一种CT不完全配置下的配电网单相断线故障判断方法和判断系统

摘要

本发明公开了一种CT不完全配置下的配电网单相断线故障判断方法和判断系统，该判断方法包括故障启动判据和断线故障检测判据；该判断系统由电流/电压变换模块、电压/电压变化模块、工作电源模块、数模转换模块，数据计算处理模块，控制模块，开关量输入输出模块，通信接口模块和人机交互模块组成；本发明引入电压量与电流量共同构成断线故障判据，能够综合考虑各相电流和电压的变化情况，不仅能够在CT不完全配置的情况下进行断线故障判断，而且能够可靠、准确区分断线故障和CT断线、负荷不对称等情况，确保了断线故障保护判据的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及电力设备检测技术领域，具体说是一种CT不完全配置下的配电网单相断线故障判断方法和判断系统。

背景技术

配电线路断线故障的频发已经逐渐引起了人们的重视。国内外已有若干文献对于配电线路断线故障导致的电气量变化、尤其是各序分量的变化特征进行了理论分析，总结了相关电气量的变化规律；有文献提出基于负序电流分量进行断线故障判断和定位的方法，但在配电网中普遍存在CT不完全配置的情况，负序分量的获取和计算具有较大局限性；有文献提出基于小波变换的断线故障判断和定位方法，但是该类对数据采样频率和计算处理精度有较高要求，不适合在配电网中大面积推广应用。

当前配电网中并没有配备专用的断线故障保护装置。断线故障发生后，线路电流和母线电压的变化规律与短路故障时有很大区别，传统反应电流增大、电压降低的短路保护原理和装置并无法为断线故障提供灵敏、可靠的保护功能，当断线故障发生后没有相应的保护措施，电网存在着带故障运行的风险。此外，考虑到目前配电网在采用CT不完全配置，一般情况下是A、C两相配置CT，B相不配CT的情况下并不能提供完整的三相电流，假设发生了A相断线故障，此时A相电流由正常的负荷电流减小为0，如果考虑配电网分支，A相电流不会降为0，但会明显减小。C相电流也会减小，但减小的不明显，最小降为正常负荷电流的倍。如果发生了C相断线，得到的电流变化规律与A相断线时类似。此时仅仅依靠电流量构成判据无法确保对断线故障判断的可靠性，因为如果发生了负荷不对称、A相或者C相的CT断线故障等情况，电流量的变化规律也是相似的，极易将上述情况误判为单相断线故障。因此有必要提出一种考虑CT不完全配置下的配电网单相断线故障判断系统及方法，为配电网提供灵敏、可靠的断线故障保护功能。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种CT不完全配置下的配电网单相断线故障判断方法和判断系统。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种CT不完全配置下的配电网单相断线故障判断方法，包括故障启动判据和断线故障检测判据；

其中故障启动判据为

式中，Δi_φ为A相或C相电流采样值的变化量，和为A相或C相相当前时刻及1个工频周期以前时刻的电流采样值，为对连续k个|i_φ|求和，1<k≤N/2，I_N为线路额定电流有效值，k_set为整定门槛值系数，k_set的数值为0.1～0.2；

断线故障检测判据包括B相断线故障判据、A相或C相断线故障判据；

其中B相断线故障判据为

其中，表示取A相电流和C相电流幅值较大者；表示取A相电流和C相电流幅值较小者；表示A相电流和C相电流的相位差；表示取A相电压和C相电压幅值较小者；

A相或C相断线故障判据为

其中，表示取A相电流和C相电流幅值较大者；表示取A相电流和C相电流幅值较小者；表示取A相电压和C相电压幅值较大者；表示取A相电压、B相电压和C相电压幅值较小者。

优选的一种CT不完全配置下的配电网单相断线故障判断方法，包括以下步骤：

①断线保护装置在正常运行时不断检测A相和C相电流，当二者任一相电流采样量满足故障启动判据时，断线保护启动，进入步骤②；

②判断A相和C相电流的大小，然后用两者的较大值比较小值，判断比值是否大于1.2，如果大于1.2进入步骤③，否则进入步骤④；

③如果A相电流大于C相电流，则用C相电压幅值比A相和B相中较小的电压幅值，判断比值是否大于1.2，如果大于1.2，表明发生了C相断电故障，否则没有发生断线故障，结束流程；同样，如果C相电流大于A相电流，则用A相电压幅值比B相和C相中较小的电压幅值，判断比值是否大于1.2，如果大于1.2，表明发生了A相断电故障，否则没有发生断线故障，结束流程；

