基於有源激勵微分狀態原理的小電流接地保護方法與裝置的製作方法
2023-05-14 03:04:21
專利名稱：基於有源激勵微分狀態原理的小電流接地保護方法與裝置的製作方法
基於有源激勵微分狀態原理的小電流接地保護方法與裝置
發明所屬領域
本發明屬於電力傳輸自動化領域，適用於中性點諧振接地方式運行的配電網絡。 既可用於變電站出線單一節點多分支式拓撲結構網，也可用於樹枝型、鏈型或環型網，是一種集單相接地故障消弧、故障區段定位與自動保護功能為一體的新方法。
技術背景及其文件
目前世界各國的配電網大都採用中性點不直接接地方式(NUGQ。因其發生單相接地故障時，流過接地點的電流小，所以稱其為小電流接地系統。可分為中性點不接地系統 (NUS)、中性點經電阻接地系統(NRS)和中性點經消弧線圈接地系統(NES)。故障時由於三個線電壓仍然對稱，特別是中性點經消弧線圈接地系統，流過接地點的電流很小，不影響對負荷連續供電，《電力系統安全規程》規定仍可繼續運行0. 5 2小時。但小電流接地系統在單相接地時，非故障相電壓會升為線電壓，長時間帶故障運行極易產生弧光接地，引起系統過電壓並形成其它相接地故障，從而影響系統的安全。因此，需要一種接地後能選擇故障線路，判斷故障分區的裝置實現故障檢測與保護。
國內外針對這一課題進行了近20年的研究開發，提出過相當數量的解決方案，歸納起來，從選取故障識別信號角度可分為利用配電網傳輸電能的某些成分作為識別信號的 「基波、諧波」方案與向配電網注入特定信號作為識別信號的「注入法」兩類方案。前者主要包括「功率方向法」(美國專利6573726)、「暫態法」(中國專利CN101478149A)、「電流方向法」(日本專利P2009-38912A)、「導納法」(歐洲專利EP1195872A)、「能量法」(《浙江大學學報》自然科學版，1998，7:451 457)等等。後者主要包括「直流注入法」(中國專利 CN101303387A)、「S注入法」(中國專利CN10261304A)、「注入變頻信號法」(《中國電機工程學報》，2000，1 29 32. 36)等等。
小電流系統單相接地故障時出現的接地電流是由零序電壓施加在線路對地分布電容上形成的。接地電流無法直接測量，只能測量線路上各節點的零序電流與零序電壓，分析出接地點位置。零序電壓與零序電流是配電網各區段導線對地分布電容、對地絕緣電阻、 導線串聯電阻、串聯電感、接地點電阻、大地電阻、消弧線圈電感及其Q值、變壓器阻抗等諸多電網分布參量的函數，因此零序電流與零序電壓受上述各種參量的影響，會出現測不準現象。其主要影響表現在
1.消弧線圈補償狀態由於在欠補償狀態下單相接地故障可能引起電網局部諧振，國家電網公司《10kV 66kV消弧線圈裝置運行規範》明確規定消弧線圈運行於過補償狀態，從而使各種「方向法」失效；消弧線圈的存在也會使「直流注入法」失效。
2.接地電阻接地電阻的存在使零序電流減小，降低了其對各種幹擾的信噪比， 明顯降低識別接地故障的解析度，尤其會使各種「交流注入法」失效。
3.線路分布電阻、分布電容的損耗電阻、大地電阻這些電阻以分布方式寄生在配電線路上，會影響零序電壓、零序電流的相位角，從而影響各種靠「相位角」進行識別的方法。
4.三相分布電容不對稱不對稱的分布電容會造成附加的零序電壓、零序電流，會影響各種靠「電抗性分量」進行識別的方法。
