CN102435896A - 船舶中压电力系统中间歇性接地故障的快速识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶中压电力系统中间歇性接地故障的快速识别方法，首先通过零序电流是否大于或者等于阈值I⁽⁰⁾ _max判断系统是否发生接地故障；然后再根据经Gradient-Closing变换后的三相相电压中的任意一相相电压的跳变幅值是否大于或等于ΔU_max，来判断接地故障是否为间歇性接地故障和金属性接地故障；最后根据跳变后的相电压信号幅度是否大于或者等于阈值U_max，来判断是否为间歇性接地故障。本发明通过Gradient-Closing变换对船舶电力系统相电压波形进行处理，并结合对电网零序电压和零序电流信号的处理，可以准确地识别金属性接地故障和间歇性接地故障。

Description

船舶中压电力系统中间歇性接地故障的快速识别方法

技术领域

本发明涉及一种船舶中压电力系统中接地故障的识别方法，具体涉及一种针对船舶中压电力系统中间歇性接地故障的快速识别方法，属于船舶中压电力系统保护领域，。

背景技术

在陆地配电网和船舶电网中，单相接地故障的比例均大于50％。其中，90％以上的单相接地故障会产生电弧。而间歇性弧光接地故障对系统的危害性最大，单相接地产生的电弧过电压，会影响非故障相电缆对地绝缘，单相接地故障很容易恶化成相间故障，从而影响系统供电可靠性和连续性。

单相接地故障危害程度和处理方式与电网中性点的接地方式密切相关。通常情况下船舶电力系统采用高电阻等接地方式抑制间歇性弧光接地过电压的产生。而船舶中压系统大多采取中性点接地与中性点不接地相结合的方式：当电网正常运行时，采取中性点接地方式；当电网绝缘出现故障时，自动转换成中性点不接地的方式运行。如能采取合适的方式对单相接地故障进行有针对性地快速识别，在发生间歇性接地故障后及时投入接地装置，可大为提高系统的稳定性和可靠性，同时可以减小非间歇性弧光接地故障时故障点电流。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种船舶中压电力系统中间歇性接地故障的快速识别方法，以解决现有的保护方法无法快速并准确的判断船舶中压电力系统中电网间歇性接地故障的难题。

实现本发明目的采用的技术方案是一种船舶中压电力系统中间歇性接地故障的快速识别方法，包括以下步骤：

1)对三相相电压采样信号的绝对值进行Gradient-Closing变换，并同时实时检测零序电流是否大于或者等于阈值I⁽⁰⁾ _max，若是则转入下一步，否则重复本步骤，其中所述I⁽⁰⁾ _max为船舶中压电力系统中发生接地故障时的电流阈值；

2)若经Gradient-Closing变换后的三相相电压中的任意一相相电压的跳变幅值大于或等于ΔU_max，则转入下一步；若变换后的三相相电压中的任意一相相电压的跳变幅值小于ΔU_max，则系统出现单次放电现象，所述ΔU_max为船舶中压电力系统中发生间歇性接地故障和金属性接地故障时相电压信号出现的幅度变化阈值；

3)相电压信号幅度出现超过ΔU_max的跳变后，如果跳变后的相电压信号幅度大于或者等于阈值U_max且超过阈值U_max后持续两个工频周期，则系统出现间歇性接地故障；如果跳变后的相电压信号幅度小于阈值，则系统出现金属性接地故障；所述U_max为船舶中压电力系统中发生间歇性接地故障时电压信号幅度出现超过ΔU_max的跳变后的相电压幅度阈值。

在上述技术方案中，所述对三相相电压采样信号的绝对值进行Gradient-Closing变换包括以下步骤：首先对三相相电压的采样信号v_a(n)、v_b(n)、v_c(n)取绝对值，并利用结构元素分别对三相相电压的采样信号进行腐蚀运算和膨胀运算；然后对所得结果进行梯度运算，最后再对经梯度运算后的各相相电压信号进行闭运算。

所述利用结构元素g₁(n)分别对三相相电压的采样信号进行腐蚀运算和膨胀运算分别用以下公式计算：

$\left(\right|v|\⊕g_1)\left(n\right)=\underset{n=\mathrm{0,1},\mathrm{\Λ},N+M-2}{\underset{m=\mathrm{0,1},\mathrm{\Λ},M-1}{\max }}\left\{\right|v(n-m)|+g_1\left(m\right)\};---\left(1\right)$

