一種高阻接地故障定位方法及系統與流程
2024-02-06 00:01:15 4
本發明涉及小電流接地系統高阻接地故障定位領域，特別是一種基於暫態投影變換的高阻接地故障定位方法及系統。
背景技術：
受自然環境、線路架空距離低等因素影響，配電網中常發生經非理想導體的單相高阻接地故障，如導線跌落在草地、馬路、沙地、水塘等。據不完全統計，高阻接地故障約佔到接地故障總數的5-10％。法國小電流接地系統有超過12％的接地故障為高阻接地故障。由於高阻接地故障電流小(一般為安培級)、故障點不穩定等原因，當配電線路發生永久性高阻接地故障後難以被檢測到，使得系統長時間帶故障運行，這可能導致相間故障或短路故障，擴大故障範圍。因此當線路發生高阻故障後，需要快速的定位到故障區段並做出相應的隔離措施。特別是對於諧振接地系統，由於消弧線圈的補償作用，故障線路故障區段工頻電流和健全區段相比沒有明顯故障特徵等原因，諧振接地系統的高阻接地故障定位仍然是一個非常大的挑戰。
近年來，小電流接地方式配電網中發生單相(小電流)接地故障時，在故障線路選擇基礎上，確定故障點距離或故障區段，可以進一步縮小故障查找和修復的時間，將成為小電流接地故障檢測技術研究和應用的熱點、重點。現有的針對低阻接地故障區段定位方法可分為兩類：一類是主動式定位方法，利用一次設備動作產生較大的擾動電流或者利用人工直接向系統注入特定電流調節消弧線圈的補償度，根據零序電流變化量確定故障區段；另一類是被動式定位方法，利用接地故障過渡過程中的暫態信號幅值比較、極性比較、功率方向等原理進行故障定位。現有的低阻(金屬性)接地故障定位尚未完全解決，且均不適用於高阻接地故障，因此更是無暇顧及關於故障電氣量特徵不明顯的高阻接地故障定位技術的研究，所以鮮少見到相關的研究報導。
對於小電流接地系統，工頻電流自身無明顯故障特徵因此無法直接用以進行故障檢測(工頻電流有功分量理論上可行，但含量較小、易受TV/TA傳變特性影響，實用存在較大困難)。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的是提出一種高阻接地故障定位方法及系統，解決了小電流接地系統中發生高阻接地時的故障定位問題，為小電流接地系統高阻接地故障定位技術的研究提供了一個全新的思路，有著廣泛的實際應用價值。
本發明採用以下方案實現：一種高阻接地故障定位方法，具體包括以下步驟：
步驟S1：設置在主控室的故障定位主站判斷配電系統是否發生高阻接地故障，若是，設置於變電站內部的小電流接地故障選線裝置選擇發生故障的饋線：
步驟S2：設置在主控室的故障定位主站計算故障饋線上各監測點暫態零序電流在母線暫態零序電壓上的投影分量，並比較各監測點的暫態零序電流在母線暫態零序電壓上的投影分量的幅值大小；
步驟S3：設置在主控室的故障定位主站按幅值從大到小的順序依次選出N個監測點,將選擇的監測點所在的區段作為故障候選區段，並判斷各個故障候選區段的上、下遊監測點的極性關係；若同極性，則該故障候選區段為健全區段；若反極性，則該故障候選區段為故障區段；其中，所述N為大於等於3的正整數。
進一步地，所述步驟S1具體包括以下步驟：
步驟S11：當母線的零序電壓幅值Ub的範圍處於Uth1＜Ub＜Uth2時，則設置在主控室的故障定位主站判斷配電系統發生高阻接地故障，並啟動設置於變電站內部的小電流接地故障選線裝置，所述小電流接地故障選線裝置選擇發生故障的饋線，並將選線結果和故障饋線出口的零序電流數據採集上報至設置在主控室的故障定位主站；其中Uth1與Uth2為預設的母線零序電壓幅值門檻值；
步驟S12：當饋線上的零序電壓或者零序電流的突變量超過預設的門檻值時，設置於該饋線上各監測點的饋線終端設備FTU啟動，採集本監測點的零序電壓與零序電流的數據並上報至設置在主控室的故障定位主站。
進一步地，所述Uth1為15V，所述Uth2為90V。
進一步地，步驟S1中所述選擇出發生故障的饋線具體為：判斷各饋線出口的零序電流變化量是否大於預設的門檻值，出口的零序電流變化量大於預設門檻值的饋線為發生故障的饋線。
進一步地，所述步驟S2具體包括以下步驟：
步驟S21：設置在主控室的故障定位主站對母線零序電壓ub、故障饋線上各監測點零序電流ioj的數據進行濾波，分別提取其暫態分量ub_T、ioj_T；ub_T為母線暫態零序電壓，ioj_T為故障饋線上的各監測點暫態零序電流；
