一种基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法与流程

1.本发明涉及电力系统继电保护领域，具体涉及基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法。


背景技术：

2.随着规模日益庞大且结构日渐复杂，配电网发生单相接地故障的概率大大增加。单相接地故障的特性与中性点接地方式息息相关。过去配电网主要采用中性点不接地方式以提高供电可靠性。随着电缆的应用，对地电容电流增大产生不易熄灭的电弧和过电压，使得经消弧线圈接地方式得到大量应用。但是，中性点不接地和经消弧线圈接地方式下配电网单相故障特征信息十分微弱，加上故障过渡电阻的影响，使得故障保护难以实施。为了提高单相接地故障处置的有效性，中性点经小电阻接地方式得到越来越多的应用。但是，中性点经小电阻接地方式下的配电网单相故障特征与过渡电阻密切相关，也难以可靠反映单相高阻接地故障。在中性点大电流接地和小电流接地配电网中，单相故障保护均面临较大难题。
3.在中性点大电流接地配电网中，目前主要利用零序稳态量识别配电网单相接地故障。但是，零序电流保护的整定值需躲过区外线路发生金属性接地故障时流过区内线路的对地电容电流，定值较高，导致零序过电流保护对高阻接地故障的灵敏度较低。有专家指出零序功率方向保护具备较好的反映过渡电阻能力，但该保护方法中零序电压、电流的极性校验困难。上述研究均未考虑过渡电阻对单相故障特征信息的影响，保护灵敏度受过渡电阻的影响较大。在中性点小电流接地配电网中，目前主要采用小电流接地选线识别单相接地故障。小电流接地选线的原理众多，部分专家利用暂态零模电流的震荡衰减和极性相反的特性构建了选线判据；也有专家利用暂态零序电流的凹凸特性构建了选线判据。现有技术依靠暂态量实现单相故障的定位，故障特征量的采集较为困难，对过渡电阻的考虑也存在不足。
4.围绕过渡电阻对配电网单相接地故障保护的影响，目前已有一定研究。针对中性点大电流接地系统，部分专家提出了一种基于零序功率变化量的配电网高阻接地保护方法；也有专家利用短时傅里叶变换、离散小波变换、神经网络等算法提取高阻接地故障的谐波特征量，但是存在一定适用条件。针对中性点小电流接地系统，目前常采用增大判据特征量的思路分析了过渡电阻对配电网单相故障的影响。此外，以外加信号的故障定位方法为基础，通过改进注入信号实现高阻故障下的诊断也备受关注。现有技术依赖于多点信息、信号处理等方式解决过渡电阻对单相接地故障保护的影响，对于通信系统、采样率等的要求较高，实用性有待进一步验证。
5.综上所述，配电网单相接地的故障特征受过渡电阻和中性点接地方式影响较大，配电网单相故障难以有效识别和保护严重影响系统安全性能，但是现有的单相接地故障保护技术在可靠性和适应性方面存在不足。如何实现在各种过渡电阻和运行方式下准确识别配电网单相故障，并形成具有较高可靠性和适应性的保护方法，目前尚未有可行的技术方
案。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法，能够解决目前配电网单相故障选线方法受过渡电阻和中性点接地方式影响较大的技术问题，能够实现不同中性点接地方式下的单相接地故障选线，且不受接地点过渡电阻的影响，具有较高的灵敏度和可靠性。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法，包括启动判据和选线判据，选线判据包括正序电流判据和零序电流判据，包括以下步骤：
8.s101：采集母线的零序电压、各馈线出线的正序电流和零序电流；
9.s102：判断母线零序电压是否满足启动判据，若启动判据满足，执行s103，否则判定配电网未发生单相故障，返回s101；
10.s103：判断各馈线出线正序电流是否满足正序电流判据，若某一馈线i的正序电流判据满足，执行s105，否则执行s104；其中，i＝1,2,
…
,n为馈线编号，n为馈线的数量；
11.s104：判断各馈线出线零序电流是否满足零序电流判据，若某一馈线i的零序电流判据满足，执行s105，否则判定配电网未发生单相故障，返回s101；
12.s105：判定馈线i发生单相故障。
13.作为本发明的一种优选技术方案，s102中，保护启动判据为：
14.3u0＞u
0,set
15.其中，u0为母线零序电压，u
0,set
为零序电压整定值。
16.作为本发明的一种优选技术方案，s103中，馈线i的正序电流判据为：
17.i
i1
＜i
i1,set
18.其中，i
i1
为馈线i的出线正序电流，i
i1,set
分别为馈线i的正序电流整定值。
