20kV配电网中性点接地方式切换控制方法与装置

摘要

本发明公开了一种20kV配电网中性点接地方式切换控制方法和装置，根据电网电容电流值选择接地模式，若电容电流大于阀值选择电阻接地模式强制投切电阻并闭锁其他逻辑判断，若电容电流小于阀值选择灵活接地模式，该模式下通过电压、电流实时监测进行故障特征和类型判断，同时对电网中可能出现的特殊情况，如高阻接地故障、间歇性接地故障判断进行判断。根据以上判断若启动投切电阻时则进行电阻投切时刻控制，同时通过电阻投切回路检测确认电阻准确投切。

说明书

技术领域

本发明属于自动控制方法与装置领域，更准确地说是涉及一种20kV配电网中性点接地方式切换控制方法与装置。

背景技术

近几年来，在我国部分地区进行20kV电压等级网络建设的技术可行性和经济优越性已经得到论证。在20kV配电网实际运行中中性点采用消弧线圈接地方式，存在故障时无法实现准确快速的故障选线与定位，若长时间带故障运行，由于部分原10kV升压改造设备无法满足绝缘要求，则有可能引起绝缘的薄弱环节击穿，发展成为相间短路，使事故扩大。而采用小电阻接地方式，一旦在配电网中发生接地类型的故障，则无论瞬时故障还是永久故障，故障线路所在的断路器必须先实施一次跳闸操作，对供电可靠性造成影响。

针对单一接地方式存在的问题，国内外专家学者提出的中性点经消弧线圈并联电阻的灵活接地方式，可通过控制装置监测电网运行状态根据不同故障特征实现接地方式的短时切换。但在实际应用中存在单一零序电压判据易造成控制装置误动作；未对接地方式切换电阻投切时刻进行选择易对电网造成过电压冲击；未对电阻投切回路故障、高阻接地、短时间内多次发生瞬时性故障等特殊情况进行判断与处理，影响装置的可靠运行。因此设计一种采样频率高、故障判断准确、低功耗、低成本，能够应对电网可能出现的特殊情况的控制装置，将提升配电系统的供电可靠性，同时满足设备安全性的要求。

发明内容

针对现有技术中20kV配电网中性点接地方式切换装置成本高，且存在单一零序电压判据易造成控制装置误动作；未对接地方式切换电阻投切时刻进行选择易对电网造成过电压冲击；未对电阻投切回路故障、高阻接地、短时间内多次发生瞬时性故障等特殊情况进行判断与处理会影响装置的可靠运行等问题，本发明提供一种20kV配电网中性点接地方式切换控制方法及装置。

具体来说，本发明采用如下所述的技术方案：

首先，本发明公开了一种20kV配电网中性点接地方式切换控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a）模拟量采集，装置对中性点电流、电网零序电压实时采集与计算处理；

b）电容电流监测，装置通过通讯模块实时接收电容电流检测设备的采样数据；

c）接地模式选择，对是否进入灵活切换接地模式进行控制；

d）发出电阻投切命令，当以上判断控制触发电阻投切，进入电阻投切时刻控制；

e）开关量检测，完成电阻投切回路检测，对电阻是否成功投切进行确认，

其中在步骤c）中，根据控制装置实时通讯得到的电容电流检测值，若电容电流小于100A满足补偿要求则控制装置进入灵活切换接地模式；若大于100A不满足补偿要求则控制装置将强制投切电阻切换至电阻接地模式，发出电阻投切信号，并闭锁灵活接地方式的相关判断逻辑。

在以上方法中，灵活切换接地模式包括装置中断采样，同时完成故障特征和类型判断的步骤，其中若监测故障特征电压大于阀值且故障特征电流大于阀值，则判断电网此时发生故障，并通过故障特征持续时间的检测进行故障类型判断，若检测到故障特征持续时间大于阀值，判断为电网发生永久性故障，发出电阻投切命令，切换中性点接地方式为电阻接地；若故障特征持续时间小于阀值，判断为电网发生瞬时性故障，电网仍维持原消弧线圈接地方式，并进行高阻接地故障判断。

进一步，若高阻接地故障判断步骤判断故障持续时间超过100s且该段时间内电阻投切次数超过3次，则判断发生高阻接地故障并触发电阻投切闭锁程序，反之则进行间歇性接地故障判断。