5.隨機幹擾配電網由操作、放電、電場與電磁感應而產生的隨機幹擾會影響各種「瞬態法」的可靠性。
由於電網任意一點出現接地故障都會使整個配電網所有節點都出現零序電流與零序電壓，現有的各種識別算法如「群體比幅比相法」(電力情報，1994，2 15 19)、「最大 Δ (Isinj)法」(中國電力，1995，7 :16 20)、「基於小波變換算法的基波/諧波識別法」(電力自動化設備，1999,6 8 1)等都需實時比較各個節點的信號幅度、相位、頻譜，才有可能估計出故障點位置。這就要求所有檢測節點必須物理位置靠近。所以目前各種小電流接地故障保護方案都僅適用於單一節點多分枝拓撲結構的配電網，如變電站出線位置，相應的設備也都被定義為「小電流接地故障選線裝置」。對於鏈型，樹枝型，環型等複雜網絡，由於檢測節點遍布在配電網上，無法實現實時比較，現有的方法都不能適用，目前還只能採用逐路、逐段拉閘斷電的方法查找故障點，只是斷電檢查的方式有手動或自動的差別。
現有的各種技術幾乎都沒有從原理層面對其抗幹擾性能與可靠性進行論述，實踐中也都沒能擺脫可靠性不足、適用範圍狹窄的困擾。小電流接地保護系統的可靠性與適用性成了長期困擾配電領域的技術難題。
發明的目的
本發明針對現有小電流接地故障保護系統可靠性差的現狀，把消弧功能與小電流接地故障保護相統一，提供一種新的保護原理，可靠的實現接地故障檢測、故障區段定位、 保護方式決策、保護動作實施的一體化解決方案。該方法不受消弧線圈補償狀態的影響，也不受電網拓撲結構的影響；可在較大範圍內承受接地電阻值與不對稱分布電容的影響；具有較強的抗隨機幹擾能力併兼顧最佳的消弧效果。保護過程不需經過二次合閘操作，非故障區段用戶不承受斷電困擾；繼電保護信息可送入電網運行調度信息系統，便於更高層次調度決策。
發明的技術方案
本發明由控制設施與檢測設施兩種基本單元組成
在變電站母線出口位置設置一套 ，在配電網絡每個希望實施分區保護的節點設置 。 與 實時監測零序電壓，零序電壓超過相電壓30%表示出現單相接地故障，否則表示無單相接地故障。在未發生單相接地故障情況下，控制設施定期設置消弧線圈電感量，使消弧線圈自動適應電網拓撲結構的變化。在發生單相接地故障情況下，控制設施控制 的電感量，向電網引入微分激勵； 各檢測設施採用微分激勵測量本區段的微分狀態；控制設施與檢測設施通過通信系統相互交換信息，實現小電流接地故障分段識別與保護。
控制設施設置消弧線圈運行值的方法是在電網某一相與地之間串聯連接一隻開關、一隻電阻與一隻電流互感器；在無故障正常運行狀態下，控制設施定期通過操作該開關把電阻接入相線與地之間，形成幅值低於相電壓30%的零序電壓，並通過電流互感器測量流過該電阻的電流。通過調節消弧線圈電感量，使流過該電阻的電流最小，則此時的消弧線圈電感量即為臨界補償值，然後按運行規程規定的脫諧度計算並設定消弧線圈的運行值， 使消弧線圈的設置值自動適應電網拓撲結構的變化。
在消弧線圈上並聯連接一隻調製電抗器，出現單相接地故障時，控制設施在調製期間分別按 與 控制調製電抗器的電感量，向電網提供有規律的微分激勵；通過控制 使微分激勵對各種隨機幹擾有充足的信噪比。
調製編碼的原則是編碼與基準矢量同步，每個工頻周波對應為1個bit，調製編碼『1』對應於調製電抗器向趨近臨界補償方向改變電感量，調製編碼『0』對應於調製電抗器向遠離臨界補償方向改變電感量，電感量的變化範圍由〈調製度〉表徵。編碼可採用任意二進位組合， 應與 能明顯區分，使調節 與測量 < 微分狀態〉操作互不影響。
