一种基于零序分量波动性的单相接地故障检测方法与流程

1.本发明涉及配电网继电保护技术领域，尤其是指一种基于零序分量波动性的单相接地故障检测方法。


背景技术：

2.相较于消弧线圈接地系统和不接地系统，中性点经小电阻接地系统具有有效限制各种过电压以及快速切除故障等优点，其更加适用于以电缆线路居多的大中型城市中压配电网，并已在中压配电网得到了广泛的应用。
3.为了降低网络损耗，配电网馈线常常需要深入到负荷中心，其所处的环境复杂，容易发生单相经高过渡电阻接地故障。由于单相高阻接地故障的明显特征是其故障电流小，因此目前小电阻接地系统常配置的阶段式零序过电流保护方案对此类故障的灵敏度较低，在过渡电阻超过100ω左右的情况下该保护方案将可能失效，所以在小电阻接地系统中仍缺乏对此类故障的有效检测处理方案。
4.虽然单相高阻接地故障的故障电流小，但其诱发原因比较特殊，比如架空线路断线后掉地、架空线路与邻近物体接触以及电缆线路绝缘介质受损或受潮等，如果任由该故障长期存在，势必会对配网安全运行以及公共安全造成极大的威胁。同时，单相高阻接地故障常伴随着电弧的产生，电弧燃烧所产生的高温可能会引发诸如火灾等安全事故，因此急需采用有效的检测手段来减少此类故障所造成的危害。
5.目前针对单相高阻接地故障的检测方法主要是利用电弧间歇性燃烧所带来的非线性特征，比如非线性的电压电流伏安特性曲线以及波形畸变所带来的谐波特征。然而这类方法在电弧非线性特征较弱或者甚至没有的情况下将可能失效。而在工程应用中也有采用零序方向元件的案例，但是由于在实际操作中互感器的极性校验困难，因此方向元件容易发生误判，其检测效果不理想。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术的问题提供一种基于零序分量波动性的单相接地故障检测方法，设计巧妙，通过采集馈线零序电流以及母线零序电压信息，计算馈线的零序电流积分值和零序电压差值的比值，然后通过波动系数来衡量该比值的波动性，并以此来判断馈线是否发生了单相接地故障。由于比值波动性受过渡电阻的影响较小，因此与现有的阶段式零序过电流保护方案相比，本发明能够有效地提高保护耐受过渡电阻能力，减少单相高阻接地故障对配电网安全运行和公共安全造成的危害。同时，本发明易于工程实现，只需在原有采集馈线零序电流信息的基础上增加母线零序电压的信息。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
8.本发明提供的一种基于零序分量波动性的单相接地故障检测方法，包括步骤：
9.s1、赋初值给零序电压突变整定值u
0.set
、零序电流积分值与零序电压差值的比值计算积分时间t1、比值绝对值最大值r
max
和保护动作整定值p
act
；
10.s2、测量馈线零序电流i0以及母线零序电压u0，并对其进行采样；
11.s3、判断是否连续三次满足|u0[n]-u0[n-t0]|》u
0.set
，如果满足，则执行步骤s4；如果不满足，则返回步骤s2；其中t0＝0.02
×
sr为基波所对应的采样值个数，sr为采样频率；
[0012]
s4、根据公式δu0＝u0[n]-u0[n-t1]计算零序电压差值；
[0013]
s5、判断是否满足|δu0|》u
0.set
；如果满足，则执行步骤s6；如果不满足，则根据公式δu0(更新值)＝sign(δu0(原值))
×u0.set
更新零序电压差值，其中sign(x)为符号函数，并继续下面的流程；
[0014]
s6、根据公式计算零序电流积分值与零序电压差值的比值，其中δt＝1/sr为采样时间间隔；
[0015]
s7、判断是否满足|r[n]|《r
max
；如果满足，则执行步骤s8；如果不满足，则根据公式r[n](更新值)＝sign(r[n](原值))
×rmax
更新比值，并执行步骤s8；
[0016]
s8、根据公式计算比值平均值，其中n＝0.01
×
sr；
[0017]
s9、根据公式计算比值波动系数；
[0018]
s10、判断是否满足p》p
act
；如果满足，则发出警告或者跳闸命令；如果不满足，则返回步骤s2。
[0019]
其中，步骤s1中所述的r
max
的取值范围为300～500。
[0020]
其中，步骤s1中所述的p
act
的取值范围为100～150。
[0021]
其中，步骤s1中所述的u
0.set
的取值范围为10～50。
[0022]
其中，步骤s3中的采样频率sr不低于5khz。
[0023]
其中，所述零序电流积分值与零序电压差值的比值计算积分时间t1的取值范围为(4ms～5ms)