19.作为本发明的一种优选技术方案，s104中，馈线i的零序电流判据为：
20.i
i0
＞i
i0,set
21.其中，i
i0
为馈线i的出线零序电流，i
i0,set
分别馈线i的零序电流整定值。
22.作为本发明的一种优选技术方案，按照躲过系统不对称的影响计算零序电压整定值：
23.u
0,set
＝k
′
relu0,max
24.其中，k
′
rel
为可靠系数，u
0,max
为母线正常运行时最大不平衡电压的零序分量。
25.作为本发明的一种优选技术方案，按照躲过线路末端可能出现的最大短路电流计算正序电流整定值，馈线i的正序电流整定值为：
26.i
i1,set
＝k
″
reliif,max
27.其中，k
″
rel
为可靠系数，i
if,max
为馈线i末端可能出现的最大短路电流，按如下公式：
28.29.其中，为配电网额定电压；z
s1min
为系统正序阻抗的最小值；z
j1σ
为所有非故障馈线正序等效阻抗；r
fmin
为接地过渡电阻的最小值；z
in1
为故障点至故障馈线末端的正序负荷阻抗；z
0min
为零序等效阻抗的最小值。
30.作为本发明的一种优选技术方案，按照躲过保护安装馈线的电容电流计算零序电流整定值，馈线i的零序电流整定值为：
31.i
i0,set
＝k
″′
reliic
32.其中，k
″′
rel
为可靠系数，i
ic
为第i条馈线的电容电流。
33.作为本发明的一种优选技术方案，零序等效阻抗的最小值z
0min
按如下公式计算：
[0034][0035]
其中，ω为工频角频率；c
jσ
为非故障馈线的电容之和；zg为有源配电网中性点接地阻抗，当中性点经小电阻接地时zg＝rd，rd为中性点接地电阻；当中性点不接地时zg＝∞；当中性点经消弧线圈接地时zg＝jωl
p
，l
p
为消弧线圈电感。
[0036]
本发明还提供一种配电网单相故障保护方法，首先采用权利要求1中的一种基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法，识别出各种过渡电阻和不同接地方式下发生单相故障的馈线；然后，针对发生单相故障的馈线采取保护措施。
[0037]
本发明公开的基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法中，采集母线的零序电压和各馈线出线的正序、零序电流；基于母线零序电压进行保护启动判据整定；并基于各馈线出线正序、零序电流进行故障选线判据整定；当母线零序电流满足保护启动判据，则比较采集的正序、零序电流及其对应整定值，若存在任一馈线出线的正序电流大于对应正序电流的整定值，或任一馈线出线的正序电流均小于对应整定值但存在该馈线出线的零序电流满足对应的零序电流判据，则确定故障所在馈线。
[0038]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0039]
1、本发明针对配电网在不同中性点接地方式下和不同过渡电阻下的单相故障进行识别，本发明通过解析不同中性点接地方式下配电网单相故障时馈线出口的正序、零序电流，发现了配电网馈线正序和零序电流随过渡电阻变化的差异化特征，进而构建了基于正序和零序电流的单相故障识别判据；通过正序、零序电流判据的融合，提出了计及过渡电阻影响的配电网单相故障保护方法。因此，与现有技术中采用零序稳态量作为保护特征量相比，本发明能够有效识别高阻故障并提高了故障识别的灵敏度；与现有技术中的零序功率方向保护相比，本发明避免了极性校验困难的问题；与现有技术中利用暂态零模电流作为故障特征量的选线方法相比，本发明降低了故障特征量的采集难度。另外，本发明提出的正序、零序电流的融合判据充分结合了正序、零序电流随过渡电阻的变化差异，能够适用于中性点大电流接地系统和中性点小电流接地系统，提高了保护方法的普适性。
[0040]
2、本发明所需的保护特征量仅为故障前后的各馈线出线的正序、零序电流和母线零序电压信息，易于在任意中性点接地方式下的配电网中实现。将各馈线出线的正序、零序电流分别与对应的保护整定值进行比较，无需比较各相之间的电气量差异，从而避免了馈线中各相之间进行数据通信，降低了系统的硬件配置要求。
[0041]
3、本发明充分考虑了过渡电阻对保护方法的影响，利用正序电流和零序电流动作
边界的差异，在过渡电阻较小时利用零序电流识别故障，当过渡电阻增大时，利用正序电流识别故障，从而实现不同过渡电阻下配电网单相故障的可靠保护。
[0042]
4、本发明的基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法，由于能够准确可靠的识别在任意接地过渡电阻和任意中性点接地方式下的单相故障的馈线，因此，能够针对性的采取措施，提高保护动作的准确性，提高电网安全性。
