一种半周波电压暂态量的电压时间型馈线反向合闸闭锁方法

摘要

本发明公开了一种半周波电压暂态量的电压时间型馈线反向合闸闭锁方法，无需改动一次设备，仅利用线电压暂态量，通过半周波数据窗计算的有效值和电压互感器精工电压相比较来确定是否闭锁反向合闸，相比原有基于残压工频周波有效值的软件检测模块和硬件检测模块，检测能力提升了4倍，进一步提高了反向合闸闭锁的灵敏度，从而提高了就地馈线自动化故障区段定位与隔离的准确率。

说明书

技术领域

本发明属于配电网故障隔离技术领域，具体涉及一种半周波电压暂态量的电压时间型馈线反向合闸闭锁方法。

背景技术

电压时间型馈线自动化模式隔离故障的主要策略为发生故障后站内出线断路器首先速断跳闸，故障点上游开关Y时间(合闸后故障确认时间)内失压(采样电压有效值低于60％额定电压)闭锁正向合闸，故障点下游开关在停电侧检测到残压，反向供电时闭锁合闸。其中残压检测的判断依据为采样电压工频分量有效值不低于30％的额定电压，持续时间不少于50ms。这样，在实际运行中存在以下两个问题：

1)考虑到经济性和施工安装简便，工程应用中一般在分段开关两侧各装设单台PT，当接入PT的两相发生接地故障或三相短路故障且过渡电阻较小时，下游开关检测到的残压工频量有效值将低于整定值，分段开关反向合闸闭锁功能失效，联络开关转供时对侧变电站保护会跳闸，对侧线路将出现短时停电；

2)当分段开关采用永磁断路器时，由于故障切除快，邻近故障点的下游开关感受到的残压持续时间小于40ms，现有残压有效值检测方法也会失效。针对以上问题，如果改造现有分段开关，使其具备可测量三相(线)电压的功能，工程量大、造价高。

因此，在不增加一次设备、仅利用线电压信息的基础上，提出新的电压时间型馈线自动化反向合闸闭锁方法具有非常重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种半周波电压暂态量的电压时间型馈线反向合闸闭锁方法。

本发明采用以下技术方案：

半周波电压暂态量的电压时间型馈线反向合闸闭锁方法，其特征在于，定义衡量反向合闸闭锁功能灵敏度的残压检测系数K_rep，利用线电压暂态量作为反向合闸闭锁判断的依据，确立半周波暂态量算法，给出线电压暂态量计算数据窗，以电压互感器的精工电压作为阀值，当检测到数据窗内的线电压暂态量超过阀值时，闭锁反向合闸，实现故障区段的下游隔离。

