定值时，判断故障方向为第一方向，否则，判断故障方向为第二方向。
作为可选择的实施方式，在按照预设周期获取零序电流有效值及三相相电流突变量有效值之前，还包括：
按照预设周期持续获取检测点的零序电流有效值；
比较检测点的零序电流有效值和设定值的大小，当检测点的零序电流有效值大于设定值时，判定发生接地故障；
当检测点的零序电流有效值小于设定值时，重新获取检测点的零序电流有效值，比较检测点的零序电流有效值和设定值的大小。
作为进一步限定的实施方式，所述设定值为0.5-1.5A。
作为可选择的实施方式，T1大于第一整定值且T2大于第二整定值时，判断故障方向为第一方向，否则，判断故障方向为第二方向的具体过程包括：定义检测点位于故障线路故障点上游时故障方向为正，检测点位于故障线路故障点下游或健全线路时故障方向为负；T1大于第一整定值且T2大于第二整定值时，判断故障方向为正，否则，判断故障方向为负。
作为可选择的实施方式，对于中性点不接地系统，所述第一整定值大于1，第二整定值大于2。
作为可选择的实施方式，对于谐振接地系统，所述第一整定值大于0.365，第二整定值大于1.15。
一种基于相序电流一致性的接地故障方向检测系统，包括：
第一获取模块，用于按照预设周期持续获取零序电流有效值；
第二获取模块，用于在接地故障稳态过程中，按照预设周期获取零序电流有效值及三相相电流突变量有效值；
计算模块，用于计算三相相电流突变量有效值中最大值与零序电流有效值之比T1，计算三相相电流突变量有效值中最大值与最小值之比T2；
方向判定模块，用于在T1大于第一整定值且T2大于第二整定值时，判断故障方向为第一方向，否则，判断故障方向为第二方向。
作为可选择的实施方式，还包括接地故障判定模块，用于比较第一获取模块的零序电流有效值和设定值的大小，当零序电流有效值大于设定值时，判定发生接地故障，激活第二获取模块。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述方法的步骤。
一种小电流接地系统，包括设置于各检测点的检测设备，所述检测设备执行上述方法的步骤，以实现接地故障方向检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明克服了暂态信号难以精确提取的问题，系统负荷波动时无零序电流产生，利用相电流突变量与零序电流的一致性关系作为故障方向判据，减少了负荷波动的影响。
本发明无需在线路上附加一次设备，仅利用电流信息即可指示故障方向，对于未安装电压互感器的线路仍能可靠动作。高阻故障时也能够避免电流互感器的测量死区，抗共模干扰能力强，各检测点之间可不依赖于通信，通过延时配合可以做到利用就地信息实现多级保护。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明至少一个实施例的接地故障方向检测方法流程示意图；
图2为本发明至少一个实施例的接地故障方向检测方法流程框图；
图3为本发明至少一个实施例Matlab/Simulink仿真模型；
图4(a)-(c)为中性点不接地系统故障点经100Ω/1500Ω/4000Ω电阻接地仿真波形示意图；
图5(a)-(c)为谐振接地系统故障点经100Ω/1500Ω/4000Ω电阻接地仿真波形示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一：
为了便于理解，请参阅图1，本发明提供的基于相序电流一致性的小电流接地系统接地故障方向检测方法，包括以下步骤：
S1、线路各检测点按照预设周期持续检测零序电流有效值3I01；
S2、故障稳态过程中线路的检测点按照预设周期获取零序电流有效值3I02及三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC；
需要说明的是，如图2所示，在故障稳态过程中线路的检测点按照预设周期获取零序电流有效值3I02及三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC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，才需要进一步在故障稳态过程中线路的检测点按照预设周期获取零序电流有效值3I02及三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC；
