專利名稱：兩相ta配電網單相接地故障選線的方法
技術領域：
本發明涉及配電網繼電保護領域，特別涉及兩相TA配電網單相接地故障選線的方法。
技術背景我國66KV及以下電壓等級的配電網中，大多只安裝A、 C兩相電流互感器， 采用中性點不接地方式或中性點經消弧線圈接地方式。電網故障的80%左右為單相接地故 障，目前采用的選線方法[1"]，除注入信號跟蹤法[2]外都是利用零序電流實現的。如何利 用兩相TA配電網的A、 C相電流進行接地選線的研究工作還較少。文獻[4]提出了基于A、 C兩相電流行波的選線方法。但是，利用行波對硬件的要求高、投資大，影響了其在實際 電網中的應用。因此，需要研究性能更佳具有廣闊的應用前景和實用價值的兩相TA配電 網單相接地故障選線的新方法。發明內容本發明針對現有技術的缺陷，提出了一種利用A、 C兩相電流實現兩相TA配電網單 相接地故障選線的方法。本發明采用如下的技術方案一種兩相TA配電網單相接地故障選線的方法，包括下列步驟(1) 實時采集TA配電網的母線電壓和各條線路A、 C兩相的電流值，對采集到的各相 電壓進行有效值計算，并與整定值進行比較；(2) 如果B相電壓小于整定值，則判斷B相接地故障，并利用如下方法選線 2.6對于各條線路的A、 C兩相，分別求得故障前后的突變量A/。和A/。；再由公式~ =k(A/。+A。求出各條線路的特征模量，式中，k為常數，A/。——A相電流突 變量，——C相電流突變量； 2.7對所得到的各個線路的特征模量分別進行小波包分解，并對(4， 15)頻段中的信 號進行重構；2.8對各條線路的重構信號求極值，并對極值依次標號；2.9若某條線路的第j個極值是極大值，則記其符號為正，極小值則記為負；依次比 較每條線路與其它線路對應標號的極值符號，相異時給各自線路的計數器加1;2. 10 計數器值最大的線路判為故障線路；(3) 如果A或C相電壓小于整定值，則判斷是A或C相接地，利用如下方法選線。3. 1如果判斷出是A相接地，則任意線路/的B相電流由公式 90° +2")/二 -2/;6.構造，即由本線路C相電流/,c(o和本線路A、 C相負荷電流A和A來構造；如果判斷出是C相接地，B相電流由式 4(,)=乙(0-(V^力9。。 -2"2化.-2/二構造'即由本線路A相電流乙(,)和本線路A、 C相負荷電流乜和A來構造； 3. 2將構造出的B相電流與A、 C兩相TA的輸出電流相加得到各條線路的零序電流； 3. 3對各個線路故障前后各一周的零序電流分別進行db小波包分解，得到各個子頻段的分解系數；按公式e二Z[^力(w)]2計算各個子頻段的能量，其中最大者就是能量最集中的頻段，稱為特征頻段，式中"力(w)為小波包分解第(j;"子頻段 下的系數；3.4選取每條線路的特征頻段進行信號重構；3. 5將每條線路重構信號中零序電流瞬時值都與其它線路對應瞬時值進行符號比 較，如果與其它線路不同則給計數器加l，并給每條線路設一總出口計數器，對 各個特征頻段下的計數器賦予根據特征頻段占各條線路能量比來確定的權值；3. 6總出口計數器最大者對應的線路判為故障線路。上述的兩相TA配電網B相接地故障選線的方法，公式~= k(A/。+A/"中的常數k 最好取為10.上述的選線方法，在步驟3. 3中最好采用db小波對各線路故障前后各一周的零序電 流進行四層分解，利用零序的暫態特征選線。本發明針對我國普遍存在的兩相TA配電網，提出B相接地時，利用小波包重構算法 對A和C相突變電流之和進行分析后選線，充分利用了故障后各條線路A、 C兩相電流的 暫態特征，選線的成功率高，具有很高的準確性和可靠性，可以準確選出接地故障線路。 A相或C相接地時，利用構造出的零序電流的暫態特征進行選線，具有很高的準確性和可 靠性。本發明為兩相TA配電網單相接地選線開辟了新思路，無論中性點有無消弧線圈、 故障點接地方式如何以及負荷電流是否完全對稱，選線方法都有效。
圖l: B相接地故障選線步驟及判據；圖2中性點經消弧線圈接地系統A相接地故障，圖2 (a)等值接線圖；圖2 (b)故障附加狀態復頻域算子等值電路圖；圖3 A相或C相接地故障選線步驟及判據；圖4兩相TA配電網單相接地故障選線流程圖。
具體實施方式
