本發(fā)明涉及一種基于零序電壓的配電網單相斷線接地復故障類型診斷方法。

背景技術：

配電網一般具有分布面廣、桿塔矮導線細、走線地理環(huán)境復雜、易受外力破壞等特點，又暴露在大自然中，受風吹、日曬和雷電襲擊，單相斷線接地復故障時有發(fā)生。過去我國一直采取“重發(fā)、輕供、不管用”的電力建設發(fā)展模式，配電網建設嚴重滯后，普遍存在瓶頸現象，應變能力差。我國配電網的中性點運行方式采用中性點不接地方式或經消弧線圈接地方式，發(fā)生單相接地故障后不形成短路回路，只有系統(tǒng)分布電容引起的很小的零序電流，而且處于電力系統(tǒng)末梢，重視程度差。單相斷線接地復故障會使大量電動機缺相運行、發(fā)熱燒毀；此外，帶電導線長時間掉落在地面會導致一系列危險發(fā)生，例如火災及人畜傷亡。

相對于對橫向故障的分析，配網縱向故障分析較少，解決方法也不多。對于用零序電壓幅值和相位判斷單相斷線接地復故障類型的方法鮮有人提及。此技術所涉及到的內容已有如下分析：(1)在負荷為非動力負荷的前提下，即負荷正負序阻抗相等(Z_H1＝Z_H2)，不考慮過渡電阻、系統(tǒng)接地類型，當系統(tǒng)發(fā)生單相斷線接地復故障時，對電源側及負荷側零序電壓做分析。(2)在負荷序阻抗關系為Z_H1＝Z_H2(非動力負荷)、Z_H1＝5Z_H2(動力負荷)的前提下，考慮過渡電阻影響，當系統(tǒng)發(fā)生單相斷線電源側接地復故障時，對接地點與斷線點的零序電壓做分析。(3)考慮小電流接地方式與過渡電阻影響時的單相接地故障零序電壓分析(4)對小電流接地系統(tǒng)單電源、雙電源線路，單回、雙回的單相斷線、兩相斷線及其金屬性接地復故障的零序電壓分析，其中重點仍在單相斷線接地復故障的分析總結(5)對中性點不接地系統(tǒng)，分析某線路電源側與負荷側電壓互感器零序電壓測量端在發(fā)生斷線及斷線接地復故障時的電壓變化規(guī)律，并根據絕緣監(jiān)視裝置的整定值得出在發(fā)生斷線及斷線接地復故障時兩側絕緣監(jiān)視裝置接地信號的產生規(guī)律。

以上均對小電流接地系統(tǒng)單相斷線接地復故障的零序電壓做了一定的分析，但明顯可以看出考慮情況不全面，也沒有對單相斷線接地類型與零序電壓幅值和相位的相關關系作系統(tǒng)的分析和總結，不能對單相斷線接地復故障的類型提出有力的判斷方法。

技術實現要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于零序電壓的配電網單相斷線接地復故障類型診斷方法，所用故障電氣量是故障發(fā)生后穩(wěn)態(tài)零序電壓的幅值和相位，本發(fā)明充分考慮小電流接地方式、斷線后接地點位置、接地點過渡電阻影響、缺相時不同性質負荷的序阻抗特點，對電源側零序電壓的幅值相位深入分析，總結出了基于零序電壓幅值和相位的傳統(tǒng)配電網單相斷線接地復故障類型的診斷方法，解決無法判斷斷線后接地點位置的問題。

為了實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種基于零序電壓的配電網單相斷線接地復故障類型診斷方法，包括以下步驟：

(1)確定小電流接地方式，設定零序電壓啟動值；

(2)提取發(fā)生斷線時刻前N個周波和故障時刻后N個周波的各相電壓采樣數據，經FFT與對稱分量算法計算得到故障前故障相電壓與故障后穩(wěn)態(tài)零序電壓的相位與基準函數的之間的相位差關系作為判斷依據；

(3)判斷零序電壓是否超過啟動值，如果是則轉入步驟(4)，否則返回步驟(2)；

(4)判斷零序電壓與故障前相電壓的相位關系，根據提出的判據判斷故障類型為單相斷線加負荷側接地或單相斷線加電源側接地。

所述步驟(1)中，確定系統(tǒng)接地方式，根據判據確定在系統(tǒng)當前接地方式下發(fā)生單相斷線接地復故障后，過渡電阻和接地位置變化時零序電壓的變化規(guī)律與范圍。

