一种基于柔性接地装置的不对称配电网接地故障选线方法与流程

1.本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种基于柔性接地装置的不对称 配电网接地故障选线方法。


背景技术：

2.已知的，配电网是指从输电网或地区发电厂接受电能，通过配电设施 就地分配或按电压逐级分配给各类用户的电力网。是由架空线路、电缆、 杆塔、配电变压器、隔离开关、无功补偿器及一些附属设施等组成的，在 电力网中起重要分配电能作用的网络，配电网早已深入用户终端，但是由 于布线结构与使用环境复杂导致配电网接地故障频发，而高阻接地故障的 可靠检测以及快速处理是全球配电网建设始终需要面临的一大挑战，如不 及时发现并清除故障，则可能破坏线路绝缘介质，使单相接地故障发展为 相间短路故障，导致损坏电力设备及降低供电可靠性。快速发现接地故障， 对配电网安全可靠运行具有重要意义。那么如何提供一种基于柔性接地装 置的不对称配电网接地故障选线方法就成了本领域技术人员的长期技术 诉求。


技术实现要素：

3.为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种基于柔性接地装置 的不对称配电网接地故障选线方法，本发明直接通过零序等值导纳是否变 化判别故障，即使很小的故障电流也会使零序电流变化曲线变为非线性， 从而使得零序等值导纳发生变化，保护灵敏度大幅度提升等。
4.为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：
5.一种基于柔性接地装置的不对称配电网接地故障选线方法，所述选线 方法为主动改变零序回路激励，放大零序电压与电流使其易于测量，减少 导纳计算误差，计算过程中减去线路固有零序电流以消除配电网三相对地 导纳不对称造成的影响，并利用不同调控状态下线路零序等值导纳离散程 度来辨识故障线路和健全线路以提高判据裕度。
6.所述的基于柔性接地装置的不对称配电网接地故障选线方法，所述配 电网有n条线路，配电网三相对地导纳在现场运行过程中，由于配电网线 路的各相对地导纳存在一定的不对称度，所以配电网存在固有零序电压以 及一定的固有零序电流，经理论推导与整理，得配电网系统正常运行状态 下任一线路i的固有零序电流的计算公式为：
[0007][0008]
其中为三相电源电压，y
xi
＝1/r
xi
jωc
xi
(x＝a，b，c)为线路i上x相的对地导纳，为线路i固有对地导纳不对称矢量 和，a为单位向量算子，a＝1∠120
°
，i∈[1，2，
…
，n]。
[0009]
所述的基于柔性接地装置的不对称配电网接地故障选线方法，所述配 电网发生单相接地故障后，此时闭合开关s0，通过控制可控电压源调控 中性点零序电压，首先令
使得：其中：为柔性接地 装置输出电压，为柔性接地装置输出电压相位与电源相电势同相位 时的中性点零序电压，λ为调控系数，该状态维持一段时间后，令使得：该状态维持一段时间后，令使得：调 控过程中全程测量各线路零序电流和中性点零序电压。
[0010]
所述的基于柔性接地装置的不对称配电网接地故障选线方法，所述柔 性接地装置输出电压相位与电源相电势同相位时，由基尔霍夫定律求 得此时故障线路k的零序电流的表达式为：
[0011][0012]
线路k的零序等值导纳计算公式如下：
[0013][0014]
从上式可知，系统零序等值导纳值与中性点零序电压以及接地故障过 渡电阻大小之间具有内在联系，故障线路k的零序等值导纳会随着中性点 零序电压变化，其余非故障线路没有故障支路，过渡电阻不存在，即在上 式中令rf趋于无穷大，此时非故障线路j的零序电流为：
[0015][0016]
线路零序等值导纳为：
[0017][0018]
即非故障线路的零序等值导纳恒定为该线路三相对地导纳之和，同 理，当柔性接地装置输出电压相位分别与电源相电势同相位时， 上述结论仍然成立，故通过主动调控配电网系统的中性点电压，有效测量 配电系统相关参数值(零序电流、零序电压、线路零序等值导纳等)的变化 特征进行故障选线。
[0019]
采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：
[0020]
本发明首先分析各线路零序电流在中性点零序电压调控前后的变化 情况，然后利用不同调控状态下故障与健全线路零序等值导纳的离散程度 来辨识故障线路，本发明辨识方法准确率更高，低、高阻接地故障时均有 较高灵敏度，故障选线结果准确的优点，适合大范围的推广和应用。
附图说明
[0021]
图1为本发明实施例中含有n回出线的配电网接地故障拓扑图；
[0022]
图2为本发明实施例中接地故障辨识流程图；