④判断A相电流和C相电流相位角的差值是否在[130°，180°]之间，然后用B相电压幅值比上A相和C相中较小的电压幅值，判断比值是否大于1.2；如果以上条件同时满足，表明B相断线故障，否则没有发生断线故障，结束流程。

优选的，k_set的数值为0.15。

本发明还包括一种CT不完全配置下的配电网单相断线故障判断系统，由电流/电压变换模块、电压/电压变化模块、工作电源模块、数模转换模块，数据计算处理模块，控制模块，开关量输入输出模块，通信接口模块和人机交互模块组成，其中数模转换模块分别与电流/电压变换模块、电压/电压变化模块和数据计算处理模块相连，控制模块分别与数据计算处理模块、人机交互模块、通信接口模块和开关量输入输出模块相连。

优选的，输入的电流信号只有A相和C相电流，输入的电压信息为A、B、C三相电压。电流信号经过电流/电压变换模块、电压信号经过电压/电压变换模块转换为适合微机系统工作和处理的弱电压信号，峰峰值为±5V～±15V；上述弱电压信号经过数模转换模块处理后变为离散的数字信号，然后由数据计算处理模块进行计算和处理，完成电压、电流的幅值和相位的计算；

控制模块对来自数据计算处理模块的计算结果进行逻辑比较和判断，判断当前的电气量关系是否满足判据。如果满足判据，表明所在线路发生了断线故障，控制开关量输入输出模块发跳闸命令，控制断路器跳闸；如果不满足判据，表明被保护线路没有发生断线故障，断线保护装置不动作；

开关量输入输出模块受控制模块作用，可发出跳闸命令和告警信号；也可接收来自外部的断路器位置状态信号或其他开关量信息；

工作电源模块为整个保护装置提供不同幅值的直流工作电压；

人机交互模块包括键盘和液晶显示器，用于完成基本的人机交互功能；

通信接口模块用来完成断线保护装置与变电站自动化系统之间的信息交互功能，断线保护装置需要将测量、计算和判据结果上传至变电站自动化系统，也需要接收来自变电站自动化系统的各种遥控指令。

优选的，峰峰值为±10V。

优选的，数据计算处理模块为TMS320系列的DSP芯片。

优选的，控制模块为STM32F型单片机芯片。

优选的，不同幅值的直流工作电压为220V，±12V，5V和3.3V。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明原理清楚，易于实现，不需要额外增加设备，成本低，不增加运行维修工作量，本发明将断线故障保护依据分为故障启动判据和断线故障检测判据，其中故障启动判据具有足够高的灵敏度，允许非断线故障时启动判据动作，但不允许断线故障时不启动。故障启动判据动作后进入断线故障检测判据，对该判据的要求是具有较高的可靠性，能够可靠区分断线故障与非断线故障，为提高CT不完全配置下断线故障判断的可靠性，本发明引入电压量与电流量共同构成断线故障判据，能够综合考虑各相电流和电压的变化情况，不仅能够在CT不完全配置的情况下进行断线故障判断，而且能够可靠、准确区分断线故障和CT断线、负荷不对称等情况，确保了断线故障保护判据的可靠性。

附图说明

图1为CT不完全配置下的配电网单相断线故障判断方法的流程图；

图2为典型的10kV系统的配电网结构示意图；

图3为CT不完全配置下的故障前后各相电流的变化规律示意图；

图4为A处电压变化曲线示意图；

图5为B处电压变化曲线示意图；

图6为CT不完全配置下的配电网单相断线故障判断系统的结构连接示意图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种CT不完全配置下的配电网单相断线故障判断方法和判断系统，通过以下技术方案实现：