线路接地故障的判定方法是，整定值Iset设为0.5～1.5A，若线路各检测点按照预设周期持续检测零序电流有效值3I01超过整定值Iset时，则判定接地系统发生接地故障，若是，则继续执行后续步骤，若否，则重新判断直至满足后再执行后续步骤；
S3、线路检测点计算得到故障稳态过程中三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC中最大值ΔImax与零序电流有效值3I02之比T1，计算得到故障稳态过程中三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC中最大值ΔImax与三相相电流突变量ΔIA、ΔIB、ΔIC中最小值ΔImin之比T2；
S4、定义检测点位于故障线路故障点上游时故障方向为正，检测点位于故障线路故障点下游或健全线路时故障方向为负；T1大于整定值Rset且T2大于整定值Kset时，判断故障方向为正，否则，判断故障方向为负；
需要说明的是，中性点不接地系统设定整定值Rset>1，整定值Kset>2，谐振接地系统设定整定值Rset>0.365，整定值Kset>1.15。
在本实施例中，分析了小电流接地系统发生单相接地故障后故障线路故障点上下游及健全线路相电流突变量的特征，提出了基于相电流突变量与零序电流一致性关系的故障方向方法，本发明克服了暂态信号难以精确提取的问题，系统负荷波动时无零序电流产生，利用相电流突变量与零序电流的一致性关系作为故障方向判据，减少了负荷波动的影响。
该方法无需在线路上附加一次设备，仅利用电流信息即可指示故障方向，对于未安装电压互感器的线路仍能可靠动作。高阻故障时也能够避免电流互感器的测量死区，抗共模干扰能力强，各检测点之间可不依赖于通信，通过延时配合可以做到利用就地信息实现多级保护。
请参阅图3、图4(a)-(c)、图5(a)-(c)及表1、表2，以下将结合典型中性点不接地系统及谐振接地系统对本实施例的一种基于相序电流一致性的小电流接地系统接地故障方向检测方法进行进一步的详细介绍。
如图3所示，利用Matlab中的simulink库搭建10kV小电流接地系统仿真模型，该系统共有四条出线(L1～L4),其中L1、L2、L3为架空-电缆混合线路，L4为电缆线路。线路L4上设置两个检测点，检测点P1、P2至母线间距离分别为2km、6km，故障点f1设置距P1检测点2km位置；线路L1设置两个检测点，检测点P3、P4分别位于距母线3km处及距母线5.5km处，消弧线圈过补偿度10％，开关K1断开时为中性点不接地系统，开关K1闭合时为谐振接地系统。
电缆线路设置零序电阻为2.7Ω/km，零序电感为1.109mH/km，零序电容为0.276uF/km，正序电阻为0.27Ω/km，正序电感为0.255mH/km，正序电容为0.376uF/km；架空线路设置零序电阻为0.32Ω/km，零序电感为3.56mH/km，零序电容为0.0062uF/km，正序电阻为0.17Ω/km，正序电感为1.017mH/km，正序电容为0.155uF/km。
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：正常工作时线路各检测点线路各检测点按照预设周期(本实例取1个周波)持续检测零序电流有效值3I01，将零序电流有效值3I01与整定值Iset进行比较，本实例整定值Iset设为0.75A，若零序电流有效值3I01超过整定值Iset时，则判定接地系统发生接地故障，若是，则继续执行后续步骤，若否，则重新判断直至满足后再执行后续步骤；如表1所示，通过仿真中性点不接地系统f1处发生A相接地故障，此时仅有检测点P1位于故障线路故障点上游，检测点P2、P3、P4均位于故障线路故障点下游或健全线路。由表1及图3可知，过渡电阻为100Ω/1500Ω时，检测点P1、P2、P3、P4检测到零序电流有效值3I01>0.75A，检测点P1、P2、P3、P4均判断接地故障发生，执行步骤二；过渡电阻为4000Ω时，仅有检测点P1检测到零序电流有效值3I01>1A，检测点P1判断接地故障发生,执行步骤二，检测点P2、P3、P4重新判断直至满足后再执行后续步骤。
如表2所示，通过仿真谐振接地系统f1处发生A相接地故障，此时仅有检测点P1位于故障线路故障点上游，检测点P2、P3、P4均位于故障线路故障点下游或健全线路。由表1及图3可知，过渡电阻为100Ω/1500Ω/4000Ω时，检测点P1、P2、P3、P4检测到零序电流有效值3I01>0.75A，检测点P1、P2、P3、P4均判断接地故障发生，执行步骤二。
