基于零序全电流与全电压变化率互相关性分析的故障选线方法.pdf
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1、16ElectricalAutomationPowerSystem&Automation电力系统及其自动化电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期基于零序全电流与全电压变化率互相关性分析的故障选线方法王铭,祝石林(1.山东石油化工学院,山东东营257000;2.青岛科技大学,山东青岛266002)摘要:为进一步提高配电网故障选线准确性,提出一种基于馈线零序全电流与母线零序全电压变化率互相关性分析的单相接地故障选线方法。通过分析中性点非有效接地系统中馈线零序电流和母线零序电压间关系,发现非故障馈线上零序全电流波形与母线零序全电压变化率波形变化趋势相同,而故障馈线上两者之间变化趋势相反或不存在明确
2、的线性关系。首先,求取母线零序全电压变化率;然后,基于波形相似度原理定量分析各馈线零序全电流与母线零序全电压变化率的互相关系数;最后,构建互相关系数组,通过组内数据与阈值比较完成故障选线。仿真试验及现场数据分析结果表明,所提选线方法准确且适应性强。关键词:中性点非有效接地;接地故障;故障选线;全电流;电压变化率;互相关性D01:10.3969/j.issn.1000-3886.2023.04.006中图分类号TM862文献标志码A文章编号10 0 0-38 8 6(2 0 2 3)0 4-0 0 16-0 5Fault Line Selection Method Based on Correl
3、ation Analysis ofZero-sequence Full Current and Full Voltage Change RateWang Ming,Zhu Shilin?(1.Shandong University of Petrochemical Technology,Dongying Shandong 257000,China;2.Qingdao University of Science and Technology,Qingdao Shandong 266002,China)Abstract:In order to further increase the accura
4、cy of fault line selection in distribution network,a single-phase-to-ground fault line selectionmethod based on cross-correlation analysis of feeder zero-sequence full current and bus zero-sequence full voltage change rate wasproposed.By analyzing the relationship between the zero-sequence current o
5、f the feeder and the zero-sequence voltage of the bus inthe non-effectively earthed neutral system,it was found that the zero-sequence full-current waveform on the non-faulted feeder and thezero-sequence full-voltage change on the bus had the same trend,while the change trend between the twos on the
6、 faulted feeder wasopposite or there was no clear linear relationship.First,the change rate of the bus zero-sequence full voltage was calculated;thenthe cross-correlation coefficient between the zero-sequence full current of each feeder and the change rate of the bus zero-sequence fullvoltage was qu
7、antitatively analyzed based on the waveform similarity principle;finally,construct the cross-correlation coefficientarray,and complete the fault line selection by comparing the data in the array with the threshold.The simulation test and field dataanalysis results show that the proposed line selecti
8、on method is accurate and adaptable.Keywords:non-effectively earthed neutral;grounding fault;fault line selection;full current;voltage changing-rate;cross-correlation0引言我国中性点非有效接地配电网主要有中性点不接地和经消弧线圈接地两种方式,其故障以单相接地居多,因故障信号不稳定且较弱等原因,故障选线困难。目前,基于该类系统的故障特征,形成了稳态分量法及暂态分量法等选线方法。其中,稳态分量法在中性点经消弧线圈接地系统中选线效果不佳
9、甚至失效。暂态分量法主要利用暂态能量和暂态方向等特征量进行选线。与稳态信号相比,暂态信号更加丰富,但稳定性差且易受过渡电阻和噪声等影响。同时也因忽略了工频电气量,容易遗漏故障信息,尤其在高阻接地时,因暂态信息量不足,单纯利用高频暂态电气量的选线方法有可能受限1-3针对上述问题,本文通过分析零序电流与零序电压关系,构建了基于馈线零序全电流曲线与母线零序全电压变化率曲线互定稿日期:2 0 2 2-0 5-31基金项目:东营市科技发展基金项目(DJ2021011)相关性分析的选线方法,仿真和现场实例验证了选线方法有效1配电网单相接地故障特征中性点非有效接地系统单相接地故障等效零序网络见图1,开关K闭