控制 的方法是控制設施採用 調節調製電抗器的電感量並測量零序電壓，按編碼『1』時零序電壓減編碼『0』時零序電壓的差除以編碼『1』時零序電壓乘以100%計算調製度；並從零序電壓變動中還原出調製編碼零序電壓幅值變大的周波對應為編碼『1』，零序電壓幅值變小的周波對應為編碼『0』，如不能還原出正確的編碼， 增加電感量變化範圍以提高調製度；如調製度過高時，減小電感量變化範圍以減小調製度， 使微分激勵能對各種幹擾信號有足夠的信噪比。
出現單相接地故障時， 的工作過程是檢測設施以基準矢量作同步信號，測量零序電壓與零序電流，並根據零序電壓的變化還原出調製編碼零序電壓幅值變大的周波對應為編碼『1』，零序電壓幅值變小的周波對應為編碼『0』。如還原出的調製編碼與系統設定的編碼不一致，則認定為電網隨機幹擾，不予響應；如還原出的調製編碼與系統設定的編碼一致，保留測得的零序電壓與零序電流，用以計算本區段的網絡微分狀態。
微分狀態的算法是微分狀態的值等於編碼『1』周期的零序電流減編碼『0』周期的零序電流的差除以編碼『1』周期的零序電壓減編碼『0』周期的零序電壓的差所得的商。 所有計算值都是相對於 的矢量值。
若某檢測節點的微分狀態的實部的值小於設定的門限值，則接地故障存在於該檢測節點用戶側，該節點屬性為接地故障的上遊節點。
若某檢測節點的微分狀態的實部的值不小於設定的門限值，則接地故障存在於該檢測節點電源側，該節點屬性為接地故障的下遊節點。
介於兩個上遊節點之間的區段是故障的上遊區段。
介於相鄰上下遊節點之間的區段即是故障區段。
介於兩個下遊節點之間的區段是非故障區段。
若最末端檢測節點是上遊節點，該節點所轄區段是故障區段。
若最末端檢測節點是下遊節點，該節點所轄區段是非故障區段。
若全部節點都是下遊節點，則接地點位於變電站內，或中性點偏移是由分布電容不對稱造成。
如故障出現在末端區段，檢測設施可立即實施保護操作，並向控制設施報告。如故障出現在鏈型網絡中間區段，檢測設施把節點屬性報告給控制設施，等待控制設施的指令， 實施相應的保護操作。
控制設施在結束調製周期後，通過通信收集電網故障區段的故障屬性與負荷信息，報送調度系統，以決策採取局部隔離、倒換供電方式或是帶電現場維修等保護方式，然後命令檢測設施執行相應操作，以兼顧電網安全與對用戶的供電質量。
發明與現有技術的對比優勢
現有的各種技術幾乎都沒有從原理層面對其抗幹擾性能與可靠性進行論述，實踐中也都沒能擺脫可靠性與適用性不足的困擾。本發明的目的就是要針對其可靠性從工作原理與技術手段上有所突破
1.本發明用網絡微分狀態算法排除了消弧線圈參量，使方本法不受消弧線圈補償狀態的影響。
2.本發明根據檢測節點自身的網絡微分狀態即可確認檢測節點與接地故障點之間的位置關係，識別過程不需要與其它節點進行群體實時比較，因此可適用於任意拓撲結構的網絡。
3.本發明使配電網對地分布電容歸入微分狀態虛部，排除了不對稱電容對識別接地點的影響。
4.本發明能在接地電阻零至數萬歐姆動態範圍內可靠地確定檢測節點與接地故障點之間的位置關係。
5.本發明通過控制調製度使對配電網施加的微分激勵有足夠的信噪比，從而避免了小電流系統故障信息太弱造成繼電保護不可靠的弊端。
6.本發明用數字編碼措施提高了抗拒現場複雜電磁環境瞬態隨機幹擾的能力。
7.本發明把消弧操作與故障區段識別功能融合入一個系統，兼顧兩項功能優勢互補。