[0023]
图3为本发明实施例中0.13kω低阻接地故障各线路零序电流幅值变 化图；
[0024]
图4为本发明实施例中0.13kω低阻接地故障各线路零序电流相角变 化图；
[0025]
图5为本发明实施例中10kω高阻接地故障各线路零序电流幅值变化 图；
[0026]
图6为本发明实施例中10kω高阻接地故障各线路零序电流相角变化 图。
具体实施方式
[0027]
通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面 的实施例；
[0028]
结合附图1～6所述的一种基于柔性接地装置的不对称配电网接地故 障选线方法，所述选线方法为主动改变零序回路激励，放大零序电压与电 流使其相对易于测量，减少导纳计算误差。计算过程中减去线路固有零序 电流以消除配电网三相对地导纳不对称造成的影响，并利用不同调控状态 下线路零序等值导纳离散程度来辨识故障线路和健全线路以提高判据裕 度。
[0029]
现场运行过程中，由于配电网线路的各相对地导纳并不是完全相等， 存在一定的不对称度，所以配电网存在固有零序电压以及一定的固有零序 电流。经过理论推导与整理，设所述配电网有n条线路，可得配电网系统 正常运行状态下任一线路i的固有零序电流的计算公式：
[0030][0031]
其中为三相电源电压，y
xi
＝1/r
xi
jωc
xi
(x＝a，b，c)为线路i 上x相的对地导纳，为线路i固有对地导纳不对称矢量 和，a为单位向量算子，a＝1∠120
°
，i∈[1，2，
…
，n]。
[0032]
配电网发生单相接地故障后，此时闭合开关s0，通过控制可控电压 源调控中性点零序电压，首先令使得：其中：为柔 性接地装置输出电压，为柔性接地装置输出电压相位与电源相电势同相位时的中性点零序电压，λ为调控系数。该状态维持一段时间后，令 使得：该状态维持一段时间后，令使得：调控过程中全程测量各线路零序电流和中性点零序电压。
[0033]
具体来说，以柔性接地装置输出电压相位与电源相电势同相位为 例，由基尔霍夫定律求得此时故障线路k的零序电流的表达式为：
[0034][0035]
线路k的零序等值导纳计算公式如下：
[0036]
[0037]
从该式可以看到，系统零序等值导纳值与中性点零序电压以及接地故 障过渡电阻大小之间具有内在联系，故障线路k的零序等值导纳会随着中 性点零序电压变化。其余非故障线路没有故障支路，过渡电阻不存在，即 在式(4)中令rf趋于无穷大，此时非故障线路j的零序电流为：
[0038][0039]
线路零序等值导纳为：
[0040][0041]
即非故障线路的零序等值导纳恒定为该线路三相对地导纳之和。同 理，当柔性接地装置输出电压相位分别与电源相电势同相位时， 上述结论仍然成立。故可通过主动调控配电网系统的中性点电压，有效测 量配电系统相关参数值(零序电流、零序电压、线路零序等值导纳等)的变 化特征进行故障选线。
[0042]
为有效量化零序等值导纳在调控过程中的变化情况，取不同调控状态 下线路零序等值导纳，调控结束后以线路在各调控状态下零序等值导纳的 幅值为样本计算方差，其中方差值较高的线路即为故障线路。
[0043]
为便于计算与说明，建立故障选线函数分相调控中 性点零序电压过程中实时测量各线路零序电流和中性点零序电压同时结合正常运行状态下各线路的固有零序电流得到： 其中：在分相调控过程中，柔性接地装置输出 电压相角与电源相电势相同，t代表三相电源电动势的其中一相并作为 分相调控状态的标记，取值为a、b、c。
[0044]
令
[0045]
计算：
[0046][0047]
考虑实际测量过程中，互感器的漏阻、漏抗及励磁阻抗等因素使得零 序电压和零序电流测量均可能存在一定误差，故采用如下判据选取故障线 路：
[0048]
测量相关数据，分别计算每条线路的故障选线函数并 进行比较，其中函数值最大者所对应线路即为故障线路。
[0049]
具体实施时，含有n回出线的配电网接地故障拓扑如图1所示，中性 点接入柔性接地装置，图中为三相电源电压，y
xi
＝1/r
xi
jωc
xi (x＝a，b，c)为线路i上x相的对地导纳，1/r
xi
和c
xi
分别为线路i上x相的 对地电导与对地电容，线路i的对地总导纳为对地电导与对地电容，线路i的对地总导纳为为中性点 接地导纳，中性点经消弧线圈接地时l为消弧线圈
电感值。为线路i的零序电流。为线路中性点零序电压。假设线路k发生单相 接地故障，rf为故障点过渡电阻。
[0050]
不对称配电网选线实现流程图如图2所示，配电网正常运行时，实时 监测配电网中性点零序电压，一般认为中性点零序电压变化量大于3％系 统额定相电压时判定系统发生接地故障。