配电网的CT不完全配置情况指的是A相和C相配备CT，B相不配备CT，所以对保护装置等二次设备而言，只能获得A相和C相的电流，无法获得B相电流。对于母线PT而言，一般配备了三相五柱式PT，能够提供完整的A、B、C三相电压和零序电压。本发明基于上述互感器配置情况以及相应的电气量提出相应的单相断线保护判据。

假设发生了A相断线故障，此时A相电流由正常的负荷电流减小为0，如果考虑配电网分支，A相电流不会降为0，但会明显减小。C相电流也会减小，但减小的不明显，最小降为正常负荷电流的倍。如果发生了C相断线，得到的电流变化规律与A相断线时类似。此时仅仅依靠电流量构成判据无法确保对断线故障判断的可靠性，因为如果发生了负荷不对称、A相或者C相的CT断线故障等情况，电流量的变化规律也是相似的，极易将上述情况误判为单相断线故障。为提高CT不完全配置下断线故障判断的可靠性，本发明引入电压量，与电流量共同构成断线故障判据。

当发生A相断线故障时，根据电压量的变化规律可知，此时A相电压会明显升高，其余两非故障相电压会降低，系统出现一定幅值的零序电压。而当发生A相CT断线故障时，系统三相电压基本对称，零序电压幅值不会很大；当存在三相负荷不对称的情况时，虽然会有一定幅值的零序电压，但幅值仍然不会很大，系统三相电压基本呈对称状态。可见，综合考虑各相电流和电压的变化情况，不仅能够在CT不完全配置的情况下进行断线故障判断，而且能够可靠、准确区分断线故障和CT断线、负荷不对称等情况，确保了断线故障保护判据的可靠性。

当发生C相断线故障时，相应电气量除了相别有所不同，变化规律是相同的，不再赘述。

当发生B相断线故障时，A相和C相的电流会略有减小，但相位差会增大；三相电压中至少有一相(故障相)会明显升高，其余两相会有所降低，出现一定幅值的零序电压。

综上：非B相断线故障时，故障相电流会明显减小，另一相电流会略有减小；B相断线故障时，两相电流均略有减小，但相位差会增大。无论哪相断线，三相电压中均会有断线相明显升高，另外两相略有降低，且会出现一定幅值的零序电压。

断线故障保护判据包括两部分：第一部分是故障启动判据，第二部分是断线故障检测判据。其中，故障启动判据的要求是具有足够高的灵敏度，允许非断线故障时启动判据动作，但不允许断线故障时不启动。故障启动判据动作后进入断线故障检测判据，对该判据的要求是具有较高的可靠性，能够可靠区分断线故障与非断线故障。

启动判据：

式中，为A相或C相电流采样值的变化量，和为A相或C相当前时刻及1个工频周期以前时刻的电流采样值，为对连续k个求和，1<k≤N/2，I_N为线路额定电流有效值，k_set为整定门槛值系数，根据经验值可取0.1～0.2。

启动判据表达式中第一个条件是反应电流降低，第二个条件要求电流降低的幅值要达到一定要求，同时满足这两个条件后启动断线保护。

对启动判据而言，重要的是确保要有足够的灵敏度，因此只要出现电流值减小的情况都会满足断线保护的启动条件，至于是否真的发生断线故障、发生断线故障的相比等具体情况，需要借助断线故障检测判据做进一步区分。

断线故障检测判据：

对于B相断线故障，判据为：

式中，表示取A相电流和C相电流幅值较大者；表示取A相电流和C相电流幅值较小者；表示A相电流和C相电流的相位差；表示取A相电压和C相电压幅值较小者。比值门槛值1.2根据经验值确定，130°和180°的范围根据理论分析和计算结果共同确定。