更进一步，所述高阻接地故障判断包括以下步骤：

c11）启动系统时钟计时，对发生高阻故障的持续时间进行记录；

c12）检测电阻回路可靠动作，若电网中未发生高阻接地故障，则通过投切电阻，增大故障电流保护装置可靠动作切除故障线路，故障特征量消失；

c13）通过系统时钟记录开始时刻和电阻成功投切次数；

c14）故障特征判断，判断电阻投切后是否已切除故障线路，故障特征消失电网恢复正常运行；

c15）电阻投切次数判断，电阻投切经延时返回，若此时故障特征依旧存在，控制装置将再次启动电阻投切；

c16）若电阻投切次数超过3次，通过系统时钟记录终止时刻，计算故障特征持续时间超过阀值则闭锁电阻投切，同时通过屏幕报警告知运行人员。

优选地，间歇性接地故障判断包括对单位时间内发生瞬时性故障进行计数，在次数超过阀值后判断发生间歇性接地故障并强制投切电阻，进行故障选线切除接地故障，若没有超过阈值则再次进入灵活切换接地模式。

更进一步，间歇性接地故障判断包括以下步骤：

c21）启动系统时钟计时，对发生间隙性接地故障故障的持续时间进行记录；

c22）判断故障持续时间是否大于0小于整定值，即判断电网是否发生瞬时性故障；

c23）通过系统时钟记录开始时刻和瞬时性故障次数；

c24）瞬时性故障次数判断，若发生5次瞬时性故障，通过系统时钟记录终止时刻，计算故障特征持续时间超过阀值发出电阻投切命令，并告知运行人员。

更进一步，在步骤e）开关量检测中，若确认电阻成功投切则发出显示成功投切的信号，若没有成功投切则发出投切故障报警信号。

本发明还公开了一种20kV配电网中性点接地方式切换控制装置，其特征在于，所述装置包括控制处理模块、电源模块、模拟量输入模块、电压过零比较模块、开入量输入模块、开入量输出模块、数据存储模块、通信模块、数据显示模块，其中模拟量输入模块完成电压电流的采样，电压过零比较模块将电压信号调理成可供控制装置捕捉过零时刻的脉冲信号，开关量输入模块完成中性点电阻投切开关状态的监测，而通讯模块保证与其他装置能够进行数据传输与通讯。

有益效果：本发明的方法采样频率高、故障判断准确、低功耗、低成本，能够应对电网可能出现的特殊情况的控制装置，将提升配电系统的供电可靠性，同时满足设备安全性的要求。

附图说明

图1是20kV配电网中性点接地方式切换控制方法实现程序的流程图；

图2是控制装置硬件结构设计图；

图3是高阻接地故障检测的程序设计流程图；

图4是间隙性接地故障检测的程序设计流程图。

具体实施方式

本发明解决了现有技术中20kV配电网中性点接地方式切换装置成本高，且存在单一零序电压判据易造成控制装置误动作；未对接地方式切换电阻投切时刻进行选择易对电网造成过电压冲击；未对电阻投切回路故障、高阻接地、短时间内多次发生瞬时性故障等特殊情况进行判断与处理会影响装置的可靠运行的问题。

本发明的方法中，涉及了多种功能模块，包括接地模式选择方法、故障特征判断方法、故障类型判断方法、电阻投切回路检测方法、电阻投切时刻控制方法、高阻接地故障判断方法、间歇性接地故障判断方法。其控制流程为：根据电网电容电流值选择接地模式，若电容电流大于阀值选择电阻接地模式强制投切电阻并闭锁其他逻辑判断。若电容电流小于阀值选择灵活接地模式，该模式下通过电压、电流实时监测进行故障特征和类型判断，同时对电网中可能出现的特殊情况，如高阻接地故障、间歇性接地故障判断进行判断。根据以上判断若启动投切电阻时则进行电阻投切时刻控制，同时通过电阻投切回路检测确认电阻准确投切。其相应控制方法具体如下：

1.接地模式选择方法

控制装置实时通讯得到电容电流检测设备的电容电流检测值，若电容电流小于100A满足补偿要求则控制装置进入灵活切换接地模式。若大于100A不满足补偿要求则控制装置将强制投切电阻切换至电阻接地模式闭锁接地方式切换的相关判断逻辑。该方法能够在电网设备无法满足电容电流补偿要求时主动切换至电阻接地模式，保证电网安全运行。