$\left(\right|v\left|\mathrm{\Θ}{g}_1\right)\left(n\right)=\underset{n=\mathrm{0,1},\mathrm{\Λ},N+M-2}{\underset{m=\mathrm{0,1},\mathrm{\Λ},M-1}{\min }}\left\{\right|v(n-m)|-g_1\left(m\right)\}.---\left(2\right)$

对腐蚀运算和膨胀运算的结果进行梯度运算通过下式计算：

$G_{\mathrm{gard}}\left(\right|v_a\left(n\right)\left|\right)=\left(\right|v_a|\⊕g_1)\left(n\right)-\left(\right|v_a\left|\mathrm{\Θ}{g}_1\right)\left(n\right)---\left(3\right)$

所述闭运算通过下式计算：

$G_{\mathrm{gard}}\left(\right|v\left(n\right)\left|\right)\·g_2\left(n\right)=[\left(\right|v|\⊕g_1)\left(n\right)-\left(\right|v\left|\mathrm{\Θ}{g}_1\right)\left(n\right)]\⊕g_2\left(n\right)\mathrm{\Θ}{g}_2\left(n\right)---\left(4\right)$

以上各式中v为v_a(n)、v_b(n)或v_c(n)，g₁(n)、g₁(m)、g₂(n)和g₂(m)为结构元素，其中M取1/2个工频周期的宽度，N取1～2个工频周期的宽度。

本发明首先通过零序电流是否大于或者等于阈值I⁽⁰⁾ _max判断系统是否发生接地故障；然后再根据经Gradient-Closing变换后的三相相电压中的任意一相相电压的跳变幅值是否大于或等于ΔU_max，来判断接地故障是否为间歇性接地故障和金属性接地故障；最后根据跳变后的相电压信号幅度是否大于或者等于阈值U_max，来判断是否为间歇性接地故障。

本发明的优点是：

(1)本发明方法通过Gradient-Closing变换对船舶电力系统相电压波形进行处理，并结合对电网零序电压和零序电流信号的处理，可以准确地识别金属性接地故障和间歇性接地故障。

(2)本发明所用的Gradient-Closing变换只包含加法，并且会滤除掉波形中的大部分细节，计算方法简单、运算量小、对采样率要求不高，可实现对金属性接地故障和间歇性接地故障的快速识别。

附图说明

图1是本发明船舶中压电力系统中电网间歇性接地故障的快速识别方法的流程图；

图2是发生金属性接地故障时相电压的采样波形图；

图3是发生单次性接地故障时相电压的采样波形图；

图4是发生间歇性接地故障时相电压的采样波形图；

图5是发生金属性接地故障时经本发明方法后的相电压的采样波形图；

图6是发生单次性接地故障时经本发明方法后的相电压的采样波形图；

图7是发生金属性接地故障时经本发明方法后的相电压的采样波形图。

具体实施方式

本实施例以发电机出口端线电压为6.6kV的船舶电力系统为例对本发明的技术方案作进一步的说明。如图1所示，本发明船舶中压电力系统中电网间歇性接地故障的快速识别方法包括以下步骤：

第1步：将三相相电压及零序电流的采样率设置为1kHz，对三相相电压采样信号的绝对值进行Gradient-Closing变换，并同时实时检测零序电流是否超过阈值I⁽⁰⁾ _max，若是则转入第2步，反之则重新进行第1步。

采用Gradient-Closing变换对电网的三相相电压信号进行处理的方法如下：

(1)对三相相电压的采样信号v_a(n)、v_b(n)、v_c(n)取绝对值，并利用结构元素g₁(n)分别对其进行腐蚀运算和膨胀运算，其中结构元素g₁(n)为扁平结构元素，其定义为：

g₁(n)＝0(n＝0，1，2，M-1)

本实施例以A相相电压为例，其腐蚀运算运算为：

$\left(\right|v_a|\⊕g_1)\left(n\right)=\underset{n=\mathrm{0,1},\mathrm{\Λ},N+M-2}{\underset{m=\mathrm{0,1},\mathrm{\Λ},M-1}{\max }}\left\{\right|v_a(n-m)|+g_1\left(m\right)\}---\left(1\right)$

