一种小电流接地故障选线方法、装置及系统与流程
本申请涉及电力系统中的故障检测领域，尤其涉及一种小电流接地故障选线方法、装置及系统。
背景技术：
随着电力事业快速发展，配电网中的输电线路也越来越多，导致输电线路的故障也越来越多。输电线路的故障如果不及时排查和修复，会给人们带来巨大的经济损失，同时也会给人们的生活带来极大的不便。
目前运行的6kv-35kv的配电网中普遍采用小电流接地的运行方式，小电流接地的运行方式是采用中性不接地或者经消弧线圈接地的运行方式。但是，在中性不接地或者经消弧线圈接地的运行方式中，单相接地故障出现的概率较大，约占80％以上。当配电网发生单相接地故障时，在故障的初始阶段通常各相间的电压大小和相位保持不变，三相系统的平衡没有遭到破坏，因此，可以带故障线路运行2个小时以上。但是随着带故障运行时间的延长，带故障线路可能会造成相间短路，甚至导致整个系统瘫痪。因此，需要选出小电流接地的运行方式中的故障线路，以便及时维修，其中，选出小电流接地的运行方式中的故障线路的过程即为小电流的接地故障选线。
现有的小电流接地故障选线方法采用的是基于信号注入法，该方法中，在小电流接地系统发生单相接地故障后，故障线路的相电压和零序电压会发生变化，根据其相电压和零序电压的变化情况可初步确定故障线路的大致区域；然后再启动注入信号源，使注入信号源产生一个与配电网固有频率不同的正弦电流信号(如120hz，幅值约为5a)，将注入信号源短接至电压互感器二次侧的故障相上，再向故障线路的大致区域注入上述注入信号源产生的正弦电流信号，该信号由二次侧耦合到一次系统中，再根据线路首端电压、电流与故障点处的注入信号电压、电流和故障距离的之间的关系式，计算得到最终的故障距离，确定故障点。
但是，发明人在本申请的研究过程中发现，在现有的小电流接地故障选线方法中，向电压互感器侧注入信号，会影响电压互感器的精度，对配电网造成影响，同时，注入的信号在电压互感器二次侧的幅值会降低到几百甚至几十毫安，电流互感器很难检测到该信号的幅值，导致接地故障选线不准确。
技术实现要素：
本申请实施例提供的一种电流接地故障选线方法、装置及系统，以解决在现有技术中，向电压互感器侧注入信号，会影响电压互感器的精度，对配电网造成影响，同时，注入的信号在电压互感器二次侧的幅值会降低到几百甚至几十毫安，电流互感器很难检测到该信号的幅值，导致接地故障选线不准确的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种小电流接地故障选线方法，包括：
获取配电网中消弧线圈两端的电压，当所述消弧线圈两端的电压均大于相电压的一半时，设定延迟时间；
在达到所述延迟时间之后，获取逆变器向配电网中注入的低频恒流信号，其中，所述低频恒流信号由逆变控制器控制逆变器产生；
分别计算所述配电网中各条输电线路的零序电流振荡变化率，其中，所述零序电流振荡变化率为所述低频恒流信号与所述输电线路的零序电流的叠加值；
确定所述零序电流振荡变化率中的最大值对应的输电线路为故障线路；
分别计算所述故障线路中的各相的电流振荡变化率，其中，所述电流振荡变化率为所述低频恒流信号与相电流的叠加值；
确定所述电流振荡变化率中的最大值对应的相为故障相。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述小电流接地故障选线方法还包括：
向逆变控制器发出请求触发脉冲信号，获取逆变器重新向配电网中注入的低频恒流信号。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述逆变器注入低频恒流信号为：i逆＝idmsin(2πfdt)；
其中，idm为低频恒流信号的幅值，fd为低频恒流信号的频率，t为低频恒流信号的持续时间。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述零序电流振荡变化率的计算方法为：
