专利名称：基于有源激励微分状态原理的小电流接地保护方法与装置的制作方法
基于有源激励微分状态原理的小电流接地保护方法与装置
发明所属领域
本发明属于电力传输自动化领域，适用于中性点谐振接地方式运行的配电网络。 既可用于变电站出线单一节点多分支式拓扑结构网，也可用于树枝型、链型或环型网，是一种集单相接地故障消弧、故障区段定位与自动保护功能为一体的新方法。
技术背景及其文件
目前世界各国的配电网大都采用中性点不直接接地方式(NUGQ。因其发生单相接地故障时，流过接地点的电流小，所以称其为小电流接地系统。可分为中性点不接地系统 (NUS)、中性点经电阻接地系统(NRS)和中性点经消弧线圈接地系统(NES)。故障时由于三个线电压仍然对称，特别是中性点经消弧线圈接地系统，流过接地点的电流很�。挥跋於愿汉闪┑纾兜缌ο低嘲踩娉獭饭娑ㄈ钥杉绦诵�0. 5 2小时。但小电流接地系统在单相接地时，非故障相电压会升为线电压，长时间带故障运行极易产生弧光接地，引起系统过电压并形成其它相接地故障，从而影响系统的安全。因此，需要一种接地后能选择故障线路，判断故障分区的装置实现故障检测与保护。
国内外针对这一课题进行了近20年的研究开发，提出过相当数量的解决方案，归纳起来，从选取故障识别信号角度可分为利用配电网传输电能的某些成分作为识别信号的 “基波、谐波”方案与向配电网注入特定信号作为识别信号的“注入法”两类方案。前者主要包括“功率方向法”(美国专利6573726)、“暂态法”(中国专利CN101478149A)、“电流方向法”(日本专利P2009-38912A)、“导纳法”(欧洲专利EP1195872A)、“能量法”(《浙江大学学报》自然科学版，1998，7:451 457)等等。后者主要包括“直流注入法”(中国专利 CN101303387A)、“S注入法”(中国专利CN10261304A)、“注入变频信号法”(《中国电机工程学报》，2000，1 29 32. 36)等等。
小电流系统单相接地故障时出现的接地电流是由零序电压施加在线路对地分布电容上形成的。接地电流无法直接测量，只能测量线路上各节点的零序电流与零序电压，分析出接地点位置。零序电压与零序电流是配电网各区段导线对地分布电容、对地绝缘电阻、 导线串联电阻、串联电感、接地点电阻、大地电阻、消弧线圈电感及其Q值、变压器阻抗等诸多电网分布参量的函数，因此零序电流与零序电压受上述各种参量的影响，会出现测不准现象。其主要影响表现在
1.消弧线圈补偿状态由于在欠补偿状态下单相接地故障可能引起电网局部谐振，国家电网公司《10kV 66kV消弧线圈装置运行规范》明确规定消弧线圈运行于过补偿状态，从而使各种“方向法”失效；消弧线圈的存在也会使“直流注入法”失效。
2.接地电阻接地电阻的存在使零序电流减�。档土似涠愿髦指扇诺男旁氡龋� 明显降低识别接地故障的分辨率，尤其会使各种“交流注入法”失效。
3.线路分布电阻、分布电容的损耗电阻、大地电阻这些电阻以分布方式寄生在配电线路上，会影响零序电压、零序电流的相位角，从而影响各种靠“相位角”进行识别的方法。
4.三相分布电容不对称不对称的分布电容会造成附加的零序电压、零序电流，会影响各种靠“电抗性分量”进行识别的方法。
5.随机干扰配电网由操作、放电、电场与电磁感应而产生的随机干扰会影响各种“瞬态法”的可靠性。
由于电网任意一点出现接地故障都会使整个配电网所有节点都出现零序电流与零序电压，现有的各种识别算法如“群体比幅比相法”(电力情报，1994，2 15 19)、“最大 Δ (Isinj)法”(中国电力，1995，7 :16 20)、“基于小波变换算法的基波/谐波识别法”(电力自动化设备，1999,6 8 1)等都需实时比较各个节点的信号幅度、相位、频谱，才有可能估计出故障点位置。这就要求所有检测节点必须物理位置靠近。所以目前各种小电流接地故障保护方案都仅适用于单一节点多分枝拓扑结构的配电网，如变电站出线位置，相应的设备也都被定义为“小电流接地故障选线装置”。对于链型，树枝型，环型等复杂网络，由于检测节点遍布在配电网上，无法实现实时比较，现有的方法都不能适用，目前还只能采用逐路、逐段拉闸断电的方法查找故障点，只是断电检查的方式有手动或自动的差别。