步骤二：中性点不接地系统故障稳态过程中线路的检测点按照预设周期(本实例取3个周波)获取零序电流有效值3I0及三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC，由表1及图3可知，过渡电阻为100Ω/1500Ω时，故障稳态过程中检测点P1、P2、P3、P4零序电流有效值及三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC如表1所示，过渡电阻为4000Ω时，故障稳态过程中检测点P1零序电流有效值及三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC如表1所示，执行步骤三；
谐振接地系统故障稳态过程中线路的检测点按照预设周期(本实例取3个周波)获取零序电流有效值3I0及三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC，由表2及图4可知，过渡电阻为100Ω/1500Ω/4000Ω时，故障稳态过程中检测点P1、P2、P3、P4零序电流有效值及三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC如表2所示，执行步骤三；
步骤三：中性点不接地系统，过渡电阻为100Ω/1500Ω时，如表1所示，线路检测点P1、P2、P3、P4计算得到故障稳态过程中三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC中最大值ΔImax与零序电流有效值3I02之比T1，计算得到故障稳态过程中三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC中最大值ΔImax与三相相电流突变量ΔIA、ΔIB、ΔIC中最小值ΔImin之比T2。过渡电阻为4000Ω时，如表1所示，线路检测点P1计算得到故障稳态过程中三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC中最大值ΔImax与零序电流有效值3I02之比T1，计算得到故障稳态过程中三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC中最大值ΔImax与三相相电流突变量ΔIA、ΔIB、ΔIC中最小值ΔImin之比T2。
谐振接地系统，过渡电阻为100Ω/1500Ω/4000Ω时，如表2所示，线路检测点P1、P2、P3、P4计算得到故障稳态过程中三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC中最大值ΔImax与零序电流有效值3I02之比T1，计算得到故障稳态过程中三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC中最大值ΔImax与三相相电流突变量ΔIA、ΔIB、ΔIC中最小值ΔImin之比T2。
步骤四：定义检测点位于故障线路故障点上游时故障方向为正，检测点位于故障线路故障点下游或健全线路时故障方向为负；T1大于整定值Rset且T2大于整定值Kset时，判断故障方向为正，否则，判断故障方向为负。
本实例，中性点不接地系统设定整定值Rset＝1.1，整定值Kset＝3，谐振接地系统设定整定值Rset＝0.37，整定值Kset＝1.2。
中性点不接地系统中，如表1所示，过渡电阻为100Ω/1500Ω时，线路检测点P1判断故障方向为正，线路检测点P2、P3、P4判断故障方向为负，过渡电阻为4000Ω时，线路检测点P1判断故障方向为正。
谐振接地系统中，如表2所示，过渡电阻为100Ω/1500Ω/4000Ω时，线路检测点P1判断故障方向为正，线路检测点P2、P3、P4判断故障方向为负。
表1中性点不接地系统不同过渡电阻下仿真结果
Figure BDA0003381711940000111
Figure BDA0003381711940000121
表2谐振接地系统不同过渡电阻下仿真结果
Figure BDA0003381711940000122
实施例二：
一种基于相序电流一致性的小电流接地系统故障方向检测系统，包括：
第一获取模块，用于按照预设周期实时获取位于线路的检测点处零序电流有效值3I01；
第二获取模块，用于在故障稳态过程中线路的检测点按照预设周期获取零序电流有效值3I02及三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC；