获取第k条线路上的一个振荡周期内的每20ms的零序电流大小，分别表示为：
结合第一方面，在一种实现方式中，所述电流振荡变化率的计算方法为：
设第k条线路上的三相分别为a、b、c三相，获取a相的一个振荡周期内的每20ms的零序电流大小，分别表示为：ia1、ia2...ian，则该故障线中的a相电流低频振荡幅值大小为：
获取b相的一个振荡周期内的每20ms的零序电流大小，分别表示为：ib1、ib2...ibn，则该故障线中的b相电流低频振荡幅值大小为：
获取c相的一个振荡周期内的每20ms的零序电流大小，分别表示为：ic1、ic2...icn，则该故障线中的c相电流低频振荡幅值大小为：
结合第一方面，在一种实现方式中，所述延迟时间大于等于20s。
第二方面，本申请实施例部分提供了一种小电流接地故障选线装置，包括：
电压获取模块，用于获取配电网中消弧线圈两端的电压，当所述消弧线圈两端的电压均大于相电压的一半时，设定延迟时间；
低频恒流信号注入模块，用于在达到所述延迟时间之后，获取逆变器向配电网中注入的低频恒流信号，其中，所述低频恒流信号由逆变控制器控制逆变器产生；
零序电流振荡变化率计算模块，用于分别计算所述配电网中各条输电线路的零序电流振荡变化率，其中，所述零序电流振荡变化率为所述低频恒流信号与所述输电线路的零序电流的叠加值；
故障线路确定模块，用于确定所述零序电流振荡变化率中的最大值对应的输电线路为故障线路；
电流振荡变化率计算模块，用于分别计算所述故障线路中的各相的电流振荡变化率，其中，所述电流振荡变化率为所述低频恒流信号与相电流的叠加值；
故障相确定模块，用于确定所述电流振荡变化率中的最大值对应的相为故障相。
第三方面，本申请实施例部分提供了一种小电流接地故障选线系统，包括：
逆变器、逆变控制器、接地选线故障装置、消弧线圈电压互感器、零序电流互感器、电流互感器；
逆变器通过电感连接消弧线圈，当发生故障之后，消弧线圈对逆变器充电至固定电压，启动逆变器，所述逆变器用于向配电网中注入低频恒流信号；
逆变控制器连接逆变器和接地选线故障装置，所述逆变控制器用于控制所述逆变器产生低频恒流信号；
消弧线圈电压互感器连接接地选线故障装置，所述电压互感器用于测量消弧线圈上的电压，并传输至所述接地选线故障装置；
零序电流互感器设置在配电网各条线路上，所述零序电流互感器所述连接接地选线故障装置，所述零序电流互感器用于测量配电网各条线路的零序电流，并传输至所述接地选线故障装置；
电流互感器设置在线路中的各相上，所述电流互感器连接接地选线故障装置，所述电流互感器用于测量各相上的电流，并传输至所述接地选线故障装置。
结合第三方面，在一种实现方式中，所述逆变器包括：
四个igbt元件、四个二极管和并列电容，其中所述二极管为快恢复二极管。
本申请实施例公开的一种小电流接地故障选线方法、装置和系统，其中，所述方法包括：获取配电网中消弧线圈两端的电压，当所述消弧线圈两端的电压均大于相电压的一半时，设定延迟时间；在达到所述延迟时间之后，获取逆变器向配电网中注入的低频恒流信号，其中，所述低频恒流信号由逆变控制器控制逆变器产生；分别计算所述配电网中各条输电线路的零序电流振荡变化率，其中，所述零序电流振荡变化率为所述低频恒流信号与所述输电线路的零序电流的叠加值；确定所述零序电流振荡变化率中的最大值对应的输电线路为故障线路；分别计算所述故障线路中的各相的电流振荡变化率，其中，所述电流振荡变化率为所述低频恒流信号与相电流的叠加值；确定所述电流振荡变化率中的最大值对应的相为故障相。
通过本申请公开的一种小电流接地故障选线方法、装置和系统，通过计算零序电流振荡变化率和电流振荡变化率，能够简单准确的选出故障线以及对应的故障相，且不会影响电压互感器的测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种电流接地故障选线方法的流程示意图；
