專利名稱：基于電流分解和無功檢測的諧振接地系統(tǒng)故障選線方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于電流分解和無功檢測的諧振接地系統(tǒng)故障選線方法，屬電力系統(tǒng)保護技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
研究、試驗和運行表明，諧振接地電網(wǎng)的單相接地故障的檢測與保護之所以困難，其主要原因在于故障電流小以及接地點電弧不穩(wěn)定，流過故障線路的穩(wěn)態(tài)電流十分微弱，準(zhǔn)確檢測和整定困難。上世紀(jì)80年代中期至90年代，微機選線裝置應(yīng)用發(fā)展較快，但近十年的應(yīng)用又出現(xiàn)低谷，此亦說明選線問題的復(fù)雜性。然而，諧振接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，故障相電容放電及非故障相電容充電，產(chǎn)生幅值比穩(wěn)態(tài)值大幾倍到幾十倍的暫態(tài)電流，利用暫態(tài)電流進行故障選線，具有靈敏度高、受消弧線圈影響小等優(yōu)點。近幾年，人們特別關(guān)注利用暫態(tài)信號的小電流接地故障保護技術(shù)(參考文獻1-14)。
諧振接地電網(wǎng)，故障電流分布如圖1所示。故障饋線的零序暫態(tài)電流是由全部非故障饋線非故障相的容性暫態(tài)電流(實際是容性穩(wěn)態(tài)、容性衰減高頻和容性衰減直流的總稱)和消弧線圈的暫態(tài)電感電流(實際是感性穩(wěn)態(tài)工頻、感性衰減直流的總稱)所組成(參考文獻15)。當(dāng)接地故障發(fā)生在相電壓經(jīng)過零值的附近，暫態(tài)電感電流達最大值，由故障線路和消弧線圈形成回路而不流過非故障線路，其中的感性衰減直流分量較清晰，故障相的高頻暫態(tài)分量很小。當(dāng)接地故障發(fā)生在相電壓最大值附近時，暫態(tài)電感電流接近為0，暫態(tài)電容電流最大，由非故障線路與故障線路形成回路(參考文獻15)。根據(jù)零序暫態(tài)電流的特點，經(jīng)過有效的處理可以形成選線判據(jù)。參考文獻6開發(fā)出的故障保護與檢測系統(tǒng)，在對利用暫態(tài)信號的小電流接地故障選線技術(shù)的研究上，取得了重大突破。但是基于極性與方向的方法，在CT極性不清楚的老站改造中應(yīng)用并不方便，現(xiàn)場不甚滿意。
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于電流的正交分解計算暫態(tài)無功功率，利用所有非故障線路暫態(tài)無功功率之和與故障線路暫態(tài)無功功率數(shù)值上大約相等的原理，提出新的故障選線自適應(yīng)方法。
本發(fā)明的方法首先將采集到的零序電壓和零序電流通過一個50Hz的數(shù)字陷波器，得到零序電壓、電流的暫態(tài)分量(不包含工頻量)；然后將暫態(tài)零序電流對零序電壓進行正交分解，得到線路的暫態(tài)無功功率；接下來根據(jù)所有健全線路暫態(tài)無功功率之和與故障線路暫態(tài)無功功率之差后獲得最小值的原理，構(gòu)造故障選線的自適應(yīng)方法。
1 電流信號的正交分解和無功檢測無功功率的定義有很多種，本發(fā)明使用暫態(tài)零序故障電流和暫態(tài)零序故障電壓進行電流正交分解，得到無功功率。設(shè)電路兩端的電壓u(ωt)、電流i(ωt)都是任意波形的周期信號，其周期為T，一般均滿足狄里赫利條件，則可對其進行傅立葉分解，分別如式(1)和式(2)所示u(ωt)=au0+Σk=0∞auk(coskωt+buksinkωt)---(1)]]> 式中為電壓與電流的相位差。設(shè)n＝max(k，l)，定義2n+1維函數(shù)空間VV＝span(A)＝span[1，cosωt，sinωt，…，cos nωt，sin nωt]T(3)V是一線性空間。設(shè)x∈V，y∈V，定義內(nèi)積(x,y)=∫0ωtx·ydωt---(4)]]>定義了內(nèi)積的線性空間V可以稱為歐氏空間(Euclid space)，且向量A是歐氏空間的一組基。根據(jù)線性空間理論，可以用施密特(Schmidt)正交方法求歐氏空間V的一組正交基B＝[β0，β1，…，β2n-1，β2n]T(5)式中β0＝u(ωt)。
