小电流接地系统的一种分布式单相接地故障隔离方法

摘要

本发明小电流接地系统的一种分布式单相接地故障隔离方法，它对配电网任意一台智能配电开关，执行分布式算法：当配电开关处于合闸状态时，监测该配电开关处的单相接地特征量，判断单相接地故障是否发生在该配电开关的下游线路；当该配电开关处监测到下游线路发生单相接地故障时在整定时间内与其所有邻近配电开关通信，查询所有邻近配电开关是否监测到下游线路发生单相接地故障，查询所有邻近配电开关是否监测到下游线路发生单相接地故障，直至判定出单相接地故障发生在配电开关与其邻近配电开关之间。本发明克服了现有故障隔离需要多次开关分合操作的缺陷，不仅能以最少的开关分合操作次数隔离配电网单相接地故障，适合于各种开环运行的配电网。

权利要求

1.小电流接地系统的一种分布式单相接地故障隔离方法，其特征在于：配电网中的所有智能配电开关分别同时执行相同的分布式算法，直至将单相接地故障隔离到距故障点最近的两个配电开关之间，其中，第i台智能配电开关执行的分布式算法包括以下步骤：（1）、配电开关i处于合闸状态时，监测配电开关i处的单相接地特征量，判断单相接地故障是否发生在配电开关i的下游线路；

（2）、配电开关i处监测到下游线路发生单相接地故障时，配电开关i在整定的时间内与所有邻近配电开关通信，查询邻近配电开关是否监测到下游线路发生单相接地故障；

（3）、当配电开关i处监测到下游线路发生单相接地故障，且已经查询完所有邻近配电开关是否监测到下游线路发生单相接地故障的信息时，配电开关i判断单相接地故障是否发生在配电开关i与其邻近配电开关j之间；配电开关i判断单相接地故障是否发生在配电开关i与其邻近配电开关j之间的方法是：（a）、如果配电开关i处监测到下游线路发生单相接地故障，且至少有一个邻近下游配电开关j处监测到下游线路发生单相接地故障，则单相接地故障不是发生在配电开关i与其所有邻近下游配电开关之间；

（b）、如果配电开关i处监测到下游线路发生单相接地故障，且没有任何一个邻近下游配电开关j处监测到下游线路发生单相接地故障，则单相接地故障发生在配电开关i与其邻近下游配电开关j之间；

（c）、如果配电开关i没有邻近下游配电开关，即配电开关i是终端用户开关，则单相接地故障发生在配电开关i与终端负荷之间；

（4）、当单相接地故障发生在配电开关i与其邻近配电开关j之间时，若配电开关i是断路器，则直接断开配电开关i，然后判断配电网是否为可重构网络，是可重构网络则直接断开配电开关j；若配电开关i是分段器，则先通知配电开关i的上级断路器分闸，断开配电开关i，然后判断配电网是否为可重构网络，是可重构网络再通知配电开关j分闸，最后通知配电开关i的上级断路器合闸。

2.根据权利要求1所述的小电流接地系统的一种分布式单相接地故障隔离方法，其特征在于：根据故障特征量在小电流接地系统发生单相接地故障前后的差异构成判据进行判断单相接地故障是否发生在配电开关i的下游线路。

3.根据权利要求1所述的小电流接地系统的一种分布式单相接地故障隔离方法，其特征在于：所述配电开关i与所有邻近配电开关通信，通信方式是分布式P2P方式或者是客户-服务器方式。

说明书

小电流接地系统的一种分布式单相接地故障隔离方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统保护与控制领域，特别涉及中性点不接地、中性点经消弧线圈接地及中性点经电阻接地的10～35kV配电网中发生单相接地故障时的故障隔离方法。

背景技术

[0002] 在10～35kV中压配电网(以下简称配电网)中，中性点一般采用不接地、经消弧线圈接地和经电阻接地3种方式之一。当配电网发生单相接地故障时，故障电流小，因此称为小电流接地系统。由于线电压仍然对称，配电网发生单相接地故障时，配电网仍然可以带故障点运行0.5～2小时，但必须尽快找到故障点，将故障隔离在距故障点最近的配电开关之间，避免故障扩大或造成事故。