10、合为经消弧线圈接地方式,打开为不接地方式。假设第k条馈线故障,在图1中:io为该馈线出口处零序电流;io、Co jOnlo13RuoKuofCokColCojCoi图1单相接地故障等效零序网络17ElectricalAutomationPowerSystem&Automation电力系统及其自动化电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期分别为非故障馈线j的出口零序电流和对地分布电容,j=1,2,n,j+k;Lp 为3倍消弧线圈电感;uo为母线零序电压;ioLp为消弧线圈零序电流。故障时相当于故障点处附加虚拟电源。由于线路分布电容和电感存在,零序电流可能包含大量高频分量,也可能包含大量低频分量,
11、尤其是工频分量。相电压零值附近故障时,电感影响大,衰减直流分量(包括工频分量)占主导;相电压峰值附近故障时,电容影响大,暂态高频占主导。确切地说,故障零序电流具有全时频特性,充分利用故障信息有望进一步提高选线准确性。2零序全电流与零序全电压关系分析2.1非故障馈线零序电气量特征对于有几条馈线的中性点经消弧线圈接地系统,当某馈线单相接地时,母线零序全电压可视为工频零序电压和暂态零序电压uon叠加4。因线路自身感抗相比于对地容抗较小,方便起见,仅考虑对地容抗。当馈线k故障时,非故障馈线的零序全电流为工频零序电流和暂态零序电流叠加,与母线零序全电压的关系为:duoL(t)duon(t)du(t)io
12、,=ioL-j(t)+ioH-(t)=(1)dtdtdt式中:io,为馈线j的零序全电流;ioL-ivioH-分别为其工频和暂态零序电流;uo为母线零序全电压;uoL为工频零序电压;uon为暂态零序电压。可知,非故障馈线零序全电流与母线零序全电压瞬时变化率呈正比例关系,比例系数为线路自身对地电容。2.2故障馈线零序电气量特征中性点经消弧线圈接地系统多运行于过补偿下。工频状态下系统感抗与容抗满足(P+1)LpC=1(C,为馈线对地分布电容总和,P为补偿度)。消弧线圈工频零序电流ioL-Lp为:ioL-Lp(t)=-(P+1)ioL-(t)+ie(t)=j=lj+k-(P+1)C,duor(t)(
13、2)dt式中:ioL-Lp为消弧线圈工频零序电流;ick为故障线路故障点至母线间电容上的工频零序电流。故障馈线工频零序电流ioL-k为:ioL-(t)=-oL-(0)+,ioL-;(t)=j=1j+kduo.(t)(Cok+PC,(3)dt式(3)表明,故障馈线工频零序电流与母线工频零序电压变化率呈正比例,比例系数与消弧线圈补偿方式、补偿程度及对地分布电容有关。单相接地故障时,除产生工频稳态分量外,还产生高频电容电流及低频电感电流,两者组成故障暂态分量。故障馈线暂态电流为非故障馈线和消弧线圈暂态电流ioH-Lp相加,方向与非故障馈线暂态电流相反nioH-k(t)=-LioH-(t)+ioH-L
14、p(t)i=1,i+kduoH(t)1(Col:-C,)uoH(t)dt(4)dtLp式中:ioH-Lp为消弧线圈暂态零序电流。因此,故障馈线零序全电流为:duoL(t)iok(t)=ioL-k(t)+ioH-k(t)=(Cok+PC+dtduoH(t)1(Cok-CdtLPuon(t)dt(5)式中:io为故障馈线出口处零序电流。io由三部分组成,前两项分别与工频及暂态电压分量变化率呈正比,但比例系数不同,第三项与暂态零序电压呈积分关系。对于常规配电网,通常有C2Cok,即C-CoCo+PC。另外,故障初期暂态分量起主导作用,暂态量幅值大且变化速度快,故障馈线零序全电流与母线零序全电压变化率
15、间关系主要受第二项影响,两者间呈近似相反变化趋势,同时因积分项存在,规律性较差。中性点经消弧线圈接地中,故障暂态量与振荡频率有关。当暂态频率大于3倍工频时,可忽略消弧线圈感抗影响5。实际分析中,当故障点过渡电阻较小时,电容充电快,谐振频率高,图1等同于中性点不接地系统,L支路可视为打开。故障馈线零序全电流与母线零序全电压变化率满足式(6),两者比例系数仍为负。duo(t)ior(t)=-(Cz-Cok(6)dt3基于互相关性分析的故障选线算法3.1零序全电流与零序全电压变化率互相关性分析经上述分析可知,非故障馈线零序全电流与母线零序全电压变化率之间比例系数为正。实际上,受线路阻抗、故障点上游分
16、布电容等影响,零序全电流与全电压变化率并非严格意义上的线性关系,但却具有较高相似性,两者关系曲线如图2 所示。10050050-100L-0.20-0.15-0.10-0.0500.050.100.150.20电压变化率/(10*kVs)图2非故障馈线零序全电流与全电压变化率关系曲线相关性分析用来研究波形或信号间的相似性,互相关系数p用以衡量不同信号的相关度。p接近1,两波形高度正相关;p接近-1,两波形高度负相关;p等于0 时,两波形非线性相关6。为描述馈线i=1,2,,n)的零序全电流与母线零序全电压变化率之间的相关性,利用互相关系数对其进行量化:duo(n)N(n)111R;=toi(n
17、)(7)dtdtn=1n=式中:R,为互相关系数;n为采样点数,n=1,2,,N;i o(n)uo:(n)分别为第i条馈线零序全电流以及母线零序全电压的离散形式。线路故障时,非故障馈线零序全电流波形与母线零序全电压18ElectricalAutomationPowerSystem&Automation电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期电力系统及其自动化变化率波形变化趋势相同,正相关特性明显,互相关系数较大;而故障馈线上两者之间具有相反的变化趋势或无线性关系,其互相关系数小于0 或接近于0;母线故障时,所有馈线都为非故障馈线,零序全电流曲线与全电压变化率曲线均高度正相关。据此,基于相关系数
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