基于多线路零序电流信息的花瓣式城市电网接地故障精确定位方法与流程

本发明属于电力系统配电网保护与控制领域，基于花瓣式城市电网接地故障特性分析结果，提出了一种基于多段主干线路零序电流信息的花瓣式城市电网接地故障精确定位方法。

背景技术：

城市电网直接面向电力用户，承担着为用户提供优质电能的重要责任，是电力系统中不可或缺的一部分。随着城市的快速发展，城市中用电负荷的密度快速增长，对城市供电可靠性的要求也逐渐提高，由于传统的辐射型城市电网故障影响范围大，愈发难以满足民生需求，城市电网接线方式逐渐向单环网、双环网、多分段多联络等接线方式发展，但环网式城市电网在正常运行方式下通常采用闭环设计、开环运行的模式。此外，一些占据重要经济地位的高负荷密度区域有着更高的供电可靠性需求，如中新广州知识城要求供电可靠率不低于99.999％，因此采用花瓣式新型城市电网架构的需求日益增强，而这种新型城市电网的保护控制技术也亟需研究。为此，申请人曾提出一种花瓣式城市电网的接地故障定位方法，该方法基于线路两端零序电流大小之比进行故障定位。然而，该方法未考虑负载阻抗及分布式电源的影响，电网中接入负载和分布式电源时，负载和分布式电源升压变压器的零序阻抗将会改变线路上流过的零序电流大小，使得该故障定位方法的准确性有所下降。另外，当主干线上发生接地故障时，接地故障点与大地之间的过渡电阻会扩大负载阻抗和分布式电源的影响，令该故障定位方法故障定位准确性大大降低。

为实现花瓣式城市电网接地故障点的精确定位，本发明在对含有负载和分布式电源的花瓣式城市电网进行单相和两相金属性和经过渡电阻接地短路故障分析的基础上，根据单一花瓣环网主干线两端连接在相同母线呈现出的零序电流特殊关联关系，提出了一种花瓣式城市电网接地故障精确定位方法。本发明考虑了负载阻抗、分布式电源接入和过渡电阻的影响，仅根据主干线各线路上流过的零序电流大小就能够快速实现接地故障位置的精确定位，方法简单，在花瓣式城市电网配置纵联电流差动保护作为主保护的基础上，所需通信量少，对数据同步性要求低，易于在工程中实施。

技术实现要素：

本发明的目的在于考虑到负载阻抗、分布式电源接入和过渡电阻的影响，充分利用花瓣式城市电网中连接在相同母线的单一花瓣主干线的零序电流分布规律和关联关系，提供一种简单有效的花瓣式城市电网主干线接地故障精确定位方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于多线路零序电流信息的花瓣式城市电网接地故障精确定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)由于花瓣式城市电网主干线上每段线路两端均安装有保护装置和断路器，因此每一条花瓣环网主干线上均装有偶数个保护装置，按照顺时针方向，对各线路和保护装置依次进行编号，并称编号较小的保护装置所在线路为上游线路，编号较大的保护装置所在线路为下游线路，在花瓣式城市电网每个花瓣的母线处设置一个集中式信息处理中心，预先按照编号写入单一花瓣主干线上所有线路的线路长度和单位长度线路零序阻抗信息；

2)各保护装置按照躲开正常运行时可能出现的最大不平衡电流进行整定，将该整定值作为各保护装置接地故障的启动值i(0)qd，整定公式为，

其中：krel为大于1的可靠系数；

kre为小于1的返回系数；

iunb为正常运行时的最大不平衡电流，

一旦有保护装置检测到流过的零序电流大小大于整定值，就会向集中式信息处理中心发送发生接地故障信息；

3)根据主干线各条线路长度和接入的负载和分布式电源的情况，在主干线上确定平衡点及其所在线路，所述平衡点有如下性质：当平衡点处发生接地短路故障时流过平衡点所在线路两端保护的零序电流相等，根据花瓣式城市电网的故障分析结果可知，当电网中含有负载和分布式电源时，同一故障点发生单相接地故障时比发生两相接地故障时流过故障点两侧保护的零序电流要更大，并且当主干线上的平衡点处发生接地短路故障时，流过故障点所在线路两端保护的零序电流相等，而此时流过非故障线路两端保护的零序电流也相等；因此，预先在集中式信息处理中心中存入以主干线平衡点位置发生单相接地故障时的零序电流值乘以大于1的可靠系数得到的数值i(0)pj，并作为后续故障定位判据；

