一种基于暂态方向的有源配电网接地故障定位方法与流程

1.本发明涉及配电自动化技术领域，尤其涉及一种基于暂态方向的有源配电网接地故障定位方法。


背景技术：

2.我国配电网多采用中性点非有效接地方式，对于不含分布式电源的配电网，关于单相接地故障稳态及暂态特性的研究已取得了较多成果，提出了一系列接地故障选线及定位方法。随着国家新型电力系统的实施，分布式电源将高比例接入配电网，分布式电源的接入将影响现有接地故障选线与定位的准确性。
3.目前主要技术方案有基于相电流突变量的接地故障保护方法。公布号为cn105914718a的中国发明专利申请公开了一种基于相电流突变量的接地故障保护方法，其步骤为：s1：在线监测配电网的零序电压，当零序电压超过电压限定值时，采集各线路的暂态相电流信号；s2：提取各线路暂态相电流突变量；s3：对各线路相电流突变量进行相间两两相关性分析，得到相间相关系数[ρabρbcρca]，通过比较得到相间最小相关系数ρmin；s4：根据相间相关系数的大小来判断故障线路。公布号为cn106959403a的中国发明专利申请公开了一种分布式电源接入配电网接地故障检测方法，包括以下步骤：在含分布式电源配电网各母线处安装保护代理，集中管理与控制本地保护装置；当母线零序电压越限时，记录本地保护装置所测量到的采样数据；计算采样数据与历史故障数据的相对距离，进而确定故障区域；通过通讯网络，各保护代理间协调配合，最终确定故障线路，发出跳闸信号。
[0004]
这两种算法存在以下问题：
[0005]
1)基于相电流突变量的接地故障保护方法，其核心算法是对各相电流突变量进行相间两两相关性分析，得到相间关系数数组，通过相关系数来进行分析。故障线路故障相与健全相电流突变量波形差异很大，相间最小相关系数很小甚至为负，非故障线路各相电流突变量波形相近，几乎一致，相间相关系统较大，该方法对于无源配电网接地故障较为准确，如图4所示。主要问题是该算法主要针对接地选线进行计算，仅确定故障线路与非故障线路，不能确定故障位置，对有源配电网接地选线和故障区段定位存在缺陷，如图3所示波形，故障线路故障点前的相电流突变量相差不大，不符合相关系数很小甚至为负的情况，故障线路故障后的相电流突变量相差大，符合相关系统很小甚至为负的情况，容易导致误判。
[0006]
2)一种分布式电源接入配电网接地故障检测方法，对安装于电网的多台保护装置进行统一管理与控制，采集零序电压和零序电流数据，分析各保护装置实时采集数据与历史数据的相似程度，对通信可靠性与时间同步性要求高。而且10kv配电网架空线路的线间距离约为70厘米，零序电流互感器需要穿过a、b、c三相电线，安装这类直径1米左右零序电流互感器较为困难，工程实施不灵活。


技术实现要素：

[0007]
本发明要解决的技术问题是，提供一种适用于分布式有源配电网，并且无需安装
零序电流互感器的配电网接地故障定位方法。
[0008]
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于暂态方向的有源配电网接地故障定位方法，包括以下步骤：
[0009]
步骤s1，在有源配电网每条馈线的各监测点安装接地故障监控装置，在配网主站安装接地故障定位模块，所述各监测点接地故障监控装置与所述配网主站接地故障定位模块建立通讯连接。
[0010]
步骤s2，对线路上的相电压和相电流进行同步采样，采用以下两种方式之一进行步骤s2中所述相电压和相电流的同步采样：
[0011]
方式一：在dtu或ftu产品上集成组合式电压和电流互感器，通过内部adc芯片同步采样获取三相电压和电流信号；
[0012]
方式二：在馈线的a、b、c三相分别安装传感器，每相传感器通过内部adc完成三相电压和电流信号同步采样。
[0013]
对三相电压、电流进行离散采样的采样频率为256点每周波；采样数据进行录波存储的存储周期为12个周波。
[0014]
对电压和电流进行录波，对波形进行滤波处理：
[0015]
采用巴特沃斯带通滤波器，滤波器阶数为8阶，下限截止频率为628rad/s，上限截止频率为20000rad/s。
[0016]
实时提取三相暂态特征信号：以时间ts为周期持续计算每相暂态相电压u
x
：
[0017][0018]
其中，u为a、b、c任一相的电压幅值，ω为电压角频率，为电压初始相位角。
[0019]
步骤s3，根据提取的三相暂态特征信号判定是否有暂态电压和暂态电流信号产生，具体判断步骤为若某相暂态相电压u