[0003] 配电网的单相接地故障属于常见故障，目前配电网寻找和隔离单相接地故障点的方法主要有以下几种：

[0004] (1)、采用现有的变电站故障选线装置：如图1中所示的的配电网，选线装置装设在变电站中，当CD线路发生单相接地故障时，选线装置选出故障的配电线路，然后跳开变电站出线开关A，造成整条馈线停电，使接于AB、BC线路的负荷停电，扩大了停电范围。采用选线装置查找和隔离故障点的方法是，当选线装置确定AD线路发生单相接地故障后，必须从变电站出线开关A开始，沿着AB、BC、CD线路人工查寻整条馈线，查找到故障点在CD线路后，断开配电开关C，可见该方法费时费力。

[0005] (2)在馈线上采用单相接地故障保护装置：单相接地故障保护装置将单相接地特征量(如中性点不接地系统中的U0、I0)的变化作为启动判据，考虑到单相接地特征量从变电站母线到单相接地故障点之间几乎相同，需要采用阶梯时间整定方法保证选择性。对简单放射状配电网，如图1、2中所示的配电网，单相接地故障保护装置可以快速跳开距故障点最近的开关，达到隔离故障点的目标。但是，对复杂结构的配电网，如图3、4、5中所示的配电网，当配电网运行方式变化时，经常无法采用阶梯时间整定方法保证选择性。具体参见图3所示，如果运行方式是A、B、C、E闭合，D断开，配电开关B处保护时间定值应该比配电开关C处保护时间定值高Δt；但是如果运行方式是B、C、D、E闭合，A断开，则配电开关B处保护时间定值应该比配电开关C处保护时间定值低Δt；则显然不可能实现。另一方面，由于配电网改造频繁，保护定值计算/更新都存在困难。因此，目前单相接地故障保护装置很少在柱上开关上使用，大多应用于变电站出线开关上和终端用户开关上。

[0006] (3)、利用电压-时间型开关特性隔离故障点：采用FTU模拟电压-时间型开关特性，利用各个配电开关开关特性的相互配合隔离单相接地故障。参见图1，如果永久性单相接地故障发生在CD线路，配电开关A先跳闸，配电开关B、C、D失压跳闸；配电开关A重合，然后配电开关B检测到电压闭合，然后配电开关C检测到电压闭合，但当配电开关C闭合时，单相接地故障又出现，配电开关A再跳闸，配电开关B失压跳闸，配电开关C失压跳闸闭锁；配电开关A再重合，然后配电开关B检测到电压闭合。可见，该方法存在的问题是：故障隔离过程中需要经过多次开关分合操作，故障隔离时间长，不仅对用户造成停电冲击，而且对开关寿命影响很大。

发明内容

[0007] 本发明的目的是针对目前配电网隔离单相接地故障点方法中存在的问题，提供一种小电流接地系统中发生单相接地故障时的故障隔离方法，不仅能以最少的开关分合操作次数隔离配电网单相接地故障，而且适合于各种开环运行的配电网。

[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0009] 小电流接地系统的一种分布式单相接地故障隔离方法，配电网任意一台智能配电开关，执行的分布式算法包括以下步骤：

[0010] (1)、配电开关i处于合闸状态时，监测配电开关i处的单相接地特征量，判断单相接地故障是否发生在配电开关i的下游线路，其中1≤i≤N，N为配电网开关总数；

[0011] (2)、配电开关i处监测到下游线路发生单相接地故障时，配电开关i在整定时间内与其所有邻近配电开关通信，查询与i所有邻近配电开关j是否监测到下游线路发生单相接地故障，其中1≤j≤N，N为配电网开关总数；

[0012] (3)、配电开关j在整定时间内与其所有邻近配电开关通信，查询与j所有邻近配电开关是否监测到下游线路发生单相接地故障；

[0013] (4)重复执行步骤(2)和(3)，直至配电开关k-1查询到配电开关与其所有的邻近配电开关的下游线路无故障，判定单相接地故障发生在配电开关k-1与其邻近配电开关k之间，其中j≤k≤N，N为配电网开关总数。

[0014] 上述配电开关i处监测下游线路发生单相接地故障的方法采用基于稳态信号的算法或基于暂态信号的算法。

[0015] 进一步地，配电开关i判断单相接地故障是否发生在配电开关i与其邻近配电开关j之间的方法是：

[0016] (1)、配电开关i处监测到下游线路发生单相接地故障，且至少有一个临近下游配电开关j处监测到下游线路发生单相接地故障，单相接地故障不是发生在配电开关i与其所有邻近配电开关之间；