由于B為歐氏空間V的正交基，故與其線性表示的空間V內(nèi)的任一向量的各分量均兩兩正交。根據(jù)正交向量的性質(zhì)，正交基B中任意兩個元素的內(nèi)積為0。設(shè)電流i(ωt)在正交基B下的坐標(biāo)為KBi＝[m0，m1，…，m2n-1，m2n](6)坐標(biāo)中的各個元素可以由式(12)求得mh=∫0ωTi(ωt)·βh(ωt)dωt∫0ωTβh2(ωt)dωth=0,1,...,2n---(7)]]>將電流i(ωt)在正交基B下表示為
i(ωt)＝m0·u(ωt)+m1·β1+m2·β2+…+m2n·β2n(8)定義ib＝m0·u(ωt)(9)ih＝m1·β1+m2·β2+…+m2n·β2n(10)由于m0是實數(shù)，故ib與u(ωt)的波形形狀相同，相位相同，幅值相差m0倍。故定義電阻性電流分量ib為有功電流分量用ip表示；而ih中的各分量均與電壓u(ωt)正交，故定義與電壓u(ωt)正交的電流分量ih為無功電流分量，用iq表示。
對上述電流分解與定義小結(jié)如下ip＝ib＝m0·u(ωt) (11a)iq＝ih＝m1·β1+m2·β2+…+m2n·β2n(11b)i(ωt)＝ip+iq＝ib+ih(11c)將電路中的瞬時有效功率p與瞬時無效功率q定義為p＝u(ωt)·ip＝m0·u2(ωt) (12a)q＝u(ωt)·iq＝u(ωt)·(m1·β1+m2·β2+…+m2n·β2n)(12b)電路的有功功率和無功功率定義為瞬時功率的有效值P=1ωT∫0ωTpdωt=1ωT∫0ωTm0u2(ωt)dωt---(13a)]]>Q=1ωT∫0ωTqdωt=1ωT∫0ωTiqu(ωt)dωt---(13b)]]>可以證明，本發(fā)明使用的有功功率和無功功率定義的瞬時有效值與傳統(tǒng)的正弦電路功率理論中的功率定義是統(tǒng)一的。
2 故障選線原理及方法在諧振接地電網(wǎng)中，高頻暫態(tài)分量的大小與故障合閘角密切相關(guān)。當(dāng)故障發(fā)生在相電壓接近于最大值附近時，暫態(tài)電容電流較暫態(tài)電感電流大很多，流經(jīng)消弧線圈接地的高頻暫態(tài)電流很小，在故障線路上檢測到的無功功率主要是健全線路等效電容吸收的無功功率之和。因此所有健全線路暫態(tài)無功功率之和與故障線路暫態(tài)無功功率的差值，是一個比較小的值。當(dāng)誤將一條非故障線路認(rèn)為是故障線路時，其暫態(tài)無功功率與其它線路暫態(tài)無功功率之和的差值，會是一個比較大的值。籍此，可以形成選線判據(jù)，由式(14)表達ΔQi=|Σj=1j≠in|Qj|-|Qi||,i=1,2,...,n---(14a)]]>
其中，n為出線總數(shù)。故障出線Lf滿足ΔQf＝min{ΔQi}，i＝1，2，…，n(14b)當(dāng)故障發(fā)生在相電壓過零附近的小故障角情況時，暫態(tài)零序故障電流主要呈感性分量，通路是由接地點經(jīng)故障線路和消弧線圈到地，該情況下，故障線路的衰減直流分量較為明顯，而非故障線路上的衰減直流分量幾乎為0。此時，故障線路上的暫態(tài)無功功率將遠大于其它非故障線路的暫態(tài)無功功率，因此可以進行以下處理在各線路中找出三個最大的暫態(tài)無功功率，并按大小順序排列為Qj、Qk、Qm，若故障線路的暫態(tài)無功功率遠遠大于非故障線路的暫態(tài)無功功率，即滿足|Qj|＞Kq(|Qk|+|Qm|) (15)則線路j為故障線路。式(15)中，Kq為一系數(shù)，取值10。