现有的各种技术几乎都没有从原理层面对其抗干扰性能与可靠性进行论述，实践中也都没能摆脱可靠性不足、适用范围狭窄的困扰。小电流接地保护系统的可靠性与适用性成了长期困扰配电领域的技术难题。
发明的目的
本发明针对现有小电流接地故障保护系统可靠性差的现状，把消弧功能与小电流接地故障保护相统一，提供一种新的保护原理，可靠的实现接地故障检测、故障区段定位、 保护方式决策、保护动作实施的一体化解决方案。该方法不受消弧线圈补偿状态的影响，也不受电网拓扑结构的影响；可在较大范围内承受接地电阻值与不对称分布电容的影响；具有较强的抗随机干扰能力并兼顾最佳的消弧效果。保护过程不需经过二次合闸操作，非故障区段用户不承受断电困扰；继电保护信息可送入电网运行调度信息系统，便于更高层次调度决策。
发明的技术方案
本发明由控制设施与检测设施两种基本单元组成
在变电站母线出口位置设置一套 < 控制设施 >，在配电网络每个希望实施分区保护的节点设置 < 检测设施 >。< 控制设施 > 与 < 检测设施 > 实时监测零序电压，零序电压超过相电压30%表示出现单相接地故障，否则表示无单相接地故障。在未发生单相接地故障情况下，控制设施定期设置消弧线圈电感量，使消弧线圈自动适应电网拓扑结构的变化。在发生单相接地故障情况下，控制设施控制 < 调制电抗器 > 的电感量，向电网引入微分激励； 各检测设施采用微分激励测量本区段的微分状态；控制设施与检测设施通过通信系统相互交换信息，实现小电流接地故障分段识别与保护。
控制设施设置消弧线圈运行值的方法是在电网某一相与地之间串联连接一只开关、一只电阻与一只电流互感器；在无故障正常运行状态下，控制设施定期通过操作该开关把电阻接入相线与地之间，形成幅值低于相电压30%的零序电压，并通过电流互感器测量流过该电阻的电流。通过调节消弧线圈电感量，使流过该电阻的电流最�。虼耸钡南∠呷Φ绺辛考次俳绮钩ブ担缓蟀丛诵泄娉坦娑ǖ耐研扯燃扑悴⑸瓒ㄏ∠呷Φ脑诵兄担� 使消弧线圈的设置值自动适应电网拓扑结构的变化。
在消弧线圈上并联连接一只调制电抗器，出现单相接地故障时，控制设施在调制期间分别按 < 设置编码 > 与 < 检测编码 > 控制调制电抗器的电感量，向电网提供有规律的微分激励；通过控制 < 调制度 > 使微分激励对各种随机干扰有充足的信噪比。
调制编码的原则是编码与基准矢量同步，每个工频周波对应为1个bit，调制编码‘1’对应于调制电抗器向趋近临界补偿方向改变电感量，调制编码‘0’对应于调制电抗器向远离临界补偿方向改变电感量，电感量的变化范围由〈调制度〉表征。编码可采用任意二进制组合，< 设置编码 > 应与 < 检测编码 > 能明显区分，使调节 < 调制度 > 与测量 < 微分状态〉操作互不影响。
控制 < 调制度 > 的方法是控制设施采用 < 设置编码 > 调节调制电抗器的电感量并测量零序电压，按编码‘1’时零序电压减编码‘0’时零序电压的差除以编码‘1’时零序电压乘以100%计算调制度；并从零序电压变动中还原出调制编码零序电压幅值变大的周波对应为编码‘1’，零序电压幅值变小的周波对应为编码‘0’，如不能还原出正确的编码， 增加电感量变化范围以提高调制度；如调制度过高时，减小电感量变化范围以减小调制度， 使微分激励能对各种干扰信号有足够的信噪比。
出现单相接地故障时，< 检测设施 > 的工作过程是检测设施以基准矢量作同步信号，测量零序电压与零序电流，并根据零序电压的变化还原出调制编码零序电压幅值变大的周波对应为编码‘1’，零序电压幅值变小的周波对应为编码‘0’。如还原出的调制编码与系统设定的编码不一致，则认定为电网随机干扰，不予响应；如还原出的调制编码与系统设定的编码一致，保留测得的零序电压与零序电流，用以计算本区段的网络微分状态。
微分状态的算法是微分状态的值等于编码‘1’周期的零序电流减编码‘0’周期的零序电流的差除以编码‘1’周期的零序电压减编码‘0’周期的零序电压的差所得的商。 所有计算值都是相对于 < 基准矢量 > 的矢量值。
若某检测节点的微分状态的实部的值小于设定的门限值，则接地故障存在于该检测节点用户侧，该节点属性为接地故障的上游节点。