图2是本申请实施例提供的一种电流接地故障选线装置的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的一种电流接地故障选线系统的结构示意图；
图4是本申请实施例提供的一种电流接地故障选线系统中，逆变器的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
本申请实施例提供的一种电流接地故障选线方法、装置及系统，以解决在现有技术中，向电压互感器侧注入信号，会影响电压互感器的精度，对配电网造成影响，同时，注入的信号在电压互感器二次侧的幅值会降低到几百甚至几十毫安，电流互感器很难检测到该信号的幅值，导致接地故障选线不准确的问题。
参照图1，示出了一种小电流接地故障选线方法，所述方法包括以下步骤：
步骤101，获取配电网中消弧线圈两端的电压，当所述消弧线圈两端的电压均大于相电压的一半时，设定延迟时间；
其中，相电压是指配电网中的相线与中性线(零线)之间的电压；通过检测消弧线圈两端的电压，当其电压大于
本申请中，在配电网未发生单相接地故障时，由于配电网的不平衡因素造成的消弧线圈两端的电压很低，通常在零到几十伏之间，可以近似认为逆变器电容上无电压。发生单相接地故障后，消弧线圈两端的电压迅速上升至系统相电压，在消弧线圈电压稳定后也迅速地完成了对逆变器电容的充电，使其达到一个稳定的直流电压(如udc＝600v)，由于消弧线圈要进行调匝动作，该动作通常会在电容充电完成的一端时间内完成，例如20s内进行，因此通常会设定一定的延迟时间，以保证消弧线圈完成调匝动作，达到稳定的状态。
另外，充电的作用是使保证逆变器的电容器能够建立电压，同时给逆变器提供一个交流电压源，保证逆变器能很好地注入其预期的电流信号。
优选地，所述延迟时间大于等于20s。
步骤102，在达到所述延迟时间之后，获取逆变器向配电网中注入的低频恒流信号，其中，所述低频恒流信号由逆变控制器控制逆变器产生；
其中，逆变器可以是单相逆变器，包含igbt的单相逆变桥。
本步骤中，选择低频恒流信号的原因是：首先，由于与逆变器相连接有电抗，电抗对高频电流衰减较大，对低频衰减叫较小，因此输出低频电流时可以获得较大的注入电流。其次，由于配电网中电流及零序电流中通常含有谐波成分，且该谐波通常为基波整数倍的高次谐波，注入低频恒流可以减小零序高次谐波电流的影响。
本步骤中，在达到设定的延时时间后，逆变控制器中的逆变器控制模块控制单相逆变桥的igbt导通，使其向配电网注入一低频交流电流信号，例如：向配电网中注入10hz的交流电流，该交流电流作为配电网的一个附加的零序电流通过消弧线圈经(例如10kv)母线流过配电网输电线路。该低频交流电流信号的持续时间通常设定为0.5～1s之间。
步骤103，分别计算所述配电网中各条输电线路的零序电流振荡变化率，其中，所述零序电流振荡变化率为所述低频恒流信号与所述输电线路的零序电流的叠加值；
本步骤中，由于通过消弧线圈由逆变器向配电线路中输送的低频零序电流的频率不同于配电网中故障时产生的零序电流的频率，这两种零序电流的叠加必然会产生零序电流大小的频率振荡现象，也就是说，步骤102中注入的低频恒流信号会对由于故障产生的零序电流产生叠加。
所述零序电流振荡变化率为某一振荡周期内一段时间的各低频零序电流振荡变化量，与逆变器模块未发出低频零序电流情况下的零序电流的比值。
步骤104，确定所述零序电流振荡变化率中的最大值对应的输电线路为故障线路。
本步骤中，零序振荡变化率最大，说明故障电流越明显，因此可以用各线路零序电流振荡变化率中的最大值来判断故障线路。
