消弧线圈接地系统故障选线装置和方法与流程

本发明涉及电力电网领域，特别是涉及一种消弧线圈接地系统故障选线装置和方法。

背景技术：

随着城市化进展加快，配电网中大量使用电缆线路，系统电容电流急剧增加。单相接地故障时容易在故障点形成间歇电弧，威胁电网的安全运行。目前我国在中低压配网系统中往往采用中性点经消弧线圈的接地方式，消弧线圈产生感性电流补偿了接地点的电容电流，能有效的限制发生单相接地故障时流过接地点的故障电流，达到灭弧作用，同时会使故障点的残流很小，从而使选线装置难以通过残流来准确判断故障位置。

传统的故障选线方法主要有五次谐波分量法、首半波法等。在单相接地情况下，五次谐波容性电流分布与中性点不接地系统中基波容性电流几乎相同，且数值上远远大于消弧线圈提供的五次谐波感性电流，因此可以利用五次谐波原理进行选线，但在实际运行的系统中，因外界的谐波干扰以及用户的电弧炉、整流设备等谐波源的存在，使得故障线路中五次谐波电流不一定总是最大，相位关系也不一定成立，无法准确判断故障位置。因此，寻求一种能够提高中性点经消弧线圈接地系统的选线准确率的有效解决方案，对提高电力系统的安全运行有着重大的意义。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种提高故障选线准确率的消弧线圈接地系统故障选线装置和方法。

一种消弧线圈接地系统故障选线装置，包括电压采集模块、电流采集模块、处理器模块和选线模块，所述电压采集模块和所述电流采集模块均连接所述处理器模块，所述处理器模块连接所述选线模块，所述选线模块用于连接消弧线圈；

所述电压采集模块根据接收的电压采样控制指令采集所述消弧线圈所处配电网的母线零序电压，并将采样得到的母线零序电压发送至所述处理器模块；

所述电流采集模块根据接收的馈线零序电流采样指令采集所述消弧线圈所处配电网的馈线零序电流，并将采样得到的馈线零序电流发送至所述处理器模块；

所述处理器模块根据预设频率发送电压采样控制指令至电压采集模块；根据接收的所述采样得到的母线零序电压计算母线零序电压有效值；记录所述母线零序电压有效值小于或等于第一阈值的时长，并在所述时长大于第一预设时长时发送第一控制指令至所述选线模块，且根据预设频率发送馈线零序电流采样指令至电流采集模块；在发送所述第一控制指令第二预设时长后发送第二控制指令至所述选线模块；以及获取所述消弧线圈所处的配电网在接入选线电阻的时段内的母线零序电压和馈线零序电流，并根据获取的母线零序电压和馈线零序电流计算所述消弧线圈所处配电网线路的零序无功系数，根据各线路的零序无功系数确定故障线路并输出；

所述选线模块在接收所述第一控制指令时接入所述选线电阻至所述消弧线圈，并在接收到所述第二控制指令时切除所述选线电阻。

一种消弧线圈接地系统故障选线方法，包括以下步骤：

处理器模块根据预设频率发送电压采样控制指令至电压采集模块；

所述电压采集模块根据接收的电压采样控制指令采集所述消弧线圈所处配电网的母线零序电压，并将采样得到的母线零序电压发送至所述处理器模块；

所述处理器模块根据接收的所述采样得到的母线零序电压计算母线零序电压有效值；

所述处理器模块记录所述母线零序电压有效值小于或等于第一阈值的时长，并在所述时长大于第一预设时长时发送第一控制指令至选线模块，且根据预设频率发送馈线零序电流采样指令至电流采集模块；在发送所述第一控制指令第二预设时长后发送第二控制指令至所述选线模块；

所述选线模块在接收所述第一控制指令时接入所述选线电阻至所述消弧线圈，并在接收到所述第二控制指令时切除所述选线电阻；

所述电流采集模块根据接收的馈线零序电流采样指令采集所述消弧线圈所处配电网的馈线零序电流，并将采样得到的馈线零序电流发送至所述处理器模块；

所述处理器模块获取所述消弧线圈所处配电网在接入选线电阻的时段内的母线零序电压和馈线零序电流，并根据获取的母线零序电压和馈线零序电流计算所述消弧线圈所处配电网线路的零序无功系数，根据各线路的零序无功系数确定故障线路并输出。

