CN102928728A - 基于零序电流波形畸变凹凸性的高阻接地故障检测方法 - Google Patents

基于零序电流波形畸变凹凸性的高阻接地故障检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于零序电流波形畸变凹凸性的高阻接地故障检测方法，属于电力系统保护和控制领域；本方法采集变电站被监测馈线的零序电流瞬时值，检测零序电流瞬时值的过零点时刻，并计算该零序电流的二阶导数，根据零序电流过零点时刻之后固定时限内的零序电流二阶导数的符号变化，判断是否疑似高阻接地故障发生；如果疑似故障发生，再根据疑似高阻接地故障的持续时间和发生次数确定是否高阻接地故障发生。该方法适用于中性点经电阻接地的三相中压配电系统，只利用零序电流信号；与现有的高阻接地故障检测方法相比，采集信息量少、灵敏度高，物理意义清晰。

Description

基于零序电流波形畸变凹凸性的高阻接地故障检测方法
技术领域
本发明属于电力系统保护和控制领域，特别涉及一种针对中性点经电阻接地的中压（6~66kV）配电线路高阻接地故障的检测方法。
技术背景
单相接地故障是配电系统中最常见的故障现象，大约占全部故障发生总数的70~80%左右。为了提高供电可靠性，传统上国内6kV~66kV的配电网一般采用中性点非有效接地，包括：不接地、经消弧线圈或高阻接地等方式。中性点非有效接地系统配电线路发生单相接地故障时，线电压三角形对称性保持不变，不影响负荷的持续供电；但是非故障相电压会升高到接近线电压，特别是暂态过电压能达到额定相电压值的5~6倍，严重威胁线路的绝缘水平，而且非常容易击穿线路上的薄弱点而发展为相间故障，同时单相接地故障后的故障选线存在困难。
近年来，部分大中型城市和大型企业用户逐渐采用了中性点经小电阻接地的方式，此时单相接地故障后，故障电流增大，依靠继电保护的动作隔离故障；但是这种接地方式下，也存在经树枝、沙石等高阻接地故障的情况，短路电流较小，传统的过流保护难以切除。高阻接地故障长时间存在会带来电气设备损坏、火灾和触电等危害，亟待解决。
针对高阻接地故障通常伴随电弧放电，同时接地电阻的非线性将导致故障点电流非线性畸变等特征，先后有多种故障检测方法被提出，包括：A.E.Emanuel等提出的基于二次和三次谐波相位的方法，Texas A&M University以D.B.Russell为代表等提出的基于频谱分析的方法（专利号US.5578931）、基于谐波电流和基波电压比较的方法（专利号US.5659453），D.I.Jeerings在1990年提出了采用三次谐波相对系统电压的相位变化作为故障检测的判据。清华大学董新洲、崔韬等提出了基于剩余电流谐波分量的单相接地故障检测方法（专利公开号CN101387682A），该方法仅利用了零序电流信息，适用于没有电压互感器的场合。
但是，以上方法都是利用频域信息检测高阻接地故障，其局限性在于完全忽略了电气量的时域特征，而且不同故障条件下谐波含量以及相位都会发生变化，难以选取固定的幅值和相位阈值。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提出了一种基于零序电流波形畸变凹凸性的高阻接地故障检测方法，通过零序电流过零点之后其二阶导数的符号变化来判断高阻接地故障的发生。
本发明提出的基于零序电流波形畸变凹凸性的高阻接地故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）对馈线的零序电流进行采样，获得一个工频周波的采样值序列f(n),n=1,2,......N，N为整数，取值范围为60~240，对采样值序列进行有限冲击响应（FIR）数字低通滤波，滤波器截止频率为采样频率的1/10到1/2倍;得到滤波后的N个点的序列值F(n)；
