基于负荷监测仪的10kV架空线单相断线不接地故障区域判定.pdf

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基于负荷监测仪的10kV架空线单相断线不接地故障区域判定1 基于负荷监测仪的10kV架空线单相断线不接地故障区域判定2 基于负荷监测仪的10kV架空线单相断线不接地故障区域判定3 基于负荷监测仪的10kV架空线单相断线不接地故障区域判定4 基于负荷监测仪的10kV架空线单相断线不接地故障区域判定5 基于负荷监测仪的10kV架空线单相断线不接地故障区域判定6
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第40卷第19期2012年1O月1日电力系统保护与控制PowerSvstemProtectionandControlv01.40NO.19oct.1.2012基于负荷监测仪的10kV架空线单相断线不接地故障区域判定尤毅,刘东,李亮,郑申辉,吴爱军。,陈华霖(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240;2.国家能源智能电网(上海)研发中心,上海2002403.上海市电力公司松江供电公司,上海201600)摘要:10kV架空线暴露在外部环境,极易发生单相断线故障,若断线后并未接地,则难以进行检测与定位。针对10kV架空线辐射状的拓扑特点,采用故障分量法分析了单相断线故障的负序电压分布,提出了基于负序电压幅值的单相断线判据。以上述判据为前提,结合负荷监测点到电源点的最小路径分析,提出了基于负荷监测仪的单相断线故障区域判定方法,该方法通过划定发生单相断线故障的可能区域和不可能区域,并将这两个区域作差集运算,得出最小断线故障区域。本方法算法简单,基于实际已有设备,无需额外的设备,且受运行方式影响小,具有较好的实际意义。PSCAD仿真试验及现场试验数据都验证了上述方法的正确性。关键词:单相断线;负序电压;负荷监测点;最小路径分析Detectionmethodbasedonloadmonitoringfor10kVoverheadlinesingle-phaseungroundedopenfaultarea’YOUYi,LIUDong2LILiang,——ZHENGShenhui,WUAi-jun,CEHNHualinf1.SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China;2.StateEnergySmartGridR&DCenter(Shanghai),Shanghai200240,China;3.SongiiangPowerSupplyCompany,ShanghaiMunicipalElectricPowerCompany,Shanghai201600,China)Abstract:Single.phaseopenfaultoftenoccursin10kVoverheadlineswhenexposedtoexternalenvironment.Itwillbedifficulttodetectandlocalizeifthebreaklineisnotgrounded.Accordingtooverheadlinesradialtopologicalcharacteristic,thesingle-phaseopenfaultcriterionbasedonnegativesequencevoltageamplitudeisproposedbyanalyzingthenegativevoltagedistributionwhen—singlephaseopenfaultoccurs.Combinedwiththeminimumpathanalysisfromloadmonitoringpointtopowersourcepoint,the—detectionmethodbasedonloadmonitoringforsinglephaseopenfaultareaisproposed.Thedetectionmethodestablishesfaultpossibleareaandfaultimpossibleareaandcalculatestheminimumareabythesubtractionofthepossibleareaandimpossiblearea.Thismethodissimple,based0ntheexistingequipments,littleinfluencedbyoperationmodeandsignificantinpractice.PSCADsimulationtestandfieldtest,resultsverifytheeffectivenessoftheproposedmethod.Keywords:single-phaseopenfault;negativesequencevoltage;loadmonitoringpoint;minimumpathanalysis中图分类号:TM77文献标识码:A———文章编号:16743415(2012)190144060引言由于架空线路暴露在旷野中,易受外界因素影响,引起各类断线故障,特别是目前绝缘导线的覆盖率较高,而绝缘导线雷击断线故障依然较为频繁,因此如何判断线路上有无断线故障并尽快找到断线故障点已经成为影响电网安全运行的一个重要环节【jJ。