CN115792504A - 基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法及系统，属于配电网单相接地故障定位技术领域；解决了现有配电网单相接地故障定位技术存在的需要采集多个电气量、且无法同时适用于中性点不接地以及中性点经消弧线圈接地系统的问题；包括如下步骤：给定零序电流突变定值、相电流突变定值及比值定值；实时测量三相电流和零序电流，当零序电流突变量大于零序电流突变定值时，判断系统发生单相接地故障，然后计算接地故障前后的相电流突变量波形，计算三相电流突变量有效值，并进行排序；计算突变量有效值的比值，并根据比值与比值定值的大小关系，判断发生单相接地故障的线路及相别；本发明应用于配网线路单相接地故障定位。

Description

基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法及系统

技术领域

本发明提供了一种基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法及系统，属于配电网单相接地故障定位技术领域。

背景技术

当前配电网为提高供电可靠性，大多采用中性点不接地以及中性点经消弧线圈接地方式，属于小电流接地系统。发生单相接地故障后，故障特征不明显，难以快速准确完成故障定位，进而无法实现故障隔离与故障精准抢修，容易引起配电网事故扩大。

一般地，配电网单相接地故障定位从三个方向入手：选线、选相及选段。

当前自动选线的方法有：基于稳态特征的零序电流幅值比较法、零序电流极性比较法、群体比幅比相法、外施信号法等几种方法以及基于暂态特征的首半波法以及暂态零序功率法等；当前选相的主要方法是：根据中性点接地方式以及消弧线圈补偿状态，选择发生单相接地故障后相电压最高相的超前或者滞后相为故障相；此外还有公开号为CN111983510A的专利申请基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相方法及系统。而接地故障选段一般通过选线或者选线结合馈线自动化逻辑实现。此外还有公开号为CN106646139A的专利申请通过三相电流幅值测量分析实现单相接地故障定位。

对于当前自动选线的方法：基于稳态特征的零序电流幅值比较法、零序电流极性比较法、群体比幅比相法的缺点为只适用于中性点不接地系统；而基于稳态特征的外施信号法对于高阻及间歇性故障的识别率低；基于暂态特征的首半波法以及暂态零序功率法适用于两种接地系统，尤其后者为目前产品的主流技术，但是其缺点在于：①算法实现需要同时采集线路零序电流及零序电压，而一部分柱上断路器及大部分故障指示器无法采集；②过渡过程时间非常短，难以保证选线的可靠性，对装置的采样及计算性能要求较高。

对于当前的常规选相方法，其缺点在于其结果的正确性容易受到三相参数不对称以及高阻或低阻接地的影响。而基于相电压和电流突变量的单相接地故障选相方法及系统（CN111983510A），相电压在实际中难以测得，算法对互感器配置及准确度要求较高。

上述方法存在的共同缺点在于：①选线及选相方法无法共用，需要集成多套算法来实现单相接地故障定位，增加了算法复杂度，降低了可靠性；②需要装置采集线路的包括零序电流、零序电压、相电压等多个电气量，对装置电气量采集要求高。

而通过三相电流幅值分析的单相接地故障定位方法（CN106646139A），其缺点在于只通过相电流变化作为发生单相接地故障的判据，容易受到线路负荷突变影响导致误判。同时其将“若存在其中一相的电流幅值变化量大于另外两相的电流幅值变化量”作为故障相判据，只适用于消弧线圈过补偿接地系统，不适用于中性点不接地以及消弧线圈欠补偿接地系统。

发明内容

本发明为了解决现有配电网单相接地故障定位技术存在的需要采集多个电气量、且无法同时适用于中性点不接地以及中性点经消弧线圈接地系统的问题，提出了一种基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法及系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法，包括如下步骤：

第一步：给定零序电流突变定值I₀、相电流突变定值I₁及比值定值k₀；

第二步：实时测量系统中每条线路的三相电流i_k和零序电流i₀，当任意一条线路的零序电流突变量ΔI₀大于零序电流突变定值I₀时，判断系统发生单相接地故障，然后计算发生单相接地故障前后的相电流突变量波形Δi_k(t)，其中k表示A、B、C相；