若某检测节点的微分状态的实部的值不小于设定的门限值，则接地故障存在于该检测节点电源侧，该节点属性为接地故障的下游节点。
介于两个上游节点之间的区段是故障的上游区段。
介于相邻上下游节点之间的区段即是故障区段。
介于两个下游节点之间的区段是非故障区段。
若最末端检测节点是上游节点，该节点所辖区段是故障区段。
若最末端检测节点是下游节点，该节点所辖区段是非故障区段。
若全部节点都是下游节点，则接地点位于变电站内，或中性点偏移是由分布电容不对称造成。
如故障出现在末端区段，检测设施可立即实施保护操作，并向控制设施报告。如故障出现在链型网络中间区段，检测设施把节点属性报告给控制设施，等待控制设施的指令， 实施相应的保护操作。
控制设施在结束调制周期后，通过通信收集电网故障区段的故障属性与负荷信息，报送调度系统，以决策采取局部隔离、倒换供电方式或是带电现场维修等保护方式，然后命令检测设施执行相应操作，以兼顾电网安全与对用户的供电质量。
发明与现有技术的对比优势
现有的各种技术几乎都没有从原理层面对其抗干扰性能与可靠性进行论述，实践中也都没能摆脱可靠性与适用性不足的困扰。本发明的目的就是要针对其可靠性从工作原理与技术手段上有所突破
1.本发明用网络微分状态算法排除了消弧线圈参量，使方本法不受消弧线圈补偿状态的影响。
2.本发明根据检测节点自身的网络微分状态即可确认检测节点与接地故障点之间的位置关系，识别过程不需要与其它节点进行群体实时比较，因此可适用于任意拓扑结构的网络。
3.本发明使配电网对地分布电容归入微分状态虚部，排除了不对称电容对识别接地点的影响。
4.本发明能在接地电阻零至数万欧姆动态范围内可靠地确定检测节点与接地故障点之间的位置关系。
5.本发明通过控制调制度使对配电网施加的微分激励有足够的信噪比，从而避免了小电流系统故障信息太弱造成继电保护不可靠的弊端。
6.本发明用数字编码措施提高了抗拒现场复杂电磁环境瞬态随机干扰的能力。
7.本发明把消弧操作与故障区段识别功能融合入一个系统，兼顾两项功能优势互补。
对附图的说明
本专利说明书共有11张附图，下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
附
图1是分支型谐振接地配电网络单相接地故障电原理图。
附图2是链型谐振接地配电网络单相接地故障电原理图。
附图3是附图1，2中接地电流幅值对应消弧线圈电感量曲线图。
附图4是附图1，2中零序电压对应消弧线圈电感量曲线图。
附图5是针对中性点经消弧线圈接地型配电网的实施方案结构框图。
附图6是针对中性点经高电阻接地型配电网的实施方案结构框图。
附图7是针对中性点不接地型配电网的实施方案结构框图。
附图8是本发明中控制设施电原理框图。
附图9是控制设施的数据处理程序流程图。
附图10是本发明中检测设施电原理框图。
附图11是检测设施的数据处理程序流程图。
本专利的基本原理
现行配电网复杂的网络拓扑结构可分解为两种基本结构类型分支型结构与链型结构。
附图1是分支型结构单相接地故障的电原理图。
图中，，1#是故障区段，CTl是1#区段的零序电流互感器；2#是非故障区段，CT2是 2#区段的零序电流互感器；3#是上游区段。
附图2是链型结构单相接地故障的电原理图。
图中，1#是故障区段，CT3是1#区段的零序电流互感器;2#是非故障区段，CT2是 2#区段的零序电流互感器；3#是上游区段。
两图中
Tr为三相电源
Ea为A相电压
Eb为B相电压
Ec为C相电压
C1为配电网1#区段导线对地分布电容对称分量
C2为配电网2#区段导线对地分布电容对称分量
C3为配电网导线对地分布电容不对称分量
Rc为导线对地回路损耗等效串联电阻
L为消弧线圈电感
Rl为消弧线圈损耗等效串联电阻
R为故障回路等效接地电阻
ia丨为1#区段A相对地电容电流
ib,为1#区段B相对地电容电流
Ic1^ 1#区段C相对地电容电流^为2#区段A相对地电容电流
化2为2#区段B相对地电容电流
k2为2#区段C相对地电容电流
&为2#区段A相对地不对称电容电流
^为流过接地电阻R的电流
iL为消弧线圈电流
βη为零序电压