[0017] (2)、配电开关i处监测到下游线路发生单相接地故障，且没有任何一个临近下游配电开关j处监测到下游线路发生单相接地故障，单相接地故障发生在配电开关i与其邻近配电开关j之间；

[0018] (3)、配电开关i没有临近下游配电开关，即配电开关i是终端用户开关，单相接地故障发生在配电开关i与终端负荷之间。

[0019] 本发明小电流接地系统的一种单相接地故障隔离方法基本原理为(参见图1)：

[0020] (1)针对零序电流所采用的基于稳态信号的算法和基于暂态信号的算法而言，如果故障发生在BC线路，流经配电开关A、B的零序电流是接于母线的其他线路电容电流之和减去中性点电流；流经配电开关C的零序电流是线路CD的电容电流和开关D到末端负荷之间线路的电容电流之和；流经配电开关D的零序电流是开关D到末端负荷之间线路的电容电流。理论上，流经各个开关的零序电流与负荷电流大小、接地点阻抗无关。因此，流经配电开关A、B的零序电流具有相同的特征；流经配电开关C、D的零序电流具有相似的特征。当监测到零序电压后，目前流行的对零序电流所采用的基于稳态信号的算法和基于暂态信号的算法都可以确定故障发生在配电开关A、B的下游线路，而故障点的下游开关处(C、D)都无法检测到单相接地发生在其下游线路，因此本发明方法成立。

[0021] (2)针对相电流所采用的基于稳态信号的算法和基于暂态信号的算法而言，如果故障发生在BC线路，流经配电开关A、B的相电流是“相关线路负荷电流负荷+接于母线的其他线路电容电流之和-中性点电流”；流经配电开关C的零序电流是“CD线路负荷电流负荷+线路CD的电容电流+开关D到末端负荷之间线路的电容电流”；流经配电开关D的零序电流是“末端负荷电流+开关D到末端负荷之间线路的电容电流”。由于基于相电流的算法理论上都屏蔽掉负荷电流的影响，算法的实际都是对流经配电开关A、B、C、D零序电流的特征的判断，可见，流经配电开关A、B的相电流判据具有相同的特征；流经配电开关C、D的相电流判据具有相似的特征。当监测到零序电压后，对相电流所采用的基于稳态信号的算法和基于暂态信号的算法都可以确定故障发生在配电开关A、B的下游线路，而故障点的下游开关处(C、D)都无法检测到单相接地发生在其下游线路，因此本发明方法也成立。

[0022] 综上所述，只要配电网中存在单相接地故障，必然至少有一个智能配电开关或配电开关处装设的FTU(馈线终端装置-Feeder Terminal Unit)检测到单相接地发生在其下游线路。所有检测到单相接地故障的智能配电开关或配电开关处装设的FTU都将启动本发明描述的分布式算法的下一步骤，直至将单相接地故障隔离到距故障点最近的两个配电开关之间。

[0023] 采用该方案的小电流接地系统单相接地故障隔离方法，具有这些显著优点和有益效果：

[0024] 1、相比于现有方法，本发明方法以最少的开关操作次数隔离单相接地故障，避免了故障隔离过程中的多次开关分合操作，对用户造成停电冲击小，减少了对开关寿命使用寿命的影响；

[0025] 2、本发明方法无需利用馈线自动化主站，通信故障仅仅影响线路局部，大大提高了供电可靠性；

[0026] 3、本发明方法将信息丢失或信息错误的影响降低到了线路局部，提高了供电可靠性；

附图说明

[0027] 图1是本发明应用于辐射状配电网示例。

[0028] 图2是本发明应用于带分支的辐射状配电网示例。

[0029] 图3是本发明应用于手拉手配电网示例。

[0030] 图4是本发明应用于手拉手多联络配电网示例。

[0031] 图5是本发明应用于复杂网格状配电网示例。

[0032] 图6本发明方法流程图。

[0033] 附图中，配电网上的黑色填充的小圆表示常闭配电开关；白色填充的小圆表示常开配电开关。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图对本发明进一步作详细说明。

[0035] 如图6所示，为本发明小电流接地系统的分布式单相接地故障隔离方法的流程图，配电网中的所有智能配电开关(或配电开关处装设的FTU)分别同时执行相同的分布式算法，直至将单相接地故障隔离到距故障点最近的两个配电开关之间。其中，第i台智能配电开关(或配电开关处装设的FTU)执行的分布式算法具有以下步骤：