所述步驟(1)中，零序電壓的啟動值應按躲過路斷線不接地時的最大零序偏移電壓整定。

所述步驟(2)中，取用故障發(fā)生后的穩(wěn)態(tài)數據，且采樣頻率應符合Nyquist采樣定律。

所述步驟(2)中，使用低通抗混疊濾波器對采樣數據進行處理。

所述步驟(2)中，計算相位差的基準函數為工頻標準余弦函數，開始于故障前所提取各相電壓采樣數據的起始時刻，結束于故障后所提取數據的結束時刻。

所述步驟(4)中，線路發(fā)生單相斷線加電源側接地后，根據判據內容，零序電壓與故障前故障相相電壓的相位差屬于電源側接地的范圍,零序電壓幅值和相位受中性點接地方式及過渡電阻影響。

所述步驟(4)中，線路發(fā)生單相斷線加負荷側接地后，根據判據內容，零序電壓與故障前故障相相電壓的相位差屬于負荷側接地的范圍，零序電壓幅值和相位受中性點接地方式、過渡電阻影響及負荷序阻抗影響。

一種基于零序電壓的配電網單相斷線接地復故障類型診斷系統(tǒng)，包括電壓互感器、調理電路和DSP模塊，其中調理電路將電壓互感器二次側三相電壓以及零序電壓經變送電路、比例放大電路、加法電路調理成DSP模塊的內置A/D轉換器的輸入標準，輸入量為三相電壓和零序電壓。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明有良好的通用性，本發(fā)明適用于各電壓等級的中性點不接地或經消弧線圈接地配電網，且偏移角度特性不受電壓等級影響；

(2)本發(fā)明有良好的適應性，本發(fā)明抗過渡電阻能力強，根據仿真結果，對于小電流接地系統(tǒng)過渡電阻阻值小于10千歐的單相斷線接地復故障能得到可靠的判斷結果；

(3)本發(fā)明有良好的實用性，本發(fā)明僅僅通過采集母線三相電壓和零序電壓即可通過計算得到結果，硬件改造簡單，也可對故障錄波器內數據進行處理并計算出結果。

附圖說明

圖1(a)為中性點不接地系統(tǒng)單相斷線加電源側經過渡電阻接地復故障系統(tǒng)簡化圖；

圖1(b)為中性點不接地系統(tǒng)單相斷線加負荷側經過渡電阻接地復故障系統(tǒng)簡化圖；

圖2(a)為中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)單相斷線加電源側經過渡電阻接地復故障系統(tǒng)簡化圖；

圖2(b)為中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)單相斷線加負荷側經過渡電阻接地復故障系統(tǒng)簡化圖；

圖3為中性點不接地系統(tǒng)單相斷線加電源側接地復故障復合序網；

圖4為中性點不接地系統(tǒng)單相斷線加負荷側接地復故障復合序網；

圖5為中性點不接地系統(tǒng)單相斷線加電源側接地復故障零序電壓變化相量圖；

圖6為中性點不接地系統(tǒng)單相斷線加負荷側接地復故障零序電壓變化相量圖；

圖7為中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)單相斷線加電源側接地復故障復合序網；

圖8為中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)單相斷線加負荷側接地復故障復合序網；

圖9為中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)單相斷線加電源側接地復故障零序電壓變化相量圖；

圖10為中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)單相斷線加負荷側接地復故障零序電壓變化相量圖；

圖11(a)為中性點不接地系統(tǒng)單相斷線接地復故障零序電壓變化相量對比圖；

圖11(b)為中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)單相斷線接地復故障零序電壓變化相量對比圖；

圖12為三相異步電動機阻抗與轉差率s關系曲線圖；

圖13為故障前相電壓與故障后穩(wěn)態(tài)零序電壓相位角比較原理圖

圖14為小電流接地系統(tǒng)單相斷線接地復故障類型的診斷流程圖；

圖15為實現裝置結構示意圖；

圖16為DSP模塊功能框圖；

圖17(a)為中性點不接地系統(tǒng)PSCAD仿真模型；

圖17(b)為中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)PSCAD仿真模型；

圖18為仿真結果圖。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相斷線接地復故障時的系統(tǒng)簡化圖如附圖1(a)(b)、附圖2(a)(b)所示。

理論推導：

1)中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生A相斷線加電源側接地故障時，邊界條件為：

即對稱分量邊界條件為：

復合序網如附圖3所示，可得相電流各序分量為：

電壓零序分量為：

2)中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生A相斷線加負荷側接地故障時，邊界條件及其對稱分量為：