发生B相断线故障时，A、C两相电流会减小，因此断线保护启动判据能够可靠启动。此时A、C两相电流幅值基本相当，因此会满足第一个电流幅值比值判据；A、C两相电流相位差会增大，最大为180°，因此会满足第二个电流相位差判据；此时B相电压会升高，A、C两相电压至少有一相会降低，因此会满足第三个电压幅值比值判据。

对于A相或C相断线，判据为：

式中，表示取A相电流和C相电流幅值较大者；表示取A相电流和C相电流幅值较小者；表示取A相电压和C相电压幅值较大者；表示取A相电压、B相电压和C相电压幅值较小者。比值门槛值1.2根据经验值确定。

当发生A相或C相断线故障时，故障相电流会明显减小，因此断线保护启动判据能够可靠启动。此时非故障相电流相比故障电流而言较大，因此二者幅值的比值也会较大，满足第一个电流幅值比值判据；此时故障相电压升高，其余两非故障相电压至少有一个会降低，因此故障相电压与非故障相电压最小值的比值也会较大，满足第二个幅值电压比值判据。

不正常运行状态对上述判据的影响分析：

1)CT断线：CT断线时二次侧的电气量变化特征与线路断线故障有相似之处，但也存在明显的区别。CT断线时，断线相电流明显减小或变为0，会满足断线故障启动判据，也可能会满足电流幅值的比值判据，但此时非故障相电流的幅值和相位差不变，且三相电压基本处于对称状态，因此不会满足非故障相电流相角差判据，也不会满足电压幅值比值判据，据此可将CT断线与线路断线故障进行可靠区分。此外，发生线路断线故障时一般会导致多个测点的电流同时发生相似的变化，CT断线只会导致某点的电流发生变化，据此能够对不完全接线方式的CT断线和线路断线故障做进一步区分。

2)非全相运行：在配电网中，除断线故障外线路的非全相运行大多是由开关操作导致的。配电网的开关基本都是三相操作，一般不会出现长时间的非全相运行状态。如果由于开关故障等原因导致线路长时间非全相运行，可视为断线故障。对于短时间非全相运行状态，可设置适当的动作延时以躲过短时非全相运行可能造成的断线保护误判。

3)不对称负荷：负荷不对称多是由于单相用电造成的，容易出现在负荷分支线路上。当三相负荷不对称达到一定程度时，三相电流会出现与断线故障相似的特征，但出现负荷不对称时系统三相电压仍然基本对称，不会满足上述的电压幅值比值判据，据此可以区分不对称负荷运行与单相断线故障。

以下结合具体实施例来对本发明作进一步的描述。

实施例1

如图1所示的CT不完全配置下的配电网单相断线故障判断方法的流程图，包括以下步骤：

①断线保护装置在正常运行时不断检测A相和C相电流，当二者任一相电流采样量满足故障启动判据时，断线保护启动，进入步骤②断线故障判断流程；

②判断A相和C相电流的大小，然后用两者的较大值比较小值，判断比值是否大于1.2，如果大于1.2进入步骤③，否则进入步骤④；

③如果A相电流大于C相电流，则用C相电压幅值比A相和B相中较小的电压幅值，判断比值是否大于1.2，如果大于1.2，表明发生了C相断电故障，否则没有发生断线故障，结束流程；同样，如果C相电流大于A相电流，则用A相电压幅值比B相和C相中较小的电压幅值，判断比值是否大于1.2，如果大于1.2，表明发生了A相断电故障，否则没有发生断线故障，结束流程；

④判断A相电流和C相电流相位角的差值是否在[130°，180°]之间，然后用B相电压幅值比上A相和C相中较小的电压幅值，判断比值是否大于1.2；如果以上条件同时满足，表明B相断线故障，否则没有发生断线故障，结束流程。

实施例2

如图2所示的一种典型的配电网结构示意图，10kV系统采用中性点不接地的运行方式和单电源辐射状的网络结构。母线上有n条出线(L1～Ln)，每条出线包含若干负荷分支。以L1为研究对象，分支情况如图所示，其中矩形框表示断路器，圆点表示分段开关，箭头表示负荷，其余线路L2～Ln采用简化的等值结构。