×
采样频率sr。
[0024]
本发明的有益效果：
[0025]
本发明设计巧妙，通过采集馈线零序电流以及母线零序电压信息，计算馈线的零序电流积分值和零序电压差值的比值，然后通过波动系数来衡量该比值的波动性，并以此来判断馈线是否发生了单相接地故障。由于比值波动性受过渡电阻的影响较小，因此与现有的阶段式零序过电流保护方案相比，本发明能够有效地提高保护耐受过渡电阻能力，减少单相高阻接地故障对配电网安全运行和公共安全造成的危害。同时，本发明易于工程实现，只需在原有采集馈线零序电流信息的基础上增加母线零序电压的信息。
附图说明
[0026]
图1为本发明的一种基于零序分量波动性的单相接地故障检测方法的流程图。
[0027]
图2为本发明的实施例2以10kv中性点经小电阻接地系统的一次接线图。
[0028]
图3为在单相接地故障带线性过渡电阻情况下本发明所述的各馈线的波动系数。
[0029]
图4为在单相接地故障带非线性电弧情况下本发明所述的各馈线的波动系数。
具体实施方式
[0030]
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图对本发明进行详细的描述。
[0031]
实施例1
[0032]
一种基于零序分量波动性的单相接地故障检测方法，包括步骤：
[0033]
s1、赋初值给零序电压突变整定值u
0.set
、零序电流积分值与零序电压差值的比值计算积分时间t1、比值绝对值最大值r
max
和保护动作整定值p
act
；
[0034]
其中，u
0.set
的取值需要考虑发生单相高阻接地故障时零序电压的大小以及采样频率sr的大小。同时，由于零序电压差值作为比值的分母，因此需要在步骤s5对零序电压差值的大小进行判断以减小奇异点的影响，从而保持算法的稳定性，且将差值的最小值设置为u
0.set
；t1的取值在不影响检测快速性的前提下，可适当地取较大值以减少奇异点的数量，其可取为(4ms～5ms)
×
采样频率sr；设置比值最大值r
max
是为了进一步削弱奇异点的影响，其取值需要考虑未设置限幅时故障馈线的比值波动范围，可取为300～500之间；由于故障馈线的波动系数比非故障馈线大得多，因此p
act
的取值具有较大的裕度，可取为100～150之间。其中，步骤s1中所述的u0.set的取值范围为10～50。其中，步骤s3中的采样频率sr不低于5khz。
[0035]
s2、测量馈线零序电流i0以及母线零序电压u0，并对其进行采样；
[0036]
s3、判断是否连续三次满足|u0[n]-u0[n-t0]|》u
0.set
，如果满足，则执行步骤s4；如果不满足，则返回步骤s2；其中t0＝0.02
×
sr为基波所对应的采样值个数，sr为采样频率；
[0037]
s4、根据公式δu0＝u0[n]-u0[n-t1]计算零序电压差值；
[0038]
s5、判断是否满足|δu0|》u
0.set
；如果满足，则执行步骤s6；如果不满足，则根据公式δu0(更新值)＝sign(δu0(原值))
×u0.set
更新零序电压差值，其中sign(x)为符号函数，并继续下面的流程；
[0039]
s6、根据公式计算零序电流积分值与零序电压差值的比值，其中δt＝1/sr为采样时间间隔；
[0040]
s7、判断是否满足|r[n]|《r
max
；如果满足，则执行步骤s8；如果不满足，则根据公式r[n](更新值)＝sign(r[n](原值))
×rmax
更新比值，并执行步骤s8；
[0041]
s8、根据公式计算比值平均值，其中n＝0.01
×
sr；
[0042]
s9、根据公式计算比值波动系数；
[0043]
s10、判断是否满足p》p
act
；如果满足，则发出警告或者跳闸命令；如果不满足，则返回步骤s2。
[0044]
实施例2
[0045]
以10kv中性点经小电阻接地系统为模型进行分析。在本实施例2中，中性点接地小电阻以及曲折变压器的零序阻抗均为10ω，且系统带有4条长度分别为6km、9km、15km、20km的馈线。各馈线均由型号为yjv
22-3*300的电缆线路组成，其正序参数为：
[0046]
r1＝0.500ω/km、l1＝0.318mh/km、c1＝0.376μf/km，零序参数为：r0＝0.500ω/km、l0＝6.398mh/km、c0＝0.370μf/km。系统中配电变压器的负载率为60％，且其功率因数为0.9。
[0047]
在长度为15km的馈线3设置单相经过渡电阻接地故障，且故障类型分别为线性过渡电阻故障和电弧故障。以馈线3(故障馈线)和馈线4(非故障馈线)的保护动作情况为样本，来验证本发明的有效性。