2.故障特征和类型判断方法

控制装置进入灵活切换接地模式则通过电压、电流实时监测进行故障特征和类型判断。若监测故障特征电压大于阀值且故障特征电流大于阀值，则判断电网此时发生故障，并通过故障特征持续时间的检测进行故障类型判断。若检测到故障特征持续时间大于阀值，判断为电网发生永久性故障，发出电阻投切命令，切换中性点接地方式为电阻接地。若故障特征持续时间小于阀值，判断为电网发生瞬时性故障，电网仍维持原消弧线圈接地方式。判据设定如下：1）故障类型判据：通过设定延时条件对故障类型进行判断，当检测到故障持续时间大于或等于2s，判断为电网发生永久性故障，持续时间小于2s则为瞬时性故障。2）故障特征主电压判据：                                               ＞20%-30%*U_N。3）故障特征辅助电流判据：＞6A。以上设置的参数可根据现场运行数据作适当修改。该方法使用电压电流组合判据能够有效解决单一电压判据中存在误动的不足。

3.电阻投切时刻控制方法

控制装置发出电阻投切命令后，需对电阻投切时刻进行控制。电阻投切时刻控制模块通过检测经电压过零比较模块形成的脉冲信号，捕捉过零时刻计算脉冲宽度获取电压信号频率。根据合闸回路的固有动作时间实时计算导前时间，保证电阻在零序电压过零时准确投入。该方法保证电阻在零序电压过零时投入，能够有效减小对电网的过电压冲击。

4.电阻投切回路检测方法

电阻投切后控制装置需对电阻是否投入进行检测确认。电阻投切回路检测模块通过开关量采集模块对开关闭合状态进行实时监测。若发生电阻投切命令发出而开关拒动的情形未能检测到开关闭合状态量，且能够检测到电压长时间超过阀值，则控制装置需要发出报警信号，并设定20s延时通过控制继电保护设备跳主变三侧开关切除故障母线。

5.高阻接地故障判断方法

控制装置选择灵活接地模式运行期间需对电网中可能发生的特殊情况高阻接地故障进行实时检测判断。控制装置针对高阻接地故障的特点设置电阻投切闭锁判据，当故障持续时间超过100s且该段时间内电阻投切次数超过3次判断发生高阻接地故障触发电阻投切闭锁程序。同时触发报警提示工作人员查找故障。

6.间歇性接地故障判断方法

控制装置选择灵活接地模式运行期间需对电网中可能发生的特殊情况间歇性接地故障进行实时检测判断。控制装置对单位时间内发生瞬时性故障进行计数，在次数超过阀值后判断发生间歇性接地故障强制投切电阻，进行故障选线切除接地故障。

本发明还公开了一种采用上述方法进行切换控制的20kV配电网中性点接地方式切换控制装置，其包括安装在监控室的监测控制装置和安装在变电站的电网电容电流检测装置。所述监测控制装置主要包括控制处理模块、电源模块、模拟量输入模块、电压过零比较模块、时钟模块、开入量输出模块、数据存储模块、通信模块、数据显示模块等。其中核心控制处理模块选择高性能、低成本、低功耗的STM32F103ZET6芯片。该控制装置能够通过模拟量输入模块完成电压、电流采样；通过电压过零比较模块将电压信号调理成可供控制器捕捉过零时刻的脉冲信号；通过开关量输入模块完成中性点电阻投切开关状态监测；通讯模块保证与其他装置能够进行数据传输与通讯。

为使本发明的目的、设计方法和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步的详述。

图1是本发明的20kV配电网中性点接地方式切换控制方法实现程序的流程图，在控制方法的实现过程中，包括以下步骤：

（1）系统初始化，装置启动后，给各个模块上电，清楚缓存数据，初始化变量，完成对装置程序各种所需变量的初始化。

（2）模拟量采集，装置对中性点电流、电网零序电压实时采集与计算处理。

（3）电容电流监测，装置通过通讯模块实时接收电容电流检测设备的采样数据。

（4）接地模式选择，对是否进入灵活切换接地模式进行控制。根据控制装置实时通讯得到的电容电流检测值，若电容电流小于100A满足补偿要求则控制装置进入灵活切换接地模式。若大于100A不满足补偿要求则控制装置将强制投切电阻切换至电阻接地模式闭锁接地方式切换的相关判断逻辑。

（5）装置中断采样，同时完成故障特征和类型判断。若监测故障特征电压大于阀值且故障特征电流大于阀值，则判断电网此时发生故障，并通过故障特征持续时间的检测进行故障类型判断。若检测到故障特征持续时间大于阀值，判断为电网发生永久性故障，发出电阻投切命令，切换中性点接地方式为电阻接地。若故障特征持续时间小于阀值，判断为电网发生瞬时性故障，电网仍维持原消弧线圈接地方式。 