上述消弧线圈接地系统故障选线装置和方法，处理器模块根据母线零序电压有效值小于或等于第一阈值的时长大于第一预设时长时发送第一控制指令，并在发送第一指控指令第二预设时长后发送第二控制指令，控制选线模块接入以及切除选线电阻，获取消弧线圈所处的配电网在接入选线电阻时段内的母线零序电压和馈线零序电流，根据获取的母线零序电压和馈线零序电流计算各线路零序无功系数，采用线路零序无功系数故障选线方法，识别故障线路，解决了由于消弧线圈补偿后残留较小而造成故障选线困难的问题，提高了单线接地故障选线的准确率，提高电网的安全运行水平。

附图说明

图1为一实施例中消弧线圈接地系统故障选线装置结构图；

图2为另一实施例中消弧线圈接地系统故障选线装置示意图；

图3为一实施例中消弧线圈接地系统故障选线方法流程图。

具体实施方式

在一个实施例中，如图1所示，一种消弧线圈接地系统故障选线装置，包括电压采集模块110、电流采集模块120、处理器模块130和选线模块140，电压采集模块110和电流采集模块120均连接处理器模块130，处理器模块130连接选线模块140，选线模块140用于连接消弧线圈；电压采集模块110根据接收的电压采样控制指令采集消弧线圈所处配电网的母线零序电压，并将采样得到的母线零序电压发送至处理器模块130；电流采集模块120根据接收的馈线零序电流采样指令采集消弧线圈所处配电网的馈线零序电流，并将采样得到的馈线零序电流发送至处理器模块130；处理器模块130根据预设频率发送电压采样控制指令至电压采集模块110；根据接收的采样得到的母线零序电压计算母线零序电压有效值；记录母线零序电压有效值小于或等于第一阈值的时长，并在时长大于第一预设时长时发送第一控制指令至选线模块140，且根据预设频率发送馈线零序电流采样指令至电流采集模块120；在发送第一控制指令第二预设时长后发送第二控制指令至选线模块140；以及获取消弧线圈所处的配电网在接入选线电阻144的时段内的母线零序电压和馈线零序电流，并根据获取的母线零序电压和馈线零序电流计算消弧线圈所处配电网线路的零序无功系数，根据各线路的零序无功系数确定故障线路并输出；选线模块140在接收第一控制指令时接入选线电阻144至消弧线圈，并在接收到第二控制指令时切除选线电阻144。

具体地，电压采集模块110的具体类型并不唯一，能测量到母线零序电压即可，比如将三相式电压互感器二次侧连接成开口三角形式，测量开口三角形的电压就是零序电压，同理，电流采集模块120的具体类型并不唯一，能测量到馈线零序电流即可；第一阈值为其中uth为预设启动门槛值。

处理器模块130根据预设频率发送电压采样控制指令至电压采集模块110之前，还包括：电压采集模块110实时采集母线零序电压，并将母线零序电压发送至处理器模块130；处理器模块130接收母线零序电压，当母线零序电压大于预设启动门槛值时，处理器模块130根据预设频率发送电压采样控制指令至电压采集模块110。

具体地，预设频率可以根据需要进行设置，处理器模块130根据接收的采样得到的母线零序电压计算母线零序电压有效值，具体为：

其中，urms表示母线零序电压有效值，n表示总采样点数，u0(n)表示母线零序电压第n次采样值。

处理器模块130获取消弧线圈所处的配电网在接入选线电阻144的时段内的母线零序电压和馈线零序电流，并根据获取的母线零序电压和馈线零序电流计算消弧线圈所处配电网线路的零序无功系数，根据各线路的零序无功系数确定故障线路，包括：处理器模块130获取消弧线圈所处配电网在接入选线电阻144的时段内的母线零序电压和馈线零序电流，并根据获取的母线零序电压和馈线零序电流计算消弧线圈所处配电网线路的零序无功系数；比较各线路的零序无功系数，确定零序无功系数最大值；判断当零序无功系数最大值与预设阈值的差值小于或等于预设比较阈值时，零序无功系数最大值对应的线路为故障线路，否则，故障线路为母线。

具体地，处理器获取消弧线圈所处配电网在接入选线电阻144的时段内的母线零序电压和馈线零序电流，并根据获取的母线零序电压和馈线零序电流计算消弧线圈所处配电网线路的零序无功系数，具体为：

其中，q0i为线路i的零序无功功率，tsb为第二预设时长，u0为母线零序电压，i0i为线路i的零序电流，λi为零序无功系数，m为配电网线路总数量。

比较各线路的零序无功系统，确定零序无功系数最大值λmax，如果|λmax-0.5|≤ε，其中ε为预设比较阈值，0.5为预设阈值，则λmax对应的线路为故障线路，否则故障线路为母线。

