一种基于中性点接地方式的故障仿真系统及方法与流程

本发明属于配电网领域，特别涉及一种基于中性点接地方式的故障仿真系统及方法。

背景技术：

三相交流电力系统中性点与大地之间的电气连接方式，称为电网中性点接地方式。中性点接地方式涉及电网的安全可靠性、经济性；同时直接影响系统设备绝缘水平的选择、过电压水平及继电保护方式、通讯干扰等。一般来说，电网中性点接地方式也就是变电所中变压器的各级电压中性点接地方式。

配电线路多种中性点接地装置共存，但对不同接地方式的适用情况认识不清，给配电运行及管理带来困难；

目前，国网公司配网中性点接地方式主要有不接地、经消弧线圈接地以及经低电阻接地三种接地方式，随着电压电容的持续增大，对于选用消弧线圈装置或者小电阻装置存在着争议，经消弧线圈接地系统，单相接地故障电流仅为补偿后很少的残余电流，对电弧的重燃有明显的抑制作用，可减少高幅电弧接地发生过电压的几率，但选线正确率底，导致无法准确隔离故障线路。经小电阻接地能够有效抑制谐振过电压及弧光接地过电压，工频过电压较低，线路和设备的绝缘水平要求比经消弧线圈接地的绝缘水平低，但也因接地故障电流大，使电位上升较高，对人身设备安全不利，且保护迅速动作切除故障，提升跳闸率。

目前，35kv以下电压等级的配网系统中，最为常用的就是中性点不接地或中性点经消弧线圈接地。当发生单相接地故障时,由于不能构成低阻抗的短路回路,接地短路电流很小。配电网系统结构复杂、运行方式多变的特征给故障的检测以及系统的综合治理带来了极大的不便。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种基于中性点接地方式的故障仿真系统及方法。

一种基于中性点接地方式的故障仿真方法，所述方法包括：

构建基于中性点接地方式的故障等值电路；

在中性点不同接地方式下形成新的故障数据；

将所述故障数据带入到所述故障等值电路中；

根据所述故障数据提取等值电路的具体故障原因；

根据所述故障原因找到故障线路。

进一步地，对形成故障数据的相关量进行收集，在收集相关量的基础上，将数据框架和对立框架进行数据对立，确定故障数据对应的故障原因

进一步地，在等值电路中对中性点不同接地方式的故障原理进行分类，然后根据分类后的故障建立故障数据框架。

进一步地，将产生的故障状况与中性点通过谐振接地的方式或中性点不接地的方式中产生的故障相类似的故障状况数据进行提取。

进一步地，对中性点不同接地方式下的故障状况按照发生概率依次排序，即按照降序的方式排列。

进一步地，将降序排列的故障状况列成数据框架。

进一步地，对形成故障数据的相关量进行收集，然后根据收集的故障数据的相关量建立对立框架。

进一步地，在一定区域内对线路故障数据的相关量进行收集。

进一步地，将相关量按照不同类别进行归类建立对立框架。

一种基于中性点接地方式的故障仿真系统，所述系统包括：

数据框架模块：用于记录和分类等值电路中中性点不同接地方式的故障原理，根据分类后的故障建立数据框架模块；

数据对立模块：用于收集线路故障数据的相关量，根据收集的故障数据的相关量建立数据对立模块；

对立框架模块：用于对照数据框架模块和对立框架模块，找出故障数据的具体原因，从而确立故障发生点；

所述数据框架模块包括故障数据单元和排序单元；

故障数据单元：用于将产生的故障状况与中性点通过谐振接地的方式或中性点不接地的方式中产生的故障相类似的故障状况数据进行提取，确定故障状况的发生概率；

排序单元：基于所述故障数据单元形成的数据概率按照降序排布；

所述对立框架模块包括相关量单元和数据单元；

相关量单元：用于记录线路故障时线路中的变化数据，线路中的故障相和非故障相的电容电感的变化数据、故障点接地或断开的即时数据、线路中的接地电流和电弧产生的持续时长以及电弧的阶段等等数据；