x
大于设定阈值，则判定有暂态电压和暂态电流信号产生。
[0020]
若有暂态电压和暂态电流信号产生，则计算本监测点的暂态方向值q，计算步骤如下：
[0021]
步骤s31,记录暂态电流与电压信号首半波的开始时刻t0、，暂态电压首半波持续时间t，暂态电流首半波持续时间t1，计算t1时间段内的a、b、c三相暂态电流波形面积的积分值s
ia
、s
ib
、s
ic
：
[0022][0023][0024][0025]
步骤s32，选择s
ia
、s
ib
、s
ic
中的绝对值最大的暂态电流波形面积积分值记为s
imax
；
[0026]
步骤s33，计算t时间段内的a、b、c三相暂态电压波形面积的积分值s
ua
、s
ub
、s
uc
：
[0027][0028]
[0029][0030]
步骤s34，选取s
imax
所对应相的暂态电压波形面积的积分值su进行差值计算：
[0031]suimax
＝|s
u-s
imax
|；
[0032]
步骤s35，计算监测点暂态方向值：q＝|s
uimax
|-|su|；
[0033]
步骤s31、s33中，ia、ib、ic分别为a、b、c相电流幅值，ua、ub、uc分别为a、b、c相电压幅值，ω为电流或电压角频率，为电流或电压初始相位角。
[0034]
步骤s4，根据本监测点的暂态方向值判定本监测点是否有接地故障产生，具体步骤为：
[0035]
当所述本监测点的暂态方向值q》0时，故障电流从线路流向母线，判为界内故障，即接地故障信号流过本接地故障监控装置；
[0036]
当所述本监测点的暂态方向值q《0时，故障电流从母线流向线路，判为界外故障，即接地故障信号没有流过本接地故障监控装置。
[0037]
然后将接地故障判断结果上传到所述配网主站接地故障定位模块。
[0038]
步骤s5，配网主站接地故障定位模块根据收到的各监测点接地故障监控装置上传结果进行接地故障区段定位，具体步骤为：
[0039]
步骤s51，进行接地故障选线判定：若馈线有一台或一台以上接地故障监控装置上报的监测点暂态方向值q》0，则该馈线发生接地故障；若馈线所有接地故障监控装置上报的监测点暂态方向值q《0，则该馈线无接地故障发生；
[0040]
步骤s52，进行接地故障区段定位：在发生接地故障的馈线，若相邻两台接地故障监控装置中，一台接地故障监控装置上报的监测点暂态方向值q》0，而另一台接地故障监控装置上报的监测点暂态方向值q《0，则接地故障发生在这两台接地故障监控装置之间；
[0041]
步骤s53，进行接地故障相位判定：上报监测点暂态方向值q》0的接地故障监控装置，其暂态电流波形面积积分值绝对值最大的相即为接地相。
[0042]
根据故障定位结果，对接地故障进行隔离：
[0043]
步骤s54，所述配网主站根据接地故障区段定位结果，对发生接地故障的点的相邻两个接地故障监控装置发出跳闸指令，将接地故障进行隔离，并通知运行人员对接地故障进行检修；
[0044]
步骤s52，所述配网主站根据分布式电源运行策略，保持分布式电源对非故障区域供电。
[0045]
本发明的有益效果在于：
[0046]
本技术所公开的一种基于暂态方向的有源配电网接地故障定位方法，适用于分布式电源接入的配电网小电流接地系统接地故障判断，不仅能正确识别故障线路，还能准确进行故障区段的定位。
[0047]
本技术所公开的一种基于暂态方向的有源配电网接地故障定位方法，仍然适应于无源配电接地故障选线与定位，而且在分布式电源投入或者退出时，不需要对接地故障定位方法进行调整，即有源和无源接地故障判断自适应调整。
[0048]
本技术所公开的一种基于暂态方向的有源配电网接地故障定位方法，仅根据相电压和相电流进行计算，在各监测点无需零序电压和零序电流参与计算，因此可以不安装零
序电压互感器，成本低，现场实施简便，适应于批量应用。
[0049]
本技术所公开的一种基于暂态方向的有源配电网接地故障定位方法，就地故障判断算法，不依赖于主站的分析，降低了主站的通信与处理要求，主站与设备厂家之间的责任界限清晰，有利于提高系统运行与维护管理效率，进而提高方案运行的可靠性。
附图说明
[0050]
图1是本发明实施例有源配电网设备线路示意图。
[0051]
图2是本发明实施例流程图。
[0052]
图3是本发明实施例有源配电网接地故障定位仿真结果。
[0053]
图4是本发明实施例无源配电网接地故障定位仿真结果。
[0054]
