專利名稱：一種基于暫態(tài)量信號(hào)的配電網(wǎng)單相接地故障選線方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)配電網(wǎng)故障檢測(cè)領(lǐng)域，涉及一種配電網(wǎng)單相接 地故障選線方法，尤其是一種基于暫態(tài)量信號(hào)的配電網(wǎng)單相接地故障選 線方法。
背景技術(shù)：
我國(guó)66kV及以下電壓等級(jí)電網(wǎng)大都采用中性點(diǎn)非直接接地方式， 該方式下電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流小，盡管規(guī)程允許繼續(xù)運(yùn) 行1 2小時(shí)，但是故障后非接地相的電壓變成線電壓，對(duì)系統(tǒng)絕緣帶來(lái) 隱患和威脅，需要盡快切除故障線路，以避免發(fā)生兩點(diǎn)接地進(jìn)而造成短 路事故。目前國(guó)內(nèi)的小電流接地選線裝置主要采用基于穩(wěn)態(tài)工頻信號(hào)的 選線理論和信號(hào)注入式的方法。前者是通過(guò)零序電壓?jiǎn)?dòng)選線程序，通 過(guò)比較各線路零序電流來(lái)選出故障線路；后者是通過(guò)接地相PT原邊被 短接，禾擁PT二次側(cè)，人為向系統(tǒng)注入一個(gè)特定頻率的信號(hào)電流，跟 蹤該信號(hào)電流的通路來(lái)實(shí)現(xiàn)接地故障選線，但由于注入信號(hào)強(qiáng)度受PT 容量影響，且在接地電阻較大或接地點(diǎn)存在間隙性電弧現(xiàn)象時(shí)，檢測(cè)效 果不佳，另外由于需要在線路上加裝信號(hào)發(fā)生和接受裝置，加大了選線 成本，不利于推廣。
雖然基于穩(wěn)態(tài)工頻信號(hào)的選線原理和方法有很多種，但從權(quán)威部門 統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，在實(shí)際運(yùn)行中選線裝置總體選線準(zhǔn)確率不到70%，有些 甚至只有20~30%，誤選、拒選的概率很大，其選線準(zhǔn)確率不高的主要原因是基于穩(wěn)態(tài)工頻信號(hào)的選線理論存在以下無(wú)法解決的瓶頸
(1) 如何消除消弧線圈的補(bǔ)償作用對(duì)選線精度的影響；
(2) 如何消除過(guò)渡電阻的影響；
(3) 如何準(zhǔn)確識(shí)別電弧間歇性對(duì)地放電故障；
(4) 互感器精度問(wèn)題以及其它一些干擾因素。 以上因素都會(huì)影響接地故障信號(hào)中的穩(wěn)態(tài)成分，導(dǎo)致故障線路與非
故障線路之間電氣量特征的差別變小，影響選線效果，因此如何消除這 些不利因素的影響是小電流選線技術(shù)中亟待解決的難題。
近年來(lái)，基于暫態(tài)信號(hào)的小電流接地選線方法，因?yàn)榫哂辛己玫墓?障識(shí)別能力，逐步得到應(yīng)用和推廣。
暫態(tài)信號(hào)選線具有如下優(yōu)勢(shì)
1) 單相接地故障發(fā)生瞬間，故障電流中含有豐富的暫態(tài)高頻分量， 是穩(wěn)態(tài)下的十幾倍到幾十倍，利用這一有利特征可以明確地區(qū)分出故障 線路和健全線路；
2) 暫態(tài)分量同樣滿足故障線路幅值最大，故障線路暫態(tài)分量的相 位與其它健全線路反向；
3) 消弧線圈對(duì)于暫態(tài)高頻分量的補(bǔ)償作用很小，其影響可以忽略， 不會(huì)對(duì)正確選線帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中選線準(zhǔn)確率不高的缺點(diǎn)，提供一 種基于暫態(tài)量信號(hào)的配電網(wǎng)單相接地故障選線方法，該方法是在輸電線 路發(fā)生單相接地故障時(shí)，基于故障線路的零序電流信號(hào)中所含豐富的高頻暫態(tài)分量，通過(guò)對(duì)所有被保護(hù)線路故障后零序電流中高頻暫態(tài)信號(hào)的 提取，自適應(yīng)地確定出特征頻帶，在此頻帶下比較各條線路的暫態(tài)零序 電流特征，進(jìn)一步計(jì)算準(zhǔn)確地給出故障選線信息。 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)解決的
這種基于暫態(tài)量信號(hào)的配電網(wǎng)單相接地故障選線方法，具體包括如 下步驟
