小接地電流電網單相故障選線方法及裝置的製作方法
2023-10-11 09:18:04
專利名稱：小接地電流電網單相故障選線方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種小接地電流電網單相故障選線方法及裝置，適用於66kV及以下的中性點不接地或經消弧線圈接地的電力系統中，當電網發生單相故障時，該裝置能自動選出故障線路。
背景技術：
小接地電流電網指中性點不接地或經消弧線圈接地的電力系統。這種接地方式的電網發生單相接地故障時不形成短路，故障電流很小，規程規定發生單相接地故障後可繼續運行1至2小時。在我國，6kV至66kV電壓等級的電網中，一般都採用小接地電流方式。中壓配電網最常見的故障是單相接地故障。儘管單相接地故障不破壞系統的對稱運行，但將導致非故障相電壓升為線電壓，長時間運行容易引起非故障相絕緣損壞，形成相間短路，弧光接地還可能引起電網更高的過電壓。因此，發生單相接地故障時應儘快選出故障線路並排除故障。傳統的選線方法是手動逐條線路拉閘，當故障線路被拉閘時，故障信號消失。這種方法降低了供電可靠性，對系統、設備和人身的安全性不利。
上世紀八十年代起，國內開始研究利用裝置自動選出故障線路，提出了群體比幅比相法、首半波法、零序無功方向法、有功分量法、零序導納法、電流增量法、暫態量小波分析法、注入信號跟蹤法、能量法等很多種選線方法。但運行實踐表明，現有的選線技術不能滿足工程需要，選線正確率非常低。現有選線裝置大都採用單一的選線方法。大量實際單相接地故障錄波數據表明，接地故障類型非常複雜，可能是金屬性接地，也可能是大電阻接地、弧光接地，還可能是斷續的放電接地，故障數據波形非常雜亂，單一選線方法難以適應。例如，群體比幅比相選線方法，對於嚴重畸變的不規則故障信號，相位誤差非常大。另外，隨著電力系統自動化水平的提高，電力部門對選線裝置的功能也提出了更高的要求。因此研究更加完善的選線方法和裝置具有重要的應用價值。
發明內容
本發明的目的在於解決小接地電流電網單相故障自動選線問題。提出了綜合選線方法，並開發了相應的選線裝置。本發明的綜合選線方法對多種故障信號進行綜合處理，極大提高了對複雜故障情況下的選線正確率。本發明的裝置在小接地電流電網發生單相故障時，能夠正確區分單相接地故障、電壓互感器斷線故障和電壓互感器鐵磁諧振故障，通過液晶屏顯示，並將故障信息上傳給遠端。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是針對不接地和消弧線圈接地情況分別對多種故障信號進行綜合處理，本發明採用一種綜合選線方法對中性點不接地電網，綜合採用基波幅值選線判據、基波相位選線判據和基於小波變換的暫態量選線判據；對中性點經消弧線圈接地電網，綜合採用改進有功分量選線判據、改進首半波選線判據、基於小波變換的暫態量選線判據；對每種選線判據構造各線路可能是故障線路的定量化表達式，然後通過綜合判斷，得到最終選線結果，解決了單一選線方法因適應能力差而導致的選線不準問題。選線裝置採集三相電壓信號作為輸入，根據三相電壓的變化關係，正確辨識真實接地與虛假接地，保證了裝置動作的準確性。選線裝置故障啟動環節採用啟動和出口兩級邏輯單元，啟動邏輯依靠零序電壓瞬時越限啟動，觸發出口邏輯和選線算法；出口邏輯對故障信號做進一步分析，當滿足出口條件時才輸出故障信息，大大提高了故障啟動的準確性和可靠性，解決了因投切線路或其它擾動而導致裝置頻繁誤動作的問題。選線裝置能夠自動識別兩段母線並列運行或分列運行，並做出不同處理，保證選線結果的正確性。選線裝置採用PCI總線工控主板和虛擬儀器技術實現，便於實現複雜的算法和功能。