具体的，根据硬件残压检测方法和软件残压检测方法，定义残压检测的灵敏度系数K_rep用于衡量检测方法的检测能力。

进一步的，残压检测系数K_rep计算如下：

其中，U_set为残压阀值。

具体的，选取半个周波作为数据计算窗口，得到重合于故障时的电压暂态量半周波有效值θ_U。

进一步的，重合于故障时的电压暂态量半周波有效值θ_U如下：

其中，U_mg(i)为采样瞬时值，N为半周采样点数，U_set为残压阀值。

进一步的，根据电压时间型馈线自动化故障处理确定电压故障分量，分段开关重合故障时开关后端电路属于一阶电路的零状态响应。

更进一步的，重合于故障时的电压暂态分量u_f计算如下：

u_f＝i_fR_f

其中，i_f是包含时间常数τ的电流暂态量，R_f是故障点过渡电阻。

更进一步的，衰减时间为3～5τ，分段开关重合故障时开关后端电路进入稳定状态。

具体的，以电压互感器的精工电压计算残压阀值U_set如下：

U_set＝K_rel×(1±α)×(1±β)×U_ac.min

其中，K_rel为可靠系数，取1.1；U_ac.min为电压互感器的最小精工电压；α为电压互感器的测量误差，典型为10％；β为终端的测量误差，典型为0.5％。

具体的，所述方法的检测流程中，配电终端实施策略如下：

1)增加后备电源，箱式配电终端内置一个维持配电终端运行的超级电容模组或蓄电池组，罩式配电终端采用外置电池盒形式，通过电缆航插件连接；

2)增加一个1ms定时采样中断，提高电压采样速度，轮询时间为1ms级；

3)对于采用硬件残压检测的配电终端，增加基于半周波电压暂态量的软件检测模块；

4)对于采用工频周波有效值残压检测的配电终端，改为结余半周波电压暂态量的检测模块；

5)原有硬件检测电路的残压信号与暂态量检测模块信号为或关系，二者任意一个或两个同时满足闭锁判据都禁止反向合闸；

针对采用原有基于工频电压周波有效值检测模块的配电终端直接修改为基于暂态量的检测模块。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明半周波电压暂态量的电压时间型馈线反向合闸闭锁方法，通过定义衡量反向合闸闭锁功能灵敏度的残压检测系数K_rep，提出利用线电压暂态量的作为反向合闸闭锁判断依据，并给出线电压暂态量计算数据窗，以电压互感器的精工电压作为阀值，采用直接测定和伏安特性测定法综合确定电压互感器最小精工电压，当检测到数据窗内的线电压暂态量越阀值时，闭锁反向合闸。

进一步的，根据硬件残压检测方法和软件残压检测方法，定义残压检测的灵敏度系数K_rep用于衡量检测方法的检测能力。

进一步的，根据一阶响应特性，确定数据窗为半周波，并计算得到重合于故障时的电压暂态量半周波有效值θ_U。

进一步的，根据电压时间型馈线自动化故障处理确定电压故障分量，分段开关重合故障时开关后端电路属于一阶电路的零状态响应。

进一步的，采用直接测定法和伏安特性法的综合确定电压互感器的最小精工电压，典型值为5％，由此计算可得残压阀值U_set为0.635kV。

综上所述，本发明方法无需改动一次设备，仅利用线电压暂态量，相比原有基于残压工频周波有效值的软件检测模块和硬件检测模块，检测能力提升了4倍，进一步提高了反向合闸闭锁的灵敏度，从而提高了就地馈线自动化故障区段定位与隔离的准确率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为重合故障时电路图；

图3为基于PSCAD的配电网仿真模型图；

图4为切口和闭口互感器伏安特性对比曲线图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明一种半周波电压暂态量的电压时间型馈线反向合闸闭锁方法，包括以下步骤：

S1、定义残压检测灵敏度系数

根据现有的硬件残压检测方法和软件残压检测方法，统一定义残压检测的灵敏度系数K_rep衡量检测方法的检测能力，公式如下：

其中，U_set为残压阀值；

S2、确立半周波暂态量算法

请参阅图2，根据电压时间型馈线自动化故障处理过程可知，分段开关S11重合故障时开关后端电路属于一阶电路的零状态响应，图中，U_S为系统电源；电压故障分量；Z_s为系统阻抗；Z₁为故障点前端的线路阻抗；R和L为故障点后端的线路电阻和电抗，R_f是故障点过渡电阻。

电压故障分量表达式如下：

u_f＝i_fR_f(2)

其中，u_f为重合于故障时的电压暂态分量，也即S11开关可以检测到的电源侧电压；i_f是包含时间常数τ的电流暂态量。

根据电路分析，一般经过3τ～5τ的衰减时间，该电路进入稳定状态。

外施正弦激励时，通常经过大约半个周期该电路电流的最大瞬时值的绝对值将接近稳态电流振幅的两倍，因此数据计算窗口选取为半个周波，重合于故障时的电压暂态量半周波有效值θ_U如下：

其中，U_mg(i)为采样瞬时值，N为半周采样点数，U_set为残压阀值。

S3、阀值确定

本发明应用场景只需要检测出故障电压的有无，因此可以用电压互感器精度作为参考依据，有如下公式：

U_set＝K_rel×(1±α)×(1±β)×U_ac.min(4)