[0051]
判定系统发生故障后，启动配电网故障选线方案如下：闭合开关s0， 通过控制柔性接地装置分相调控中性点零序电压，使配电网系统中性点零 序电压值依次分别为：其中：(0＜λ≤1/2，t＝a，b，c)，各调控状态 分别持续几个周波的时间，分别测量各调控状态下各线路零序电流和 中性点零序电压同时结合正常运行状态下配电网中各线路的固有零 序电流得到各线路的零序等值导纳，并分别计算各线路的故障选线函 数的数值其中函数值最大者所对应的线路即为故障线路； 配电网故障选线流程图如图2所示。
[0052]
为了验证本发明所述选线方法的可行性，在pscad/emtdc中搭建了如 图1所示的10kv配电网单相接地故障模型，共设定3条出线，中性点经 消弧线圈接地，采用过补偿运行方式，脱谐度设置为-5％，消弧线圈电感 为0.162h，三条线路对地导纳设定如表1所示，线路1对地导纳对称， 其余线路则全部设置为三相不对称状态，配电网系统正常工作时测量三条 线路的固有零序电流为λ取以下均设定线路3的c相在0.5s发生故障。
[0053]
当配电网发生单相接地故障时，0.7s后柔性消弧装置开始进行动作， 改变线路中性点零序电压，即分别使中性点和 依次维持0.1s，记录各线路零序电流的幅值和相角，依照 此流程模拟多组不同故障过渡电阻的仿真实验，仿真记录的各线路零序电 流幅值和相角数据如表3所示。过渡电阻为0.13kω和10kω故障的零序 电流幅值和相角分别如图3～图6所示。
[0054]
表1仿真场景线路参数
[0055]
[0056][0057]
通过图3～图6可以看到，在0.7s～1s期间，柔性接地装置在接入 配电网系统调控中性点电压，无论线路发生低阻接地故障还是高阻接地故 障，零序电流幅值会随着柔性接地装置输出相位的改变而发生较大的变 化，非故障线路零序电流幅值则相对保持恒定，由式和式可以推算故障线路零序等值导纳将 随着中性点电压的变化有较大的波动，而非故障线路零序等值导纳则保持 恒定，验证了所提故障选线原理。
[0058]
表2分相调控故障选线仿真结果
[0059]
[0060][0061]
由表2可知，配电网分别发生0.13kω、1kω、5kω、10kω单相接 地故障时，对比三条线路的故障线路辨识函数zi，其中函数值最大的对应 故障线路，四种情况均能准确判定线路l3为故障线路。可以看到该方法 可有效消除配电网各相对地绝缘参数不对称对接地故障选线所产生的不 良影响，接地过渡电阻较高的情况下也能灵敏的辨识故障线路。
[0062]
本发明的有益效果如下：
[0063]
(1)本发明提出的配电网单相接地故障选线方法，可通过零序等值 导纳是否变化灵敏判断线路是否发生接地故障，辨识准确度较高。
[0064]
(2)三相线路对地参数不相等、接地过渡电阻较高不会影响本发明 最终的辨识结果，受干扰因素较少等。
[0065]
本发明与现有技术相比，主要就是高阻接地故障条件下，故障特征微 弱，很难检测，传统方法都是被动的检测，本发明可以主动的放大故障特 征，通过零序等值导纳进行故障辨识。
[0066]
1、传统测量中性点电压及中性点电压变化量
[0067]
单芯电缆线路三相参数(包括长度)不相等，三相线路不换位等因素， 使得配电网三相对地导纳不平衡的情况普遍存在。传统选线方法忽略了配 电网三相对地导纳不平衡的情况，且线路发生高阻接地故障时故障信息不 明显可能导致选线出现错误。
[0068]
2、阻尼率
[0069]
对于低阻接地故障，故障电流较大，故障前后阻尼率变化较大，此时 通过测量阻尼率的方法容易判断故障，但是对于高阻接地故障，故障电流 很小，线路对地有功电流变化也很小，阻尼率基本没有变化，很难辨别是 否发生故障，保护灵敏度低。
[0070]
本发明直接通过零序等值导纳是否变化判别故障，即使很小的故障电 流也会使零序电流变化曲线变为非线性，从而使得零序等值导纳发生变 化，保护灵敏度有所提升，相对于阻尼率的方法具有一定优势。
[0071]
本发明应用于配电网单相接地故障的辨识，详细分析各线路零序电流 在中性点零序电压调控前后的变化情况，利用不同调控状态下故障与健全 线路零序等值导纳的离散程度来辨识故障线路；与传统的测量中性点电压 偏移大小及中性点电压变化量的方法相比，本发明辨识方法准确率更高， 低、高阻接地故障时均有较高灵敏度，故障选线结果准确。
[0072]
本发明未详述部分为现有技术。
[0073]
为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适 宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内 的实施例的所有变化和改进。