两图中都显示接地故障发生于1#区段B相，R为接地电阻；导线对地分布电容的不对称分量C3出现在2#区段C相；导线串联电阻与各回路对地分布电容的损耗归并在串联等效电阻&中；回路分布电感的感抗远小于分布电容的容抗，因此归并在等效电容Q、 C2, C3中；消弧线圈的损耗与大地电阻归并在其等效串联电阻&中；取线电压tiCA为基准矢量β。，可建立以下矢量方程组(1)
Ea=| E01(-1-3 1/2 i) /2
Eb= 3"1/2|Ε0|
Ec=I E01(1-3 1/2 i)/2
Ia1= (Ea-En)/(1/ iroC, + Rc)
Ib1= (Eb~En)/(l/ iroC, + Rc)
Ic1= (Ec-En)/(1/ iroC, + Rc)(1)
Ia2= (Ea_En)/(l ZiwC2 + Rc)
ib2= (Eb-En)/(1/ iroC2 + Rc)
Ic2= (Ec-En)/( 1 / iroC2 + Rc)
Ia3= (Ec-En)/(1/ iroC3 + Rc)
Il= En/( iroL+RL )
Ir= (Eb-En)/R
Ia1+Ib1+Ic1+ia2+ib2+ic2+ia3+iR-iL=0
附图1中各节点的零序电流由矢量方程组(2)表示
In1 = Ia1 +Ib1 +Ic1 + Ir
In2 = Ia2 +Ib2 +Ic2 + Ic3
附图2中各节点的零序电流由矢量方程组(3)表示
Im = Ia1 +Ib1 +Ic1 + Ir
η3 = Iai +Ib1 +Icl + Ir +Ia2 +Ib2 +Ic2 + Ic3
(2)(3)其中ini流过零序电流互感器CTi的电流 η2流过零序电流互感器CT2的零序电流 In3流过零序电流互感器CT3的零序电流考虑到回路等效串联电阻远小于回路容抗，为使解析后的表达式不过分复杂，忽略&从式(1)可推导出^，Ib1, Ic1, Ia2, Ib2, Ic2, Ic3, iR的表达式，代入(2)、(3)可得(3i+3(1/2)) E0 [i3(3/2)RLroC2- i -Rlo)C2-RlCoC3+4RcoC厂3(3'2)co2LC2-ioo2LC2-io)2LC3,(3/2)-Ini=
权利要求
1.一种采用有源激励微分状态原理的小电流接地故障区段保护方法与设施，其特征是在变电站母线出口位置设置一套 < 控制设施 >，在配电网络每个希望实施分区段保护的节点设置 < 检测设施 > ;< 控制设施 > 与 < 检测设施 > 实时监测零序电压，零序电压超过相电压30%表征出现单相接地故障，否则表征无单相接地故障；在未发生单相接地故障情况下，控制设施定期设置消弧线圈电感量，使消弧线圈自动适应电网拓扑结构的变化；在发生单相接地故障情况下，控制设施控制 < 调制电抗器 > 的电感量，向电网引入微分激励，各检测设施响应微分激励，测量本区段的微分状态；控制设施与检测设施通过通信系统相互交换信息，实现小电流接地故障分段保护。
2.根据权利要求1所述的采用有源激励微分状态原理的小电流接地故障区段保护方法与设施，其特征是控制设施设置消弧线圈运行值的方法是在电网某一相与地之间串联连接一只开关、一只电阻与一只电流互感器；在无故障正常运行状态下，控制设施定期通过操作该开关把电阻接入相线与地之间，形成幅值低于相电压30%的零序电压，并通过电流互感器测量流过该电阻的电流；通过调节消弧线圈电感量，使流过该电阻的电流最�。虼耸钡南∠呷Φ绺辛考次俳绮钩ブ担缓蟀丛诵泄娉坦娑ǖ耐研扯燃扑悴⑸瓒ㄏ∠呷Φ脑诵兄担瓜∠呷Φ纳柚弥底远视Φ缤仄私峁沟谋浠�。
3.根据权利要求1所述的采用有源激励微分状态原理的小电流接地故障区段保护方法与设施，其特征是在消弧线圈上并联连接一只调制电抗器，出现单相接地故障时，控制设施在调制周期内分别按 < 设置编码 > 与 < 检测编码 > 控制调制电抗器的电感量，向电网提供有规律的微分激励；通过控制 < 调制度 > 使微分激励对各种随机干扰有充足的信噪比。
4.根据权利要求3所述的< 设置编码 > 与 < 检测编码 >，其特征是编码的原则是编码与〈基准矢量〉同步，每个工频周波对应为1个bit，调制编码‘1’对应于调制电抗器向趋近临界补偿方向改变电感量，调制编码‘0’对应于调制电抗器向远离临界补偿方向改变电感量；电感量的变化范围由 < 调制度 > 表征；编码可采用任意二进制组合，< 设置编码> 应与 < 检测编码 > 能明显区分，使调节 < 调制度 > 与测量 < 微分状态 > 操作互不影响，编码的长度是调制周期。