断线后兼有接地故障特征的故障识别方法有很多,例如:文献【4】根据在树形分支电网中发生单一断线兼接地故障时,真故障点的固有特征是故障位置诊断值误差与故障相及两非故障相起端电压、电流相位差的偏差量均成正比,根据此规律对各等效短路点进行特征识别,正确识别真故障。文献[5】针对树形配电线路特点,建立分布参数电路模型,提出了将始端相量逐分支向后传递,故障点逐分支搜索,并利用双拼法区别真伪故障点实现故障测距的方法。但以上两种方法对于断线后未接地故障,因没有明显的故障特征,故难以处理,而在实际运行中,绝缘导线雷击断线时,由于内部铝芯熔断后收缩进绝缘层内,使得与地面接触的为导线绝缘层尤毅,等基于负荷监测仪的10kV架空线单相断线不接地故障区域判定.145.而非铝芯导线,因此容易造成断线不接地故障。文献[6]利用梯形模糊数模拟配变负荷变化范围,进行断线非接地故障的判别及确定故障区间,但该法受运行方式的影响较大,可靠性较差。文献【7】提出将负序电流和故障相电压乘积并对其进行前向积分,将积分值作为能量测度进行故障选线,该方法能有效辨识出断线不接地故障,但不能对其进行故障定位。本文通过计算辐射状馈线发生单相断线不接地故障时的负序电压分布,提出了一种基于负荷监测仪采集的负序电压幅值结合其树形网络最小供电路径拓扑的单相断线不接地故障区域的定位方法,通过馈线上每一台负荷监测仪采集的负序电压幅值及其到电源点的最小供电路径J发生单相断线不接地故障的可能区域及不可能区域,从而计算出发生断线不接地故障点的最小区域,能极大地提高线路巡视人员的巡查效率。1基于负序电压幅值的单相断线判据1.1基于对称分量法的单相断线故障分析假设某一5节点馈线如图1所示。图1简单5节点馈线Fig.1Simple5-nodefeeder其中1。2为变压器支路,其他为线路支路,3、4、5节点接有三相平衡负荷。假设线路3.4段发生单相断线故障,根据对称分量法,假设故障断线’点位F、F则可以画出断线故障时的负序网络图,如图2所示。X(}41X2(3断线点之前断线点之后j图2单相断线故障后的负序网络图Fig.2Negativesequencenetworkforone-phaseline-openfault—其中:X,2为变压器的负序阻抗;12(23)、l2(2~5)、Xl2f3_4)分别表示线路2-3、线路25和线路3-4的………负序阻抗;1。ad3、l。d4、l0ad5分另[---14-点3、节点4和节点5的负序阻抗。由于每条线路长度一般都较小,而负荷的负序阻抗却很大,远大于线路自身的负序阻抗,因此,其负序网络可简化为如图3所示。图3简化后的负序网络图Fig.3Simplifiednegativesequencenetworkforone-phase—lineopenfault由图3可得负荷节点3和负荷节点5的负序电压幅值大体相当为-ll(1)负荷节点4的负序电压幅值为根据单相断线故障的边界条件,可以得出式(3)、式(4)。F21=—。=Z△Z(3)F1-I-AZ△Z=ZF,//ZF(4)其中:为断线点故障发生前的电压;ZF、ZF,、ZF分别为从断线点等效的系统正序、负序和零序阻抗,一般由于10kV配网多为小电流接地系统们,△所以很大,故Z可近似等于,。1.2基于负序电压幅值的单相断线不接地故障判据由式(1)和式(2)比较可以得出,断线点之前的负荷节点3和负荷节点5的负序电压幅值远小于断线故障点之后的负荷节点4的负序电压幅值。这可由如下说明:不失一般性,假设任一10kV辐射状馈线含有负荷点m+个,其中断线点之前的负荷点为m个,断线点之后的负荷点为n个,忽略线路阻抗的影响,则发生单相断线后的负序网络图如图4所示。图4中X2为供电变压器的负序阻抗,A2为断线点之后个负荷点的等效负序阻抗,为n个负荷负序阻抗的并联阻抗,为断线点之前m个负荷点的等效负序阻抗,为m个负荷负序阻抗的并.146电力系统保护与控制图4单相断线故障的等效负序网络图Fig.4Equivalentnegativesequencenetworkforone-phaseline-openfault联阻抗。因为://。2较之qA2要小很多,所以可得如下基于负序电压幅值的单相断线故障判据。(1)存在负荷节点负序电压幅值>U(负序电压幅值整定值),整定值按躲过三相负载不平衡引起的最大负序电压幅值整定,并考虑一定的裕度。