其膨胀运算为：

$\left(\right|v_a\left|\mathrm{\Θ}{g}_1\right)\left(n\right)=\underset{n=\mathrm{0,1},\mathrm{\Λ},N+M-2}{\underset{m=\mathrm{0,1},\mathrm{\Λ},M-1}{\min }}\left\{\right|v_a(n-m)|-g_1\left(m\right)\}---\left(2\right)$

其中M取1/2个工频周期的宽度，N取1～2个工频周期的宽度，本实施例中，M＝10，N＝20。

(2)在得到三相相电压信号绝对值的腐蚀运算和膨胀运算的运算结果后，进行梯度运算：

$G_{\mathrm{gard}}\left(\right|v_a\left(n\right)\left|\right)=\left(\right|v_a|\⊕g_1)\left(n\right)-\left(\right|v_a\left|\mathrm{\Θ}{g}_1\right)\left(n\right)---\left(3\right)$

G_gard(|v(n)|)是对v(n)的绝对值做梯度运算。

(3)利用结构元素g₂(n)对梯度运算的结果进行闭运算，即得到三相相电压经Gradient-Closing变换后的结果：

$G_{\mathrm{gard}}\left(\right|v\left(n\right)\left|\right)\·g_2\left(n\right)=[\left(\right|v|\⊕g_1)\left(n\right)-\left(\right|v\left|\mathrm{\Θ}{g}_1\right)\left(n\right)]\⊕g_2\left(n\right)\mathrm{\Θ}{g}_2\left(n\right)---\left(4\right)$

其中，g₂(n)＝0  (n＝0，1，2，Δ，15)。

在对三相相电压采样信号的绝对值进行Gradient-Closing变换的同时，对零序电流进行实时检测。其中I⁽⁰⁾ _max为船舶中压电力系统中发生接地故障时的电流阈值，I⁽⁰⁾ _max根据系统的参数设定，当检测到的零序电流超过阈值I⁽⁰⁾ _max时，即中压电力系统发生接地故障。

第2步：判断经Gradient-Closing变换后三相相电压信号中是否有某一相相电压信号会出现幅度超过ΔU_max的跳变，即变换后的三相相电压中的任意一相相电压的跳变幅值大于或等于ΔU_max，则转入第3步；若变换后的三相相电压中的任意一相相电压的跳变幅值小于ΔU_max，则系统出现单次放电现象。其中ΔU_max为船舶中压电力系统中发生间歇性接地故障和金属性接地故障时相电压信号出现的幅度变化阈值，本实施例中，ΔU_max＝500V。

第3步：判断发生电压信号出现幅度超过ΔU_max的跳变后，如果跳变后的电压信号幅度值大于或者等于阈值U_max且超过阈值U_max后持续两个工频周期，则系统出现间歇性接地故障；如果跳变后的电压信号幅度值小雨阈值U_max，则系统出现金属性接地故障；其中，U_max为船舶中压电力系统中发生间歇性接地故障时电压信号幅度出现超过ΔU_max的跳变后的相电压幅度阈值，U_max根据大量试验和仿真的基础上设定，本实施例中，阈值U_max＝1kV。而所设定的持续时间为两个工频周期，可以减少干扰，增强算法的稳定性。

根据上述方法可以快速地识别出间歇性接地故障，然后对系统主干网络的拓扑结构进行拓扑分析，并选择合适的发电机组投入高电阻接地装置。其中所采用的对主干网络的拓扑分析方法为邻接矩阵法，在运用该方法搜索出所有与发生间歇性接地故障的线路处于同一独立子网络的发电机，然后根据事先对各发电机的编号，选取编号最小的那一台发电机，将该发电机上的高电阻接地装置投入运行。采用邻接矩阵法对船舶主干网络结构进行拓扑分析，运算量小，在发生间歇性接地故障后可快速投切高电阻接地装置。