数据单元：基于相关量单元形成的数据总量，在一定区域内对线路故障数据进行总结。

本发明通过在中性点不同接地方式下建立故障仿真系统及方法，在收集相关量的基础上，将数据框架和对立框架进行数据对立，确定故障数据对应的故障原因，确定好一个线路的故障结果的状况下，其等值电路中，在故障结果的反推作用下并与故障数据相互对应，能够确定故障数据的源头，从而快速的对故障原因进行确认，进而能够快速了解并解决故障原因。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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示出了根据现有技术的不同故障条件下小电流接地故障等值电路图；

图2示出了根据本发明实施例的中性点不同接地运行方式下的等值电路模型故障点确立的流程图；

图3示出了根据本发明实施例的中性点不接地系统工频熄弧的过电压仿真图；

图4示出了根据本发明实施例的消弧线圈接地系统工频熄弧的过电压仿真图；

图5示出了根据本发明实施例的中性点不同接地方式的故障原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于中性点接地方式的故障仿真系统及方法，本发明需要构建基于中性点接地方式的故障等值电路，然后基于故障等值电路形成故障模型，在中性点不同接地方式下形成新的故障数据，将所述故障数据带入到所述故障等值电路中，根据所述故障数据提取等值电路的具体故障原因，最后根据所述故障原因找到故障线路。

本发明以针对中性点不同接地运行方式下的等值电路模型为例进行说明，但并非仅仅限于中性点接地进行说明，也适用于其它类型的电路故障，比如电器线路的跳闸状况。

在建立等值电路模型前，需要对建立等值电路模型数据的各个组成部分进行确定，基于确定的组成部分构建完整的等值电路模型数据，所述各个组成部分包括暂态电气量、线路等效电感、消弧线圈等效电感等等，其中，暂态等值电路是故障暂态分析的主要工具，可定量计算暂态电气量，为接地故障保护、过电压防护、接地补偿及配电网中性点接地方式选择等提供理论依据；由于线路等效电感与消弧线圈等效电感在不同故障过渡电阻及不同频率分量下的作用不同，综合建立可分析不同情况下故障特征的等值电路，基于中性点不同故障条件下小电流接地故障等值电路构建附图1。

如图1所述，等值电路中，故障点虚拟电源的电压计算公式为uf＝-umsin(ω0t+φ)，um为正常运行时故障相电压峰值，ω0为工频角频率，φ为故障初相角，t为故障时间；可利用该中性点不同接地运行方式下的等值电路模型,其中，开关k1、开关k2的通断与所表示的等值电路的关系建立表格：

表1开关通断与所表示的等值电路关系

由表1可知，中性点谐振接地系统和不接地系统中均出现暂态等值电路和工频等值电路两种，当k1、k2全部闭合时，此时谐振接地系统暂态等值电路出现高阻接地故障，谐振接地系统工频等值电路出现任意阻值接地故障；当k1、k2全部断开时，此时谐振接地系统暂态等值电路出现低阻接地故障，不接地系统暂态等值电路和不接地系统工频等值电路均出现任意阻值接地故障的状况。

如图1所示，在k1、k2全部闭合时，由uf故障点虚拟电源发出的iof零序电流通路通过k1直接流过，并不经过电感l，是因为k1导致电感l短路，所以电感l中并没有电流经过，并且电感l本身也阻挡电流通过，然后iof经过故障点接地电阻rf，零序电流iof变化成iolp达到电感lp，因为电阻本身会改变线路中的电流大小，在电压一定的状况下，线路中的电阻越大，则线路中的电流越小，当交流电通过电感线圈时，会产生磁通量的变化,从而线圈会产生感应电动势,阻碍磁通量的变化，进而阻碍电流的变化，达到稳定电流的作用，然后零序电流i0i会通过coi接地，形成完整回路；

在k1、k2全部断开时，由uf故障点虚拟电源发出的iof零序电流通路通过电感l，然后连接到rf，由电感l对线路中的零序电流进行稳定，使零序电流的变化程度减小，然后零序电流i0i会通过coi储存电能。