小接地電流電網單相故障選線裝置採用標準4U工控機箱，硬體由PCI總線工控主板、信號變換與調理電路板、PCI數據採集卡、微型印表機、液晶顯示屏、開關量輸入輸出板和交直流兩用電源組成。信號變換與調理電路板和PCI數據採集卡之間通過數據線連接，PCI總線工控主板、PCI數據採集卡、開關量輸入輸出板、微型印表機、液晶顯示屏和鍵盤通過PCI總線連接，交直流兩用電源與PCI總線工控主板連接。將三相電壓信號和各條線路的零序電流信號經信號變換與調理電路板轉換成故障選線裝置能夠接收的電壓信號，通過數據線傳輸到數據採集卡上進行分組採樣，採集的數據通過PCI總線傳輸到PCI總線工控主板上的CPU進行數據處理，選線算法和故障處理採用LabVIEW編程實現。首先判斷真假接地，若是真實接地故障，則通過綜合選線方法得出故障線路；若是虛假接地故障，則判斷是電壓互感器斷線故障還是電壓互感器鐵磁諧振故障。這兩種都輸出選線結果，通過PCI總線顯示在液晶屏上，並通過PCI總線傳輸到開關量輸入輸出板上，然後傳送到RTU，還可以通過鍵盤設置當故障時是否實時列印故障信息。
本發明的離線運行的選線裝置輔助處理軟體，可在普通的PC機+Windows系統上運行。該軟體由運行參數設置和故障數據分析兩個功能模塊組成。運行參數設置模塊用來設置選線裝置的運行參數、線路名稱等，生成的參數設置文件可通過網絡發送至選線裝置，也可用U盤複製給選線裝置。從而實現了遠程修改運行參數，避免了在線設置參數的煩瑣以及線路名稱無法漢字輸入的弊端。故障數據分析模塊幫助用戶對錄波數據進行分析，可進行時域波形分析、相量分析和頻譜分析等。
本發明的有益效果是，通過幾種選線判據的綜合，克服單一選線算法的不足，極大提高了對複雜故障情況下的選線正確率。選線裝置採用三相電壓作為輸入信號，克服了僅使用電壓互感器開口三角電壓正確區分虛假接地如電壓互感器斷線故障或電壓互感器鐵磁諧振故障的缺點。故障啟動環節採用啟動和出口兩級邏輯單元，大大提高了故障啟動的準確性和可靠性，解決了因投切線路或其它擾動而導致裝置頻繁誤動作的問題。裝置能夠自動識別兩段母線並列運行或分列運行，並做出不同處理，保證選線結果的正確性。裝置具有故障錄波功能，可以記錄單相接地故障或鐵磁諧振波形數據，可以保存500組故障數據。採用PCI總線工控主板和虛擬儀器技術實現選線裝置，便於實現複雜的算法和功能，使選線裝置整體的可靠性提高。
下面結合附圖對本發明進一步說明。
圖1是本發明的選線裝置結構圖；
圖2是信號變換與調理電路圖；圖3是本發明的選線算法流程圖。
具體實施例方式
將小接地電流電網中的母線兩段的三相電壓和各條線路的零序電流通過圖1所示的信號變換與調理電路板，將電壓和電流信號都轉換成選線裝置能接收的電壓信號，然後通過數據採集卡，輸送到選線裝置中，此時用選線算法對數據進行處理，當有故障時，通過液晶屏顯示，並通過開關量輸入輸出板輸出，微型印表機也可以列印故障信息。
本裝置可採集32路通道的數據，包括2段母線三相電壓共6路電壓信號，26路線路零序電流，每路用精密電壓或電流變換器進行變換，並濾除1600Hz以上的高次諧波，其中一路的信號變換與調理電路如圖2所示。實際的電壓或電流信號經過精密電壓/電流變換器轉換成選線裝置能接收的電壓信號，經過雙向穩壓管限制過電壓，經過低通濾波器，濾除1600Hz以上的高次諧波，再經過電壓跟隨器輸出。
小接地電流電網單相故障選線裝置，其信號變換與調理電路板和PCI數據採集卡之間通過數據線連接，PCI總線工控主板、PCI數據採集卡、開關量輸入輸出板、微型印表機、液晶顯示屏和鍵盤通過PCI總線連接，交直流兩用電源與PCI總線工控主板連接；選線裝置採集三相電壓信號作為輸入，裝置能夠自動識別兩段母線並列運行或分列運行通過比較同一時刻段兩段母線各相電壓的差值，當差值小於一定閾值時，認為是並列運行，否則是分列運行。
故障啟動環節採用啟動和出口兩級邏輯單元，啟動邏輯依靠零序電壓越限啟動，觸發出口邏輯和選線算法；出口邏輯對故障信號做進一步分析，當滿足出口條件時輸出故障信息。