1) 確定故障初始時(shí)刻；
采用零序電壓幅值和零序電壓突變量啟動(dòng)確定故障初始時(shí)刻 后，進(jìn)行特征頻帶的自適應(yīng)選取；
2) 特征頻帶的自適應(yīng)選?。?br> 所述特征頻帶是指健全線路暫態(tài)零序電流相位一致的首段容性 頻帶內(nèi)的一部分頻帶，所述的健全線路是指沒(méi)有發(fā)生故障的線路；特 征頻帶是這樣選取的設(shè)/。為特征頻帶的下限截止頻率，對(duì)中性點(diǎn)不 接地系統(tǒng)，/。=0Hz，對(duì)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，/Q=150Hz;設(shè),為上限
截止頻率，即所有健全線路自身串聯(lián)諧振頻率的最小值；y;的確定方
法如下
設(shè)各線路的零序電流為^，設(shè)各線路零序電流"的頻譜為/。p其 中k為線路編號(hào)，取值范圍為l~m， m為出線數(shù)，求取頻譜/。p在
每個(gè)頻點(diǎn)下求A/。^4-|;/。h/2， /lk為各線路首次出現(xiàn)A/。t < 0所對(duì)
應(yīng)的頻率，取/ik中的最大值得/^max[4);以上所得[/。，/J即為特 征頻帶；
3) 計(jì)算并比較特征頻帶內(nèi)暫態(tài)零序電流分量幅值；設(shè)/。w為線路k在特征頻帶[/。,/;]內(nèi)的所有頻點(diǎn)下幅值的加和，從 故障初始時(shí)刻開(kāi)始，分別對(duì)每條線路一個(gè)工頻周波內(nèi)的零序電流做快速 傅里葉變換后，將各頻率點(diǎn)下的幅值相加，得到其幅值之和
A)W=f Au(/);比較所有/,數(shù)值大小，選出其中最大的/自_，它所
對(duì)應(yīng)的線路即為故障線路。
本發(fā)明能夠自適應(yīng)的確定特征頻帶，并利用特征頻帶內(nèi)暫態(tài)零序電 流的特征量進(jìn)行故障選線，經(jīng)過(guò)大量的仿真及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)試驗(yàn)，選線成功 率達(dá)99%以上，遠(yuǎn)高于目前現(xiàn)有技術(shù)中的選線方法。本發(fā)明可方便地應(yīng) 用于中性點(diǎn)不接地、非直接接地的變電站，并且自動(dòng)適應(yīng)接地方式的變 化，無(wú)需整定。


圖1是一具有4條出線的簡(jiǎn)單中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障 時(shí)，各線路零序阻抗的相頻特性； 圖2是一個(gè)仿真配電網(wǎng)模型；
其中，Ri、 Lw分別模擬消弧線圈的電阻和電感；六條出線參數(shù)均 為正序阻抗Z尸0.17+j0.38Q/km，正序?qū)Ъ{Y產(chǎn)j3.045 P S/km，零序阻抗 Z0=0.23+jl.72 Q/km，零序?qū)Ъ{Yq=j 1.884 u S/km;三角型連接負(fù)荷 Z尸權(quán)+j20Q;
圖3是系統(tǒng)線路Ll首端A相接地故障(初始角^=90°、過(guò)渡電阻 Rp50Q、系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行在經(jīng)消弧線圈接地方式)時(shí)，各線路電流頻譜 4與I^。h/2的差A(yù)^。
具體實(shí)施方式
如下
(1) FPGA(Field—Programmable Gate Array:現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)作為 整個(gè)采集系統(tǒng)中采樣控制及數(shù)據(jù)暫存的核心單元，對(duì)ADC(Analog to Digital Converter:模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器)實(shí)施控制，并暫時(shí)保存ADC通過(guò)二階 硬件帶通濾波(50 2MHz)后所采進(jìn)的零序電流、電壓數(shù)字信號(hào)，從而實(shí) 現(xiàn)對(duì)所監(jiān)控的配電網(wǎng)系統(tǒng)的快速高精度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。最后由 MPU(Micro Processor Unit:微處理器單元)讀取FPGA的暫存數(shù)據(jù)并保存 當(dāng)前時(shí)刻前四個(gè)周波的數(shù)據(jù)。同時(shí)對(duì)于零序電壓信號(hào)，每采進(jìn)來(lái)一個(gè)數(shù) 據(jù)點(diǎn)，就要將其與此前已采進(jìn)的511個(gè)點(diǎn)，通過(guò)全周傅氏算法計(jì)算出零 序電壓信號(hào)基頻有效值。