2）用数值微分方法求F(n)的二阶导数D2(n)，其中D2(n)=F(n+2)+F(n-2)-2F(n)；对得到的二阶导数D2(n)进行有限冲击响应（FIR）数字低通滤波，得到序列值F2(n),n=1,2,......N；
3）判断F(n)的正向过零时刻tpzero和反向过零时刻tnzero，判断方法为：若F(n-1)<0且F(n)＞0则tpzero＝n；若F(n-1)＞0且F(n)<0则tnzero＝n，n=1,2,......N，且令F(0)=F(N)；
4）判断正向过零点之后[tpzero,tpzero+N/8]期间内，以及反向过零点之后[tnzero,tnzero+N/8]期间内F(n)的凹凸性，判断方法为：如果F2(n)＞0则F(n)定义为凹性，如果F2(n)<0则F(n)定义为凸性；如果tpzero+N/8或者tnzero+N/8的值大于N，则将F2(n)进行周期延拓（即如果tpzero+N/8大于N，当n=N+1~tpzero+N/8时，令F2(n)=F2(n-N)；或者如果tnzero+N/8大于N，当n=N+1~tnzero+N/8时，令F2(n)=F2(n-N)）；
5）根据F(n)的凹凸性进一步判断疑似高阻接地故障是否发生，方法如下：如果F(tpzero)是凸性，且在[tpzero,tpzero+N/8]期间内，有连续n1个点使得F(n)是凹性；或者如果F(tnzero)是凹性，且在[tnzero,tnzero+N/8]期间内，有连续n1个点使得F(n)是凸性，则判断为疑似高阻接地故障发生；
6）每0.02秒重复一次步骤1~5），得到每个工频周波是否发生疑似高阻接地故障的结果，根据疑似高阻接地故障持续时间及发生次数，确定故障为稳态高阻接地故障、间歇性故障.。
所述疑似高阻接地故障持续时间及发生次数的判断采用如下方法：
若疑似高阻接地故障持续时间超过稳态高阻接地故障时间阈值，则判断为稳态高阻接地故障；若疑似高阻接地故障持续时间小于稳态高阻接地故障时间阈值且超过电力系统干扰事件时间阈值，则判断为电力系统干扰事件；若在系统时间窗内发生电力系统干扰事件次数大于干扰事件次数阈值，则认为是间歇性故障。
所述稳态高阻接地故障时间阈值、电力系统干扰事件时间阈值、系统时间窗和干扰事件次数阈值可根据对故障检测灵敏度的要求不同进行设定：设定稳态高阻接地故障时间阈值Tstable为1~10秒，设定电力系统干扰事件时间阈值Tirupt为0.05~0.1秒，设定系统时间窗Tsystem为5~10秒，设定干扰事件次数阈值为3~5次。
本发明的特点及效果：
本发明的检测对象为零序电流波形畸变的凹凸性，与现有的高阻接地故障检测方法相比有如下优点：该方法属于基于时域信息的高阻接地检测算法，关注零序电流的局部特征，比基于谐波的检测方法灵敏度更高；零序电流二阶导数在零序电流过零点附近的凹凸性改变，反映了接地电阻的剧烈变化和电弧的熄灭重燃特性，其物理意义更明确。本发明能为切除发生高阻接地故障的线路提供可靠依据，减少了高阻接地故障所造成的危害。
附图说明
图1为低通滤波后的典型高阻接地故障的零序电流波形，以及本发明所述的畸变凹凸性变化。
具体实施方式
本发明提出的基于零序电流波形畸变凹凸性的高阻接地故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）对馈线的零序电流进行采样，获得一个工频周波的采样值序列f(n),n=1,2,......N，N为整数，取值范围为60~240，对采样值序列进行有限冲击响应（FIR）数字低通滤波，滤波器截止频率为采样频率的1/10到1/2倍;得到滤波后的N个点的序列值F(n)；
2）用数值微分方法求F(n)的二阶导数D2(n)，其中D2(n)＝F(n+2)+F(n-2)-2F(n)；对得到的二阶导数D2(n)进行有限冲击响应（FIR）数字低通滤波，得到序列值F2(n),n=1,2,......N；