當裝置運行時(見圖3)，首先將小接地電流電網中的參數母線段數、電壓等級、中性點接地方式、各條線路名稱、母線兩段電壓互感器的變比、各條線路零序電流互感器的變比和消弧線圈容量(中性點經消弧線圈接地情況)輸入到裝置中，然後電壓和電流信號經過信號變換與調理後，對數據進行採集，採用分組採樣、中斷方式採集，每採集一定的周波數，就進行零序電壓閾值判斷，若沒有超過閾值，返回繼續採集，若超過閾值，將這些周波數送到出口邏輯中判斷是否有故障，無故障返回，有故障，則根據線電壓進行真實接地和虛假接地判斷，若是虛假接地，根據三相電壓的關係判斷是電壓互感器斷線故障還是電壓互感器鐵磁諧振故障；若是真實接地，根據中性點接地方式的不同，選用不同的綜合選線方法，進行判斷，綜合選線方法中的每種選線判據得到每條線路可能是故障線路的定量化表達式，然後通過行綜合判斷，最終得到故障線路。
通過RS232或U盤鍵盤、將小接地電流電網中的母線段數、電壓等級、中性點接地方式、各條線路名稱、母線兩段電壓互感器的變比、各條線路零序電流互感器的變比和消弧線圈容量(中性點經消弧線圈接地情況)輸入到裝置中。
小接地電流電網單相故障選線方法，將小接地電流電網中的母線兩段的三相電壓和各條線路的零序電流通過信號變換與調理電路板，將電壓和電流信號都轉換成故障選線裝置能接收的電壓信號，然後通過數據採集卡，輸送到所述裝置中，在所述裝置上執行以下步驟(1)數據採集信號變換與調理電路板上有32路信號變換和調理電路，其中有6路是母線兩段三相電壓信號變換和調理，26路是線路零序電流信號變換和調理，經過板上的精密電壓/電流變換器轉換成選線裝置可接收的電壓信號，並用板上的濾波電路濾除1600Hz以上的高次諧波，通過數據線傳送給PCI採集卡進行數據採集；通過分組採樣，中斷採集；(2)數據處理通過PCI數據總線將採集的數據送給PCI總線工控主板上的CPU進行處理；(2.1)用兩段母線三相電壓的瞬時值比較來判斷母線分列運行還是並列運行。
(2.2)對這些數據提取母線零序電壓，判斷其瞬時值是否達到閾值。
(2.3)當零序電壓超過閾值後，觸發出口邏輯對故障數據做進一步分析，判斷一定周波內是否都超過閾值，若不是則認為無故障，返回繼續監測母線零序電壓；若在一定周波內都超過閾值，則認為發生故障。
(2.4)通過線電壓是否對稱來判斷是真實接地故障還是虛假接地故障。
(2.5)若是虛假接地故障，再根據三相電壓的關係判斷是電壓互感器斷線故障還是電壓互感器鐵磁諧振故障。
(2.6)若是單相接地故障，根據三相電壓關係判斷故障相，並依據中性點接地方式的不同，選用不同的選線方法進行故障選線。
(3)選線算法(3.1)對於中性點不接地電網，本選線裝置綜合採用了基波幅值選線判據、基波相位選線判據和基於小波變換的暫態量選線判據，對故障數據其選線算法按以下步驟進行(3.1.1)基波幅值選線判據，按(1)式計算各條線路的故障量化值Fmm(k)=12Sum-Mags(k),12Sum-Mags(k)>00,12Sum-Mags(k)0---(1)]]>其中k為線路編號，k＝0表示母線；Mags(k)＝Mag(k)·sign(Ang(k)) k≠0Mags(0)=-(k-1NMags(k))]]>Sum=k=0N|Mags(k)|]]>Mag(k)表示線路k的故障零序電流相量幅值；Ang(k)表示以母線零序電壓為參考相量，線路k故障零序電流相角；(3.1.2)基波相位選線判據，按(2)式計算各條線路的故障量化值 其中 (3.1.3)基於小波變換的暫態量選線判據，按(3)式計算各條線路的故障量化值
其中 