[0036] (1)、配电开关i处于合闸状态时，监测配电开关i处的单相接地特征量，判断单相接地故障是否发生在配电开关i的下游线路；

[0037] (2)、配电开关i处监测到下游线路发生单相接地故障时，配电开关i在整定的时间内与所有邻近配电开关通信，查询邻近配电开关是否监测到下游线路发生单相接地故障；

[0038] (3)、当配电开关i处监测到下游线路发生单相接地故障，且已经查询完所有邻近配电开关是否监测到下游线路发生单相接地故障的信息时，配电开关i判断单相接地故障是否发生在配电开关i与其邻近配电开关j之间。

[0039] (4)、当单相接地故障发生在配电开关i与其邻近配电开关j之间时，若配电开关i是断路器，则直接断开配电开关i，对可重构网络则直接断开配电开关j；若配电开关i是分段器，则先通知配电开关i的上级断路器分闸，断开配电开关i，对可重构网络再通知配电开关j分闸，最后通知配电开关i的上级断路器合闸。

[0040] 馈线上执行本发明的方法的具体装置可以是安装在配电开关处的FTU，也可以是智能配电开关。变电站执行本发明的方法的装置可以是变电站内用于完成馈线自动化功能的各种装置或系统。

[0041] 上述方案中，应用已有的小电流接地系统单相接地故障选线算法，判断单相接地故障是否发生在配电开关i的下游线路。并根据采用的选线算法不同，选择不同的单相接地故障特征量。

[0042] 已有的判断单相接地故障是否发生在配电开关i的下游线路的方法是指根据故障特征量在小电流接地系统发生单相接地故障前后的差异构成判据进行判断。目前，很多文献从选线或保护的角度阐述了判断小电流接地系统是否发生单相接地故障的方法，包括基于稳态信号的算法、基于暂态信号的算法，或两类算法的综合(现有公开文献已有记载如：[1]肖白.小电流接地系统单相接地故障选线方法综述.继电器，2001，(4)；[2]贾清泉等.应用证据理论实现配电网单相接地故障选线保护.电力系统自动化，2003，27(21)；[3]林湘宁等.小电流接地系统自适应单相接地保护方案.高电压技术，2007，33(5))。

[0043] 本发明采用这些已有算法判断单相接地故障是否发生在配电开关i的下游线路。

[0044] 上述方案中，配电开关i处的单相接地特征量是指所有能够反映单相接地故障特征的电气量。目前已经认识到的故障特征量包括稳态故障特征量和暂态故障特征量。其中稳态特征量包括：零序电压U0、零序电流I0的大小和方向、零序功率Q0的大小和方向、五次谐波、零序剩余电流三次谐波、相电流变化、负序电流等；暂态特征量包括零序电流I0行波、零序电流I0各种小波分解值等。根据采用的选线算法不同，实现上可以选择这些单相接地故障特征量的一个子集。

[0045] 上述方案中，配电开关i判断单相接地故障是否发生在配电开关i与其邻近配电开关j之间的方法是：

[0046] (1)、如果配电开关i处监测到下游线路发生单相接地故障，且至少有一个临近下游配电开关j处监测到下游线路发生单相接地故障，则单相接地故障不是发生在配电开关i与其所有邻近配电开关之间；

[0047] (2)、如果配电开关i处监测到下游线路发生单相接地故障，且没有任何一个临近下游配电开关j处监测到下游线路发生单相接地故障，则单相接地故障发生在配电开关i与其邻近配电开关j之间；

[0048] (3)、如果配电开关i没有临近下游配电开关，即配电开关i是终端用户开关，则单相接地故障发生在配电开关i与终端负荷之间。

[0049] 本发明的方法中，所述配电开关i与所有邻近配电开关通信，通信信道可以采用光纤、配电线载波或各种无线通信等常用配电通信信道，不同的通信信道将影响所述的整定时间。对于专门建设的配电专用网络和点对点通信，整定时间可以在5～60s；对于GPRS/GSM、CDMA，整定时间可以在3～10分钟；对于3G通信方式，整定时间可以在3s～3分钟。