图5是本发明实施例有源配电网接地故障定位与隔离流程图。
具体实施例
[0055]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
[0056]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0057]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0058]
如图1所示，由电网电源1和分布式电源2组成有源10kv配电网，配电网有两条馈线，分别为馈线1、馈线2，每条馈线接0.4kv负载。在每条馈线上安装接地故障监控装置(简称监控装置)，在馈线1安装f11、f12、f13、f14监控装置，在馈线2安装f21、f22、f23、f24安装监控装置，每台监控装置配套有断路器，可对短路与接地故障进行投切。布置配电自动化主站(简称主站)，在主站安装接地故障定位模块(图中未标示出)，各监测点接地故障监控装置与配网主站接地故障定位模块建立通讯连接(图中虚线表示)，用于各监控装置向主站上传接地故障信号以及主站向各监控装置发送合分闸指令，通讯连接可以是有线或无线通讯连接。图1中，f21、f22之间存在接地故障(即图中f21、f22之间线路的闪电符号)。
[0059]
如图2、图3所示，对图1所示的有源10kv配电网的进行接地故障定位方法具体步骤如下：
[0060]
步骤s201，在有源配电网每条馈线的各监测点安装接地故障监控装置，在配网主站安装接地故障定位模块，各监控装置与主站接地故障定位模块建立通讯连接。
[0061]
步骤s202，采用以下两种方式之一对线路上的相电压和相电流进行同步采样：
[0062]
方式一：在dtu或ftu产品上集成组合式电压和电流互感器，通过内部adc芯片同步采样获取三相电压和电流信号；
[0063]
方式二：在馈线的a、b、c三相分别安装传感器，每相传感器通过内部adc完成三相电压和电流信号同步采样。
[0064]
三相电压、电流进行离散采样的采样频率为256点每周波；采样数据进行录波存储的存储周期为12个周波。对电压和电流进行录波，采用巴特沃斯带通滤波器，滤波器阶数为8阶，下限截止频率为628rad/s，上限截止频率为20000rad/s，对信号进行滤波处理。
[0065]
以时间ts＝10ms为周期持续计算每相暂态相电压u
x
：
[0066][0067]
其中，u为a、b、c任一相的电压幅值，ω为电压角频率，为电压初始相位角。
[0068]
步骤s203，根据提取的三相暂态特征信号判定是否有暂态电压和暂态电流信号产生：若某相暂态相电压u
x
大于30v，则判定有暂态电压和暂态电流信号产生，此时计算本监测点的暂态方向值q，计算步骤如下：
[0069]
记录暂态电流与电压信号首半波的开始时时刻t0，暂态电压首半波持续时间t，暂态电流首半持续时间t1，计算t1时间段内的a、b、c三相暂态电流波形面积的积分值s
ia
、s
ib
、s
ic
：
[0070][0071][0072][0073]
选择s
ia
、s
ib
、s
ic
中的绝对值最大的暂态电流波形面积积分值记为s
imax
；
[0074]
计算t时间段内的a、b、c三相暂态电压波形面积的积分值s
ua
、s
ub
、s
uc
：
[0075][0076][0077][0078]
选取s
imax
所对应相的暂态电压波形面积的积分值su进行差值计算：
[0079]suimax
＝|s
u-s
imax
|；
[0080]
计算监测点暂态方向值：q＝|s
uimax
|-|su|；
[0081]
其中，ia、ib、ic分别为a、b、c相电流幅值，ua、ub、uc分别为a、b、c相电压幅值，ω为电流或电压角频率，为电流或电压初始相位角。
[0082]
图3为有源配电网接地故障定位仿真图。根据图1有源配电网建立仿真模型，仿真模型参数为电网电源1中性点采用不接地方式或消弧线圈方式，馈线1总长为20km，馈线2总长为13km，分布式电源接入馈线2。仿真图从上到下分别为暂态电压波形，f21暂态电流波形，f22暂态电流波形，f11暂态电流波形。由仿真波形可以看出：f21三相暂态电流波形中的a相最大，且方向与暂态电压波形相反；f22三相暂态电流波形中的a相最大，且方向与暂态电压波形相同；f11的三相暂态电流波形基本相同，但方向与暂态电压波形相同。
[0083]