第三步：根据三相电流突变量波形Δi_k(t)，计算三相电流突变量有效值ΔI_k；

第四步：将三相电流突变量有效值进行排序，设ΔI₁≥ΔI₂≥ΔI₃，其中ΔI₁表示实际测量的线路上A、B、C三相中任一相的电流突变量有效值中的最大值；

第五步：当ΔI₁＞I₁时，计算比值：k₂=ΔI₂/ΔI₁，k₃=ΔI₃/ΔI₁，则k₂≥k₃；

第六步：根据k₂、k₃与k₀的大小关系，判断发生单相接地故障的线路及对应相别，并生成单相接地选线告警信号。

所述第六步中根据k₂、k₃与k₀的大小关系，判断发生单相接地故障的线路及对应相别的具体判断过程如下：

若k₃>k₀，则本线路未发生接地故障；

若k₃≤k₀且k₂>k₀，则本线路ΔI₃对应相发生单相接地故障；

若k₃≤k₂≤k₀，则本线路ΔI₁对应相发生单相接地故障。

所述第二步中的系统为中性点不接地系统或中性点经消弧线圈接地系统。

所述第二步中通过在系统每条线路上设置的多个配电终端来采集线路的三相电流。

所述系统上还设置有配电自动化主站，所述配电自动化主站根据线路上所有配电终端所上传的单相接地选线告警信号完成单相接地故障选段工作。

所述配电自动化主站根据线路上某开关处配电终端上报单相接地选线告警信号，以及上述开关的下游开关处配电终端单相接地选线告警信号未动作，完成单相接地故障选段。

所述配电终端具体采用站所终端DTU、馈线终端FTU或者配电线路故障指示器。

基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位系统，包括设置在中性点不接地系统或中性点经消弧线圈接地系统上的配电自动化主站，在中性点不接地系统或中性点经消弧线圈接地系统的所有线路上分别设置有多个配电终端，所述配电终端内部集成有基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法的计算机程序，并生成单相接地选线告警信号，所述配电终端将单相接地选线告警信号上传至配电自动化主站，所述配电自动化主站根据线路上所有配电终端所上传的单相接地选线告警信号完成单相接地故障选段。

所述配电终端具体采用站所终端DTU、馈线终端FTU或者配电线路故障指示器。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提出的基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法，不需要采集零序电压、相电压等多个电气量，只需要采集三相电流，即可同时实现配电线路单相接地故障选线（选段）及选相功能，同时适用于中性点不接地以及中性点经消弧线圈接地系统，且对于三相线路参数不对称具有一定的鲁棒性。此外本发明解决了此前基于三相电流幅值分析的单相接地故障定位方法（CN106646139A）容易受到线路负荷突变影响导致误判，以及不适用于中性点不接地以及消弧线圈欠补偿接地系统的问题。本发明简单方便，适用面广，易于在现有绝大多数类型的配电自动化终端中集成，大大提升配电线路单相接地故障识别的普及性、快速性和可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明方法的流程图；

图2为基于本发明方法的单相接地故障选段实现的示意图；

图3为本发明采用的考虑三相线路参数不对称与负荷不平衡的中压配电网小电流接地系统模型图。

具体实施方式

通过在配电线路上配置的配电终端内部，集成本发明所提出的基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法的计算机程序，可实现单相接地故障选线及选相；通过故障后配电终端上报单相接地选线告警信号至配电自动化主站，结合配电自动化主站的馈线自动化功能，可实现单相接地故障的选段定位。本发明提出的基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法的流程图如图1所示，具体步骤如下：

第一步：设置零序电流突变定值I₀、相电流突变定值I₁及比值定值k₀。

第二步：实时测量三相电流i_k以及零序电流i₀，其中零序电流可以通过零序电流互感器测量，若设备不具备零序电流互感器时，可以采用三相电流合成来计算零序电流；当零序电流突变量ΔI₀大于零序电流突变定值I₀时，判断系统发生单相接地故障，并求取发生单相接地故障前后的相电流突变量Δi_k（其中k表示A、B、C相）。当前相关技术规范及文件要求站所终端DTU、馈线终端FTU或者配电线路故障指示器都会在故障点附近至少录“前四后八”共12个周波的电流数据，利用第1、2个周波作为故障前稳态波形以及第9、10个周波作为故障后稳态波形，则相电流突变量波形表示为：