计算模块，用于利用所述第二获取模块采集的数据计算三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC中中最大值ΔImax与零序电流有效值3I02之比T1，计算三相相电流突变量有效值ΔIA、ΔIB、ΔIC中中最大值ΔImax与三相相电流突变量ΔIA、ΔIB、ΔIC中中最小值ΔImin之比T2；
位置判定模块，用于判断T1是否大于整定值Rset且T2是否大于整定值Kset，若是，判断故障方向为正，否则，判断故障方向为负；
在本实施例中，上述系统还包括：
线路故障判定模块，用于判断所述线路的检测点处零序电流有效值3I01是否满足3I01≥Iset，若是则激活所述第二获取模块，若否，则重新判断直至满足后再激活第二获取模块；
在部分实施例中，上述系统还包括：
类型获取模块，用于获取接地系统的系统类型，所述系统类型包括不接地系统和谐振接地系统；
实施例三：
一种基于相序电流一致性的小电流接地系统接地故障方向检测设备，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实施例一提供的接地故障方向方法。
实施例四：
一种小电流接地系统，包括设置于各检测点的检测设备，所述检测设备执行实施例一提供的接地故障方向方法，以实现接地故障方向检测。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于相序电流一致性的接地故障方向检测方法，其特征是：包括以下步骤：
在接地故障稳态过程中，按照预设周期获取零序电流有效值及三相相电流突变量有效值；
计算三相相电流突变量有效值中最大值与零序电流有效值之比T1，计算三相相电流突变量有效值中最大值与最小值之比T2；
T1大于第一整定值且T2大于第二整定值时，判断故障方向为第一方向，否则，判断故障方向为第二方向。
2.如权利要求1所述的一种基于相序电流一致性的接地故障方向检测方法，其特征是：在按照预设周期获取零序电流有效值及三相相电流突变量有效值之前，还包括：
按照预设周期持续获取检测点的零序电流有效值；
比较检测点的零序电流有效值和设定值的大小，当检测点的零序电流有效值大于设定值时，判定发生接地故障；
当检测点的零序电流有效值小于设定值时，重新获取检测点的零序电流有效值，比较检测点的零序电流有效值和设定值的大小。
3.如权利要求2所述的一种基于相序电流一致性的接地故障方向检测方法，其特征是：所述设定值为0.5-1.5A。
4.如权利要求1所述的一种基于相序电流一致性的接地故障方向检测方法，其特征是：T1大于第一整定值且T2大于第二整定值时，判断故障方向为第一方向，否则，判断故障方向为第二方向的具体过程包括：定义检测点位于故障线路故障点上游时故障方向为正，检测点位于故障线路故障点下游或健全线路时故障方向为负；T1大于第一整定值且T2大于第二整定值时，判断故障方向为正，否则，判断故障方向为负。
5.如权利要求1所述的一种基于相序电流一致性的接地故障方向检测方法，其特征是：对于中性点不接地系统，所述第一整定值大于1，第二整定值大于2。
6.如权利要求1所述的一种基于相序电流一致性的接地故障方向检测方法，其特征是：对于谐振接地系统，所述第一整定值大于0.365，第二整定值大于1.15。
7.一种基于相序电流一致性的接地故障方向检测系统，其特征是：包括：
第一获取模块，用于按照预设周期持续获取零序电流有效值；
第二获取模块，用于在接地故障稳态过程中，按照预设周期获取零序电流有效值及三相相电流突变量有效值；
计算模块，用于计算三相相电流突变量有效值中最大值与零序电流有效值之比T1，计算三相相电流突变量有效值中最大值与最小值之比T2；
方向判定模块，用于在T1大于第一整定值且T2大于第二整定值时，判断故障方向为第一方向，否则，判断故障方向为第二方向。
8.如权利要求7所述的一种基于相序电流一致性的接地故障方向检测系统，其特征是：还包括接地故障判定模块，用于比较第一获取模块的零序电流有效值和设定值的大小，当零序电流有效值大于设定值时，判定发生接地故障，激活第二获取模块。
9.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的方法的步骤。
10.一种小电流接地系统，其特征是：包括设置于各检测点的检测设备，所述检测设备执行权利要求1-7中任一项所述的方法的步骤，以实现接地故障方向检测。
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