斷線點：

接地點：

復合序網如附圖4所示，保護安裝處故障相電流的各序分量分別為：

保護安裝處電壓各序分量為：

其中，

斷線點處的電壓各序分量為：

接地點處電壓的正序、負序分量為：

由式(11)式(12)式(13)求得保護安裝處電壓的零序分量為：

若負荷序阻抗Z_H1＝Z_H2,化簡式(14)得：

注：式(4)與式(15)中，為A相故障前相電壓,C₀為電網每相對地電容，ω為電網角頻率，R_g為接地點過渡電阻,相位偏移角度θ₁＝arctan(-3ωR_gC₀)，則當R_g由0→∞時θ₁由0°→90°。零序電壓變化相量圖如附圖5、附圖6所示。

3)中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)(過補償)發(fā)生A相斷線加電源側接地故障時，邊界條件同式(1)式(2)，復合序網如附圖7所示。消弧線圈為過補償，即單相接地短路故障時產生感性電流，可將零序網絡并聯(lián)支路等效為一電感L_q。

相電流各序分量為：

電壓零序分量為：

4)中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)(過補償)發(fā)生A相斷線加負荷側接地故障時,邊界條件同式(5)式(6)式(7)式(8)，復合序網如附圖8所示,過補償等效電感L_q。

保護安裝處故障相電流的各序分量分別為：

保護安裝處電壓各序分量為：

其中，

斷線點處的電壓各序分量為：

接地點處電壓的正序、負序分量為：

由式(19)(20)(21)(22)求得保護安裝處電壓的零序分量為：

假設系統(tǒng)負荷序阻抗Z_H1＝Z_H2，化簡式(23)得：

注：式(17)式(24)中，為A相故障前相電壓,，L_q為過補償等效電感，ω為電網角頻率，R_g為接地點過渡電阻，相位偏移角度則當R_g由0→∞時θ₂由0°→90°。零序電壓變化相量圖如附圖9、附圖10所示。

中性點不接地系統(tǒng)與中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相斷線接地復故障時零序電壓變化對比圖如附圖11(a)(b)所示，其中下標S表示接地點在電源側，下標L表示接地點在負荷側，當Rg由零趨于無窮的過程中，零序電壓沿虛線方向變化。從對比圖中可以明顯看出各種故障相量差別明顯，可以顯著區(qū)分單相斷線接地復故障類型，靈敏度較高。

單相斷線接地復故障類型診斷判據

根據附圖11所示斷線接地復故障時零序電壓相位的變化特征，單相斷線接地復故障類型診斷判據如下：

(1)中性點不接地系統(tǒng)，斷線接地復故障，接地點在負荷側

(2)中性點不接地系統(tǒng)，斷線接地復故障，接地點在電源側

(3)消弧線圈接地系統(tǒng)，斷線接地復故障，接地點在負荷側

(4)消弧線圈接地系統(tǒng)，斷線接地復故障，接地點在電源側

負荷序阻抗分析：

由于負荷側接地時負荷的序阻抗會對零序電壓幅值和相位產生影響，所以需要分析系統(tǒng)缺相時不同性質負荷序阻抗特點：非動力負荷為對稱靜止元件，正序阻抗與負序阻抗相等；動力負荷大多為三相異步電動機，其正序阻抗由轉差率S確定，負序阻抗由2-S確定，由于斷線后電機缺相運行且負序電流產生制動轉矩，電機轉速迅速下降甚至燒毀，序阻抗變化曲線圖如附圖12所示，其中X_ms、R_ms是異步電動機轉差為S時的電抗與電阻，X_mN、R_mN為異步電動機額定運行情況下的電抗及電阻。從圖中得到結論為當系統(tǒng)發(fā)生斷線故障后，負荷序阻抗均可視為正序阻抗與負序阻抗基本相等。

相位比較算法：

由于小電流接地系統(tǒng)斷線接地復故障對保護動作的快速性沒有嚴格的要求，故本發(fā)明取用故障發(fā)生后的穩(wěn)態(tài)數據。充分利用FFT(快速傅里葉變換)對基波(50Hz)的高分辨率，其中采樣頻率應符合Nyquist采樣定律，為了避免混疊效應，應使用低通抗混疊濾波器對原始數據進行處理。

將發(fā)生斷線時刻前10個周波和故障時刻后10-20個周波的各相電壓采樣數據進行緩存，用于計算相位差的基準函數為開始于所存儲采樣數據的初始時刻，經FFT與對稱分量算法計算得到故障前相電壓與故障后零序電壓的相位與基準函數的之間的相位差關系作為判斷依據。相位角比較原理圖如附圖13所示。