具体地，处理器模块130不一定要在发送第一控制指令的同时发送馈线零序电流采样指令至电流采集模块120，可以在启动后就根据预设频率发送母线零序电压采样指令至电压采集模块110的同时发送馈线零序电流采样指令至电流采集模块120，最后处理器模块130获取到消弧线圈所处配电网在接入选线电阻144的时段内的母线零序电压和馈线零序电流即可。

在一个实施例中，如图2所示，选线模块140包括开关管和选线电阻144，开关管的第一端连接选线电阻144的一端，开关管的第二端连接处理器模块130，开关管的第三端和选线电阻144的另一端分别用于连接消弧线圈的两端。

具体地，处理器模块130发送第一控制指令控制开关管闭合，接入选线电阻144，处理器模块130发送第二控制指令控制开关管断开，切除选线电阻144，通过控制开关管进行闭合和断开操作，实现接入以及切除选线电阻144，从而分析电阻投入后线路的零序无功功率，采用线路零序无功系数故障选线方法，识别故障线路。

在一个实施例中，开关管为可控硅开关142。

在一个实施例中，处理器模块130包括处理器、第一计时器和第二计时器，第一计数器和第二计时器均连接处理器，处理器连接电压采集模快和电流采集模块120，处理器还连接选线模块140。

具体地，处理器连接可控硅开关142。

具体地，当时，其中，uth为预设启动门槛值，urms表示母线零序电压有效值，触发第一计时器，开始记录时间，标记为ta，同时实时监测urms。在ta≤tsa'时，如果监测到则将第一计时器中ta清零。当ta＞tsa'时，其中tsa'为第一预设时间阈值，具体为60s，第一计时器中ta清零，处理器发出第一控制信号，控制可控硅开关142闭合，接入选线电阻144，同时触发第二计时器，开始记录时间，标记为tb，当tb＞tsb'时，其中tsb'为第二预设时间阈值，具体为1s，第二计时器中tb清零，处理器发出第二控制信号，控制可控硅开关142断开，切除选线电阻144。处理器记录tsa'～tsa'+tsb'时间内的母线零序电压和馈线零序电流，计算各条线路的零序无功系数λi，计算公式如下：

其中，q0i为线路i的零序无功功率，tsa'为第一预设时间阈值，tsa'+tsb'为第二预设时间阈值，u0为母线零序电压，i0i为线路i的零序电流，λi为零序无功系数，m为配电网线路总数量。

在一个实施例中，计时器的数量可以为一个，当时，其中，uth为预设启动门槛值，urms表示母线零序电压有效值，触发计时器得到计时时间，当计时时间满足第一时间阈值时，发送第一控制指令至选线模块140，当计时时间满足第二时间阈值时，发送第二控制指令至选择模块，此处所讲的第一时间阈值即为60s，第二时间阈值为61s。

在一个实施例中，消弧线圈接地系统故障选线装置还包括显示模块150，显示模块150连接处理器模块130。

具体地，处理器模块130采用线路零序无功系数故障选线方法，识别故障线路，输出数据结果到显示模块150，实现线路零序无功系数以及故障线路的结果输出。显示屏模块的具体类型并不唯一，可以为液晶显示器等。

在一个实施例中，装置的初始状态为处理器模块130内部所有变量清零、开关管断开。

上述消弧线圈接地系统故障选线装置，处理器模块130根据母线零序电压有效值小于或等于第一阈值的时长大于第一预设时长时发送第一控制指令，并在发送第一指控指令第二预设时长后发送第二控制指令，控制选线模块140接入以及切除选线电阻144，获取消弧线圈所处的配电网在接入选线电阻144时段内的母线零序电压和馈线零序电流，根据获取的母线零序电压和馈线零序电流计算各线路零序无功系数，采用线路零序无功系数故障选线方法，识别故障线路，解决了由于消弧线圈补偿后残留较小而造成故障选线困难的问题，提高了单线接地故障选线的准确率，提高电网的安全运行水平。