（1）。

第三步：根据三相电流突变量波形Δi_k(t)，并按照下式求取三相电流突变量有效值ΔI_k（设T=NΔt，其中T为工频周期，Δt为采样间隔）：

（2）。

第四步：将三相电流突变量有效值排序：设ΔI₁≥ΔI₂≥ΔI₃，其中ΔI₁、ΔI₂、ΔI₃分别表示A、B、C三相电流突变量有效值中其中一相的数值，具体最大电流突变量有效值ΔI₁根据实际测量的A、B、C三相的电流突变量有效值进行赋值，可以为A相的电流突变量有效值，也可以是B相或C相的电流突变量有效值。

第五步：当ΔI₁>I₁时，计算比值：

（3），则有k₂≥k₃。

第六步：进行判断：

(1)若k₃>k₀，则本线路未发生接地故障，程序复位；

(2)若k₃≤k₀且k₂>k₀，则本线路ΔI₃对应相发生单相接地故障；

(3)若k₃≤k₂≤k₀，则本线路ΔI₁对应相发生单相接地故障；

完成单相接地故障选相及选线并将单相接地选线告警信号上传至配电自动化主站。

第七步：配电自动化主站根据线路上所有配电终端所上传的单相接地选线告警信号完成单相接地故障选段工作。例如对于图2所示的系统，根据变电站3条10kV线路配电终端的汇总信息，只有线路2上开关FS21处配电终端上报单相接地选线告警信号，说明线路2发生单相接地故障，同时下游开关FS22处配电终端单相接地选线告警信号未动作，说明单相接地故障发生在开关FS21与FS22之间，即完成单相接地故障选段。

本发明提出的基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法的原理如下：

考虑图3所示系统电路模型，配电线路增加三相电流测量，该测量可以通过站所终端DTU、馈线终端FTU或者配电线路故障指示器来实现。利用欧姆定律及KCL易得，在正常运行时，有：

（4）；

其中k=A、B、C三相，

表示三相相电流，

表示三相相电压，

表示三相对地导纳，

表示三相负荷电流。

第一种情况：当线路只发生负荷突变、未发生接地故障时，相电压

以及对地参数

不变，故

。且对于小电流接地系统，三相负荷不含零序分量，因此

（5）。

第二种情况：线路发生单相接地故障时：

本发明中，故障前电气量用不带上标的

表示，故障后电气量带上标“’”，分别为：

，并定义故障后电气量的突变量：

（6）。

当线路发生单相接地故障以后有：

1）对于非故障线路或者故障线路的非故障相，式（4）仍然成立：

（7）；

此时：

（8），上式中：

表示三相电源电动势，

表示故障前中性点电压，

表示故障后中性点电压；

故

对k=A、B、C都成立，即故障后三相电压突变量相等。因此对于故障前后突变量有：

（9）。

2）对于故障线路的故障相有：

（10）；

因此对于故障前后突变量有：

（11），上式中R_f表示接地故障过渡电阻。

实际中，对于同一条线路三相参数不对称控制在一定范围内，因此可以忽略三相对地导纳

不同带来的影响，即：

（12）；

上式中G_A、G_B、G_C分别表示A、B、C三相对地电导，C_A、C_B、C_C分别表示A、B、C三相对地电容，G₀与C₀分别表示各相对地等值的电导和电容。

而对于线路负荷在故障前几个周波的时间内负荷突变可以忽略，即：

（13）。

因此，1）对于非故障线路，三相电流与零序电流突变量满足：

（14）。

2）对于故障线路，设A为故障相，三相电路与零序电流突变量满足：

（15）。

因此发生单相接地故障后有以下结论：

①非故障线路与故障线路的零序电流突变量均不为0，因此根据线路零序电流突变量可判断系统是否发生单相接地故障；

②对于非故障线路，三相电流突变量基本相同；对于故障线路，非故障两相电流突变量基本相同，而故障相电流突变量与其他两相明显不同。因此根据这一原理，可对故障线路及故障相进行甄别。