5.根据权利要求3所述的控制< 调制度 >，其特征是控制 < 调制度 > 的方法是控制设施采用〈设置编码〉调节调制电抗器的电感量并测量零序电压，按编码‘1’时零序电压减编码‘0’时零序电压的差除以编码‘1’时零序电压乘以100%计算调制度；并从零序电压变动中还原出调制编码零序电压幅值变大的周波对应为编码‘1’，零序电压幅值变小的周波对应为编码‘0’，如不能提取出正确地编码，增加电感量变化范围以提高调制度；如调制度过高时，减小电感量变化范围以减小调制度；通过控制 < 调制度 > 使微分激励能对各种干扰信号有足够的信噪比。
6.根据权利要求1所述的采用有源激励微分状态原理的小电流接地故障区段保护方法与设施，其特征是出现单相接地故障时，〈检测设施〉的工作过程是检测设施以〈基准矢量 > 作同步信号，检测零序电压与零序电流，并根据零序电压的变化还原出调制编码零序电压幅值变大的周波对应为编码‘1’，零序电压幅值变小的周波对应为编码‘0’ ；如还原出的调制编码与系统设定的编码不一致，则认定为电网随机干扰，不予响应；如还原出的调制编码与系统设定的编码一致，保留测得的零序电压与零序电流，用以计算本区段的网络微分状态。
7.根据权利要求1所述的采用有源激励微分状态原理的小电流接地故障区段保护方法与设施，其特征是微分状态的算法是微分状态的值等于编码‘1’周期的零序电流减编码‘0’周期的零序电流的差除以编码‘1’周期的零序电压减编码‘0’周期的零序电压的差所得的商；所有计算值都是相对于 < 基准矢量 > 的矢量值。
8.根据权利要求1所述的采用有源激励微分状态原理的小电流接地故障区段保护方法与设施，其特征是检测节点与接地故障位置关系的判据是若某检测节点的微分状态的实部的值小于某个设定的门限值，则接地故障存在于该检测节点用户侧，该节点属性为接地故障的上游节点；若某检测节点的微分状态的实部的值不小于某个设定的门限值，则接地故障存在于该检测节点电源侧，该节点属性为接地故障的下游节点；介于两个上游节点之间的区段是故障的上游区段；介于相邻上下游节点之间的区段是故障区段；介于两个下游节点之间的区段是非故障区段；若最末端检测节点是上游节点，该节点所辖区段是故障区段；若最末端检测节点是下游节点，该节点所辖区段是非故障区段；若全部节点都是下游节点，则接地点位于变电站内，或中性点偏移是由分布电容不对称造成。
9.根据权利要求1所述的采用有源激励微分状态原理的小电流接地故障区段保护方法与设施，其特征是实施接地故障保护操作的过程是如故障出现在末端区段，检测施可立即实施保护操作，并向控制设施报告；如故障出现在链型网络中间区段，检测设施把节点属性报告给控制设施，等待控制设施的保护指令；控制设施在结束调制周期后，通过通信收集电网故障区段的故障属性与负荷信息，报送调度系统，以决策采取局部隔离、倒换供电方式或是带电现场维修等保护方式，然后命令检测设施执行相应操作，以兼顾电网安全与对用户的供电质量。
10.根据权利要求4、权利要求6、权利要求7所述的< 基准矢量 >，其特征是可采用配电网A，B, C三线中任意两线的线电压作〈基准矢量〉，控制设施与检测设施必须使用同一个线电压作〈基准矢量〉。
全文摘要
基于有源激励微分状态原理的小电流接地保护方法与装置，本发明属于电力传输自动化领域，适用于中性点谐振接地方式运行的配电网络。采用有源微分激励测量配电网微分状态原理，提供一种新的单相接地故障保护方法与设施。该方法不受消弧线圈补偿状态的影响，也不受电网拓扑结构的影响；可在较大范围内承受接地电阻值与不对称分布电容的影响；具有较强的抗随机干扰能力并兼顾最佳的消弧效果，以提高单相接地故障保护的可靠性。
文档编号G01R19/00GK102545197SQ20111044614
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者袁淼 申请人:北京潞能麒麟电力设备有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
