CN114895141A - 一种基于复合因子的高阻接地故障识别及定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于复合因子的高阻接地故障识别及定位方法，所述方法包括如下步骤：采集配电网的母线零序电压和各馈线零序电流数据；判断母线零序电压变化是否满足启动判据；若未满足启动判据，则更新采集数据；若满足启动判据，则根据母线零序电压与各馈线零序电流数据，计算各馈线的复合因子大小；将计算获得的各馈线复合因子与保护判据预设值进行比较，实现高阻接地故障馈线识别；根据母线零序电压与所识别故障馈线的零序电流数据，计算故障馈线各节点的故障定位指数，实现高阻接地故障定位。本发明可有效识别高阻接地故障馈线，实现对高阻故障点的区段定位，有效缩小停电范围，发明方法简单高效，具备一定实用性。

Description

一种基于复合因子的高阻接地故障识别及定位方法
技术领域
本发明涉及接地故障技术领域，具体涉及一种基于复合因子的高阻接地故障识别及定位方法。
背景技术
随着城市架空线逐渐被电缆取代，系统对地电容电流增加，单相接地故障电流增大，导致传统中性点经消弧线圈接地和不接地方式难以适应发展需求，自20世纪80年代以来，北京、上海、深圳等城市将不接地或经消弧线圈接地系统改为小电阻接地系统，小电阻接地方式在越来越多的大型城市配电网中得到应用。
目前主要采用零序过流保护来识别配电网单相接地故障。传统的零序过流保护虽可在系统发生单相低阻接地故障时可靠动作，切除故障线路。但因其需躲过区外线路发生金属性接地故障时流过区内线路的对地电容电流，定值较高，所以当发生高阻接地故障时，线路零序电流变化微弱，故障电流极有可能低于传统零序过流保护整定值，导致零序过流保护拒动。
同时，现有接地故障区段定位方法，如利用接地故障过渡过程中的暂态信号幅值比较、极性比较、功率方向等原理进行故障定位的暂态法，虽然成本较低，实施较为便利，但主要适用于低阻接地故障，无法有效针对高阻接地故障，虽有研究人员将双端行波测距法引入配电网中，但该方法对线路两端的同步采样和采样频率要求较高，设备投入较大，且配电网中线路分支众多，若要在配电网中实现双端行波故障定位，资金成本较高。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有传统保护方法无法有效识别及定位高阻接地故障的问题，本发明提出一种基于复合因子的高阻接地故障识别及定位方法，该方法具备较好的耐高阻能力，不仅能够有效识别发生高阻接地故障馈线，还可高效定位故障区段，减小停电范围。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种基于复合因子的高阻接地故障识别及定位方法，包括如下步骤：
采集配电网的母线零序电压和各馈线零序电流数据；
判断母线零序电压变化是否满足启动判据；若未满足启动判据，则保留当前周波电压电流数据，清除上一周波电压电流数据；若满足启动判据，则根据母线零序电压与各馈线零序电流数据，计算各馈线的复合因子大小；
将计算获得的各馈线复合因子与保护判据预设值进行比较，实现高阻接地故障馈线识别；
根据母线零序电压与所识别故障馈线的零序电流数据，计算故障馈线各节点的故障定位指数，实现高阻接地故障定位。
优选地，判断母线零序电压变化是否满足启动判据，具体如下：
若母线零序电压变化满足式(1)，则认为满足启动判据，若零序电压变化不满足式(1)，则认为不满足启动判据：
Figure BDA0003599298830000021
式中：T为一个工频周期；u0(t)是t时刻的零序电压采样值；u0(t-T)是t-T时刻的零序电压采样值；△u0(t)是t时刻的零序电压变化大小；UN为系统额定相电压；Kre为可靠系数。
优选地，考虑不平衡负荷和不对称馈线参数引起的不平衡电压，Kre取1％。
优选地，根据采集的母线零序电压与各馈线零序电流数据，计算各馈线的复合因子大小，具体如式(2)所示：
Figure BDA0003599298830000031
式中：Sk表示馈线k的复合因子大小，
Figure BDA0003599298830000032
Re(*)和Im(*) 分别表示*的实部和虚部，i0k表示馈线k的零序电流，u0 *表示母线零序电压的共轭。
优选地，将计算获得的各馈线复合因子与保护判据预设值进行比较，实现高阻接地故障馈线识别，具体如下：
预设正常馈线与故障馈线的复合因子识别范围；
比较各馈线复合因子与预设识别范围，若馈线复合因子大小处于故障馈线识别范围内，则该馈线为故障馈线，反之，则为正常馈线。
