多谐波源干扰下的配电网高阻接地故障检测方法

摘要

多谐波源干扰下的配电网高阻接地故障检测方法，实时监测线路的相电流、零序电流信号，计算各相电流工频量幅值和相位的变化量，当各相电流工频量幅值和相位发生突变时，而且监测到零序电流三次谐波含量超过阈值且相位值在动作范围内时，判断为线路发生了高阻接地故障；当各相电流信号发生突变，但零序电流三次谐波含量未超过阈值或相位值不在动作范围内时，判断为线路未发生高阻接地故障，存在谐波源干扰；本发明方法充分挖掘被监测线路各相电流的相位变化量和幅值变化量特征，既能保证在多谐波源干扰下高阻接地故障检测算法的可靠闭锁，又充分考虑了线路高阻接地故障的特征，最大限度地提升检测方法的灵敏度，兼具了检测的强可靠性与高灵敏度。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统故障检测领域，特别涉及一种多谐波源干扰下的配电网高阻接地故障检测方法。

背景技术

随着风电、光伏等可再生能源的快速发展，分布式电源在配网中的占比越来越高，配电网的故障形态不再仅由主网电源和故障点类型决定，还需要考虑多分布式电源接入带来的影响。

分布式电源主要基于逆变器并网，具有故障电流输出能力受限的特征，因此针对金属性、小电阻接地等故障点形态，含多分布式电源接入配电网的故障特征仍然主要取决于主网电源特性；传统故障检测方法基本有效，即使受影响也仅仅是灵敏度有所下降。但是分布式电源并网逆变器的另一个特征是谐波输出较大，在多逆变器共同作用下，针对配电网弧光高阻接地故障形态，将出现弱故障电流叠加多谐波电流的情况，使得传统配网高阻接地故障检测方法的有效性受到了挑战。

配网弧光高阻接地故障相比于小电阻接地故障而言，在电流过零点附近存在熄弧、重燃的动态过程，导致了零序电流中含有较高的三次谐波，因此传统配网高阻接地故障检测主要基于零序电流中三次谐波的含量以及相位特征进行。

遗憾的是，三次谐波也是逆变器产生谐波含量中的主要成分，直接影响了现有配网高阻故障检测的灵敏性和可靠性，易导致故障检测的误启动。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多谐波源干扰下的配电网高阻接地故障检测方法，进一步挖掘故障相电流工频幅值和相位特征，利用相电流的相位和幅值变化量作为辅助检测判据，既能防止多谐波源干扰下现有检测方法的误动，又充分考虑了高阻接地故障的特征，最大限度地提升检测方法的灵敏度，兼具了检测的强可靠性与高灵敏度。

多谐波源干扰下的配电网高阻接地故障检测方法，具体包括以下步骤：

步骤(1)、实时采集配电变电站中量测线路的电流信号；其中φ为相别，包含A相、B相、C相和零序，如果现场无法量测零序电流时，根据下式计算零序电流i₀(t)：

i₀(t)＝i_A(t)+i_B(t)+i_C(t)

步骤(2)、计算并检测各相电流工频相位

其中ω＝2πf＝100π，T＝1/f＝20ms，然后计算各相电流工频相位在半个周波内的变化量

如果某一相电流工频相位变化量在90°～180°范围内，而其余两相电流工频相位变化量在0°～90°范围内，则转步骤(4)；如果三相电流工频相位变化量均在0°～90°范围内，则转步骤(3)；其他情况则转步骤(5)；

步骤(3)计算并检测各相电流工频幅值

然后计算各相电流工频幅值在半个周波内的变化量

如果某一相电流工频幅值变化率超过整定阈值，所述的整定阈值取值10％，而其余两相电流工频幅值变化率未超过整定阈值，则转步骤(4)，否则转步骤(5)；

步骤(4)计算零序电流三次谐波相对基波的幅值差ΔA以及零序电流三次谐波相对基波的相位差Δφ：

$\Delta A=\frac{\sqrt{{\left({\int }_{t_0}^{t_0+\frac{T}{2}}{i}_0\right(t)·cos(3\omega t\left)dt\right)}^2+{\left({\int }_{t_0}^{t_0+\frac{T}{2}}{i}_0\right(t)·sin(3\omega t\left)dt\right)}^2}}{\sqrt{{\left({\int }_{t_0}^{t_0+\frac{T}{2}}{i}_0\right(t)·cos(\omega t\left)dt\right)}^2+{\left({\int }_{t_0}^{t_0+\frac{T}{2}}{i}_0\right(t)·sin(\omega t\left)dt\right)}^2}}$

$\Delta \phi =\arctan \frac{{\int }_{t_0}^{t_0+\frac{T}{2}}{i}_0\left(t\right)·cos\left(\omega t\right)dt}{{\int }_{t_0}^{t_0+\frac{T}{2}}{i}_0\left(t\right)·\sin \left(\omega t\right)dt}-\arctan \frac{{\int }_{t_0}^{t_0+\frac{T}{2}}{i}_0\left(t\right)·cos\left(3\omega t\right)dt}{{\int }_{t_0}^{t_0+\frac{T}{2}}{i}_0\left(t\right)·\sin \left(3\omega t\right)dt}$

如果零序电流三次谐波相对基波的幅值差ΔA超过整定阈值，该整定阈值取10％，且零序电流三次谐波相对基波的相位差Δφ在120°～240°范围内，则判断为线路发生了高阻接地故障，发出报警信号；否则转步骤(5)；