附图说明
[0043]
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
[0044]
图1为基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法的流程示意图。
[0045]
图2为中性点经小电阻接地的有源配电网结构示意图；
[0046]
图3为不同过渡电阻下馈线1出线处的正序和零序电流幅值变化示意图
具体实施方式
[0047]
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，所描述的实施例仅仅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。
[0048]
本具体实施方式，流程如图1所示，基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法，包括以下步骤：
[0049]
s101：采集母线的零序电压、各馈线出线的正序电流和零序电流；
[0050]
s102：判断母线零序电压是否满足启动判据，若启动判据满足，执行s103，否则判定配电网未发生单相故障，返回s101；
[0051]
s103：判断各馈线的出线正序电流是否满足正序电流判据，若某一馈线i的正序电流判据满足，执行s105，否则执行s104；其中，i＝1,2,
…
,n为馈线编号，n为馈线的数量；
[0052]
s104：判断各馈线出线零序电流是否满足零序电流判据，若某一馈线i的零序电流判据满足，执行s105，否则判定配电网未发生单相故障，返回s101；
[0053]
s105：判定馈线i发生单相故障。
[0054]
在本发明实施例中，s101中，基于中压配电网，需要按照一定的采样周期采集母线零序电压，各馈线出线的正序电流、零序电流，由于具体的采样方式以及相应的采样限定都是本领域技术人员所具备的常规能力，本发明对此不作具体的限定。
[0055]
本具体实施方式中，s102中，基于母线零序电压整定保护启动判据，保护启动判据为：
[0056]
3u0＞u
0,set
[0057]
其中，u0为母线零序电压；u
0,set
为零序电压整定值，u
0,set
按照躲过系统不对称的影响进行整定，计算式如下：
[0058]u0,set
＝k
′
relu0,max
[0059]
其中，k
′
rel
为可靠系数，u
0,max
为母线正常运行时最大不平衡电压的零序分量。
[0060]
本具体实施方式中，s103中，基于各馈线出线正序电流整定故障选线判据，正序电
流判据为：
[0061]ii1
＜i
i1,set
[0062]
其中，i
i1
为馈线i的出线正序电流；i
i1,set
分别为馈线i的正序电流整定值，i
i1,set
按照躲过线路末端可能出现的最大短路电流进行整定，计算式如下：
[0063]ii1,sel
＝k
″
reliif,max
[0064]
其中，k
″
rel
为可靠系数，i
if,max
为馈线i末端可能出现的最大短路电流，计算式如下：
[0065][0066]
其中，为配电网额定电压；z
s1min
为系统正序阻抗的最小值；z
j1σ
为所有非故障馈线正序等效阻抗；r
fmin
为接地过渡电阻的最小值；z
in1
为故障点至故障馈线末端的正序负荷阻抗；z
0min
为零序等效阻抗的最小值。
[0067]
本具体实施方式中，s103中，零序等效阻抗的最小值z
0min
按如下公式计算：
[0068][0069]
式中，ω为工频角频率；c
jσ
为非故障馈线的电容之和；zg为有源配电网中性点接地阻抗，当中性点经小电阻接地时zg＝rd，rd为中性点接地电阻；当中性点不接地时zg＝∞；当中性点经消弧线圈接地时zg＝jωl
p
，l
p
为消弧线圈电感。
[0070]
本具体实施方式中，s104中，基于各馈线出线零序电流整定故障选线判据，零序电流判据为：
[0071]ii0
＞i
i0,set
[0072]
其中，i
i0
为馈线i的出线零序电流，i
i0,set
分别为馈线i的零序电流整定值，i
i0,set
按照躲过保护安装馈线的电容电流进行整定，计算式如下：
[0073]i10,set
＝k
″′
reliic
[0074]
其中，k
″′
rel
为可靠系数，i
ic
为第i条馈线的电容电流。
[0075]
本具体实施方式中，故障选线判据为正序电流判据和零序电流判据的融合，融合判据为：
[0076]ii1
＜i
i1,set
或i
i0
＞i