步驟S22：將故障饋線上的各監測點暫態零序電流ioj_T向母線暫態零序電壓ub_T做投影，根據下述公式計算各監測點暫態零序電流在母線暫態零序電壓上的投影分量ioj_T_P：
步驟S23：比較各監測點暫態零序電流在母線暫態零序電壓上的投影分量的幅值大小。
進一步地，所述步驟S3具體包括以下步驟：
步驟S31：依次選取投影分量幅值最大的N個監測點作為故障線路候選監測點，候選監測點所在的區段作為故障候選區段；其中，N為大於等於3的正整數；
步驟S32：定義各區段監測點中靠近母線側的監測點為該區段的上遊監測點，另一監測點為該區段的下遊監測點，根據下述公式計算各故障候選區段的上遊監測點與下遊各監測點暫態零序電流投影分量間的極性係數ρkm：
其中，i0m_T_P表示上遊監測點的暫態零序電流，i0k_T_P表示下遊監測點的暫態零序電流，T為暫態過程的持續時間；
步驟S33：若ρkm＞0，則表明i0m_T_P與i0k_T_P同極性；若ρkm＜0，則表明i0m_T_P與i0k_T_P反極性；
步驟S34：選擇反極性的兩監測點之間的區段為故障區段。
進一步地，還包括步驟S35：若所有監測點的暫態零序電流投影分量間的極性係數都大於零，則故障區段為最末監測點的下一段區段。
本發明還提供了一種基於上文所述的基於暫態投影變換的高阻接地故障定位方法的系統，包括設置在變電站內部的小電流接地故障選線裝置、設置在各饋線上各監測點的饋線終端設備FTU、設置在主控室的故障定位主站；所述小電流接地故障選線裝置用以採集母線零序電壓以及各饋線出口的零序電流；所述饋線終端設備FTU用以採集各饋線上各監測點的零序電壓、零序電流；所述故障定位主站用以接收所述小電流接地故障選線裝置與所述饋線終端設備FTU採集的信息，並計算故障線路各監測點暫態零序電流在母線暫態零序電壓上的投影分量，通過比較各監測點的暫態零序電流投影分量的幅值大小確定故障候選區段，通過判斷故障候選區上、下遊監測點的極性關係確定故障區段。
進一步地，所述通過判斷故障候選區上、下遊監測點的極性關係確定故障區段具體為：若該故障候選區段上、下遊監測點的極性關係為同極性，則該故障候選區段為健全區段；若該故障候選區段上、下遊監測點的極性關係為反極性，則該故障候選區段為故障區段；所述N為大於等於3的正整數。
進一步地，若所有監測點的暫態零序電流投影分量間的極性係數都大於零，則故障區段為最末監測點的下一段區段。
與現有技術相比，本發明有以下有益效果：本發明採用各區段上、下遊各監測點暫態零序電流在母線暫態零序電壓上投影分量極性關係來定位故障點，解決了高阻接地故障在小電流接地系統中的定位難題，有著廣泛的實際應用價值。
附圖說明
圖1為本發明的方法流程示意圖。
圖2為本發明的系統連接示意圖。
圖3為本發明實施例中的配電線路仿真模型。
圖4為本發明實施例中發生接地電阻為30Ω的高阻接地故障時各候選監測點電流、母線電壓的零序分量波形對比示意圖。
圖5為本發明實施例中發生接地電阻為30Ω的高阻接地故障時各候選監測點電流、母線電壓的暫態分量波形對比示意圖。
圖6為本發明實施例中發生接地電阻為30Ω的高阻接地故障時各候選監測點電流、母線電壓的投影分量波形對比示意圖。
圖7為本發明實施例中發生接地電阻為1500Ω的高阻接地故障時各候選監測點電流、母線電壓的零序分量波形對比示意圖。
圖8為本發明實施例中發生接地電阻為1500Ω的高阻接地故障時各候選監測點電流、母線電壓的暫態分量波形對比示意圖。
圖9為本發明實施例中發生接地電阻為1500Ω的高阻接地故障時各候選監測點電流、母線電壓的投影分量波形對比示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。
如圖1所示，本實施例提供了一種高阻接地故障定位方法，具體包括以下步驟：
步驟S1：設置在主控室的故障定位主站判斷配電系統是否發生高阻接地故障，若是，設置於變電站內部的小電流接地故障選線裝置選擇發生故障的饋線：
步驟S2：設置在主控室的故障定位主站計算故障饋線上各監測點暫態零序電流在母線暫態零序電壓上的投影分量，並比較各監測點的暫態零序電流在母線暫態零序電壓上的投影分量的幅值大小；