此外本发明还提出了一种估计接地点故障电流的方法，当判断出A相发生单相接地故障后，根据式（15）可得，接地点故障电流等于故障线路的故障相电流突变量与非故障相电流突变量之差：

（16）；

上式中：

表示接地点故障电流，

表示接地点故障电压。

本发明还提出了一种基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位系统，适用于中性点不接地以及中性点经消弧线圈接地系统，包括设置在中性点不接地系统或中性点经消弧线圈接地系统上的配电自动化主站，在中性点不接地系统或中性点经消弧线圈接地系统的所有线路上分别设置有多个配电终端，所述配电终端内部集成有基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法的计算机程序，并生成单相接地选线告警信号，所述配电终端将单相接地选线告警信号上传至配电自动化主站，所述配电自动化主站根据线路上所有配电终端所上传的单相接地选线告警信号完成单相接地故障选段。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规使用方法、可预期技术效果，除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：给定零序电流突变定值I₀、相电流突变定值I₁及比值定值k₀；

第二步：实时测量系统中每条线路的三相电流i_k和零序电流i₀，当任意一条线路的零序电流突变量ΔI₀大于零序电流突变定值I₀时，判断系统发生单相接地故障，然后计算发生单相接地故障前后的相电流突变量波形Δi_k(t)，其中k表示A、B、C相；

第三步：根据三相电流突变量波形Δi_k(t)，计算三相电流突变量有效值ΔI_k；

第四步：将三相电流突变量有效值进行排序，设ΔI₁≥ΔI₂≥ΔI₃，其中ΔI₁表示实际测量的线路上A、B、C三相中任一相的电流突变量有效值中的最大值；

第五步：当ΔI₁＞I₁时，计算比值：k₂=ΔI₂/ΔI₁，k₃=ΔI₃/ΔI₁，则k₂≥k₃；

第六步：根据k₂、k₃与k₀的大小关系，判断发生单相接地故障的线路及对应相别，并生成单相接地选线告警信号。

2.根据权利要求1所述的基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法，其特征在于：所述第六步中根据k₂、k₃与k₀的大小关系，判断发生单相接地故障的线路及对应相别的具体判断过程如下：

若k₃>k₀，则本线路未发生接地故障；

若k₃≤k₀且k₂>k₀，则本线路ΔI₃对应相发生单相接地故障；

若k₃≤k₂≤k₀，则本线路ΔI₁对应相发生单相接地故障。

3.根据权利要求2所述的基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法，其特征在于：所述第二步中的系统为中性点不接地系统或中性点经消弧线圈接地系统。

4.根据权利要求3所述的基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法，其特征在于：所述第二步中通过在系统每条线路上设置的多个配电终端来采集线路的三相电流。

5.根据权利要求4所述的基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法，其特征在于：所述系统上还设置有配电自动化主站，所述配电自动化主站根据线路上所有配电终端所上传的单相接地选线告警信号完成单相接地故障选段工作。

6.根据权利要求5所述的基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法，其特征在于：所述配电自动化主站根据线路上某开关处配电终端上报单相接地选线告警信号，以及上述开关的下游开关处配电终端单相接地选线告警信号未动作，完成单相接地故障选段。

7.根据权利要求4所述的基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法，其特征在于：所述配电终端具体采用站所终端DTU、馈线终端FTU或者配电线路故障指示器。

8.基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位系统，其特征在于：包括设置在中性点不接地系统或中性点经消弧线圈接地系统上的配电自动化主站，在中性点不接地系统或中性点经消弧线圈接地系统的所有线路上分别设置有多个配电终端，所述配电终端内部集成有如权利要求1-7任一项所述的基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位方法的计算机程序，并生成单相接地选线告警信号，所述配电终端将单相接地选线告警信号上传至配电自动化主站，所述配电自动化主站根据线路上所有配电终端所上传的单相接地选线告警信号完成单相接地故障选段。

9.根据权利要求8所述的基于相电流突变量的配电网单相接地故障定位系统，其特征在于：所述配电终端具体采用站所终端DTU、馈线终端FTU或者配电线路故障指示器。

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