i0,set
[0077]
本具体实施方式中，考虑三种不同中性点接地方式下的配电网结构示意图如图2所示，图2中有6条馈线，每条馈线均有a、b、c三相，第1至第6条馈线的长度分别为8、7、6、9、10、8km，第1至第6条馈线的负荷分别为3、8、5、4、7、6mw。负荷功率因数为0.95。系统等效阻抗为0.5ω。
[0078]
为验证本发明的有效性，本具体实施方式考虑不同过渡电阻对保护的影响，中性点采用小电阻接地方式，中性点接地电阻为10ω。基于判据融合的单相故障保护的正序和零序电流整定值如表1所示。设置馈线1距离母线4km处发生单相接地故障。改变过渡电阻从0至1100ω，采集到的馈线1出线的正序和零序电流幅值变化如图3所示。
[0079]
表1保护整定值
[0080][0081]
从图3中可知，随着过渡电阻从0增加到1100ω，采集到的馈线1出线的正序、零序电流呈减小趋势，当过渡电阻小于230ω时，采集到的正序电流大于对应整定值，正序电流判据不满足，执行s104，此时采集到的零序电流始终大于对应整定值，零序电流判据满足，执行s105。因此，在过渡电阻小于230ω时，零序电流满足故障选线判据，保护正确动作，而当过渡电阻大于230ω时，正序电流满足故障选线判据，保护正确动作。即在过渡电阻变化的全范围内，采集到故障馈线出线的正序、零序电流均能满足故障选线判据，保护可靠动作。
[0082]
为验证本发明的有效性，本具体实施方案考虑不同中性点接地方式对保护的影响，计算得到中性点经小电阻接地、不接地、经消弧线圈接地3种方式下保护整定值如表2所示。中性点接地方式不影响零序电流整定值，因此3种接地方式下零序电流整定值相同。同样设置中性点接地电阻为10ω，馈线1距离母线4km处发生单相接地故障，采集到的馈线1出线的正序和零序电流幅值变化如表3所示。
[0083]
表2不同中性点接地方式下的保护整定值
[0084][0085]
表3不同中性点接地方式单相接地故障的序电流
[0086][0087]
本具体实施方式中，由表3可见，对于单相接地故障，随着过渡电阻的增大，各中性点接地方式下采集到的故障馈线正序、零序电流始终减小。对于小电流接地系统，以中性点不接地系统为例，当过渡电阻为200ω时，采集到馈线1出线的正序电流为47.7a，大于对应整定值45.1a，执行s104，而采集到的零序电流为9.8a，大于对应整定值5.6a，执行s105，保护可靠动作。当过渡电阻增大至400ω时，采集到馈线1出线的正序电流为38.1a，小于对应整定值45.1a，执行s105，保护可靠动作。对于大电流接地系统，由图3中，馈线1出线的正序和零序电流幅值变化可知，在不同过渡电阻的情况下，保护均能可靠动作。
[0088]
本发明公开的基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法中，以各馈线出线的正序、零序电流作为保护特征量，融合正序电流判据和零序电流判据构建出故障选线判据。当母线零序电流满足保护启动判据，则比较采集的正序、零序电流及其对应整定值，若存在任一馈线出线的正序电流大于对应正序电流的整定值，或任一馈线出线的正序电流均小于对应整定值但存在该馈线出线的零序电流满足对应的零序电流判据，则确定故障所在馈线。判断出故障所在馈线后，则可针对发生单相故障的馈线采取保护措施。本发明计及过渡电阻和中性点接地方式的影响，其原理简单，所需电气量采集方便，可用于解决不同过渡电阻和不同中性点接地方式下的单相故障选线问题，适用范围较广。
[0089]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0090]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通
技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0091]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法，其特征在于，包括启动判据和选线判据，选线判据包括正序电流判据和零序电流判据，包括以下步骤：s101：采集母线的零序电压、各馈线出线的正序电流和零序电流；s102：判断母线零序电压是否满足启动判据，若启动判据满足，执行s103，否则判定配电网未发生单相故障，返回s101；s103：判断各馈线出线正序电流是否满足正序电流判据，若某一馈线i的正序电流判据满足，执行s105，否则执行s104；其中，i＝1,2,
…