4)当花瓣式城市电网主干线上发上单相或两相接地故障时，主干线上含有三条线路的单一花瓣在考虑三种不同情况下复合序网的零序网络部分如图2所示(第二条线路发生接地故障)，其中zs为系统的零序等效阻抗，zl1、zl2、zl3分别为三条线路l1、l2、l3的零序阻抗，zload为负载的零序阻抗，zdg为分布式电源升压变压器的零序阻抗，rf为故障点的过渡电阻，分别为流过编号为2、3、4、6的保护装置的零序电流，α为故障点到保护3的距离与线路l2长度的比值，根据故障分析可以列出更具通用性的相关方程如式所示：

其中：zli(0)为故障点所在线路上游线路li的零序阻抗，1≤i＜f；

zlf(0)为故障点所在线路lf的零序阻抗；

zlj(0)为故障点所在线路下游线路lj的零序阻抗，若该单一花瓣主干线上共有n条线路，则有f＜j≤n；

和分别为单相或两相接地故障时流过线路li和线路lj下游侧保护即编号为2i和2j的保护的零序电流有效值；

和分别为单相或两相接地故障时流过故障点所在线路lf两端保护的零序电流有效值；

α为故障点到故障点所在线路上游侧保护的距离与故障点所在线路长度的比值。

继而由式可推导得到α的表达式如式所示：

若集中式信息处理中心收到发生接地故障信息，则立刻向各保护装置发送指令，让各保护装置上传流过本装置的零序电流信息。集中式信息处理中心收到零序电流信息后，对比流过同一线路两侧保护的零序电流大小，并根据不同情况采取不同定位策略。

而且，所述步骤4)中定位策略的具体操作如下：

i)若流过某线路两端保护的零序电流不相等，则信息处理中心判定该线路为故障线路，并且由该线路上编号较小的保护(即奇数号保护)给出故障点定位结果，即根据式求得α，进而可以求得故障点与该线路上奇数号保护之间的距离l1为αzlf(0)。

ii)若流过平衡点所在线路两端保护的零序电流相等，并且该零序电流值小于预先整定的i(0)pj，则信息处理中心直接判定故障位置位于该线路上平衡点所在位置。

iii)若流过平衡点所在线路两端保护的零序电流相等，并且该零序电流值大于预先整定的i(0)pj，同时在超过1s时间内该线路保护仍处于零序电流启动状态，则信息处理中心发出告警信号，可能存在断路器拒动、通信错误或失败。

与现有技术相比，本发明所能产生的积极效果是：

1、本发明对花瓣式城市电网进行了单相和两相接地故障特性分析，利用单一花瓣环网主干线两端连接在相同母线呈现出的零序电流关联关系，为简单有效地实现故障位置精确定位奠定了基础。

2、无论发生单相接地故障还是两相接地故障，本发明均能够精确实现接地故障定位，不受接地故障类型的影响。

3、由于在故障分析中考虑了主干线上的负载情况、分布式电源和故障点处的过渡电阻，本发明能够不受负载、分布式电源及过渡电阻的影响，精准实现接地故障定位。

4、本发明仅需集中式信息处理中心在收到主干线上各保护的零序电流稳态值之后就能实现精确接地故障定位，无需加装行波测量装置等，具有所需通信量少、对信息的同步性要求低等特点，性能可靠，简单易行。

附图说明

图1为花瓣式城市电网拓扑结构图；

图2为不同情况下主干线上含有三条线路的单一花瓣在发生单相或两相接地故障时复合序网的零序网络部分；其中图(a)为接入负载后单一花瓣发生金属性故障时的零序网络；图(b)为同时接入负载和分布式电源的单一花瓣在发生金属性故障时的零序网络；图(c)为同时接入负载和分布式电源的单一花瓣在发生经过渡电阻接地故障时零序网络；

图3为基于多线路零序电流信息的花瓣式城市电网接地故障精确定位方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图所示实例对该发明的技术方案进行详细说明。

首先，按照顺时针方向，对单一花瓣环网主干线上各个保护依次进行编号，如图1所示主干线包括5条线路l1～l5，每条线路的两端各配置一个保护装置，共10个保护装置，依次编号为1～10。另外，假设4个开关站上接入的负载和分布式电源均相同，主干线上5条线路长度均相等，由于花瓣式城市电网在单一花瓣上采用的是同一型号的电缆，因此5条线路的零序阻抗值也相等。由此可知，主干线上的平衡点位置位于线路l3上，并且是线路l3的中点位置。

其次，对各保护零序电流启动值进行整定，以判断是否发生接地故障。零序电流启动值按照躲开正常运行时可能出现的最大不平衡电流进行整定。

然后，在集中式信息处理中心中预先录入所有线路的长度和单位长度线路零序阻抗信息z1(0)等信息，以备故障点定位时调用。同时，在集中式信息处理中心中预先录入平衡点所在线路两端分别发生单相或两相接地故障时的流过奇数号保护5的零序电流值，并将计算得到两个单相接地故障零序电流值构成一个闭区间si(0)qj1，将计算得到两个两相接地故障零序电流值构成另一个闭区间si(0)qj2。