對附圖的說明
本專利說明書共有11張附圖，下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。
附
圖1是分支型諧振接地配電網絡單相接地故障電原理圖。
附圖2是鏈型諧振接地配電網絡單相接地故障電原理圖。
附圖3是附圖1，2中接地電流幅值對應消弧線圈電感量曲線圖。
附圖4是附圖1，2中零序電壓對應消弧線圈電感量曲線圖。
附圖5是針對中性點經消弧線圈接地型配電網的實施方案結構框圖。
附圖6是針對中性點經高電阻接地型配電網的實施方案結構框圖。
附圖7是針對中性點不接地型配電網的實施方案結構框圖。
附圖8是本發明中控制設施電原理框圖。
附圖9是控制設施的數據處理程序流程圖。
附圖10是本發明中檢測設施電原理框圖。
附圖11是檢測設施的數據處理程序流程圖。
本專利的基本原理
現行配電網複雜的網絡拓撲結構可分解為兩種基本結構類型分支型結構與鏈型結構。
附圖1是分支型結構單相接地故障的電原理圖。
圖中，，1#是故障區段，CTl是1#區段的零序電流互感器；2#是非故障區段，CT2是 2#區段的零序電流互感器；3#是上遊區段。
附圖2是鏈型結構單相接地故障的電原理圖。
圖中，1#是故障區段，CT3是1#區段的零序電流互感器;2#是非故障區段，CT2是 2#區段的零序電流互感器；3#是上遊區段。
兩圖中
Tr為三相電源
Ea為A相電壓
Eb為B相電壓
Ec為C相電壓
C1為配電網1#區段導線對地分布電容對稱分量
C2為配電網2#區段導線對地分布電容對稱分量
C3為配電網導線對地分布電容不對稱分量
Rc為導線對地迴路損耗等效串聯電阻
L為消弧線圈電感
Rl為消弧線圈損耗等效串聯電阻
R為故障迴路等效接地電阻
ia丨為1#區段A相對地電容電流
ib,為1#區段B相對地電容電流
Ic1^ 1#區段C相對地電容電流^為2#區段A相對地電容電流
化2為2#區段B相對地電容電流
k2為2#區段C相對地電容電流
&為2#區段A相對地不對稱電容電流
^為流過接地電阻R的電流
iL為消弧線圈電流
βη為零序電壓
兩圖中都顯示接地故障發生於1#區段B相，R為接地電阻；導線對地分布電容的不對稱分量C3出現在2#區段C相；導線串聯電阻與各迴路對地分布電容的損耗歸併在串聯等效電阻&中；迴路分布電感的感抗遠小於分布電容的容抗，因此歸併在等效電容Q、 C2, C3中；消弧線圈的損耗與大地電阻歸併在其等效串聯電阻&中；取線電壓tiCA為基準矢量β。，可建立以下矢量方程組(1)
Ea=| E01(-1-3 1/2 i) /2
Eb= 3"1/2|Ε0|
Ec=I E01(1-3 1/2 i)/2
Ia1= (Ea-En)/(1/ iroC, + Rc)
Ib1= (Eb~En)/(l/ iroC, + Rc)
Ic1= (Ec-En)/(1/ iroC, + Rc)(1)
Ia2= (Ea_En)/(l ZiwC2 + Rc)
ib2= (Eb-En)/(1/ iroC2 + Rc)
Ic2= (Ec-En)/( 1 / iroC2 + Rc)
Ia3= (Ec-En)/(1/ iroC3 + Rc)
Il= En/( iroL+RL )
Ir= (Eb-En)/R
Ia1+Ib1+Ic1+ia2+ib2+ic2+ia3+iR-iL=0
附圖1中各節點的零序電流由矢量方程組(2)表示