下面对发生故障时相电压的采样波形和发生故障时经过本发明Gradient-Closing变换后的波形进行对比说明。发生金属性接地故障时相电压的采样波形和经过本发明Gradient-Closing变换后的波形分别如图2和图5所示。发生单次放电故障时相电压的采样波形和经过本发明Gradient-Closing变换后的波形分别如图3和图6所示。发生间歇性接地故障时相电压的采样波形和在其经过Gradient-Closing变换后的波形分别如图4和图7所示。由图可见，经过本发明方法的Gradient-Closing变换后，单次放电相电压波形未发生跳变，因此通过对经Gradient-Closing变换后的相电压设定阈值ΔU_max以判断其是否出现大幅度跳变。当跳变超过阈值ΔU_max时，即出现金属性接地故障和间歇性接地故障；当跳变未超过阈值ΔU_max时，即为单次放电故障。而发生金属性接地故障时经Gradient-Closing变换后的相电压跳变后的数值要小于间歇性接地故障下经Gradient-Closing变换后的相电压跳变后的数值，因此通过对跳变后的幅值设定阈值U_max，即可识别出金属性接地故障和间歇性接地故障。

Claims (3)

1.一种船舶中压电力系统中间歇性接地故障的快速识别方法，其特征在于包括以下步骤：

1)对三相相电压采样信号的绝对值进行Gradient-Closing变换，并同时实时检测零序电流是否大于或者等于阈值I⁽⁰⁾ _max，若是则转入下一步，否则重复本步骤，其中所述I⁽⁰⁾ _max为船舶中压电力系统中发生接地故障时的电流阈值；

2)若经Gradient-Closing变换后的三相相电压中的任意一相相电压的跳变幅值大于或等于ΔU_max，则转入下一步；若变换后的三相相电压中的任意一相相电压的跳变幅值小于ΔU_max，则系统出现单次放电现象，所述ΔU_max为船舶中压电力系统中发生间歇性接地故障和金属性接地故障时相电压信号出现的幅度变化阈值；

3)相电压信号幅度出现超过ΔU_max的跳变后，如果跳变后的相电压信号幅度大于或者等于阈值U_max且超过阈值U_max后持续两个工频周期，则系统出现间歇性接地故障；如果跳变后的相电压信号幅度小于阈值，则系统出现金属性接地故障；所述U_max为船舶中压电力系统中发生间歇性接地故障时电压信号幅度出现超过ΔU_max的跳变后的相电压幅度阈值。

2.根据权利要求1所述船舶中压电力系统中间歇性接地故障的快速识别方法，其特征在于所述对三相相电压采样信号的绝对值进行Gradient-Closing变换包括以下步骤：首先对三相相电压的采样信号v_a(n)、v_b(n)、v_c(n)取绝对值，并利用结构元素分别对三相相电压的采样信号进行腐蚀运算和膨胀运算；然后对所得结果进行梯度运算，最后再对经梯度运算后的各相相电压信号进行闭运算。

3.根据权利要求2所述船舶中压电力系统中间歇性接地故障的快速识别方法，其特征在于所述对三相相电压的采样信号进行腐蚀运算通过以下公式计算：

$\left(\right|v|\⊕g_1)\left(n\right)=\underset{n=\mathrm{0,1},\mathrm{\Λ},N+M-2}{\underset{m=\mathrm{0,1},\mathrm{\Λ},M-1}{\max }}\left\{\right|v(n-m)|+g_1\left(m\right)\}---\left(1\right)$

所述膨胀运算通过下式计算：

$\left(\right|v\left|\mathrm{\Θ}{g}_1\right)\left(n\right)=\underset{n=\mathrm{0,1},\mathrm{\Λ},N+M-2}{\underset{m=\mathrm{0,1},\mathrm{\Λ},M-1}{\min }}\left\{\right|v(n-m)|-g_1\left(m\right)\}---\left(2\right)$

对腐蚀运算和膨胀运算的结果进行梯度运算通过下式计算：

$G_{\mathrm{gard}}\left(\right|v\left(n\right)\left|\right)=\left(\right|v|\⊕g_1)\left(n\right)-\left(\right|v\left|\mathrm{\Θ}{g}_1\right)\left(n\right)---\left(3\right)$

所述闭运算通过下式计算：

$G_{\mathrm{gard}}\left(\right|v\left(n\right)\left|\right)\·g_2\left(n\right)=[\left(\right|v|\⊕g_1)\left(n\right)-\left(\right|v\left|\mathrm{\Θ}{g}_1\right)\left(n\right)]\⊕g_2\left(n\right)\mathrm{\Θ}{g}_2\left(n\right)---\left(4\right)$

以上各式中v为v_a(n)、v_b(n)或v_c(n)，g₁(n)、g₁(m)、g₂(n)和g₂(m)为结构元素，其中M取1/2个工频周期的宽度，N取1～2个工频周期的宽度。

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