本方法實現(xiàn)步驟如下(1)啟動故障選線裝置分別使用母線零序電壓瞬時值un(t)大于Ku1Un、母線零序電壓突變量大于Ku2Un、在兩個周波內(nèi)母線零序電壓工頻量變化大于Ku3Un的三種算法完成故障選線裝置的啟動，三種算法中Ku1取值為0.35、Ku2取值為0.1、Ku3取值為0.1，Un表示母線額定電壓；故障選線裝置啟動后，立即記錄下故障前2個周波和故障后5個周波的各出線及母線零序電流和母線零序電壓；(2)對記錄下的母線零序電壓，利用突變量檢測原理確定出單相接地故障發(fā)生時刻tf；(3)計算各線路零序電流的暫態(tài)分量使用可以濾除衰減直流分量的改進傅氏算法計算故障后第3個周波零序電流的基波分量i0b(t)，故障后的零序電流減去i0b(t)就得到零序電流的暫態(tài)分量，它包含高頻暫態(tài)分量和衰減直流分量；(3)使用式Q=1ωT∫0ωTqdωt=1ωT∫0ωTiqu(ωt)dωt]]>計算出各線路零序故障電流形成的無功功率Q的大??；(4)選出這些無功功率Q前三個最大的，并按大小順序排列為Qj、Qk、Qm，根據(jù)式|Qj|＞Kq(|Qk|+|Qm|)進行故障判別，式中Kq取值10；若滿足該式，則線路j為故障線路；不滿足該式則進一步計算Qj是否大于Qk、Qm的和，如果不是，則說明線路Lj、Lk、Lm上的無功功率相差不大，則為母線故障，如果是，則轉(zhuǎn)為對故障出線的判別；(5)利用式ΔQi=|Σj=1j≠in|Qj|-|Qi||,i=1,2,...,n,]]>計算各線路的ΔQi，利用ΔQf＝min{ΔQi}，i＝1，2…，n，選出最小值所在的線路即為故障線路。
本發(fā)明的方法具有能克服負荷、系統(tǒng)不平衡電流、電弧、噪聲干擾的影響，而且在短線故障時，該方法可以克服健全長線電容電流的影響，毋需整定，不涉及極性和方向的判斷，具有自適應(yīng)性。大量的數(shù)字仿真結(jié)果表明，該方法有較好的效果。


圖1為消弧線圈接地電網(wǎng)中單相接地時的電流分布。
圖2為故障選線流程圖。
具體實施例方式本方法將采集到的零序電壓和零序電流通過一個50Hz的數(shù)字陷波器，得到零序電壓、及不包含工頻量的電流的暫態(tài)分量；然后將暫態(tài)零序電流對零序電壓進行正交分解，得到線路的暫態(tài)無功功率；再根據(jù)所有健全線路暫態(tài)無功功率之和與故障線路暫態(tài)無功功率之差后獲得最小值的原理，構(gòu)造故障選線的自適應(yīng)方法；本方法實現(xiàn)步驟如下(1)啟動故障選線裝置分別使用母線零序電壓瞬時值un(t)大于Ku1Un、母線零序電壓突變量大于Ku2Un、在兩個周波內(nèi)母線零序電壓工頻量變化大于Ku3Un的三種算法完成故障選線裝置的啟動，三種算法中Ku1取值為0.35、Ku2取值為0.1、Ku3取值為0.1，Un表示母線額定電壓；故障選線裝置啟動后，立即記錄下故障前2個周波和故障后5個周波的各出線及母線零序電流和母線零序電壓；(2)對記錄下的母線零序電壓，利用突變量檢測原理確定出單相接地故障發(fā)生時刻tf；(3)計算各線路零序電流的暫態(tài)分量使用可以濾除衰減直流分量的改進傅氏算法計算故障后第3個周波零序電流的基波分量i0b(t)，故障后的零序電流減去i0b(t)就得到零序電流的暫態(tài)分量，它包含高頻暫態(tài)分量和衰減直流分量；(3)使用式Q=1ωT∫0ωTqdωt=1ωT∫0ωTiqu(ωt)dωt]]>計算出各線路零序故障電流形成的無功功率Q的大??；(4)選出這些無功功率Q前三個最大的，并按大小順序排列為Qj、Qk、Qm，根據(jù)式|Qj|＞Kq(|Qk|+|Qm|)進行故障判別，式中Kq取值10；若滿足該式，則線路j為故障線路；不滿足該式則進一步計算Qj是否大于Qk、Qm的和，如果不是，則說明線路Lj、Lk、Lm上的無功功率相差不大，則為母線故障，如果是，則轉(zhuǎn)為對故障出線的判別；(5)利用式ΔQi=|Σj=1j≠in|Qj|-|Qi||,i=1,2,...,n,]]>計算各線路的ΔQi，利用ΔQf＝min{ΔQi}，i＝1，2，…，n，選出最小值所在的線路即為故障線路。