In1 = Ia1 +Ib1 +Ic1 + Ir
In2 = Ia2 +Ib2 +Ic2 + Ic3
附圖2中各節點的零序電流由矢量方程組(3)表示
Im = Ia1 +Ib1 +Ic1 + Ir
η3 = Iai +Ib1 +Icl + Ir +Ia2 +Ib2 +Ic2 + Ic3
(2)(3)其中ini流過零序電流互感器CTi的電流 η2流過零序電流互感器CT2的零序電流 In3流過零序電流互感器CT3的零序電流考慮到迴路等效串聯電阻遠小於迴路容抗，為使解析後的表達式不過分複雜，忽略&從式(1)可推導出^，Ib1, Ic1, Ia2, Ib2, Ic2, Ic3, iR的表達式，代入(2)、(3)可得(3i+3(1/2)) E0 [i3(3/2)RLroC2- i -Rlo)C2-RlCoC3+4RcoC廠3(3'2)co2LC2-ioo2LC2-io)2LC3,(3/2)-Ini=
權利要求
1.一種採用有源激勵微分狀態原理的小電流接地故障區段保護方法與設施，其特徵是在變電站母線出口位置設置一套 ，在配電網絡每個希望實施分區段保護的節點設置 ; 與 實時監測零序電壓，零序電壓超過相電壓30%表徵出現單相接地故障，否則表徵無單相接地故障；在未發生單相接地故障情況下，控制設施定期設置消弧線圈電感量，使消弧線圈自動適應電網拓撲結構的變化；在發生單相接地故障情況下，控制設施控制 的電感量，向電網引入微分激勵，各檢測設施響應微分激勵，測量本區段的微分狀態；控制設施與檢測設施通過通信系統相互交換信息，實現小電流接地故障分段保護。
2.根據權利要求1所述的採用有源激勵微分狀態原理的小電流接地故障區段保護方法與設施，其特徵是控制設施設置消弧線圈運行值的方法是在電網某一相與地之間串聯連接一隻開關、一隻電阻與一隻電流互感器；在無故障正常運行狀態下，控制設施定期通過操作該開關把電阻接入相線與地之間，形成幅值低於相電壓30%的零序電壓，並通過電流互感器測量流過該電阻的電流；通過調節消弧線圈電感量，使流過該電阻的電流最小，則此時的消弧線圈電感量即為臨界補償值，然後按運行規程規定的脫諧度計算並設定消弧線圈的運行值，使消弧線圈的設置值自動適應電網拓撲結構的變化。
3.根據權利要求1所述的採用有源激勵微分狀態原理的小電流接地故障區段保護方法與設施，其特徵是在消弧線圈上並聯連接一隻調製電抗器，出現單相接地故障時，控制設施在調製周期內分別按 與 控制調製電抗器的電感量，向電網提供有規律的微分激勵；通過控制 使微分激勵對各種隨機幹擾有充足的信噪比。
4.根據權利要求3所述的 與 ，其特徵是編碼的原則是編碼與〈基準矢量〉同步，每個工頻周波對應為1個bit，調製編碼『1』對應於調製電抗器向趨近臨界補償方向改變電感量，調製編碼『0』對應於調製電抗器向遠離臨界補償方向改變電感量；電感量的變化範圍由 表徵；編碼可採用任意二進位組合， 應與 能明顯區分，使調節 與測量 操作互不影響，編碼的長度是調製周期。
5.根據權利要求3所述的控制，其特徵是控制 的方法是控制設施採用〈設置編碼〉調節調製電抗器的電感量並測量零序電壓，按編碼『1』時零序電壓減編碼『0』時零序電壓的差除以編碼『1』時零序電壓乘以100%計算調製度；並從零序電壓變動中還原出調製編碼零序電壓幅值變大的周波對應為編碼『1』，零序電壓幅值變小的周波對應為編碼『0』，如不能提取出正確地編碼，增加電感量變化範圍以提高調製度；如調製度過高時，減小電感量變化範圍以減小調製度；通過控制 使微分激勵能對各種幹擾信號有足夠的信噪比。