步骤105，分别计算所述故障线路中的各相的电流振荡变化率，其中，所述电流振荡变化率为所述低频恒流信号与相电流的叠加值；
本步骤中，由于通过消弧线圈由逆变器向配电线路中输送的低频零序电流的频率不同于配电网中故障时产生的各相电流的频率，这两种电流的叠加必然会产生电流大小的频率振荡现象，也就是说，步骤102中注入的低频恒流信号会对由于故障产生的各相电流产生叠加。
所述各相电流振荡变化率为该相某一振荡周期内一段时间的各低频电流振荡变化量，与逆变器模块未发出低频零序电流情况下的相电流的比值。
步骤106，确定所述电流振荡变化率中的最大值对应的相为故障相。
本步骤中，各相电流振荡变化率最大，说明该相故障电流越明显，因此可以用各相电流振荡变化率中的最大值来判断故障相。
本申请实施例公开的一种小电流接地故障选线方法，包括：获取配电网中消弧线圈两端的电压，当所述消弧线圈两端的电压均大于相电压的一半时，设定延迟时间；在达到所述延迟时间之后，获取逆变器向配电网中注入的低频恒流信号，其中，所述低频恒流信号由逆变控制器控制逆变器产生；分别计算所述配电网中各条输电线路的零序电流振荡变化率，其中，所述输电线路的零序电流振荡变化率为所述低频恒流信号与所述输电线路的零序电流的叠加值；确定所述各线路零序电流振荡变化率中的最大值对应的输电线路为故障线路；分别计算所述故障线路中的各相的电流振荡变化率，其中，所述故障线路中的各相电流振荡变化率为所述低频恒流信号与相电流的叠加值；确定所述各相电流振荡变化率中的最大值对应的相为故障相。
通过本申请公开的一种小电流接地故障选线方法，采用零序电流振荡变化率和电流振荡变化率，能够简单准确的选出故障线以及对应的故障相，且不会影响电压互感器的测量精度。
优选地，所述小电流接地故障选线方法还包括：向逆变控制器发出请求触发脉冲信号，获取逆变器重新向配电网中注入的低频恒流信号。
本实施例中，重新向配电网中注入的低频恒流信号，可以发生在步骤103之后，即如果计算得到的各条输电线路的零序电流振荡变化率的值有异常，则会通过逆变控制器向逆变器发出请求触发脉冲信号，请求逆变器重新向配电网中注入的低频恒流信号。还可以发生在步骤步骤106之后，重新向配电网中注入的低频恒流信号，然后再执行步骤103至步骤106，进一步地增加计算结果的准确性。
优选地，所述逆变器注入低频恒流信号为：i逆＝idmsin(2πfdt)；
其中，idm为低频恒流信号的幅值，fd为低频恒流信号的频率，t为低频恒流信号的持续时间。
本实施例中，逆变器的启动条件是：
u消弧表示消弧线圈的电压，up表示系统相电压，δt表示延迟时间，τd表示低频恒流信号的持续时间。
优选地，所述零序电流振荡变化率的计算方法为：
获取第k条线路上的一个振荡周期内的每20ms的零序电流大小，分别表示为：
本实施例中，
优选地，所述电流振荡变化率的计算方法为：
设第k条线路上的三相分别为a、b、c三相，获取a相的一个振荡周期内的每20ms的零序电流大小，分别表示为：ia1、ia2...ian，则该故障线中的a相电流低频振荡幅值大小为：
获取b相的一个振荡周期内的每20ms的零序电流大小，分别表示为：ib1、ib2...ibn，则该故障线中的b相电流低频振荡幅值大小为：
获取c相的一个振荡周期内的每20ms的零序电流大小，分别表示为：ic1、ic2...icn，则该故障线中的c相电流低频振荡幅值大小为：
本实施例中，
参照图2，示出了一种小电流接地故障选线装置，所述装置包括：
电压获取模块201，用于获取配电网中消弧线圈两端的电压，当所述消弧线圈两端的电压均大于相电压的一半时，设定延迟时间；
低频恒流信号注入模块202，用于在达到所述延迟时间之后，获取逆变器向配电网中注入的低频恒流信号，其中，所述低频恒流信号由逆变控制器控制逆变器产生；