优选地，流经故障线路的零序电流为所有健全线路零序电流与流过中性点零序电流的矢量和的相反数，且故障线路中，零序容抗远大于零序电阻及零序感抗，使得基于式(2)计算各馈线复合因子时，故障馈线的复合因子将稳定至负半轴，正常馈线的复合因子将稳定至非负半轴；因此，启动判据满足后，计算各馈线的复合因子大小，复合因子稳定维持在负半轴的馈线为故障馈线，复合因子稳定维持在非负半轴的馈线为正常馈线。
优选地，计算故障馈线各节点的故障定位指数，实现高阻接地故障定位，具体包括如下步骤：
计算故障馈线各节点的故障定位指数，具体如式(3)所示：
Figure BDA0003599298830000033
式中：Sloc-j为故障馈线上节点j的故障定位指数，i0j表示流经节点j的线路零序电流，u0 *表示母线零序电压的共轭；
比较各节点的故障定位指数Sloc-j，定位高阻接地故障区段。
优选地，比较各节点的故障定位指数Sloc-j，定位高阻接地故障区段，具体如下：
流经故障点上游保护的零序电流方向与流经故障点下游保护的零序电流方向完全相反，使得基于式(3)计算各节点的故障定位指数时，位于高阻故障上游节点的故障定位指数将处于负半轴，而位于高阻故障下游节点的故障定位指数将处于正半轴，因此可通过比较故障馈线各节点Sloc-j，将高阻故障点定位于Sloc-j由负数变为正数的最小区段中。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
1)定义了馈线复合因子的计算公式，分析了高阻接地故障时，正常馈线与故障馈线复合因子的幅值极性差异，根据正常馈线与故障馈线复合因子的显著差异，提出了基于复合因子的高阻接地故障识别方法，该方法耐高阻能力强，可有效识别高阻接地故障，不受高阻接地故障时零序电流变化微弱的影响。
2)定义了节点故障指数的计算公式，仅需利用故障馈线识别过程中采集的数据，即可实现对高阻接地故障的区段定位，有效缩小停电范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中基于复合因子的高阻接地故障识别及定位方法流程图；
图2为实施例1中的10kV配电网系统拓扑图；
图3为馈线F1复合因子大小的变化曲线；
图4为馈线F2复合因子大小的变化曲线；
图5为馈线F2各节点的故障定位指数。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅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。
本发明提供一种基于复合因子的高阻接地故障识别及定位方法，包括如下步骤：
S1、采集配电网的母线零序电压和各馈线零序电流数据；
S2、判断母线零序电压变化是否满足启动判据；若未满足启动判据，则保留当前周波电压电流数据，清除上一周波电压电流数据；若满足启动判据，则根据母线零序电压与各馈线零序电流数据，计算各馈线的复合因子大小；
S3、将计算获得的各馈线复合因子与保护判据预设值进行比较，实现高阻接地故障馈线识别；
S4、根据母线零序电压与所识别故障馈线的零序电流数据，计算故障馈线各节点的故障定位指数，实现高阻接地故障定位。
具体地，步骤S2中，判断母线零序电压变化是否满足启动判据，具体如下：
若母线零序电压变化满足式(1)，则认为满足启动判据，若零序电压变化不满足式(1)，则认为不满足启动判据：
Figure BDA0003599298830000051
式中：T为一个工频周期；u0(t)是t时刻的零序电压采样值；u0(t-T)是t-T时刻的零序电压采样值；△u0(t)是t时刻的零序电压变化大小；UN为系统额定相电压；Kre为可靠系数，考虑不平衡负荷、不对称馈线参数等引起的不平衡电压，Kre取1％。
具体地，步骤S2中，根据采集的母线零序电压与各馈线零序电流数据，计算各馈线的复合因子大小，具体如式(2)所示：
Figure BDA0003599298830000061
式中：Sk表示馈线k的复合因子大小，
Figure BDA0003599298830000062
Re(*)和Im(*)分别表示*的实部和虚部，i0k表示馈线k的零序电流，u0 *表示母线零序电压的共轭。
具体地，步骤S3中，将计算获得的各馈线复合因子与保护判据预设值进行比较，实现高阻接地故障馈线识别，具体如下：
S3.1、预设正常馈线与故障馈线的复合因子识别范围；
S3.2、比较各馈线复合因子与预设识别范围，若馈线复合因子大小处于故障馈线识别范围内，则该馈线为故障馈线，反之，则为正常馈线。