步骤(5)检测方法判断为线路未发生高阻接地故障，闭锁报警信号。

本发明的特点及有益效果：

本发明针对目前传统配电网高阻故障检测方法在谐波干扰下易误动作的缺陷，充分挖掘被监测线路各相电流的相位变化量和幅值变化量特征，提出了零序电流动作辅助判据，既能保证在多谐波源干扰下高阻接地故障检测算法的可靠闭锁，又充分考虑了线路高阻接地故障的特征，最大限度地提升检测方法的灵敏度，兼具了检测的强可靠性与高灵敏度。

附图说明

图1为应用本发明的检测算法流程图。

具体实施方式

本发明提出的多谐波源干扰下的配电网高阻接地故障检测方法，结合附图及实施例详细说明如下：

实施例选取包含单回集电线路的风电场内配电网，中性点经小电阻接地，风机、集电线路以及风电场并网系统电压等级分别为0.69kV、35kV、220kV，集电线路全长20km，线路中点5.0s发生A相单相高阻接地故障，故障点采用Cassie电弧模型，仿真得到的风电场并网变电站出口处三相电流信号作为实施样本进行说明，如下表所示：

表1高阻故障线路三相电流信号采样值

(1)风电场电网侧实时采集变电站中量测线路的电流信号其中φ为相别，包含A相、B相和C相，然后根据下式计算得到零序电流i₀(t)：

i₀(t)＝i_A(t)+i_B(t)+i_C(t)

(2)计算t₀＝5s时各相电流工频相位

ω＝2πf＝100π，T＝1/f＝0.02s

然后计算各相电流工频相位在半个周波内的变化量

Δθ_a＝|θ_a(t₀＝5.01)-θ_a(t₀＝5)|＝0.52°

Δθ_b＝|θ_b(t₀＝5.01)-θ_b(t₀＝5)|＝1.5°

Δθ_c＝|θ_c(t₀＝5.01)-θ_c(t₀＝5)|＝1.16°

三相电流工频相位变化量均在0°～90°范围内，应当转步骤3)；(3)计算各相电流工频幅值

$I_a(t_0=5)=2·\sqrt{{\left({\int }_{4.99}^5{i}_a\right(t)·cos(100\pi t\left)dt\right)}^2+{\left({\int }_{4.99}^5{i}_a\right(t)·sin(100\pi t\left)dt\right)}^2}=1.0808$

$I_b(t_0=5)=2·\sqrt{{\left({\int }_{4.99}^5{i}_b\right(t)·cos(100\pi t\left)dt\right)}^2+{\left({\int }_{4.99}^5{i}_b\right(t)·sin(100\pi t\left)dt\right)}^2}=1.0772$

$I_c(t_0=5)=2·\sqrt{{\left({\int }_{4.99}^5{i}_c\right(t)·cos(100\pi t\left)dt\right)}^2+{\left({\int }_{4.99}^5{i}_c\right(t)·sin(100\pi t\left)dt\right)}^2}=1.0830$

$I_a(t_0=5.01)=2·\sqrt{{\left({\int }_5^{5.01}{i}_a\right(t)·cos(100\pi t\left)dt\right)}^2+{\left({\int }_5^{5.01}{i}_a\right(t)·sin(100\pi t\left)dt\right)}^2}=0.6145$

$I_b(t_0=5.01)=2·\sqrt{{\left({\int }_5^{5.01}{i}_b\right(t)·cos(100\pi t\left)dt\right)}^2+{\left({\int }_5^{5.01}{i}_b\right(t)·sin(100\pi t\left)dt\right)}^2}=1.0759$

$I_c(t_0=5.01)=2·\sqrt{{\left({\int }_5^{5.01}{i}_c\right(t)·cos(100\pi t\left)dt\right)}^2+{\left({\int }_5^{5.01}{i}_c\right(t)·sin(100\pi t\left)dt\right)}^2}=1.0869$

然后计算各相电流工频幅值在半个周波内的变化量

${\mathrm{\Delta I}}_a=2·\left|\frac{I_a(t_0=5.01)-I_a(t_0=5)}{I_a(t_0=5.01)+I_a(t_0=5)}\right|=55.01\%$

${\mathrm{\Delta I}}_b=2·\left|\frac{I_b(t_0=5.01)-I_b(t_0=5)}{I_b(t_0=5.01)+I_b(t_0=5)}\right|=0.12\%$

${\mathrm{\Delta I}}_c=2·\left|\frac{I_c(t_0=5.01)-I_c(t_0=5)}{I_c(t_0=5.01)+I_c(t_0=5)}\right|=0.36\%$

A相电流工频幅值变化率超过10％，而其余两相电流工频幅值变化率未超过10％，应当转步骤4)；

(4)计算t₀＝5s时零序电流三次谐波相对基波的幅值差ΔA及相位差Δφ：

$\Delta A=\frac{\sqrt{{\left({\int }_5^{5.01}{i}_0\right(t)·cos(300\pi t\left)dt\right)}^2+{\left({\int }_5^{5.01}{i}_0\right(t)·sin(300\pi t\left)dt\right)}^2}}{\sqrt{{\left({\int }_5^{5.01}{i}_0\right(t)·cos(100\pi t\left)dt\right)}^2+{\left({\int }_5^{5.01}{i}_0\right(t)·sin(100\pi t\left)dt\right)}^2}}=23.15\%$

零序电流三次谐波相对基波幅值ΔA超过10％，且三次谐波相对基波相位差Δφ在120°～240°范围内，判断为线路发生了高阻接地故障，发出报警信号。