(2)当发生单相断线故障时,到电源点的最小供电路径经过故障点的负荷点负序电压幅值>U(负序电压幅值整定值),而最小供电路径不经过故障点的负荷点负序电压幅值<U。z2基于负荷监测仪的架空线单相断线故障区域判定方法根据上节得出的基于负序电压幅值的单相断线判据,分析可得基于负荷监测仪的架空线单相断线故障区域判定方法,该方法原理如下。1)首先,对所检测的架空线进行数据采集及拓扑分析,遍历该线路上所有的负荷监测点,计算每一个负荷监测点到电源点的最小供电路径,根据负荷监测仪采集的三相电压幅值和相角数据计算该负荷点的负序电压幅值,若大于整定值,则将该负荷点到电源点的最小供电路径划入故障点的可能区域厶;否则,则划入故障点的不可能区域足。2)对可能区域中的所有厶求交集,计算断线n故障点可能发生区域的最小范围nL。lIi=13)对不可能区域中的所有恳求并集,计算断线故障点不可能发生区域的最大范围l。、-,i=14)将故障点可能发生区域的最小范围对故障点不可能发生区域的最大范围作差集运算,就可以得出单相断线故障发生的最小定位范围,即:—ntU。i=1i=1该算法流程图可由图5表示。原始数据输入拓扑分析————r_一读取量测二二[遍历所有负荷点根据三相电压基波幅值和相角计算该负荷点的负序电压幅值Y//r负序电压幅值\N\\大于整定值?/计算该负荷点到电源的最小供电路径£,,将其列入故障发生的可能区域计算该负荷点到电源的最小供电路径R,将其列入故障发生的不可能区域将所有故障可能区域进行交集运算,将所有不可能区域进行并集运算,再将可能区域的交集对不可能区域的并集作差集运算,得出故障发生的最小区域(竺查)图5基于负荷监测仪的架空线单相断线故障区域判定方法Fig.5Judgemethodbasedonloadmonitoringforoverhead—one-phaselineopenfaultzone3仿真与试验验证采用PSCAD软件针对上海市某区一条10kV馈线典型负荷下单相断线不接地故障进行仿真,见图6所示。为了说明该方法的普遍适用性,仿真选取了两个场景来验证,线路参数如表1所示。文华西圈4毕啦LIL3新点1—‘r_].广1-故障点横障点IL1故障点文‘lr故障点4●———————卜卜_1’图6试验线路断线故障示意图Fig.6Testlineopenfaultondifferentlocations尤毅,等基于负荷监测仪的10kV架空线单相断线不接地故障区域判定表1试验线路参数Table1Testlineparametersm场景l:针对同一个故障点的不同典型运行方式,故障点选取为,运行方式分轻载、普通和重载三种情况,具体负荷参数见表2。表2典型运行方式下的负荷参数Table2Loadparametersundertypicaloperationmode场景2:针对同一运行方式的不同故障点,故障点分别选取线段l,2,3和5,运行方式为某一实际场景,如表3所示。表3实际场景下的负荷参数Table3Loadparameterunderactualscene场景1的仿真结果其波形见于图7,具体数值如表4所示。—]广一………J,一~三三=三艟∞∞M∽(b1普通情况下L5单相断线各负荷点负序电压幅值(c】轻载情况FL5单相断线各负荷点负序电压幅值图7试验线路不同典型运行方式下L5单相断线时各负荷点负序电压幅值Fig.7Neg ̄ivesequencevoltageamplitudeofdifferentloadpointswhentestlineopenfaultonsamelocationL5undervariedloadprofiles表4场景1L5故障时各负荷点负序电压幅值Table4Negativesequencevoltageamplitudeofeachloadwhenscene1L5faultkV场景2的仿真结果其波形见于图8,具体数值如表5所示。表5试验线路单相断线故障时各负荷点负序电压幅值Table5Negtive-sequencevoltageamplitudeofeachloadpoint—whentestlinesinglephaseopenfaultoccurskV.148.电力系统保护与控制(a)u单相断线各负荷点负序电压幅值(b)L2单相断线各负荷点负序电压幅值(c)L3单相断线各负荷点负序电压幅值(d)L5单相断线各负荷点负序电压幅值图8试验线路不同点单相断线时各负荷点负序电压幅值Fig~Negativesequence.voltageamplitudeofdifferentloadpointswhentestlineopenfaultondifferentlocation由表5数据可得,当断线点发生在线段时,所有负荷点到电源点的最小供电路径都经过断线点,故所有负荷点的负序电压幅值都较大且大于整定值(典型负荷下由最大不平衡负荷引起的负序电压幅值在低压侧一般为10V左右,换算到高压侧为263V,考虑一定裕度,整定值可选为400v。