流经故障线路的零序电流为所有健全线路零序电流与流过中性点零序电流的矢量和的相反数，且故障线路中，零序容抗远大于零序电阻及零序感抗，使得基于式(2)计算各馈线复合因子时，故障馈线的复合因子将稳定至负半轴，正常馈线的复合因子将稳定至非负半轴；因此，启动判据满足后，计算各馈线的复合因子大小，复合因子稳定维持在负半轴的馈线为故障馈线，复合因子稳定维持在非负半轴的馈线为正常馈线。
具体地，步骤S4中，计算故障馈线各节点的故障定位指数，实现高阻接地故障定位，具体包括如下步骤：
计算故障馈线各节点的故障定位指数，具体如式(3)所示：
Figure BDA0003599298830000063
式中：Sloc-j为故障馈线上节点j的故障定位指数，i0j表示流经节点j的线路零序电流，u0 *表示母线零序电压的共轭；
比较各节点的故障定位指数Sloc-j，定位高阻接地故障区段。
其中，比较各节点的故障定位指数Sloc-j，定位高阻接地故障区段，具体如下：
流经故障点上游保护的零序电流方向与流经故障点下游保护的零序电流方向完全相反，使得基于式(3)计算各节点的故障定位指数时，位于高阻故障上游节点的故障定位指数将处于负半轴，而位于高阻故障下游节点的故障定位指数将处于正半轴，因此可通过比较故障馈线各节点Sloc-j，将高阻故障点定位于Sloc-j由负数变为正数的最小区段中。
比较故障馈线各节点故障定位指数Sloc-j，找出Sloc-j由负数变为正数的最小区段，即可定位高阻接地故障发生在该区段中。
下面已具体实验数据对本发明进行说明。
实施例1
本实施例提供的基于复合因子的高阻接地故障识别及定位方法流程图如图 1所示，实施例为如图2所示的10kV配电网，其中系统基准容量为100MVA，基准电压为10kV。线路AB、BC、CD、DE、AF、FG的长度分别为5km、6km、 10km、6km、5km、5km。线路零序参数为R0＝2.7Ω/km，L0＝1.109mH/km， C0＝0.28μF/km；线路正序参数为R1＝0.27Ω/km，L1＝0.255mH/km，C1＝0.339μF/km；馈线接有总计额定功率20MVA，功率因数0.95的负荷。
以在馈线F2的CD段线路50％处发生A相高阻接地故障(过渡电阻2000Ω) 为例，结合图1、图2对本发明方法做详细说明：
1、采集配电网的母线零序电压和各馈线零序电流数据；
具体地，本实施例中，采集配电网的母线零序电压u0和馈线F1、F2的零序电流i01、i02数据；
2、判断母线零序电压变化是否满足启动判据；若未满足启动判据，则保留当前周波电压电流数据，清除上一周波电压电流数据；若满足启动判据，则根据母线零序电压与各馈线零序电流数据，计算各馈线的复合因子大小；
2.1、具体地，本实施例中，根据采集到的u0数据，结合式(1)，判断0.05S 时(高阻接地故障投入时刻)满足启动判据，进而计算各馈线的复合因子值；
Figure BDA0003599298830000081
式中：T为一个工频周期；u0(t)是t时刻的零序电压采样值；u0(t-T)是t-T时刻的零序电压采样值；△u0(t)是t时刻的零序电压变化大小；UN为系统额定相电压；Kre为可靠系数，考虑不平衡负荷、不对称馈线参数等引起的不平衡电压， Kre取1％。
2.2、具体地，本实施例中，根据采集到的母线零序电压u0和馈线F1、F2 的零序电流i01、i02数据，结合式(2)，计算馈线F1、F2复合因子大小分别如图 3、图4所示。
Figure BDA0003599298830000082
式中：Sk表示馈线k的复合因子大小，
Figure BDA0003599298830000083
Re(*)和Im(*)分别表示*的实部和虚部，i0k表示馈线k的零序电流，u0 *表示母线零序电压的共轭。
3、将计算获得的各馈线复合因子与保护判据预设值进行比较，实现高阻接地故障馈线识别；
3.1、具体地，本实施例中，预先设置保护判据值为：0<Sk<0.8(正常线路)、 -2<Sk<-1.5(正常线路)。
3.2、具体地，本实施例中，将馈线F1的复合因子S1＝0.621(稳定后)，馈线F2的复合因子S2＝-1.997(稳定后)与预设保护判据进行比较，识别出馈线 F2为故障线路，馈线F1为正常线路。
4、根据母线零序电压与所识别故障馈线的零序电流数据，计算故障馈线各节点的故障定位指数，实现高阻接地故障定位。
4.1、具体地，本实施例中，根据采集到母线零序电压u0和流经馈线F2各节点(A、B、C、D、E)的零序电流数据i0A、i0B…i0E，结合式(3)计算得到各节点的故障定位指数如图5所示，具体为：Sloc-A＝-1、Sloc-B＝-1、Sloc-C＝-1、Sloc-D＝1、 Sloc-E＝1；