(2) 當(dāng)配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，采用零序電壓突變量啟動(dòng) 和零序電壓幅值綜合啟動(dòng)判據(jù)，確定故障初始時(shí)刻后，進(jìn)入步驟(3)。綜 合啟動(dòng)判據(jù)具體為當(dāng)零序電壓基頻有效值大于30V時(shí)，保存所檢測(cè)到 的初始啟動(dòng)點(diǎn)所在的那一周波及其之前三個(gè)周波的零序電壓數(shù)據(jù)，再用 突變量判據(jù)A"("):^^+^^，來(lái)重新確定故障點(diǎn)位置，為的是更加快
速、準(zhǔn)確地找到故障起始時(shí)刻點(diǎn)。其中n為采樣點(diǎn)編號(hào)；W為一工頻 周波采樣點(diǎn)數(shù)，W = 512(即裝置的采樣率/s = 25.6kHz);
2iV)] ; 為浮動(dòng)門檻，
C//rf=t/("-2t/("-2A0 + C/("-37V); ^為可靠系數(shù)，^=1.25; ^為可 靠系數(shù)，^=0.06; ^^表示電壓幅值，t/e,100V。滿足Aw(")〉A(chǔ)[/^+^^ 的點(diǎn)n，為故障發(fā)生點(diǎn)。
(3) 確定故障初始點(diǎn)后，設(shè)各線路的零序電流為"，提取故障后所有出線(m條)的故障后一周波內(nèi)的零序電流/。 ，11=1，2......iV。
(4) 分別求出各條出線的零序電流/。k(w)的有效值/。嚴(yán)JJ^^，并
V =i
將所有/。4取平均/。_ 。若線路/中有4〈/,。"確定其為健全線路，排除 一定健全的線路后剩余線路數(shù)w'條。
(5) 對(duì)于剩余的附'條線路進(jìn)行下一步判斷分別對(duì)^(")， n=l,2......附'，利用快速傅里葉變換(FFT)得到剩余每條線路的頻譜。
(6) 判別是否為母線故障。
找出所有線路的/。J/)中幅值最大的那個(gè)頻率點(diǎn)/_ ，對(duì)這一頻率點(diǎn) 上的線路零序電流諧波的角度進(jìn)行兩兩比較，若其差值的絕對(duì)值有一個(gè) 大于90° ，則判為線路故障，進(jìn)入步驟(7);反之，則認(rèn)為是母線或是不 在監(jiān)控范圍內(nèi)的其他線路故障。
(7) 判別強(qiáng)、弱故障。
對(duì)不接地系統(tǒng)和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)強(qiáng)故障以及在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線 圈接地系統(tǒng)中發(fā)生強(qiáng)故障(在故障初相角大于10度、過(guò)渡電阻小于500 歐姆時(shí)，線路暫態(tài)電流能量主要集中在高頻帶)時(shí)，采用自適應(yīng)捕捉特 征頻帶的暫態(tài)零序電流幅值比較式選線算法。在經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)弱 故障時(shí)，采用零序電流有功分量選線；根據(jù)每條線路中低頻分量 (0-150Hz)能量所占全電流能量的比例K來(lái)判斷。如果m'條線路中有 兩條或兩條以上線路的K大于0.5則認(rèn)為發(fā)生強(qiáng)故障，否則為弱故障。 K的計(jì)算，是通過(guò)步驟(5)已算得各個(gè)頻點(diǎn)下的幅值，用低頻帶所有幅值 和除以全頻帶的幅值總和計(jì)算得來(lái)的。(8) 若為強(qiáng)故障，則求取特征頻帶[/。，y;]。 所述特征頻帶是指健全線路暫態(tài)零序電流相位一致的首段容性頻帶
內(nèi)的一部分頻帶(如圖i所示)，所述的健全線路是指沒(méi)有發(fā)生故障的線 路；設(shè)/。為特征頻帶的下限截止頻率，設(shè)/為上限截止頻率，即所有健
全線路自身串聯(lián)諧振頻率的最小值；對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中/。=0Hz; 在消弧線圈接地系統(tǒng)中/。二150Hz。