6.根據權利要求1所述的採用有源激勵微分狀態原理的小電流接地故障區段保護方法與設施，其特徵是出現單相接地故障時，〈檢測設施〉的工作過程是檢測設施以〈基準矢量 > 作同步信號，檢測零序電壓與零序電流，並根據零序電壓的變化還原出調製編碼零序電壓幅值變大的周波對應為編碼『1』，零序電壓幅值變小的周波對應為編碼『0』 ；如還原出的調製編碼與系統設定的編碼不一致，則認定為電網隨機幹擾，不予響應；如還原出的調製編碼與系統設定的編碼一致，保留測得的零序電壓與零序電流，用以計算本區段的網絡微分狀態。
7.根據權利要求1所述的採用有源激勵微分狀態原理的小電流接地故障區段保護方法與設施，其特徵是微分狀態的算法是微分狀態的值等於編碼『1』周期的零序電流減編碼『0』周期的零序電流的差除以編碼『1』周期的零序電壓減編碼『0』周期的零序電壓的差所得的商；所有計算值都是相對於 的矢量值。
8.根據權利要求1所述的採用有源激勵微分狀態原理的小電流接地故障區段保護方法與設施，其特徵是檢測節點與接地故障位置關係的判據是若某檢測節點的微分狀態的實部的值小於某個設定的門限值，則接地故障存在於該檢測節點用戶側，該節點屬性為接地故障的上遊節點；若某檢測節點的微分狀態的實部的值不小於某個設定的門限值，則接地故障存在於該檢測節點電源側，該節點屬性為接地故障的下遊節點；介於兩個上遊節點之間的區段是故障的上遊區段；介於相鄰上下遊節點之間的區段是故障區段；介於兩個下遊節點之間的區段是非故障區段；若最末端檢測節點是上遊節點，該節點所轄區段是故障區段；若最末端檢測節點是下遊節點，該節點所轄區段是非故障區段；若全部節點都是下遊節點，則接地點位於變電站內，或中性點偏移是由分布電容不對稱造成。
9.根據權利要求1所述的採用有源激勵微分狀態原理的小電流接地故障區段保護方法與設施，其特徵是實施接地故障保護操作的過程是如故障出現在末端區段，檢測施可立即實施保護操作，並向控制設施報告；如故障出現在鏈型網絡中間區段，檢測設施把節點屬性報告給控制設施，等待控制設施的保護指令；控制設施在結束調製周期後，通過通信收集電網故障區段的故障屬性與負荷信息，報送調度系統，以決策採取局部隔離、倒換供電方式或是帶電現場維修等保護方式，然後命令檢測設施執行相應操作，以兼顧電網安全與對用戶的供電質量。
10.根據權利要求4、權利要求6、權利要求7所述的，其特徵是可採用配電網A，B, C三線中任意兩線的線電壓作〈基準矢量〉，控制設施與檢測設施必須使用同一個線電壓作〈基準矢量〉。
全文摘要
基於有源激勵微分狀態原理的小電流接地保護方法與裝置，本發明屬於電力傳輸自動化領域，適用於中性點諧振接地方式運行的配電網絡。採用有源微分激勵測量配電網微分狀態原理，提供一種新的單相接地故障保護方法與設施。該方法不受消弧線圈補償狀態的影響，也不受電網拓撲結構的影響；可在較大範圍內承受接地電阻值與不對稱分布電容的影響；具有較強的抗隨機幹擾能力併兼顧最佳的消弧效果，以提高單相接地故障保護的可靠性。
文檔編號G01R19/00GK102545197SQ20111044614
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月28日 優先權日2011年12月28日
發明者袁淼 申請人:北京潞能麒麟電力設備有限公司