步驟S3：設置在主控室的故障定位主站按幅值從大到小的順序依次選出N個監測點,將選擇的監測點所在的區段作為故障候選區段，並判斷各個故障候選區段的上、下遊監測點的極性關係；若同極性，則該故障候選區段為健全區段；若反極性，則該故障候選區段為故障區段；其中，所述N為大於等於3的正整數。
在本實施例中，所述步驟S1具體包括以下步驟：
步驟S11：當母線的零序電壓幅值Ub的範圍處於Uth1＜Ub＜Uth2時，則設置在主控室的故障定位主站判斷配電系統發生高阻接地故障，並啟動設置於變電站內部的小電流接地故障選線裝置，所述小電流接地故障選線裝置選擇發生故障的饋線，並將選線結果和故障饋線出口的零序電流數據採集上報至設置在主控室的故障定位主站；其中Uth1與Uth2為預設的母線零序電壓幅值門檻值；
步驟S12：當饋線上的零序電壓或者零序電流的突變量超過預設的門檻值時，設置於該饋線上各監測點的饋線終端設備FTU啟動，採集本監測點的零序電壓與零序電流的數據並上報至設置在主控室的故障定位主站。
在本實施例中，所述Uth1為15V，所述Uth2為90V。
在本實施例中，步驟S1中所述選擇出發生故障的饋線具體為：判斷各饋線出口的零序電流變化量是否大於預設的門檻值，出口的零序電流變化量大於預設門檻值的饋線為發生故障的饋線。
在本實施例中，所述步驟S2具體包括以下步驟：
步驟S21：設置在主控室的故障定位主站對母線零序電壓ub、故障饋線上各監測點零序電流ioj的數據進行濾波，分別提取其暫態分量ub_T、ioj_T；ub_T為母線暫態零序電壓，ioj_T為故障饋線上的各監測點暫態零序電流；
步驟S22：將故障饋線上的各監測點暫態零序電流ioj_T向母線暫態零序電壓ub_T做投影，根據下述公式計算各監測點暫態零序電流在母線暫態零序電壓上的投影分量ioj_T_P：
步驟S23：比較各監測點暫態零序電流在母線暫態零序電壓上的投影分量的幅值大小。
在本實施例中，所述步驟S3具體包括以下步驟：
步驟S31：依次選取投影分量幅值最大的N個監測點作為故障線路候選監測點，候選監測點所在的區段作為故障候選區段；其中，N為大於等於3的正整數；
步驟S32：定義各區段監測點中靠近母線側的監測點為該區段的上遊監測點，另一監測點為該區段的下遊監測點，根據下述公式計算各故障候選區段的上遊監測點與下遊各監測點暫態零序電流投影分量間的極性係數ρkm：
其中，i0m_T_P表示上遊監測點的暫態零序電流，i0k_T_P表示下遊監測點的暫態零序電流，T為暫態過程的持續時間；
步驟S33：若ρkm＞0，則表明i0m_T_P與i0k_T_P同極性；若ρkm＜0，則表明i0m_T_P與i0k_T_P反極性；
步驟S34：選擇反極性的兩監測點之間的區段為故障區段。
在本實施例中，還包括步驟S35：若所有監測點的暫態零序電流投影分量間的極性係數都大於零，則故障區段為最末監測點的下一段區段。
如圖2所示，本實施例還提供了一種基於上文所述的基於暫態投影變換的高阻接地故障定位方法的系統，包括設置在變電站內部的小電流接地故障選線裝置、設置在各饋線上各監測點的饋線終端設備FTU、設置在主控室的故障定位主站；所述小電流接地故障選線裝置用以採集母線零序電壓以及各饋線出口的零序電流；所述饋線終端設備FTU用以採集各饋線上各監測點的零序電壓、零序電流；所述故障定位主站用以接收所述小電流接地故障選線裝置與所述饋線終端設備FTU採集的信息，並計算故障線路各監測點暫態零序電流在母線暫態零序電壓上的投影分量，通過比較各監測點的暫態零序電流投影分量的幅值大小確定故障候選區段，通過判斷故障候選區上、下遊監測點的極性關係確定故障區段。
在本實施例中，所述通過判斷故障候選區上、下遊監測點的極性關係確定故障區段具體為：若該故障候選區段上、下遊監測點的極性關係為同極性，則該故障候選區段為健全區段；若該故障候選區段上、下遊監測點的極性關係為反極性，則該故障候選區段為故障區段；所述N為大於等於3的正整數。
在本實施例中，若所有監測點的暫態零序電流投影分量間的極性係數都大於零，則故障區段為最末監測點的下一段區段。
較佳的，在正常運行時，系統的工作流程如下：