零序电流振荡变化率计算模块203，用于分别计算所述配电网中各条输电线路的零序电流振荡变化率，其中，所述零序电流振荡变化率为所述低频恒流信号与所述输电线路的零序电流的叠加值；
故障线路确定模块204，用于确定所述零序电流振荡变化率中的最大值对应的输电线路为故障线路。
电流振荡变化率计算模块205，用于分别计算所述故障线路中的各相的电流振荡变化率，其中，所述电流振荡变化率为所述低频恒流信号与相电流的叠加值；
故障相确定模块206，用于确定所述电流振荡变化率中的最大值对应的相为故障相。
参照图3，示出了一种小电流接地故障选线系统，所述系统包括：
逆变器301、逆变控制器302、接地选线故障装置303、消弧线圈电压互感器304、零序电流互感器305、电流互感器306；
逆变器通过电感连接消弧线圈，当发生故障之后，消弧线圈对逆变器充电至固定电压，启动逆变器，所述逆变器用于向配电网中注入低频恒流信号；
其中，本申请所使用的逆变器连接在消弧线圈的两个分接头之间，由消弧线圈提供能量；只有在配电网发生单相接地故障后或三相不平衡是才能实现对逆变器进行充电，在正常三相对称情况下不为逆变器电容供能充电。它不仅仅是一个逆变器，不需要外部电源供电，并且只要故障存在，外部电源就存在，故障消失后外部电源消失。
另外，本申请所用注入信号源是由逆变器和消弧线圈的两个分接头间的部分可变电压源共同实现的。
逆变控制器连接逆变器和接地选线故障装置，所述逆变控制器用于控制所述逆变器产生低频恒流信号；
消弧线圈电压互感器连接接地选线故障装置，所述电压互感器用于测量消弧线圈上的电压，并传输至所述接地选线故障装置；
零序电流互感器设置在配电网各条线路上，所述零序电流互感器所述连接接地选线故障装置，所述零序电流互感器用于测量配电网各条线路的零序电流，并传输至所述接地选线故障装置；
电流互感器设置在线路中的各相上，所述电流互感器连接接地选线故障装置，所述电流互感器用于测量各相上的电流，并传输至所述接地选线故障装置。
其中，逆变器控制器通过测量逆变器中的并联电容器的端电压及逆变器输出电流实现对逆变器的输出低频恒流信号的跟踪控制，同时保持逆变器中并联电容器两端的电压达到其设定跟踪值，这是通过对逆变器中的逆变桥igbt的触发脉冲进行控制来实现的。
本实施例中，接地故障选线装置获取消弧线圈两端的电压信号、非故障线路各相的电流信号及零序电流信号、故障线路各相的电流信号及零序电流信号。通过分析计算判断出接地故障线路及故障相。同时还通过对逆变器控制器发出请求触发脉冲信号，要求控制逆变器再次发出低频恒流信号，增加判断的准确性。
参照图4，示出了一种逆变器的结构，所述逆变器包括：
四个igbt元件、四个二极管和并列电容，其中所述二极管为快恢复二极管。
如图4所示，l1、l2为连接逆变器的两个小电感，其作用是将逆变器输出的低频电压信号转变为电流信号，k1、k2、k3、k4为构造逆变器的4个igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)元件，d1、d2、d3、d4为4个快恢复二极管。它与k1、k2、k3、k4一起构成逆变器，ce为逆变器并列电容，其取值可在104～105μf之间选取。其中，k1和d1并联组成第一回路，k2和d2并联组成第二回路，k3和d3并联组成第三回路，k4和d4并联组成第四回路，然后第一回路、第二回路、第三回路和第四回路串联组成第五回路，第五回路再与ce并联组成逆变器结构；消弧线圈为调匝式线圈，其分接通常在9～24个之间，逆变器的两个连接电抗l1、l2通常连接在10kv消弧线圈总分压的6％左右的两个分接头间。l1、l2取值通常在1～10mh之间。
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。
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