当断线点发生在2时,由于只有文华西庄浜北负荷点到电源点的最小供电路径经过断线点,故只有文华西庄浜北负序电压幅值(1.94118kV)大于整定值,其他均远小于整定值。同理可以验证断线点发生在厶和£5时,各负荷点的负序电压幅值均满足前述所提的判据。反之,依据各负荷点的负序电压幅值数据,采用上文所提的断线故障区域判定方法可以计算得出最小断线故障区域。例如,依据表1中5断线时的负序电压幅值数据,可以得出负荷点新浜申新、横楼村、文华横楼负序电压幅值大于整定值,由这些负荷点到电源点的最小供电路径求取其交集,可以得出故障点可能发生区域的最小范围为:一,3,,厶。而由负荷点文华西庄浜北、文华西庄浜、申新标牌至电源点的最小路径并集为不可能发生区域的最大范围,为:,2,3,4。将上述取得的可能区域与不可能区域作差集运算,可得断线故障最小区域为,与实际断线点区域一致。此外,表4数据的显示表明对于不同的运行方式该方法依然有效,证明了该方法的普遍适用性,受系统运行方式的影响较小。4结论本文对10kV辐射状馈线的单相不接地故障进行了分析,提出了基于馈线各负荷点负序电压幅值结合负荷点最小供电路径分析的断线区域判定方法,该方法具有如下特点:1)该方法原理简单,以基于对称分量法的不对称故障分析为原理。仿真的结果以及供电公司现场所做的断线试验数据均表明该方法的准确性。2)该方法判据基于负荷点负序电压幅值,受系统运行方式的影响小,可靠性高。3)该方法以现有负荷监测设备采集的数据为基础,无需另外配置新设备,只需开发相应的软件组件,实施成本低。4)该方法不仅能检测出单相不接地故障,还能计算出故障点发生的区域,能极大地提高巡视人员的巡查效率。该方法也有自身的局限性,方法的精确性依赖于馈线负荷监测点的广泛布局,但由于上海市已基本建设完成了负荷监测系统,负荷监测点基本覆盖了大部分的10kV网络,故此方法在上海能体现出很好的适用性。参考文献[1]朱玲玲,张华中,王正刚,等.基于小波神经网络单相断线故障选线和定位[J].电力系统保护与控制,2011,—39(4):1217.—ZHULingling,ZHANGHua-zhong,WANG—Zheng-gang,eta1.Single-phaseopenlinefaultselectionandlocationbasedonwaveletneuralnetworks[J].PowerSystemProtectionandControl,2011,39(4):12-17.[2]余水忠,潘兰.小电流接地系统的非短路故障分析『J].电力系统保护与控制,2009。37(20):74.78.—YUShuizhong,PANLan.Analysisofnot.shortcircuit尤毅,等基于负荷监测仪的10kV架空线单相断线不接地故障区域判定.149.(上接第143页continuedfrompage143)[5][6][7][8]CHENXin-qi,LIPeng,HUWen-tang,eta1.Analysisofimpactsofelectricvehiclechargeronpowergridharmonic[J1.ElectricPower,2008,4l(9):31-36.蒋浩.电动汽车充电站谐波的抑制与消除[J]。广东电—力,2010,21(8):1619.JIANGHap.Harmonicsuppressionandeliminationinchargingstationofelectricvehicle[J].Guangdong—ElectricPower,2010,2l(8):1619.钱照明,叶忠明,董伯藩.谐波抑制技术[J】.电力系统—自动化,1997,2l(1O):4854.——QIANZhaoming,YEZhongruing,DONGBo-fan.Harmonicssuppressiontechniques[J].AutomationofElectricPowerSystems,1997,21(10):48-54.盂凡刚,杨世彦,杨威.多脉波整流技术综述fJ1.电力自动化设备,2012,32(2):9.22.——MENGFangang,YANGShiyah,YANGWei.Overview—ofmultipulserectifiertechuique[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2012,32(2):9.22.叶小军,曾江,王克英,等.并联有源电力滤波器双滞环电流控制策略【J】.电力系统保护与控制,2009,37(9)60.64.YEXiaoqun,ZENGJiang,WANGKe-ying,eta1.Doublehysteresiscurrentcontrolstrategyforshuntactivepowerfilter[J].PowerSy 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