為實現上述目的，本發(fā)明提出的對小電流接地系統(tǒng)單相斷線接地復故障類型的診斷流程如附圖14所示,解釋如下：

首先確定系統(tǒng)接地方式，即根據判據確定當前接地方式在不同情況下發(fā)生單相斷線接地復故障時零序電壓的變化規(guī)律與范圍。然后設定零序電壓的啟動值，由于線路發(fā)生斷線不接地故障時會產生零序偏移電壓，雖然此電壓較小且不會引起開口三角行電壓互感器發(fā)出接地信號，但是為了區(qū)別斷線與斷線接地故障，也為了保證在過渡電阻過大、接地特征不明顯時判據的準確性，零序電壓的啟動值應按躲過路斷線不接地時的最大零序偏移電壓整定。最后依次做兩個判斷，首先判斷零序電壓是否超過整定值，其結果確定斷線故障點是否同時發(fā)生隨接地故障，若超過整定值則繼續(xù)判斷零序電壓與故障前故障相電壓的相位關系，即判斷兩者相位差對應判據的哪個范圍，其結果確定斷線故障發(fā)生后接地點位置在斷口的電源側或負荷側。根據這兩個判斷結果可確定單相斷線接地復故障類型。

圖15為本發(fā)明實現裝置結構示意圖，主要由電壓互感器、調理電路和DSP模塊組成。其中調理電路將電壓互感器二次側三相電壓(A、B、C)以及零序電壓(L、N)經變送電路、比例放大電路、加法電路調理成DSP芯片內置A/D轉換器的輸入標準(單極性0-3.3V)，輸入量為三相電壓和零序電壓DSP芯片采用TI公司C2000系列TMS320LF2407芯片，DSP模塊功能框圖如附圖16所示，由內置10位A/D轉換器、輸入輸出接口、通信接口、數據存儲器、人機界面和本地I/O設備組成。

分析結果：

線路發(fā)生單相斷線故障后，電源側零序電壓變化不明顯；

線路發(fā)生單相斷線加電源側接地后，根據判據內容，零序電壓與故障前故障相相電壓的相位差屬于電源側接地的范圍，零序電壓幅值和相位受中性點接地方式及過渡電阻影響；

線路發(fā)生單相斷線加負荷側接地后，根據判據內容，零序電壓與故障前故障相相電壓的相位差屬于負荷側接地的范圍，零序電壓幅值和相位受中性點接地方式、過渡電阻影響及負荷序阻抗影響。

最后總結分析結果：中性點接地方式影響零序電壓相位偏移的極性，過渡電阻大小影響零序電壓偏移角度和幅值的大小，從而提出一種基于零序電壓幅值和相位的配電網單相斷線接地復故障類型診斷方法。

以PSCAD/EMTDC作為仿真例，采用附圖17(a)(b)所示的10kV配電系統(tǒng)仿真模型，負荷類型以恒功率負載2.5MW+0.2Mvar作為綜合性負荷，接地方式分別以中性點不接地和中性點經消弧線圈接地(過補償)進行仿真驗證。仿真系統(tǒng)在t＝0.4s時L1線路A相發(fā)生斷線故障以及在不同過渡電阻下的斷線加電源側接地、斷線加負荷側接地故障，仿真結果如圖18所示，

解釋如下：

中性點不接地系統(tǒng)故障發(fā)生前A相相電壓幅值為5.77kV；

中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生斷線故障時，三倍零序電壓偏移量為2.77kV；

中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生A相斷線加電源側金屬性接地(Rg＝0)時3U₀＝17.3kV，調節(jié)過渡電阻至Rg＝10kΩ時，3U0＝10.0kV，可見，與式(26)判據一致。

中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生A相斷線加負荷側金屬性接地(Rg＝0)時3U₀＝8.72kV，調節(jié)過渡電阻至Rg＝10kΩ時，3U₀＝5.05kV，可見，與式(25)判據一致。

中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)故障發(fā)生前A相相電壓幅值為5.77kV；

中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生斷線故障時，三倍零序電壓偏移量為2.77kV；

中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生A相斷線加電源側金屬性接地(Rg＝0)時3U₀＝17.30kV，調節(jié)過渡電阻至Rg＝10kΩ時，3U0＝15.34kV，可見，與式(28)判據一致。

中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生A相斷線加負荷側金屬性接地(Rg＝0)時3U₀＝8.62kV，調節(jié)過渡電阻至Rg＝10kΩ時，3U₀＝7.70kV，可見，與式(27)判據一致。

由仿真分析可得，基于零序電壓幅值和相位的小電流接地系統(tǒng)單相斷線接地復故障類型診斷方法是切實有效的。尤其在金屬性接地故障中判據最大。當有接地電阻影響時，上述不同情況會產生不同的相位偏移，且規(guī)律明顯，抗過渡電阻能力強，與理論分析一致。

上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。