(9) 確定上限截止頻率,。設(shè)各線路的零序電流為"，設(shè)各線路零序 電流^的頻譜為/。,，其中k為線路編號(hào)，取值范圍為1 m， m為出線數(shù)，
用快速傅立葉變換求取W的頻譜^ ，在每個(gè)頻點(diǎn)下求A/M =/。4-t/。h/2，
/1k為各線路首次出現(xiàn)A;〈0所對(duì)應(yīng)的頻率，取/Jk中的最大值得 以上所得[/。，,]即為特征頻帶；
(10) 設(shè)/,為線路k在特征頻帶[/。，/;]內(nèi)的所有頻點(diǎn)下幅值的加
和，從故障發(fā)生時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始，在特征頻帶[/。，乂]內(nèi)，分別對(duì)每條線路一 個(gè)工頻周波內(nèi)的零序電流做快速傅里葉變換后，將各頻率點(diǎn)下的幅值相
加，得到其幅值之和^=1^00，比較所有/。^數(shù)值大小，選出其中最
大的/。w皿，它所對(duì)應(yīng)的線路即為故障線路。
(11) 若為弱故障，則求零序電流低頻有功分量值(這里取150Hz以
下)，把各頻點(diǎn)零序電流有功分量疊加，具有電流頻譜最大值的線路被確 定為故障線路。
(12) 上報(bào)選線結(jié)果，若此時(shí)^仍高于門檻，則報(bào)故障仍在持續(xù)中； 若f/。己經(jīng)低于門檻，則報(bào)出低于門檻值的時(shí)刻，認(rèn)為故障在此時(shí)已經(jīng)消失。
方案的效果評(píng)價(jià)
本發(fā)明具有良好的擴(kuò)展性和適應(yīng)性，不同規(guī)模的系統(tǒng)或系統(tǒng)規(guī)模發(fā) 生變化，本發(fā)明均可以滿足要求?，F(xiàn)以一個(gè)模型為例說(shuō)明
如圖2所示，經(jīng)計(jì)算得線路L, U零序電流i。(n)有效值i。M為2.22、 0.29、 0.55、 0.94、 1.15、 1.37。其平均值i。Mmean=1.09， i。M >i。M.mea 的線路 有3條L,、 L5、 L6。將這三條線路列入表中進(jìn)行下一步的判斷，i。M<i。Mmean 的線路(乙、L3、 U)判斷為健全線路。
在經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，需要判斷是不是弱故障圖2中所表示 出的線路L,、 L5、 L6的電流在0 150Hz內(nèi)的暫態(tài)分量為i。m，并求得i。fi, 的有效值i。M2ffl為0.61、 0.35、 0.24，如表3-l中第3行所示，第4行給出 低頻零序電流所占比例K，從中可以看出K都小于^0.5，即電流主要 集中在高頻，因此可以判斷為強(qiáng)故障。采用自適應(yīng)捕捉特征頻帶的暫態(tài) 零序電流幅值比較選線方法。
圖3為圖2系統(tǒng)線路L,首端A相接地故障(初始角^=90°、過(guò)渡電 阻R尸50Q、系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行在經(jīng)消弧線圈接地方式)時(shí)，記各線路電流 頻譜；與IX/2差值A(chǔ)^的曲線圖。A/w首次小于0的頻率值為1800Hz，
但不滿足連續(xù)性，繼續(xù)判斷，確定y;-2250Hz。而A/。5、 A/。e首次小于0 的值都為/。，因此確定的特征頻帶上限截止頻率/二2250Hz。
以下給出了該次故障選線計(jì)算過(guò)程中間值 表3-l
1 線路 L, L6 L2有效值i0M2.221.371.15
3低頻值i。M2.fil0.610.350.24
40.080.060.04
力(I)陶2250150150
6特征頻帶內(nèi)暫態(tài)電流分量1.760.980.43
線路L,、 L6、 L5在特征頻帶[150,2250]內(nèi)暫態(tài)電流分量i。^,據(jù)此， 可計(jì)算出暫態(tài)電流分量的有效值為1.76、 0.98、 0.43。因此可判斷L,為 故障線路。
當(dāng)系統(tǒng)在線路L,首端A相接地時(shí)(初始角^=45°、過(guò)渡電阻 R產(chǎn)1000Q、系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行在經(jīng)消弧線圈接地方式)。 以下給出該次故障的基本選線過(guò)程
表3國(guó)2
1線路L5
2有效值i0M0.520.280.23
3低頻值i。.0.490.180.13
4K=ioM2.fi/ioM0.940,650.58
5特征頻帶內(nèi)暫態(tài)電流分量0.550.100.09