本發明將兩相TA配電網的單相接地故障選線問題分成兩部分解決。A相或C相接地 時，因為從安裝好的A、 C兩相TA的其中一個中能得到故障相的暫態電流數據，所以考 慮用A、 C兩相電流先構造出B相電流，進而合成較精確的、能用于選線的零序電流，依 據零序電流的暫態特征實現選線。而B相接地時，由于該相未裝TA，無法獲得故障B相 的暫態電流，不能構造出反應故障暫態特征的零序電流，因此，需研究單獨的選線方法。 考慮到B相接地后，A、 C兩相電流與各自故障前一周的電流之差即突變量是故障后產生 的暫態分量。利用它進行選線，有很強的針對性，本發明提出了 B相接地時利用兩相突 變電流之和的暫態特征進行選線的方法。在此基礎上，形成了一套兩相TA配電網單相接 地故障的新選線方法。下面首先闡述本發明的單相接地故障選線原理，之后詳細說明如果實施本發明的選 線方法。1. B相接地故障的選線原理試驗研究表明B相發生接地時，各條線路的非故障相會產生短時的高頻突變電流， 這些電流的幅值與線路的參數和接地過渡電阻有關；且故障線路與非故障線路的A、 C相 暫態電流的高頻分量變化趨勢具有相位相反的特點。利用此特點，可解決B相接地的選 線問題。為此，特別構造一個新的特征模量-z; = 10(A/a+Aic) (1)式中， △/。——A相電流突變量；——C相電流突變量。對特征量〃進行4層db小波包分解與重構，采樣頻率取6000kHz;在對(4， 15)頻 段(2812. 5 3000Hz)中的重構信號進行分析可知，兩相TA配電網發生B相接地故障時， 故障線路和非故障線路特征模量的重構信號具有以下特征1) 故障線路與非故障線路在波形的變化趨勢上相反，因此故障線路的極大值對應非 故障線路的極小值；2) 無論接地發生在電壓過零時刻還是過峰值時刻，各線路特征模量的小波包重構系 數具有相同的特征；3) 特征模量的極值大小受過渡電阻的影響，但變化趨勢不受影響；4) 同樣的接地條件下，故障線路的特征模量極值比對應的非故障線路的極值的絕對 值要大。基于/,的上述特征，用圖1所示選線流程實現兩相TA配電網B相接地的故障選線。 2. A或C相接地故障的選線原理
對稱分量法不僅可以用來進行不對稱短路的穩態計算，也可以用來作暫態計算，且二 者計算過程具有相似形。區別是穩態計算是在時域下進行的，而暫態計算需在復頻域下 用拉普拉斯變換的相函數進行。利用疊加原理，將中性點非直接接地配電網發生單相接地故障網絡分解為正常運行 網絡和具有零起始條件的故障附加狀態網絡。(一)故障附加狀態網絡的計算決定暫態過程的是附加狀態網絡，以圖2 (a)所示的中性點經消弧線圈接地電網單 相接地故障為例，A相f點經過渡電阻接地故障的邊界條件為-故障f點A相電壓相量的相函數； -故障f點對地電流相量的相函數；式中，—八W —、W、 /,，w——故障f點B、 C相對地電流相量的相函數。 '用對稱分量法將故障f點不對稱的三相電壓、三相對地電流分別分解為正序、負序及 零序三組對稱分量，則式(2)整理可得ji》)=/》)=/》)=w/3 (3)if),, (。 + C^2(力+ C^。(力式中，人,w、 /力)、乙W為故障f點A相對地電流對稱分量相量的相函數；《,w、 《。W為故障f點A相電壓對稱分量相量的相函數。設A相故障前瞬間電壓用力)《sin一 + W表示，據邊界條件(3)作出的故障附加狀態的復頻域下算子等值序網如圖2 (b)所示。圖2中，L為消弧線圈電感；用c,表示線路/各相對地等效電容，則c-gc,，"是線路的總條數；^為接地過渡電阻；<、^和《分別為正、負和零序網的等效阻抗。 由序網圖2 (b)可得^,w"w-L, ④ 1《刺=-4(御根據對稱分量法，故障f點B、 C兩相電壓為^ W ="化,w+"《:w+《。W (5) & w = 《,W+"化2 w+夂。w在忽略正、負和零序電流在線路電感上產生壓降的情況下，母線B、 C相電壓《w、《w分別也等于以上(5)式，且t>BW-《.(s)=(y (6)系統中正、負序等效阻抗 和^相等，將式(4)代入式(6)中，化簡得《Cj) - t>cCs) = ( 2 -a)力Cs) (7)斯反變換，并取虛部相等，則ws (,) - wr (/) = V^￡m si傘+ " 90。 ) (8)由于故障后流經任意線路，的B、 C相對地電容電流可分別用下式表達 CW=c，， "')",？ (9)而,,:(,)—,,:.w=c ，將式(8)代入可得(:")-C W = V^饑A cos(紐+ p - 90°) (10)根據A相故障前瞬間電壓,可以得到流經任意線路，的A相故障前瞬間對地電容電流':('-)為':(0 = c,"^ = <yc,￡,,cos((y"(z>) (11)對比(io)和(ii)式，可以得出以下關系式/:(,)"'rw+VJe- ;:(o (12) 公式(12)表明A相f點發生接地故障時，任意線路z的B相暫態電容電流/:w可由本線路c相暫態電容電流/,:w與故障前瞬間a相對地電容電流/:(0合成。且由于&o為基波 穩態電流，故b、 c相暫態電容電流具有相同的暫態過程。上述計算是以f點經過渡電阻《,發生單相接地的等值網絡為基礎進行推導的，i ,僅參與等值序網圖2 (b)的制定，但是在公式(4) (12)的計算過程中，只涉及序網端口的電 流和電壓，與A無關。因此，即使是在電弧接地的情況下，w,是時間的函數，也不影響 式(4)~ (12)的正確性，這說明無論短路點是通過電弧接地、電阻接地還是直接地點，式 (12)均成立。(二)正常運行網絡的計算正常運行狀態下，設流經任意線路,的A、 B、 C相負荷電流分別為^、 4、 在中性點非直接接地配電網中，考慮三相負荷電流的不完全對稱性，用對稱分量法可將其分 解為正序分量和負序分量，表達式如下7" - Li +,'S";+^="2K (13) 式中， ——三相負荷電流的正序分量；——三相負荷電流的負序分量。 且序分量滿足如下關系式t-^,^-'"二， (14)由式(16)求解A相負荷電流的負序分量，得4-d化-4) (15) (三)故障電流的合成中性點經消弧線圈接地電網發生a相接地故障后，流經任意線路，的b、 c相故障電流 分別為<formula>formula see original document page 8</formula> (16)將式(12)、 (13)、 (14)、 (15)代入，得<formula>formula see original document page 8</formula>
所以 <formula>formula see original document page 8</formula>) (17)上式中的/二 + /二 )是流經任意線路/的a相負荷電流和故障前瞬間a相對地電容電 流的和，由于正常運行狀態下相對地電容電流相比負荷電流要小的多，故/二(l)可忽略不計。則式(17)可寫為<formula>formula see original document page 8</formula> (18)上述推導過程雖然是以中性點經消弧線圈接地電網為基礎的，但各相電流的求取與中 性點接與不接消弧線圈無關，故式(18)對于中性點非直接接地系統發生a相接地故障也 成立。同理，對于中性點非直接接地系統，b相發生接地故障時，各相電流間滿足如下關系<formula>formula see original document page 8</formula> (19)式中，乙(O——故障后流經任意線路/的A相故障電流； 而C相發生接地故障時，下式成立<formula>formula see original document page 8</formula> (20) 由上述推導過程及式(18)、 (19)、 (20)可以得出以下結論(1) 中性點非直接接地系統發生單相接地故障后，各條線路的兩個非故障相電流具 有相同的暫態過程。(2) 在中性點非直接接地系統中，無論中性點有無消弧線圈、故障點接地點方式如 何、負荷電流是否完全對稱，式(1S)、 (19)、 (20)均成立。因此，本發明提出利用a、 c相電流構造故障后B相電流，進而得到較精確的暫態零 序電流的具體過程如下(1) 根據母線電壓互感器二次側的三個相電壓幅值大小來判斷是哪一相發生了接地 故障。(2) 如果判斷出是A相接地，則任意線路/的B相電流由公式(18)構造，即由本線路 C相電流和本線路A、 C相負荷電流來構造。 '(3) 如果判斷出是C相接地，B相電流由式(20)構造，即由本線路A相電流和本線路 A、 C相負荷電流來構造。