其中，K_rel为可靠系数，一般取1.1；U_ac.min为电压互感器的最小精工电压，采用直接测定和伏安特性测定法综合确定；α为电压互感器的测量误差，典型为10％；β为终端的测量误差，典型为0.5％，由此计算可得残压阀值U_set为0.635kV。

通过试验测定α，工程现场线电压互感器主要分为切口互感器和闭口互感器两种，切口互感器不易饱和但制作成本较高，在此选取两只闭口和两只切口互感器，分别排序为1～4，测试相为U_AB/U_ab，电压比为10kV/0.22kV，带载负荷为50VA，表1为采用直接法的测试数据，由此可知互感器在1～100％范围内的精度满足0.5级，再通过伏安特性确定其带载能力，并选取能满足配电终端可测量的范围。

表1电压互感器直接法测量数据

表2和表3分别为闭口互感器和切口互感器的伏安特性测试数据。

表2闭口电压互感器伏安特性测量数据

表3切口电压互感器伏安特性测量数据

综合直接法和伏安特性法的测试结果可知：

(1)电压互感器一般只要求测量0.8倍～1.2倍额定电压，但在0.01倍～0.1倍额定电压范围内同样具有良好的线性度，且误差在5％以内。

(2)配电自动化终端最小测量电流为2mA，闭口互感器在5.406V(2.5％)时输出电流为2mA，切口互感器在5.374V(2.4％)时输出电流为5mA，如图4所示。

考虑到可靠性，在此选定5％额定电压作为电压互感器最小精工电压U_ac.min，由此计算可得U_set为0.635kV。采用半周波暂态量算法的残压检测系数K_rep为：

检测流程

S4、配电终端实施策略如下：

(1)针对采用硬件检测模块的配电终端实施策略如下：

1)增加后备电源，箱式配电终端内置一个维持配电终端运行15分钟的超级电容模组或24V/7AH蓄电池组，罩式配电终端采用外置电池盒形式，通过电缆航插件连接；

2)软件中增加一个1ms定时采样中断，提高电压采样速度，轮询时间为1ms级；

3)对于采用硬件残压检测的配电终端，增加基于半周波电压暂态量的软件检测模块；

4)对于采用工频周波有效值残压检测的配电终端，直接改为结余半周波电压暂态量的软件检测模块。

5)原有硬件检测电路的残压信号与暂态量检测模块信号为“或”关系，二者任意一个或两个同时满足闭锁判据都禁止反向合闸。

(2)针对采用原有基于工频电压周波有效值软件检测模块的配电终端直接修改程序为基于暂态量的软件检测模块即可。

(3)配电终端检测流程如下图1所示：

1)配电终端实时采集10kV线路线电压；

2)故障发生后，出线开关保护跳闸，线路失压，各自动化开关分闸；

3)配电终端启动暂态量残压检测模块；

4)配电终端识检测出残压超过定值θ_U≥U_set，闭锁反向合闸，实现故障区段的下游隔离。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

仿真验证

根据配网中各元件参数，建立配电网仿真模型如图3所示。该模型中，110kV变电站有一回进线，通过一台主变压器配出的10kV系统为单母线形式；母线带有2条馈线。依据前文所述线路1采用A、B、C三分段(S11、S12)以及联络开关L，该线路三变压器的变送功率总共为1.2MVA，其实载负荷有功功率为0.8MW，线路参数见表4。

表4线路参数表

通过表5和表6的数据可以看出，接地过渡电阻1Ω及以上的故障，基于本算法得出的计算值均超过前文所述的阀值，也间接证明了前文所述该算法的灵敏度是原有软件模块的4倍。

表5三相短路时S12点暂态量计算值

表6两相短路接地时S12点暂态量计算值

本发明提供了一种半周波电压暂态量的电压时间型馈线反向合闸闭锁方法，无需改动一次设备，仅利用线电压暂态量，相比原有基于残压工频周波有效值的软件检测模块和硬件检测模块，检测能力提升了4倍，进一步提高了反向合闸闭锁的灵敏度，从而提高了就地馈线自动化故障区段定位与隔离的准确率。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。