i為小波分解序列點編號；k，m，n為i點處小波係數最大的三條線路編號；d(k，i)，d(m，i)，d(n，i)為小波分解並歸算到同一尺度後的小波係數；(3.1.4)對每條線路的各判據量化值按大小分別進行排序，再將各線路在三種判據下的序列值相加，序號最小者為故障線路；(3.2)對於中性點經消弧線圈接地電網，本裝置綜合採用了改進有功分量選線判據、改進首半波選線判據、基於小波變換的暫態量選線判據，其選線算法按以下步驟進行(3.2.1)改進有功分量選線判據，按(4)式計算各條線路的故障量化值Fmp(k)=P(k),k=1,2,,NP(0),k=0---(4)]]>其中P(k)＝UI(k)cos(Ang(k)) k＝1，2，…，NP(0)=maxk=1,,NP(k)+U2Ub2Pl]]>U為母線零序電壓的有效值；I(k)為線路k零序電流的有效值；P(k)為線路k的有功功率；Ub為電壓互感器額定二次電壓；P1為消弧線圈的有功損耗；(3.2.2)改進首半波選線判據，按(5)式計算各條線路的故障量化值Fmr(k)=12B-A(k),12B-A(k)>00,12B-A(k)0---(5)]]>其中A(k)=isign(WUm).WI(k)(i)]]>
A(0)=-k=1NA(k)]]>B=k=0N|A(k)|]]>WUm為零序電壓在首半波內的極大值；WI(k)(i)為線路k的故障零序電流在首半波內各點數值序列；(3.2.3)基於小波變換的暫態量選線判據，按(6)式計算各條線路的故障量化值 其中 i為小波分解序列點編號；k，m，n為i點處小波係數最大的三條線路編號；d(k，i)，d(m，i)，d(n，i)為小波分解並歸算到同一尺度後的小波係數；(3.2.4)對每條線路的各判據量化值按大小分別進行排序，再將各線路在三種判據下的序列值相加，序號最小者為故障線路；(4)結果輸出若是虛假接地故障，則將電壓互感器斷線故障或電壓互感器鐵磁諧振故障的結果顯示在液晶屏上，並通過開關量輸入輸出板輸出到RTU；若是真實接地故障，則將故障線路顯示在液晶屏上，並通過開關量輸入輸出板輸出到RTU；兩種情況下，都可以選擇通過微型印表機實時列印故障結果。
權利要求
1.一種小接地電流電網單相故障選線方法，將小接地電流電網中的母線兩段的三相電壓和各條線路的零序電流通過信號變換與調理電路板，將電壓和電流信號都轉換成故障選線裝置能接收的電壓信號，然後通過數據採集卡，輸送到所述裝置中，其特徵是在所述裝置上執行以下步驟(1)數據採集信號變換與調理電路板上有32路信號變換和調理電路，其中有6路是母線兩段三相電壓信號變換和調理，26路是線路零序電流信號變換和調理，經過板上的精密電壓/電流變換器轉換成故障選線裝置可接收的電壓信號，並用板上的濾波電路濾除1600Hz以上的高次諧波，通過數據線傳送給PCI採集卡進行數據採集；(2)數據處理通過PCI數據總線將採集的數據送給PCI總線工控主板上的CPU進行處理；(2.1)用兩段母線三相電壓的瞬時值比較來判斷母線分列運行還是並列運行；(2.2)對這些數據提取母線零序電壓，判斷其瞬時值是否達到閾值；(2.3)當零序電壓超過閾值後，觸發出口邏輯對故障數據做進一步分析，判斷一定周波內是否都超過閾值，若不是則認為無故障，返回繼續監測母線零序電壓；若在一定周波內都超過閾值，則認為發生故障；(2.4)通過線電壓是否對稱來判斷是真實接地故障還是虛假接地故障；(2.5)若是虛假接地故障，再根據三相電壓的關係判斷是電壓互感器斷線故障還是電壓互感器鐵磁諧振故障；(2.6)若是單相接地故障，根據三相電壓關係判斷故障相，並依據中性點接地方式的不同，選用不同的選線方法進行故障選線；(3)選線算法(3.1)對於中性點不接地電網，本選線裝置綜合採用了基波幅值選線判據、基波相位選線判據和基於小波變換的暫態量選線判據，對故障數據其選線算法按以下步驟進行(3.1.1)基波幅值選線判據，按(1)式計算各條線路的故障量化值Fmm(k)=12Sum-Mags(k),12Sum-Mags(k)>00,12Sum-Mags(k)0---(1)]]>其中k為線路編號，k＝0表示母線；Mags(k)＝Mag(k)·sign(Ang(k)) k≠0Mags(0)=-(k=1NMags(k))]]>Sum=k=0N|Mags(k)|]]>Mag(k)表示線路k的故障零序電流相量幅值；Ang(k)表示以母線零序電壓為參考相量，線路k故障零序電流相角；(3.1.2)基波相位選線判據，按(2)式計算各條線路的故障量化值 其中 (3.1.3)基於小波變換的暫態量選線判據，按(3)式計算各條線路的故障量化值 其中 i為小波分解序列點編號；k，m，n為i點處小波係數最大的三條線路編號；d(k，i)，d(m，i)，d(n，i)為小波分解並歸算到同一尺度後的小波係數；(3.1.4)對每條線路的各判據量化值按大小分別進行排序，再將各線路在三種判據下的序列值相加，序號最小者為故障線路；(3.2)對於中性點經消弧線圈接地電網，本裝置綜合採用了改進有功分量選線判據、改進首半波選線判據、基於小波變換的暫態量選線判據，其選線算法按以下步驟進行(3.2.1)改進有功分量選線判據，按(4)式計算各條線路的故障量化值Fmp(k)=P(k),k=1,2,,NP(0),k=0---(4)]]>其中P(k)＝UI(k)cos(Ang(k))k＝1，2，…，NP(0)=maxk=1,...,NP(k)+U2Ub2Pl]]>U為母線零序電壓的有效值；I(k)為線路k零序電流的有效值；P(k)為線路k的有功功率；Ub為電壓互感器額定二次電壓；Pl為消弧線圈的有功損耗；(3.2.2)改進首半波選線判據，按(5)式計算各條線路的故障量化值Fmr(k)=12B-A(k),12B-A(k)>00,12B-A(k)0---(5)]]>其中A(k)=isign(WUm)WI(k)(i)]]>A(0)=-k=1NA(k)]]>B=k=0N|A(k)|]]>WUm為零序電壓在首半波內的極大值；WI(k)(i)為線路k的故障零序電流在首半波內各點數值序列；(3.2.3)基於小波變換的暫態量選線判據，按(6)式計算各條線路的故障量化值 其中 i為小波分解序列點編號；k，m，n為i點處小波係數最大的三條線路編號；d(k，i)，d(m，i)，d(n，i)為小波分解並歸算到同一尺度後的小波係數；(3.2.4)對每條線路的各判據量化值按大小分別進行排序，再將各線路在三種判據下的序列值相加，序號最小者為故障線路；(4)結果輸出若是虛假接地故障，則將電壓互感器斷線故障或電壓互感器鐵磁諧振故障的結果顯示在液晶屏上，並通過開關量輸入輸出板輸出到RTU；若是真實接地故障，則將故障線路顯示在液晶屏上，並通過開關量輸入輸出板輸出到RTU；兩種情況下，都可以選擇通過微型印表機實時列印故障結果。
2.一種小接地電流電網單相故障選線裝置，其特徵是信號變換與調理電路板和PCI數據採集卡之間通過數據線連接，PCI總線工控主板、PCI數據採集卡、開關量輸入輸出板、微型印表機、液晶顯示屏和鍵盤通過PCI總線連接，交直流兩用電源與PCI總線工控主板連接；選線裝置採集三相電壓信號作為輸入，裝置能夠自動識別兩段母線並列運行或分列運行通過比較同一時刻段兩段母線各相電壓的差值，當差值小於一定閾值時，認為是並列運行，否則是分列運行。
3.根據權利要求2所述的小接地電流電網單相故障選線裝置，其特徵是故障啟動環節採用啟動和出口兩級邏輯單元，啟動邏輯依靠零序電壓越限啟動，觸發出口邏輯和選線算法；出口邏輯對故障信號做進一步分析，當滿足出口條件時輸出故障信息。
全文摘要
本發明公開一種小接地電流電網單相故障選線方法及裝置，可應用於中性點不接地電網和中性點經消弧線圈接地電網中。本發明的故障選線方法，針對不接地和消弧線圈接地情況分別對多種故障信號進行綜合處理，分別採用多種選線判據，對每種選線判據構造各線路可能是故障線路的定量化表達式，然後通過綜合判斷，得到最終的選線結果。本發明的故障選線裝置人機界面友好，操作簡單，安裝、調試簡便；裝置硬體採用PCI總線工控主板，選線算法採用虛擬儀器技術實現。在小接地電流電網發生單相故障時，能夠正確區分單相接地故障、電壓互感器斷線故障和電壓互感器鐵磁諧振故障，並經液晶屏顯示。極大提高了選線裝置對複雜故障情況下的選線正確率。
文檔編號G01R31/08GK101022216SQ20071006153
公開日2007年8月22日 申請日期2007年2月7日 優先權日2007年2月7日
發明者賈清泉, 竇春霞, 王寧 申請人:燕山大學