在一个实施例中，如图3所示，一种基于消弧线圈接地系统故障选线装置的故障选线方法，包括以下步骤：

步骤s110：处理器模块根据预设频率发送电压采样控制指令至电压采集模块。

在一个实施例中，步骤s110之前，还包括步骤102和步骤104。

步骤102：电压采集模块实时采集母线零序电压，并将母线零序电压发送至处理器模块。

步骤104：处理器模块接收母线零序电压，当母线零序电压大于预设启动门槛值时，执行步骤s110。

步骤s120：电压采集模块根据接收的电压采样控制指令采集消弧线圈所处配电网的母线零序电压，并将采样得到的母线零序电压发送至处理器模块。

步骤s130：处理器模块根据接收的采样得到的母线零序电压计算母线零序电压有效值。在本实施例中，步骤s130具体为：

其中，urms表示母线零序电压有效值，n表示总采样点数，u0(n)表示母线零序电压第n次采样值。

步骤s140：处理器模块记录母线零序电压有效值小于或等于第一阈值的时长，并在时长大于第一预设时长时发送第一控制指令至选线模块，且根据预设频率发送馈线零序电流采样指令至电流采集模块；在发送第一控制指令第二预设时长后发送第二控制指令至选线模块。

步骤s150：选线模块在接收第一控制指令时接入选线电阻至消弧线圈，并在接收到第二控制指令时切除选线电阻。

步骤s160：电流采集模块根据接收的馈线零序电流采样指令采集消弧线圈所处配电网的馈线零序电流，并将采样得到的馈线零序电流发送至处理器模块。

步骤s170：处理器模块获取消弧线圈所处配电网在接入选线电阻的时段内的母线零序电压和馈线零序电流，并根据获取的母线零序电压和馈线零序电流计算消弧线圈所处配电网线路的零序无功系数，根据各线路的零序无功系数确定故障线路并输出。在本实施例中，步骤s170包括步骤172至步骤176。

步骤172：处理器模块获取消弧线圈所处配电网在接入选线电阻的时段内的母线零序电压和馈线零序电流，并根据获取的母线零序电压和馈线零序电流计算消弧线圈所处配电网线路的零序无功系数。在本实施例中，步骤172具体为：

其中，q0i为线路i的零序无功功率，tsb为第二预设时长，u0为母线零序电压，i0i为线路i的零序电流，λi为零序无功系数，m为配电网线路总数量。

步骤174：处理器模块比较各线路的零序无功系数，确定零序无功系数最大值。

步骤176：处理器模块判断当零序无功系数最大值与预设阈值的差值小于或等于预设比较阈值时，零序无功系数最大值对应的线路为故障线路，否则，故障线路为母线。

上述消弧线圈接地系统故障选线方法，处理器模块根据母线零序电压有效值小于或等于第一阈值的时长大于第一预设时长时发送第一控制指令，并在发送第一指控指令第二预设时长后发送第二控制指令，控制选线模块接入以及切除选线电阻，获取消弧线圈所处的配电网在接入选线电阻时段内的母线零序电压和馈线零序电流，根据获取的母线零序电压和馈线零序电流计算各线路零序无功系数，采用线路零序无功系数故障选线方法，识别故障线路，解决了由于消弧线圈补偿后残留较小而造成故障选线困难的问题，提高了单线接地故障选线的准确率，提高电网的安全运行水平。

为了更清楚的说明本发明的判断过程，以具体数值举例说明。配电网的电源额定电压为110kv，系统侧等值阻抗为j3.025ω，中性点采用相控式消弧线圈接地，补偿度为过补偿2％，变电站主变额定容量为40mva，变比为110/11，10kv母线共带有11回馈线l1～l11，均为电缆线路，其线路串联阻抗为0.0788+j0.0885ω/km，对地电容为0.3755μf/km，接入的接地故障选线装置，并设定时间阈值tsa＝60s，tsb＝1s，零序系数阈值ε＝0.03，选线电阻为50ω。

情况1：t＝2.2s时刻线路l1中点发生a相金属性接地，零序无功系数最大值为0.512，满足|λmax-0.5|≤0.03，故可判定线路l4为故障线路。

情况2：设置t＝2.2s时刻母线发生a相金属性接地。零序无功系数最大值为0.547，不能满足|λmax-0.5|≤0.03，故可判定母线为故障线路。

情况3：设置t＝2.2s期间线路l1中点发生a相高阻接地，零序无功系数最大值为0.495，满足|λmax-0.5|≤0.03，故可判定线路l1为故障线路。

情况4：设置t＝2.2s期间线路母线处发生a相高阻接地，零序无功系数最大值为0.458，不能满足|λmax-0.5|≤0.03，故可判定母线为故障线路。

由选线结果可知，本发明解决了由于消弧线圈补偿后残流较小而造成故障选线困难的问题，提高了单线接地故障选线的准确率，提高电网的安全运行水平，具有较强的适用性和工程实用性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。