[0050] 所述配电开关i与所有邻近配电开关通信，通信方式可以是典型的分布式P2P方式，也可以是客户-服务器方式。

[0051] 本发明的方法中，所述配电开关i与所有邻近配电开关通信，通信协议遵循IEC61850(国标DL/Z 860)标准。

[0052] 下面结合图1-图5，具体说明本发明方法的实施方式：

[0053] 参见图1所示，本发明应用于辐射状配电网。如果CD线路发生单相接地故障，配电开关A、B、C都监测到下游线路发生单相接地故障，配电开关A查询到配电开关B监测到下游线路发生单相接地故障，因此判断故障不在AB线路；配电开关B查询到配电开关C监测到下游线路发生单相接地故障，因此判断故障不在BC线路；配电开关C查询到配电开关D监测到下游线路没有发生单相接地故障，因此判断故障在CD线路上，断开配电开关C隔离故障。如果配电开关D的右侧线路发生单相接地故障，配电开关A、B、C、D都监测到下游线路发生单相接地故障，配电开关D是终端用户开关，因此判断故障在配电开关D的右侧线路上，断开配电开关D隔离故障。

[0054] 参见图2所示，本发明应用于带分支的辐射状配电网。如果CD线路发生单相接地故障，配电开关A、B、C都监测到下游线路发生单相接地故障，配电开关D、E、F都没有监测到下游线路发生单相接地故障，配电开关A查询到配电开关B监测到下游线路发生单相接地故障，因此判断故障不在AB线路；配电开关B查询到配电开关C监测到下游线路发生单相接地故障，配电开关E没有监测到下游线路发生单相接地故障，因此判断故障不在BC线路；配电开关C查询到配电开关D监测到下游线路没有发生单相接地故障，因此判断故障在CD线路上，断开配电开关C隔离故障。如果BC线路发生单相接地故障，配电开关A、B都监测到下游线路发生单相接地故障，配电开关C、D、E、F都没有监测到下游线路发生单相接地故障，配电开关A查询到配电开关B监测到下游线路发生单相接地故障，因此判断故障不在AB线路；配电开关B查询到配电开关C、E没有监测到下游线路发生单相接地故障，因此判断故障在BC线路上或者故障发生在BE线路上，断开配电开关C隔离故障。

[0055] 参见图3所示，本发明应用于手拉手配电网。如果AB线路发生单相接地故障，配电开关A监测到下游线路发生单相接地故障，配电开关A查询到配电开关B没有监测到下游线路发生单相接地故障，因此判断故障发生在AB线路，断开配电开关A，通知配电开关B断开，隔离故障。如果BC线路发生单相接地故障，配电开关A、B都监测到下游线路发生单相接地故障，配电开关A查询到配电开关B监测到下游线路发生单相接地故障，因此判断故障不在AB线路；配电开关B查询到配电开关C断开(不监测到下游线路发生单相接地故障)，因此判断故障发生在BC线路，断开配电开关B隔离故障。如果CD线路发生单相接地故障，配电开关E、D都监测到下游线路发生单相接地故障，配电开关E查询到配电开关D监测到下游线路发生单相接地故障，因此判断故障不在DE线路；配电开关D查询到配电开关C断开(不监测到下游线路发生单相接地故障)，因此判断故障发生在CD线路，断开配电开关D隔离故障。如果DE线路发生单相接地故障，配电开关E监测到下游线路发生单相接地故障，配电开关E查询到配电开关D没有监测到下游线路发生单相接地故障，因此判断故障发生在DE线路，断开配电开关E，通知配电开关D断开，隔离故障。

[0056] 参见图4所示，本发明应用于手拉手多联络配电网。如果HI线路发生单相接地故障，配电开关I、J都监测到下游线路发生单相接地故障，配电开关J查询到配电开关I监测到下游线路发生单相接地故障，因此判断故障不在IJ线路；配电开关I查询到配电开关H、K都没有监测到下游线路发生单相接地故障，因此判断故障发生在HI线路，断开配电开关I，通知配电开关H、K断开，隔离故障。

[0057] 参见图5所示，本发明应用于复杂网格状配电网。如果AB线路发生单相接地故障，配电开关A监测到下游线路发生单相接地故障，配电开关A查询到配电开关B、E没有监测到下游线路发生单相接地故障，因此判断故障发生在AB线路，断开配电开关A，通知配电开关B、E断开，隔离故障。如果BC线路发生单相接地故障，配电开关A监测到下游线路发生单相接地故障，配电开关A查询到配电开关B监测到下游线路发生单相接地故障，因此判断故障不在AB线路；配电开关B监测到下游线路发生单相接地故障，配电开关B查询到配电开关C、J没有监测到下游线路发生单相接地故障(C、J断开运行)，因此判断故障发生在BC线路，断开配电开关B，通知配电开关C、J断开，隔离故障。