,n为馈线编号，n为馈线的数量；s104：判断各馈线出线零序电流是否满足零序电流判据，若某一馈线i的零序电流判据满足，执行s105，否则判定配电网未发生单相故障，返回s101；s105：判定馈线i发生单相故障。2.根据权利要求1所述的一种基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法，其特征在于，s102中，保护启动判据为：3u0＞u
0,set
其中，u0为母线零序电压，u
0,set
为零序电压整定值。3.根据权利要求2所述的一种基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法，其特征在于，s103中，馈线i的正序电流判据为：i
i1
＜i
i1,set
其中，i
i1
为馈线i的出线正序电流，i
i1,set
分别为馈线i的正序电流整定值。4.根据权利要求3所述的一种基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法，其特征在于，s104中，馈线i的零序电流判据为：i
i0
＞i
i0,set
其中，i
i0
为馈线i的出线零序电流，i
i0,set
分别馈线i的零序电流整定值。5.根据权利要求4所述的一种基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法，其特征在于，按照躲过系统不对称的影响计算零序电压整定值：u
0，set
＝k
′
rel
u
0，max
其中，k
′
rel
为可靠系数，u
0,max
为母线正常运行时最大不平衡电压的零序分量。6.根据权利要求5所述的一种基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法，其特征在于，按照躲过线路末端可能出现的最大短路电流计算正序电流整定值，馈线i的正序电流整定值为：i
i1，set
＝k
″
rel
i
if，max
其中，k
″
rel
为可靠系数，i
if,max
为馈线i末端可能出现的最大短路电流，按如下公式：其中，为配电网额定电压；z
s1min
为系统正序阻抗的最小值；z
j1σ
为所有非故障馈线正序等效阻抗；r
fmin
为接地过渡电阻的最小值；z
in1
为故障点至故障馈线末端的正序负荷阻抗；z
0min
为零序等效阻抗的最小值。7.根据权利要求6所述的一种基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法，其特征在于，按照躲过保护安装馈线的电容电流计算零序电流整定值，馈线i的零序电流整定值
为：i
i0，set
＝k
″′
rel
i
ic
其中，k
″′
rel
为可靠系数，i
ic
为第i条馈线的电容电流。8.根据权利要求7所述的一种基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法，其特征在于，零序等效阻抗的最小值z
0min
按如下公式计算：其中，ω为工频角频率；c
jσ
为非故障馈线的电容之和；z
g
为有源配电网中性点接地阻抗，当中性点经小电阻接地时z
g
＝r
d
，r
d
为中性点接地电阻；当中性点不接地时z
g
＝∞；当中性点经消弧线圈接地时z
g
＝jωl
p
，l
p
为消弧线圈电感。9.一种配电网单相故障保护方法，其特征在于：首先采用权利要求1中的一种基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法，识别出各种过渡电阻和不同接地方式下发生单相故障的馈线；然后，针对发生单相故障的馈线采取保护措施。

技术总结
本发明公开了一种基于电流判据融合的配电网单相故障保护方法。采集母线的零序电压和各馈线出线的正序、零序电流；基于母线零序电压整定保护启动判据；基于各馈线出线的正序、零序电流整定故障选线判据；当母线零序电流满足保护启动判据，则比较采集的正序、零序电流及其对应整定值，若存在任一馈线出线的正序电流满足正序电流判据，或任一馈线出线的正序电流不满足正序电流判据均小于对应整定值但存在该馈线出线的零序电流满足零序电流判据，则确定故障所在馈线。本发明能够在不同过渡电阻和不同中性点接地方式下正确识别单相故障，且具有原理简单、整定方便、适用范围广的优点。适用范围广的优点。适用范围广的优点。


技术研发人员：李世伟 许守东 龚辉 石恒初 张元龙 游昊 欧阳金鑫 孔德志 张丽 徐吉用 肖良申 李晶 冷大伟 李杰 陈宇捷 陈纪宇 邰世福 梁倩 丁正宏 李齐全 杨涛 高甲
受保护的技术使用者：云南电网有限责任公司红河供电局
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/10/8