按照顺时针方向，先将单一花瓣环网在母线处解环，然后根据各线路与母线距离的远近定义上游线路和下游线路，其中靠近母线的线路为上游线路，远离母线的线路为下游线路，分别以线路l1和l2及其线路上保护为例进行说明：

①对于线路l1，线路l2～l5均为其下游线路，保护1和保护2预先录入所有线路(l1～l5)的长度和单位长度线路零序阻抗等信息；

②对于线路l2，线路l1为其上游线路，l3～l5为其下游线路，保护3和保护4预先录入线路l1～l5的长度和单位长度线路零序阻抗等信息。

最后，一旦有保护装置检测到流过的零序电流大小大于整定值，该保护装置立刻向集中式信息处理中心发送发生接地故障信息。集中式信息处理中心接收到发生接地故障信息时马上进入故障定位模式，并向各保护装置发送指令，让各保护装置上传流过装置的零序电流信息。下面以图1中f1、f2、f3三个不同位置发生接地故障为例，介绍基于主干线路零序电流关联关系的花瓣式城市电网接地故障定位方法：

i)当f1点发生接地故障时，流过保护1～保护10的零序电流大于启动值，向集中式信息处理中心发送发生接地故障信息并使之进入故障定位模式。集中式信息处理中心收到零序电流信息后对比流过各线路两端保护的零序电流值大小。其中，流过非平衡点所在线路的l1、l4、l5两端保护的零序电流大小相等，排除故障可能性；流过平衡点所在线路l3两端保护的零序电流大小也相等，但是零序电流值既不在区间si(0)qj1内，也不在区间si(0)qj2内，因此不会发出故障定位结果或告警信息；由于流过故障点所在线路l2上保护3的零序电流大于流过保护4的零序电流，因此集中式信息处理中心经过计算可以给出故障定位结果：故障点到保护3的距离为z1(0)(l2·i4(0)+l3·i6(0)+l4·i8(0)+l5·i10(0)-l1·i2(0))/(i3(0)+i4(0))。

ii)当f2点发生接地故障时，流过保护1～保护10的零序电流大于启动值，向集中式信息处理中心发送发生接地故障信息并使之进入故障定位模式。集中式信息处理中心收到零序电流信息后对比流过各线路两端保护的零序电流值大小。其中，流过非平衡点所在线路的l1、l2、l5两端保护的零序电流大小相等，可排除故障可能性；流过平衡点所在线路l3两端保护的零序电流大小也相等，但是零序电流值既不在区间si(0)qj1内，也不在区间si(0)qj2内，因此不会发出故障定位结果或告警信息；由于流过故障点所在线路l4上保护8的零序电流大于流过保护7的零序电流，因此集中式信息处理中心经过计算可以给出故障定位结果：故障点到保护8的距离为z1(0)(l4·i8(0)+l5·i10(0)-l1·i2(0)-l2·i4(0)-l3·i6(0))/(i7(0)+i8(0))。

iii)当f3点发生接地故障时，流过保护1～保护10的零序电流大于启动值，向集中式信息处理中心发送发生接地故障信息并使之进入故障定位模式。集中式信息处理中心收到零序电流信息后对比流过各线路两端保护的零序电流值大小。其中，流过非平衡点所在线路的l1、l2、l4、l5两端保护的零序电流大小相等，排除故障可能性。若f3点不在线路l3上的平衡点位置，而在平衡点的上游侧，则流过保护5的零序电流大于流过保护6的零序电流，集中式信息处理中心经过计算可以给出故障定位结果：故障点到保护5的距离为z1(0)(l3·i6(0)+l4·i8(0)+l5·i10(0)-l1·i2(0)-l2·i4(0))/(i5(0)+i6(0))；

若f3点不在线路l3上的平衡点位置，而在平衡点的下游侧，则流过保护6的零序电流大于流过保护5的零序电流，集中式信息处理中心经过计算可以给出故障定位结果：故障点到保护5的距离为z1(0)(l3·i6(0)+l4·i8(0)+l5·i10(0)-l1·i2(0)-l2·i4(0))/(i5(0)+i6(0))；

若f3点在线路l3上的平衡点位置，流过保护5的零序电流等于流过保护6的零序电流，且该电流值在区间si(0)qj1或区间si(0)qj2内，则集中式信息处理中心直接给出故障定位结果：故障点位于线路l3的平衡点位置；若f3点在线路l3上的平衡点位置，流过保护6的零序电流等于流过保护5的零序电流，且该电流值既不在区间si(0)qj1内，也不在区间si(0)qj2内，当零序电流保护启动时间大于1s时，集中式信息处理中心发出告警信号，提示可能出现断路器拒动、保护拒动或者通信失败。

以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的系统及方法的限制，本发明的保护范围以权利要求为准。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。