以线路L1主馈线上发生单相断线故障为例说明，假设断线故障点位于图中的断路器A和分段开关C之间，故障前后各相电流的变化规律如图3所示，图中由于为CT不完全配置，没有B相电流曲线；

A相断线后，A相和C相电流均减小，其中故障A相变化最明显，变化幅度达到71.42％，满足启动判据的要求，可靠启动断线保护，此时C相电流幅值与A相电流幅值比约为3.2，大于1.2。

此时A处的电压代表了故障点和电源之间各测量点的电压，C处的电压代表了故障点和负荷之间各测量点的电压，A处电压变化曲线如图4所示，B处电压变化曲线如图5所示，此时故障相A相的电压幅值最高，约为7.5kV，两非故障相电压幅值基本相等，约为5.5kV，二者比值约为1.38，大于1.2。

综合上述电流、电压的变化规律可见，当发生A相断线故障时，故障相电流明显降低，能够可靠启动断线保护；非故障相电流与故障相电流幅值之比大于1.2，故障相电压与非故障相电压幅值之比也大于1.2，能够可靠判断发生了A相断线故障。对于C相断线故障，规律类似，不再赘述。

当发生B相断线故障时，由于B相没有安装CT，因此无法获得B相电流。此时两非故障相电流也会降低，由于启动判据具有较高灵敏度，因此能够可靠启动断线保护。此时A相和C相电流幅值几乎相同，因此二者幅值之比不会大于1.2，二者相位差会增大至145°左右，此时B相电压明显升高，与A相或C相电压幅值之比约为1.4，大于1.2，因此满足B相断线故障判据。可见，当B相缺少CT时，借助量非故障相电流和三相电压的变化规律，依然能够判断出B相断线。

实施例3

如图6所示的CT不完全配置下的配电网单相断线故障判断系统的结构连接示意图，CT不完全配置下的配电网单相断线故障判断系统由电流/电压变换模块、电压/电压变化模块、工作电源模块、数模转换模块，数据计算处理模块，控制模块，开关量输入输出模块，通信接口模块和人机交互模块组成，其中数模转换模块分别与电流/电压变换模块、电压/电压变化模块和数据计算处理模块相连，控制模块分别与数据计算处理模块、人机交互模块、通信接口模块和开关量输入输出模块相连；

由于CT不完全配置，输入的电流信号只有A相和C相电流，输入的电压信息为A、B、C三相电压。电流信号经过电流/电压变换模块、电压信号经过电压/电压变换模块转换为适合微机系统工作和处理的弱电压信号，峰峰值为±5V～±15V；具体数值视所采用的数模转换芯片而定；上述弱电压信号经过数模转换模块处理后变为离散的数字信号，然后由数据计算处理模块进行计算和处理，完成电压、电流的幅值和相位的计算；其中数据计算处理模块一般采用DSP芯片，比较典型的有TMS320系列；

控制模块对来自数据计算处理模块的计算结果进行逻辑比较和判断，判断当前的电气量关系是否满足判据，控制模块采用单片机芯片，如STM32F单片机芯片。如果满足判据，表明所在线路发生了断线故障，控制开关量输入输出模块发跳闸命令，控制断路器跳闸；如果不满足判据，表明被保护线路没有发生断线故障，断线保护装置不动作；

开关量输入输出模块受控制模块作用，可发出跳闸命令和告警信号；也可接收来自外部的断路器位置状态信号或其他开关量信息；

工作电源模块为整个保护装置提供不同幅值的直流工作电压，包括220V，±12V，5V，3.3V等；

人机交互模块包括键盘和液晶显示器，用于完成基本的人机交互功能；

通信接口模块用来完成断线保护装置与变电站自动化系统之间的信息交互功能，断线保护装置需要将测量、计算和判据结果上传至变电站自动化系统，也需要接收来自变电站自动化系统的各种遥控指令。