(4)利用構造出的B相電流和實際A、 C相采樣電流，合成流經各條線路比較精確的
暫態零序電流。
現有的微機硬件平臺，對采樣值進行周期延拓、平移、幅值調整以及采樣值的累加
是很容易實現的。式(18)、 (20)中A、 C相負荷電流可以通過故障前采樣電流平移得到， 而故障前瞬間A相(或C相)電流則可通過周期延拓來實現，所以上述構造過程在裝置 應用上可行。
構造出零序電流后，利用文獻[6]的零序電流暫態特征實現故障選線的原理，圖3給 出了 A相或C相接地故障的選線流程。
3.利用A、 C兩相電流實現兩相TA配電網單相接地故障的選線流程
由上述內容形成的一整套兩相TA配電網單相接地故障選線新方案的流程如圖4所 示。現將最佳實施方案描述如下
選線裝置實時對母線電壓和各條線路的零序電流進行采集。對采集到的各相 電壓進行有效值計算，并不斷與整定值進行比較。
1、 一旦B相電壓小于整定值，則說明是B相接地，利用如下流程選線。
1、 1用A、C兩相故障后一周的電流與各自故障前一周的電流相減，得到突變量；
再由公式(1)求出特征模量； 1、 2對特征模量進行小波包四層分解；
1、 3對(4， 15)頻段中的信號進行重構；
1、 4對各條線路的重構信號求極值，并對極值依次標號；
1、 5若第n條線路的第j個極值是極大值，則記其符號為正，極小值則記為負； 1、 6依次比較n條線路對應標號的極值符號，相異時給各自線路的計數器加l;
1、 7計數器最大的線路判為故障線路。
2、 一旦A或C相電壓小于整定值，則說明是A或C相接地，利用如下流程選線。
2、 1如果判斷出是A相接地，則任意線路z'的B相電流由公式(18)構造，即由
本線路C相電流和本線路A、 C相負荷電流來構造；如果判斷出是C相接 地，B相電流由式(20)構造，即由本線路A相電流和本線路A、 C相負荷 電流來構造；
2、 2將構造出的B相電流與A、C兩相TA的輸出電流相加得到各條線路的零序
電流；
2、 3用db小波對各線路故障前后各一周的零序電流進行四層分解，
得到各個子頻段的分解系數，按公式e=z[w"oo]2計算各個子頻段
的能量，其中最大者就是能量最集中的頻段，稱為特征頻段。式中
^力(")為小波包分解第(J;A)子頻段下的系數；
2、 4選取每條線路的特征頻段即能量最集中的頻段進行信號重構； 2、 5各線路重構信號中零序電流瞬時值都與其它線路對應瞬時值進行符號比 較，如果與其它線路不同則給計數器加l，并給,條線路設一總出口計數 器，對各個頻段下的計數器賦予根據特征頻段占4條線路能量比來確定的 權值；
2、 6總出口計數器最大者對應的線路判為故障線路。 參考文獻
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1.一種兩相TA配電網單相接地故障選線的方法，包括下列步驟(1)實時采集TA配電網的母線電壓和各條線路A、C兩相的電流值，對采集到的各相電壓進行有效值計算，并與整定值進行比較；(2)如果B相電壓小于整定值，則判斷B相接地故障，并利用如下方法選線2.1對于各條線路的A、C兩相，分別求得故障前后的突變量Δia和Δic；再由公式ir＝k(Δia+Δic)求出各條線路的特征模量，式中，k為常數，Δia——A相電流突變量，Δic——C相電流突變量；2.2對所得到的各個線路的特征模量分別進行小波包分解，并對(4，15)頻段中的信號進行重構；2.3對各條線路的重構信號求極值，并對極值依次標號；2.4若某條線路的第j個極值是極大值，則記其符號為正，極小值則記為負；依次比較每條線路與其它線路對應標號的極值符號，相異時給各自線路的計數器加1；2.5計數器值最大的線路判為故障線路；(3)如果A或C相電壓小于整定值，則判斷是A或C相接地，利用如下方法選線。