（6）高阻接地故障判断，通过循环调用子程序对电网是否发生高阻接地故障进行实时判断。电网发生高阻接地故障时，零序电流电压超过整定值而投切电阻，但因故障电流小而导致继电保护装置与选线装置未能可靠动作，而电阻投切回路延时返回恢复至消弧线圈接地。此时故障特征依旧存在将导致电阻多次重复投切。控制装置针对发生高阻接地故障设置电阻投切闭锁，当故障持续时间超过100s且该段时间内电阻投切次数超过3次判断发生高阻接地故障触发电阻投切闭锁程序。同时触发报警提示工作人员查找故障。

（7）间歇性接地故障判断，通过循环调用子程序对电网是否发生间歇性接地故障进行实时判断。对单位时间内发生瞬时性故障进行计数，在次数超过阀值后判断发生间歇性接地故障强制投切电阻，进行故障选线切除接地故障。可设置每10s内发生5次以上瞬时性故障，进入电阻投切程序。 

（8）发出电阻投切命令，当以上判断控制触发电阻投切，进入电阻投切时刻控制。电阻投切时刻控制模块通过检测经电压过零比较模块形成的脉冲信号，捕捉过零时刻计算脉冲宽度获取电压信号频率。根据合闸回路的固有动作时间实时计算导前时间，保证电阻在零序电压过零时准确投入。

（9）开关量检测，完成电阻投切回路检测，对电阻是否成功投切进行确认。电阻投切回路检测模块通过开关量采集模块对开关闭合状态进行实时监测。若发生电阻投切命令发出而开关拒动的情形，此时未能检测到开关闭合状态量，且能够检测到电压长时间超过阀值，则控制装置需要发出报警信号，并设定20s延时通过控制继电保护设备跳主变三侧开关切除故障母线。若已成功投切则通过屏幕与指示灯告知运行人员。

图2是本发明的20kV配电网中性点接地方式切换控制装置的硬件结构设计图。其包括安装在监控室的监测控制装置和安装在变电站的电网电容电流检测装置。所述监测控制装置主要包括控制处理模块、电源模块、模拟量输入模块、电压过零比较模块、时钟模块、开入量输出模块、数据存储模块、通信模块、数据显示模块等。其中核心控制处理模块选择高性能、低成本、低功耗的STM32F103ZET6芯片。该控制装置能够通过模拟量输入模块完成电压、电流采样；通过电压过零比较模块将电压信号调理成可供控制器捕捉过零时刻的脉冲信号；通过开关量输入模块完成中性点电阻投切开关状态监测；通讯模块保证与其他装置能够进行数据传输与通讯。

图3是本发明中高阻接地故障检测子程序设计流程图。检测故障持续时间超过100s且该段时间内电阻投切次数超过3次触发电阻闭锁程序，同时触发报警提示工作人员查找故障。包括以下步骤：

（1）初始化，完成该子程序中变量和定时器的初始化。

（2）启动系统时钟计时，对发生高阻故障的持续时间进行记录。

（3）检测电阻回路可靠动作，若电网中未发生高阻接地故障，则通过投切电阻，增大故障电流保护装置可靠动作切除故障线路，故障特征量消失。

（4）通过系统时钟记录开始时刻和电阻成功投切次数。

（5）故障特征判断，判断电阻投切后是否已切除故障线路，故障特征消失电网恢复正常运行。

（6）电阻投切次数判断，电阻投切经延时返回，若此时故障特征依旧存在，控制装置将再次启动电阻投切。

（7）若电阻投切次数超过3次，通过系统时钟记录终止时刻，计算故障特征持续时间超过阀值则闭锁电阻投切，同时通过屏幕报警告知运行人员。

图4是本发明中间隙性接地故障检测子程序的设计流程图，控制器对单位时间内发生瞬时性故障进行计数，在达到整定值后强制投切电阻，进行故障选线切除接地故障。可设置每10s内发生5次以上瞬时性故障，进入电阻投切程序。包括以下步骤：

（1）初始化，完成该子程序中变量和定时器的初始化。

（2）启动系统时钟计时，对发生间隙性接地故障故障的持续时间进行记录。

（3）判断故障持续时间是否大于0小于整定值，即判断电网是否发生瞬时性故障。

（4）通过系统时钟记录开始时刻和瞬时性故障次数。

（5）瞬时性故障次数判断，若发生5次瞬时性故障，通过系统时钟记录终止时刻，计算故障特征持续时间超过阀值发出电阻投切命令，并通过屏幕报警告知运行人员。

上面结合附图和具体实例对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。