本实施例中，接地故障发生在监控装置f21和f22之间，接地相为a相。根据以上公式计算f21监控装置暂态电流波形面积的积分值分别为：s
ia21
＝55，s
ib21
＝26，s
ic21
＝24，s
imax
为s
ia21
＝55，暂态电压波形面积的积分值分别为：s
ua
＝-65，s
ub
＝-66，s
uc
＝-64。计算f21装置暂态电压与电流波形面积积分差值如下：
[0084]suia
＝|-65-55|＝120，
[0085]q21
＝|120|-|-65|＝55，
[0086]q21
》0。
[0087]
f22监控装置暂态电流波形面积的积分值分别为：s
ia22
＝-65，s
ib22
＝28，s
ic22
＝28，s
imax
为s
ia22
＝-65，暂态电压波形面积的积分值分别为：s
ua
＝-64，s
ub
＝-65，s
uc
＝-64。计算f22装置暂态电压与电流波形面积积分差值如下：
[0088]suimax22
＝|-64-(-65)|＝1，
[0089]q22
＝|1|-|-64|＝-63，
[0090]q22
《0。
[0091]
f11监控装置暂态电流波形面积的积分值分别为：s
ia11
＝-25，s
ib11
＝-25，s
ic11
＝-24，s
imax
为s
ia11
＝-25，暂态电压波形面积的积分值分别为：s
ua
＝-64，s
ub
＝-65，s
uc
＝-64。计算f11装置暂态电压与电流波形面积积分差值如下：
[0092]suimax11
＝|-25-(-65)|＝40，
[0093]q11
＝|40|-|-64|＝-24，
[0094]q11
《0。
[0095]
以上计算过程中的各暂态波形面积的积分值为通过adc原始值滤波后的计算值并做量纲统一处理，以方便分析。积分值同线路参数与采样设计参数有关，但不影响结果的判断。
[0096]
步骤s204，根据本监测点的暂态方向值判定本监测点是否有接地故障产生，本实施例中：
[0097]
f21监控装置a相q
21
》0，f21判为界内故障，故障电流从接地点流向母线，即为接地故障信号流过本接地故障监控装置。其他各监控装置均计算a相暂态方向值，q
22
《0、q
23
《0、q
24
《0，f22，f23，f24判为界外故障，故障电流从母线流向线路；q
11
《0、q
12
《0、q
13
《0、q
14
《0，f11，f12，f13，f14判为界外故障，故障电流从母线流向线路。
[0098]
各监控装置将接地故障判断结果上传到主站，由主站接地模块完成接地故障选线、区段定位、以及接地相位识别。
[0099]
步骤s205，主站接地故障定位模块根据收到的各监测点接地故障监控装置上传结果进行接地故障区段定位，对接地故障进行隔离：
[0100]
进行接地故障选线判定：若馈线有一台或一台以上接地故障监控装置上报的监测点暂态方向值q》0，则该馈线发生接地故障；若馈线所有接地故障监控装置上报的监测点暂态方向值q《0，则该馈线无接地故障发生；
[0101]
进行接地故障区段定位：在发生接地故障的馈线，若相邻两台接地故障监控装置中，一台接地故障监控装置上报的监测点暂态方向值q》0，而另一台接地故障监控装置上报的监测点暂态方向值q《0，则接地故障发生在这两台接地故障监控装置之间；
[0102]
进行接地故障相位判定：上报监测点暂态方向值q》0的接地故障监控装置，其暂态电流波形面积积分值绝对值最大的相即为接地相。
[0103]
根据接地故障区段定位结果，对发生接地故障的点的相邻两个接地故障监控装置发出跳闸指令，接地故障进行隔离，并通知运行人员对接地故障进行检修。主站根据分布式电源运行策略，保持分布式电源对非故障区域供电。
[0104]
本实施例中定位结果为：接地故障发生馈线2，馈线1无接地故障产生，接地位置发生在f21和f22之间，暂态特征电流最大的a相即为接地相。主站接地模块对f21和f22发出跳闸指令，将接地故障进行隔离，并通知运行人员对接地故障进行检修。同时根据分布式电源运行策略，即允许孤岛运行，且发电功率满足负荷要求，则可以保持分布式电源对馈线2的非故障区域供电。
[0105]
本发明实施例可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。
[0106]
实施例对本方案进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。