Figure BDA0003599298830000091
式中：Sloc-j为故障馈线上节点j的故障定位指数，i0j表示流经节点j的线路零序电流，u0 *表示母线零序电压的共轭。
4.2、具体地，本实施例中，结合图2及图5，确定馈线F2的CD区间满足 Sloc-j由负数变为正数的最小区段，因此定位高阻接地故障点在馈线F2的CD段区间中。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于复合因子的高阻接地故障识别及定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
采集配电网的母线零序电压和各馈线零序电流数据；
判断母线零序电压变化是否满足启动判据；若未满足启动判据，则保留当前周波电压电流数据，清除上一周波电压电流数据；若满足启动判据，则根据母线零序电压与各馈线零序电流数据，计算各馈线的复合因子大小；
将计算获得的各馈线复合因子与保护判据预设值进行比较，实现高阻接地故障馈线识别；
根据母线零序电压与所识别故障馈线的零序电流数据，计算故障馈线各节点的故障定位指数，实现高阻接地故障定位。
2.根据权利要求1所述的基于复合因子的高阻接地故障识别及定位方法，其特征在于，判断母线零序电压变化是否满足启动判据，具体如下：
若母线零序电压变化满足式(1)，则认为满足启动判据，若零序电压变化不满足式(1)，则认为不满足启动判据：
Figure FDA0003599298820000011
式中：T为一个工频周期；u0(t)是t时刻的零序电压采样值；u0(t-T)是t-T时刻的零序电压采样值；△u0(t)是t时刻的零序电压变化大小；UN为系统额定相电压；Kre为可靠系数。
3.根据权利要求2所述的基于复合因子的高阻接地故障识别及定位方法，其特征在于，考虑不平衡负荷和不对称馈线参数引起的不平衡电压，Kre取1％。
4.根据权利要求1所述的基于复合因子的高阻接地故障识别及定位方法，其特征在于，根据采集的母线零序电压与各馈线零序电流数据，计算各馈线的复合因子大小，具体如式(2)所示：
Figure FDA0003599298820000021
式中：Sk表示馈线k的复合因子大小，
Figure FDA0003599298820000022
Re(*)和Im(*)分别表示*的实部和虚部，i0k表示馈线k的零序电流，u0 *表示母线零序电压的共轭。
5.根据权利要求1所述的基于复合因子的高阻接地故障识别及定位方法，其特征在于，将计算获得的各馈线复合因子与保护判据预设值进行比较，实现高阻接地故障馈线识别，具体如下：
预设正常馈线与故障馈线的复合因子识别范围；
比较各馈线复合因子与预设识别范围，若馈线复合因子大小处于故障馈线识别范围内，则该馈线为故障馈线，反之，则为正常馈线。
6.根据权利要求4所述的基于复合因子的高阻接地故障识别及定位方法，其特征在于，流经故障线路的零序电流为所有健全线路零序电流与流过中性点零序电流的矢量和的相反数，且故障线路中，零序容抗远大于零序电阻及零序感抗，使得基于式(2)计算各馈线复合因子时，故障馈线的复合因子将稳定至负半轴，正常馈线的复合因子将稳定至非负半轴；因此，启动判据满足后，计算各馈线的复合因子大小，复合因子稳定维持在负半轴的馈线为故障馈线，复合因子稳定维持在非负半轴的馈线为正常馈线。
7.根据权利要求1所述的基于复合因子的高阻接地故障识别及定位方法，其特征在于，计算故障馈线各节点的故障定位指数，实现高阻接地故障定位，具体包括如下步骤：
计算故障馈线各节点的故障定位指数，具体如式(3)所示：
Figure FDA0003599298820000031
式中：Sloc-j为故障馈线上节点j的故障定位指数，i0j表示流经节点j的线路零序电流，u0 *表示母线零序电压的共轭；
比较各节点的故障定位指数Sloc-j，定位高阻接地故障区段。
8.根据权利要求7所述的基于复合因子的高阻接地故障识别及定位方法，其特征在于，比较各节点的故障定位指数Sloc-j，定位高阻接地故障区段，具体如下：
流经故障点上游保护的零序电流方向与流经故障点下游保护的零序电流方向完全相反，使得基于式(3)计算各节点的故障定位指数时，位于高阻故障上游节点的故障定位指数将处于负半轴，而位于高阻故障下游节点的故障定位指数将处于正半轴，因此可通过比较故障馈线各节点Sloc-j，将高阻故障点定位于Sloc-j由负数变为正数的最小区段中。
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