3.1如果判斷出是A相接地，則任意線路i的B相電流由公式構造，即由本線路C相電流和本線路A、C相負荷電流和來構造；如果判斷出是C相接地，B相電流由式構造，即由本線路A相電流和本線路A、C相負荷電流和來構造；3.2將構造出的B相電流與A、C兩相TA的輸出電流相加得到各條線路的零序電流；3.3對各個線路故障前后各一周的零序電流分別進行db小波包分解，得到各個子頻段的分解系數；按公式<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>ϵ</mi><mo>=</mo><munder> <mi>Σ</mi> <mi>n</mi></munder><msup> <mrow><mo>[</mo><msubsup> <mi>ω</mi> <mi>k</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0010" file="A2007100598290002C10.gif" wi="121" he="37" img-content="drawing" img-format="tif"/-->計算各個子頻段的能量，其中最大者就是能量最集中的頻段，稱為特征頻段，式中ωk(J)(n)為小波包分解第(j，k)子頻段下的系數；3.4選取每條線路的特征頻段進行信號重構；3.5將每條線路重構信號中零序電流瞬時值都與其它線路對應瞬時值進行符號比較，如果與其它線路不同則給計數器加1，并給每條線路設一總出口計數器，對各個特征頻段下的計數器賦予根據特征頻段占各條線路能量比來確定的權值；3.6總出口計數器最大者對應的線路判為故障線路。
2. 1對于各條線路的A、 C兩相，分別求得故障前后的突變量^。和A(;再由公式/,=k(A/。+A/"求出各條線路的特征模量，式中，k為常數，△/。——A相電流突變量，——C相電流突變量；2.2對所得到的各個線路的特征模量分別進行小波包分解，并對(4， 15)頻段中的信 號進行重構；2. 3對各條線路的重構信號求極值，并對極值依次標號；2. 4若某條線路的第j個極值是極大值，則記其符號為正，極小值則記為負；依次比 較每條線路與其它線路對應標號的極值符號，相異時給各自線路的計數器加1;2. 5計數器值最大的線路判為故障線路；(3) 如果A或C相電壓小于整定值，則判斷是A或C相接地，利用如下方法選線。 3.1如果判斷出是A相接地，則任意線路/的B相電流乙(O由公式厶0) = 4 0) + (V^—, + 2 )/二 - 2/;c 構造，即由本線路C相電流/,c (0和本線路A、 C相負荷電流A和A來構造；如果判斷出是C相接地，B相電流由式 ^W = i"0)-(V^-,° -2"2)/;. -2/二構造，即由本線路A相電流乙( )和本線路A、 C相負荷電流A和A來構造；3. 2將構造出的B相電流與A、 C兩相TA的輸出電流相加得到各條線路的零序電流； 3. 3對各個線路故障前后各一周的零序電流分別進行db小波包分解，得到各個子頻段的分解系數；按公式f:Z[^力(")]2計算各個子頻段的能量，其中最大者就是能量最集中的頻段，稱為特征頻段，式中^"(")為小波包分解第(J;A)子頻段 下的系數；3.4選取每條線路的特征頻段進行信號重構;3. 5將每條線路重構信號中零序電流瞬時值都與其它線路對應瞬時值進行符號比較， 如果與其它線路不同則給計數器加1，并給每條線路設一總出口計數器，對各個 特征頻段下的計數器賦予根據特征頻段占各條線路能量比來確定的權值；3. 6總出口計數器最大者對應的線路判為故障線路。2. 根據權利要求1所述的兩相TA配電網B相接地故障選線的方法，其特征在于公式/y = k(A/。+A/》中的常數k取為10。
3. 根據權利要求1所述的兩相TA配電網A相或C相接地故障選線的方法，其特征在于 步驟3. 3中采用db小波對各線路故障前后各一周的零序電流進行四層分解，利用零 序的暫態特征選線。
全文摘要
本發明涉及配電網繼電保護領域，特別涉及一種兩相TA配電網單相接地故障選線的方法。本發明針對我國普遍存在的兩相TA配電網，提出B相接地時，利用小波包重構算法對A和C相突變電流之和進行分析后選線，充分利用了故障后各條線路A、C兩相電流的暫態特征，選線的成功率高，具有很高的準確性和可靠性，可以準確選出接地故障線路。
文檔編號H02H7/26GK101154806SQ200710059829
公開日2008年4月2日 申請日期2007年10月11日 優先權日2007年10月11日
發明者張艷霞, 廷 方, 靳智強 申請人:天津大學