[0048]
本实施例2的参数设置如下：
[0049]
①
采样频率sr：5khz。
[0050]
②
零序电压突变整定值u
0.set
：综合考虑算法启动的灵敏度以及消去奇异点的效果，u
0.set
可取为10～50，这里取10。
[0051]
③
比值计算积分时间t1：5ms
×
采样频率＝25。
[0052]
④
比值绝对值最大值r
max
：300。
[0053]
⑤
保护动作整定值p
act
：100。
[0054]
(1)线性过渡电阻故障
[0055]
在故障馈线3的首端、中点以及末端分别设置单相接地故障，且过渡电阻rf分别设置为0ω、600ω以及1200ω。表1和表2分别给出了非故障馈线(馈线4)以及故障馈线(馈线3)的比值波动系数p的情况(包括最大值p
max
和稳定值p
sta
)。
[0056]
表1非故障馈线的比值波动系数以及保护动作情况
[0057][0058]
表2故障馈线的比值波动系数以及保护动作情况
[0059][0060]
下面对故障点为线路末端且线性过渡电阻为600ω时的情况进行具体分析(结合附图3)。
[0061]
a.非故障馈线：
[0062]
非故障馈线的零序电流流过的零序等效网络就为该馈线的等效π型模型，由此可
以得到非故障馈线的零序电流积分值与零序电压差值的比值为：
[0063][0064]
其中i
0h
为该非故障馈线的零序电流；u0为母线零序电压；rh、lh和ch为非故障馈线的线路电阻、电感和对地电容；α为母线零序电压的初相角。
[0065]
由上式可知，其波动的范围取决于由于该函数的幅值的数量级约为10-8
，因此非故障馈线的波动范围很小，即非故障馈线的波动系数p很小。从表1可以看出，非故障馈线4的最大值p
max
均小于10，而稳定值p
sta
则更小。同时从图3可以看出，其他非故障馈线的情况与非故障馈线4相似。
[0066]
在不同故障位置下，非故障馈线4的比值波动系数均小于动作整定值p
act
＝100，因此非故障馈线4的保护均不动作。
[0067]
b.故障馈线：
[0068]
由于故障馈线零序电流流过的等效网络为曲折变压器支路阻抗和所有非故障馈线等效电路的并联，因此故障馈线的零序电流积分值与零序电压差值的比值为：
[0069][0070]
其中i
0f
为故障馈线零序电流；c
hσ
为所有非故障馈线对地电容之和；r
hi
、l
hi
和c
hi
为非故障馈线i的线路电阻、电感和对地电容；lg为曲折变压器零序电感；rg为中性点接地小电阻。
[0071]
由上式可知，其波动范围取决于由于1/3ωrg的数量级约为10-5
，其约为非故障馈线该函数幅值的1000倍，因此故障馈线的比值波动范围远大于非故障馈线，即故障馈线的波动系数p远大于非故障馈线。从表2和图3可以看出，故障馈线3的最大值p
max
和稳定值p
sta
均远大于非故障馈线4。
[0072]
在不同故障位置下，故障馈线3的比值波动系数均大于动作整定值p
act
＝100，因此故障馈线3的保护均动作。
[0073]
(2)电弧故障
[0074]
这里采用线性电阻rf串联非线性电弧电阻r
arc
的形式来模拟电弧故障，且故障点设置在馈线3的中点，线性电阻rf设置为600ω。
[0075]
在本实施例中所设置的电弧故障的非线性特征较强，各馈线的总谐波畸变率(thd)分别为：馈线1—205.71％；馈线2—218.29％；馈线3(故障馈线)—29.5％；馈线4—273.19％。
[0076]
图4给出了电弧故障下各馈线的比值波动系数的情况。从图中可以看出，馈线3(故障馈线)的比值波动系数远大于各非故障馈线，大于动作整定值p
act
＝100，因此故障馈线保
护动作。而各非故障馈线的比值波动系数均低于动作整定值，所以各非故障馈线的保护均不动作。
[0077]
通过上述分析可以看出：本发明通过采集馈线零序电流以及母线零序电压信息，计算馈线的零序电流积分值和零序电压差值的比值，然后通过波动系数来衡量该比值的波动性，并以此来判断馈线是否发生了单相接地故障。由于比值波动性受过渡电阻的影响较小，因此与现有的阶段式零序过电流保护方案相比，本发明能够有效地提高保护耐受过渡电阻能力，减少单相高阻接地故障对配电网安全运行和公共安全造成的危害。同时，本发明易于工程实现，只需在原有采集馈线零序电流信息的基础上增加母线零序电压的信息。
[0078]
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。