去除健全線路后，剩下的為L(zhǎng),、 L5、 L6，工頻電流所占比例都大于 X=0.5，因此工頻量電流所占比例較大，發(fā)生的為弱故障，采用有功低頻 零序電流幅值比較的選線方法。采用富氏濾波求150Hz以下各頻率點(diǎn)零 序電流頻譜，將其疊加后列表3-2第5行，這3個(gè)數(shù)據(jù)表明L,的頻譜最 大，線路L,為故障線路。本發(fā)明是利用單相接地故障發(fā)生瞬間，故障電流中含有豐富的暫態(tài) 高頻分量的特征明確地區(qū)分出故障線路和健全線路；該方法能夠自適應(yīng) 的確定特征頻帶，并利用特征頻帶內(nèi)暫態(tài)零序電流的特征量進(jìn)行故障選 線，經(jīng)過(guò)大量的仿真及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)試驗(yàn)，選線成功率達(dá)99%以上，遠(yuǎn)高于 目前現(xiàn)有技術(shù)中的選線方法。本發(fā)明可方便地應(yīng)用于中性點(diǎn)不接地、非 直接接地的變電站，并且自動(dòng)適應(yīng)接地方式的變化，無(wú)需整定。
權(quán)利要求
1. 一種基于暫態(tài)量信號(hào)的配電網(wǎng)單相接地故障選線方法，其特征在于，如下步驟1)確定故障初始時(shí)刻采用零序電壓幅值和零序電壓突變量啟動(dòng)確定故障初始時(shí)刻后，進(jìn)行特征頻帶的自適應(yīng)選??；2)特征頻帶的自適應(yīng)選取所述特征頻帶是指健全線路暫態(tài)零序電流相位一致的首段容性頻帶內(nèi)的一部分頻帶，所述的健全線路是指沒(méi)有發(fā)生故障的線路；特征頻帶是這樣選取的設(shè)f0為特征頻帶的下限截止頻率，對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，f0＝0Hz，對(duì)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，f0＝150Hz；設(shè)f1為上限截止頻率，即所有健全線路自身串聯(lián)諧振頻率的最小值；f1的確定方法如下設(shè)各線路的零序電流為i0k，設(shè)各線路零序電流i0k的頻譜為I0k，其中k為線路編號(hào)，取值范圍為1～m，m為出線數(shù)，求取頻譜I0k，在每個(gè)頻點(diǎn)下求f1k為各線路首次出現(xiàn)ΔI0k<0所對(duì)應(yīng)的頻率，取f1k中的最大值得f1＝max{f1k}；以上所得[f0，f1]即為特征頻帶；3)計(jì)算并比較特征頻帶內(nèi)暫態(tài)零序電流分量幅值設(shè)I0kA為線路k在特征頻帶[f0，f1]內(nèi)的所有頻點(diǎn)下幅值的加和，從故障初始時(shí)刻開(kāi)始，分別對(duì)每條線路一個(gè)工頻周波內(nèi)的零序電流做快速傅里葉變換后，將各頻率點(diǎn)下的幅值相加，得到其幅值之和比較所有I0kA數(shù)值大小，選出其中最大的I0kAmax，它所對(duì)應(yīng)的線路即為故障線路。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于暫態(tài)量信號(hào)的配電網(wǎng)單相接地故障選線方法。主要包括確定故障初始時(shí)刻；特征頻帶的自適應(yīng)選?。挥?jì)算并比較特征頻帶內(nèi)暫態(tài)零序電流分量幅值；本發(fā)明是利用單相接地故障發(fā)生瞬間，故障電流中含有豐富的暫態(tài)高頻分量的特征明確地區(qū)分出故障線路和健全線路；該方法能夠自適應(yīng)的確定特征頻帶，并利用特征頻帶內(nèi)暫態(tài)零序電流的特征量進(jìn)行故障選線，經(jīng)過(guò)大量的仿真及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)試驗(yàn)，選線成功率達(dá)99％以上，遠(yuǎn)高于目前現(xiàn)有技術(shù)中的選線方法。本發(fā)明的選線方法可應(yīng)用于中性點(diǎn)不接地和非直接接地的變電站的故障選線中。
文檔編號(hào)H02H7/26GK101478149SQ20091002092
公開(kāi)日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月16日
發(fā)明者張保會(huì), 徐靖東, 閻海山 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)