發(fā)明人采用上述方法在多個單位實施，大量的數(shù)字仿真結(jié)果表明，該方法有較好的效果。
權(quán)利要求
1.一種基于電流分解和無功檢測的諧振接地系統(tǒng)故障選線方法，其特征在于本方法將采集到的零序電壓和零序電流通過一個50Hz的數(shù)字陷波器，得到零序電壓、及不包含工頻量的電流的暫態(tài)分量；然后將暫態(tài)零序電流對零序電壓進行正交分解，得到線路的暫態(tài)無功功率；再根據(jù)所有健全線路暫態(tài)無功功率之和與故障線路暫態(tài)無功功率之差后獲得最小值的原理，構(gòu)造故障選線的自適應(yīng)方法；本方法實現(xiàn)步驟如下(1)啟動故障選線裝置分別使用母線零序電壓瞬時值un(t)大于Ku1Un、母線零序電壓突變量大于Ku2Un、在兩個周波內(nèi)母線零序電壓工頻量變化大于Ku3Un的三種算法完成故障選線裝置的啟動，三種算法中Ku1取值為0.35、Ku2取值為0.1、Ku3取值為0.1，Un表示母線額定電壓；故障選線裝置啟動后，立即記錄下故障前2個周波和故障后5個周波的各出線及母線零序電流和母線零序電壓；(2)對記錄下的母線零序電壓，利用突變量檢測原理確定出單相接地故障發(fā)生時刻tf；(3)計算各線路零序電流的暫態(tài)分量使用可以濾除衰減直流分量的改進傅氏算法計算故障后第3個周波零序電流的基波分量i0b(t)，故障后的零序電流減去i0b(t)就得到零序電流的暫態(tài)分量，它包含高頻暫態(tài)分量和衰減直流分量；(3)使用式Q=1ωT∫0ωTqdωt=1ωT∫0ωTiqu(ωt)dωt]]>計算出各線路零序故障電流形成的無功功率Q的大小；(4)選出這些無功功率Q前三個最大的，并按大小順序排列為Qj、Qk、Qm，根據(jù)式|Qj|＞Kq(|Qk|+|Qm|)進行故障判別，式中Kq取值10；若滿足該式，則線路j為故障線路；不滿足該式則進一步計算Qj是否大于Qk、Qm的和，如果不是，則說明線路Lj、Lk、Lm上的無功功率相差不大，則為母線故障，如果是，則轉(zhuǎn)為對故障出線的判別；(5)利用式ΔQi=|Σj=1j≠in|Qj|-|Qi||,i=1,2,...,n,]]>計算各線路的ΔQi，利用ΔQf＝min{ΔQi}，i＝1，2，…，n，選出最小值所在的線路即為故障線路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于電流分解和無功檢測的諧振接地系統(tǒng)故障選線方法，屬電力系統(tǒng)保護技術(shù)領(lǐng)域。本方法將采集到的零序電壓和零序電流通過一個50Hz的數(shù)字陷波器，得到零序電壓、及不包含工頻量的電流的暫態(tài)分量；然后將暫態(tài)零序電流對零序電壓進行正交分解，得到線路的暫態(tài)無功功率；再根據(jù)所有健全線路暫態(tài)無功功率之和與故障線路暫態(tài)無功功率之差后獲得最小值的原理，構(gòu)造故障選線的自適應(yīng)方法。本發(fā)明的方法具有能克服負荷、系統(tǒng)不平衡電流、電弧、噪聲干擾的影響，而且在短線故障時，該方法可以克服健全長線電容電流的影響，毋需整定，不涉及極性和方向的判斷，具有自適應(yīng)性。大量的數(shù)字仿真結(jié)果表明，該方法有較好的效果。
文檔編號G01R31/02GK1696722SQ20051001083
公開日2005年11月16日 申請日期2005年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月2日
發(fā)明者束洪春, 司大軍, 劉志堅, 唐嵐, 邱革非, 劉娟 申請人:昆明理工大學(xué)