線路中的饋線終端設備FTU一直處於對線路各監測點零序電流和零序電壓(有條件時)信號採樣的狀態，並將零序電壓採樣信號或零序電流的變化量與裝置啟動門檻值進行比較，判斷母線零序電壓幅值是否處於Uth1＜Ub＜Uth2，(一般的Uth1＝15V，Uth2＝90V)，判斷是否符合裝置啟動條件；小電流接地故障選線裝置負責監測母線零序電壓和各條饋線出口零序電流信號，正常工作時對監測信號進行採樣，並將零序電壓的採樣值與裝置啟動門檻值進行比較，判斷線路中是否有故障發生；故障定位主站負責接收饋線終端設備FTU和小電流接地故障選線裝置上報的故障數據，並進行故障定位，正常工作時故障定位主站會對饋線終端設備FTU和小電流接地故障選線裝置進行狀態查詢，避免裝置退出工作狀態。
當發生故障時，系統的工作流程如下：
線路中發生小電流接地故障時，饋線終端設備FTU根據零序電流變化量或零序電壓(有條件時)信號啟動，記錄各監測點三個周波的故障零序電壓電流信號，並將帶有時間標籤的故障數據上報至故障定位主站；小電流接地故障選線裝置根據母線處零序電壓啟動，當母線零序電壓幅值處於Uth1＜Ub＜Uth2時(一般的Uth1＝15V，Uth2＝90V)，則說明系統發生高阻接地故障，啟動裝置，並記錄母線處零序電壓、各條饋線母線出口處的零序電流信號、故障持續時間、故障發生時間、故障線路、故障相等故障數據，並將故障數據作相應的轉化上報至故障定位主站；故障定位主站負責接收小電流接地故障選線裝置和饋線終端設備FTU上報的故障數據，並根據上文中的步驟進行故障定位。
特別的，基於圖3所述的中性點經消弧線圈接地的混合線路模型，本實施例設置線路5區域2發生高阻接地故障，驗證上述算法的有效性，具體如下：
(一)發生30Ω的高阻接地故障。
a.當母線零序電壓幅值處於Uth1＜Ub＜Uth2時(一般的Uth1＝15V，Uth2＝90V)，則說明系統發生高阻接地故障，變電所終端的選線裝置啟動，選擇故障線路5，並將選線結果和故障線路出口零序電流採集數據上報故障定位主站；
b.當零序電壓或零序電流突變量超越預設門檻時，各饋線終端啟動，將故障零序電壓電流採集數據上報故障定位主站，如圖4所示；
c.故障定位主站接收變電所終端和饋線各監測點零序電壓電流採集數據，對零序電壓ub、故障線路各監測點零序電流i0j數據進行濾波，分別提取其暫態分量i0j_T、ub_T，如圖5所示，對健全線路終端數據則不予處理；
d.將故障線路各監測點暫態零序電流向母線暫態零序電壓做投影，根據下述公式計算各監測點暫態零序電流的投影分量i0j_T_P，如圖6所示：
e.比較各監測點暫態零序電流投影分量的幅值大小，選取投影分量幅值最大的n個監測點作為故障線路候選監測點，n大於等於3；
f.定義各區段監測點中靠近母線側的監測點為區段上遊監測點，其他監測點為下遊監測點，根據下述公式計算各區段上遊監測點與下遊各監測點暫態零序電流投影分量間極性係數：
ρ12＝0.9995；ρ23＝-0.9942；ρ34＝0.9526；
g.選擇反極性兩監測點之間的區段2為故障區段。
(二)發生1500Ω的高阻接地故障。
a.當母線零序電壓幅值處於Uth1＜Ub＜Uth2時(一般的Uth1＝15V，Uth2＝90V)，則說明系統發生高阻接地故障，變電所終端啟動，選擇故障線路5，並將選線結果和故障線路出口零序電流採集數據上報主站；
b.當零序電壓或零序電流突變量超越預設門檻時，各饋線終端啟動，將故障零序電壓電流採集數據上報主站，如圖7所示；
c.主站接收變電所終端和饋線各監測點零序電壓電流採集數據，對零序電壓ub、故障線路各監測點零序電流i0j數據進行濾波，分別提取其暫態分量i0j_T、ub_T，如圖8所示，對健全線路終端數據則不予處理；
d.將故障線路各監測點暫態零序電流向母線暫態零序電壓做投影，根據下述公式計算各監測點暫態零序電流的投影分量i0j_T_P，如圖9所示：
e.比較各監測點暫態零序電流投影分量的幅值大小，選取投影分量幅值最大的n個監測點作為故障線路候選監測點，n大於等於3；
f.定義各區段監測點中靠近母線側的監測點為區段上遊監測點，其他監測點為下遊監測點，根據下述公式計算各區段上遊監測點與下遊各監測點暫態零序電流投影分量間極性係數：
ρ12＝0.9945；ρ23＝-0.9983；ρ34＝0.9924；
g.選擇反極性兩監測點之間的區段2為故障區段。
其中，圖4至圖9中iQ2表示故障區段上遊檢測點暫態投影電流，iQ3表示，故障區段下遊檢測點暫態投影電流。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。