其中u0为母线零序电压；等效电阻r为故障点到母线间线路的2倍线模电阻、零模电阻、2倍电源(主变)电阻以及3倍故障点接地电阻rf之和；lp为消弧线圈零序等效电感(3倍消弧线圈电感)；l为故障线路上的2倍线模电感与零模电感之和；选择第n条线路为故障线路，i0i为第i(i＝0,…,n)条线路零序电流；coi为第i(i＝0,…,n)条线路对地零序电容；iof、iolp、icn分别为故障点零序电流、消弧线圈零序电流以及故障线路对地电容电流。

本发明提供一个基于中性点接地方式的故障仿真分析过程，如图2，分析步骤如下：

步骤一：在等值电路中对中性点不同接地方式的故障原理进行分类，然后将根据分类后的故障建立故障数据框架，示例性地，在现在的中性点不接地故障的线路中，发生一相接地时，若电网持续在一相接地的状况下运行，非故障相电压升高，绝缘薄弱点很可能被击穿，而引起两相接地短路，将严重地损坏电气设备，将故障建立数据框架：

1)中性点不同接地方式下的故障状况，即将产生的故障状况与中性点通过谐振接地的方式或中性点不接地的方式中产生的故障相类似的故障状况数据进行提取；

2)中性点通过谐振接地的方式，即一个或多个中性点通过电抗接地的系统，借以大体上补偿单相接地故障电流的电容分量；

3)中性点不接地的方式，即中性点不接地或经过高阻抗接地的系统，也称小接地电流系统；

4)对中性点不同接地方式下的故障状况带入到现有的故障等值电路中，将中性点不同接地方式下的故障状况在现有的故障等值电路中产生的故障结果按照发生概率依次排序，即按照降序的方式排列；

5)将降序排列的故障状况列成数据框架；

针对该步骤，对于中性点不同接地方式的故障状况，针对谐振接地和不接地的故障数据，按照降序排列的顺序依次形成数据框架，本发明以10kv等值电路为例举例说明，并不仅限于10kv的等值电路，也能使用其它电压的等值电路。

步骤二：对形成故障数据的相关量进行收集，然后根据收集的故障数据的相关量建立对立框架，示例性地，当现在的中性点不接地故障的线路中，发生一相接地时，出现的间隙电弧、间隙电弧引起的过电压和过电压引起的另一相对地击穿，从而出现两相接地短路，对间隙电弧、过电压和两相接地短路进行数据收集：

1)故障数据的相关量，即线路故障时，线路中的故障相和非故障相的电容电感的变化数据、故障点接地或断开的即时数据、线路中的接地电流和电弧产生的持续时长以及电弧的阶段等等数据；

2)在一个或多个县城内部对线路故障数据的相关量进行收集，将相关量按照不同类别进行归类建立对立框架，示例性的，以县城为例进行区域性说明，并不仅限于县城这一方面；

针对该步骤，确立好故障数据的相关量后，收集一个或多个县城内部对线路故障数据的相关量，在确立好相关量数据的具体指数后，将相关量数据建立对立框架。

步骤三：在收集相关量的基础上，将步骤一建立的数据框架和步骤二建立的对立框架进行数据对立，确定故障数据对应的故障原因，示例性地，当现在的中性点不接地故障的线路中出现间隙电弧或两相接地故障时，在举例说明的基础上，可以判定现在的中性点不接地故障出现单相接地的问题：

1)数据对立，即将步骤二中的对立框架内部具体数据与步骤一中各种数据形成的故障状况进行一一对照；

2)故障原因，即现发生的线路故障中，根据线路故障的结果判断线路具体的故障源头；

3)在等值电路中，通过各个故障数据的相关量的收集之后，在数据框架中寻找与故障原因相同的故障数据；

针对该步骤，确定好一个线路的故障结果的状况下，其等值电路中，在故障结果的反推作用下并与故障数据相互对应，确定故障数据的源头。

本发明实施例中，在小电流接地故障中，存在间歇性接地故障，示例性地，在小电流接地系统中发生间歇性弧光接地故障，电弧电压电流将在正弦波的基础上发生不同程度的畸变：由于电流中叠加由燃弧振荡引起的暂态分量，故每半个周波起始时可观察到燃弧暂态电流波峰，电弧电压在零休期间变化剧烈，在稳定燃弧期间几乎维持在一个恒定的水平，形似“马鞍形”，具有明显的燃弧电压和熄弧电压，且燃弧电压高于熄弧电压，电弧电阻呈非线性，零休期间阻值较大，燃弧期间阻值近似为零。

示例性地，间歇性电弧接地现象可由工频熄弧理论和高频熄弧理论解释，两种理论均假定故障相在工频电压最大值处发生绝缘击穿，前者认为工频电流过零时熄弧，后者则认为高频电流过零时熄弧，如图3所示，中性点不接地系统每次发生电弧接地故障都会引起高频振荡，从而产生过电压，半个工频周期后电弧熄灭，三相电压恢复正弦波，由于非故障相上积累的自由电荷沿对地电容重新分布，故三相上产生了相同的正的位移电压，致使电压波形整体上移，在第四次燃弧之后，故障相电压峰值即为燃弧暂态电压峰值，其过电压倍数较间歇性燃弧期间要小得多，x轴表示从0.08s到0.22s的时间分段，其中，时间分段的间隔为0.02s，y轴表示从-20kv到20kv的电压分段，其中，电压分段的间隔为10kv，ua在0.08s到0.1s表示第一段稳定交流电压，在0.1s出现故障，该线路上的交流电压出现不稳定状态，ub在0.1s至0.16s时接地电弧的多次熄弧、重燃，电磁能的剧变，出现非故障相电压达到线电压，甚至出现超过线电压，uc在0.18s至0.22s时表示第二段稳定交流电压。

示例性地，如图4所示，而中性点经消弧线圈接地，可以有效延缓熄弧后故障相电压的恢复速度，减少单位时间内的重燃次数，降低间歇性电弧接地过电压的倍数，其中，x轴表示从0到0.6s的时间分段，其中，时间分段的间隔为0.1s，y轴表示从-20kv到20kv的电压分段，其中，电压分段的间隔为10kv,其中ua在0到0.1s表示第一段稳定交流电压，在0.1s出现故障，该线路上的交流电压出现不稳定状态，ub在0.1s至0.5s时通过消弧线圈提供的电感和系统的对地电容与接地点构成并联谐振通路，消弧线圈的感性电流补偿系统电容电流，使故障点电流降至规定值以下，以达到灭弧的目的，防止事故的扩大，避免过电压的产生，uc在0.5s至0.6s时表示第二段稳定交流电压。

在上述方法的基础上，本发明实施例还提供了一种提供解决方案的系统，如图5所示，包括数据框架模块、与所述数据框架模块实现数据连接的数据对立模块、与所述数据对立模块实现连接的对立框架模块，所述数据框架模块包括故障数据单元和排序单元，所述对立框架模块包括相关量单元和数据单元，其中：

所述数据框架模块用于记录和等值电路中中性点不同接地方式的故障原理，实现故障原理的数据框架，所述对立框架模块用于收集线路故障数据的相关量，实现相关量的数据框架，所述数据对立模块用于对照数据框架模块和对立框架模块，找出故障数据的具体原因，从而确立故障发生点。

所述故障数据单元用于记录中性点不同接地方式下的故障状况的发生概率，所述排序单元，基于所述故障数据单元形成的数据按照降序排布，所述相关量单元用于记录线路故障时，线路中的故障相和非故障相的电容电感的变化数据、故障点接地或断开的即时数据、线路中的接地电流和电弧产生的持续时长以及电弧的阶段等等数据，所述数据单元，基于相关量单元形成的数据总量，在一个或多个县城内部对线路故障数据进行总结。

示例性地，在一个中性点等值电路中，由于电源保护效果导致电闸跳开，在中性点直接接地的状况下，如果发生一相接地的状况时，就会引起较大的短路电流，电闸直接跳开；以及中心点不接地系统中，一旦有一根电线与地接触，由于只有电容电流流过，当电容电流小于5a的时候，可以允许电源不跳闸，如果不接地系统的电源容量很大，供电电缆很长，其电容电流大于5a后，一旦电线接地就必须跳闸停电等等故障原因，跳闸后，根据中性点接地状况的原因建立跳闸可能性列表，然后对等值电路进行合闸，检测电路中接地的电容电流、是否产生电弧等等线路数据，然后在一个或多个县城内部对同样是跳闸的线路数据进行收集总结，从而能够得到跳闸的具体故障源头。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。