3）判断F(n)的正向过零时刻tpzero和反向过零时刻tnzero，判断方法为：若F(n-1)<0且F(n)＞0则tpzero＝n；若F(n-1)＞0且F(n)<0则tnzero＝n，n=1,2,......N，且令F(0)=F(N)；
4）判断正向过零点之后[tpzero,tpzero+N/8]期间内，以及反向过零点之后[tnzero,tnzero+N/8]期间内F(n)的凹凸性，判断方法为：如果F2(n)＞0则F(n)定义为凹性，如果F2(n)<0则F(n)定义为凸性；如果tpzero+N/8或者tnzero+N/8的值大于N，则将F2(n)进行周期延拓（即如果tpzero+N/8大于N，当n N+1~tpzero+N/8时，令F2(n)=F2(n-N)；或者如果tnzero+N/8大于N，当n＝N+1~tnzero+N/8时，令F2(n)=F2(n-N)）；
5）根据F(n)的凹凸性进一步判断疑似高阻接地故障是否发生，方法如下：如果F(tpzero)是凸性，且在[tpzero,tpzero+N/8]期间内，有连续n1个点使得F(n)是凹性；或者如果F(tnzero)是凹性，且在[tnzero,tnzero+N/8]期间内，有连续n1个点使得F(n)是凸性，则判断为疑似高阻接地故障发生；
6）每0.02秒重复一次步骤1~5），得到每个工频周波是否发生疑似高阻接地故障的结果，根据疑似高阻接地故障持续时间及发生次数，确定故障为稳态高阻接地故障、间歇性故障.。
所述疑似高阻接地故障持续时间及发生次数的判断采用如下方法：
若疑似高阻接地故障持续时间超过稳态高阻接地故障时间阈值，则判断为稳态高阻接地故障；若疑似高阻接地故障持续时间小于稳态高阻接地故障时间阈值且超过电力系统干扰事件时间阈值，则判断为电力系统干扰事件；若在系统时间窗内发生电力系统干扰事件次数大于干扰事件次数阈值，则认为是间歇性故障。
所述稳态高阻接地故障时间阈值、电力系统干扰事件时间阈值、系统时间窗和干扰事件次数阈值可根据对故障检测灵敏度的要求不同进行设定：设定稳态高阻接地故障时间阈值Tstable为1~10秒，设定电力系统干扰事件时间阈值Tirupt为0.05~0.1秒，设定系统时间窗Tsystem为5~10秒，设定干扰事件次数阈值为3~5次。
实施例：具体包括以下步骤：
1）对馈线的零序电流进行采样，采样频率9kHz，获得其一周波的采样值序列f(n)共180点，对采样值序列用FIR滤波器进行低通滤波，滤波器截止频率为900Hz，得到滤波后的180点序列F(n)，n=1,2,......180；
f(n)=
[23.05,22.34,21.64,20.94,20.17,19.33,18.50,17.67,16.82,15.92,14.97,14.03,13.09,12.14,11.12,10.09,9.085,8.087,7.066,6.024,5.003,4.030,3.110,2.221,1.392,0.6728,0.089,-0.3828,-0.7697,-1.066,-1.270,-1.395,-1.486,-1.563,-1.620,-1.641,-1.646,-1.666,-1.701,-1.739,-1.771,-1.821,-1.909,-2.047,-2.231,-2.492,-2.910,-3.623,-4.899,-7.307,-11.51,-16.33,-19.47,-21.04,-21.97,-22.94,-23.96,-25.02,-25.87,-26.40,-26.92,-27.30,-27.61,-28.05,-28.51,-28.81,-28.96,-29.08,-29.24,-29.43,-29.55,-29.55,-29.45,-29.44,-29.44,-29.30,-29.09,-28.87,-28.66,-28.43,-28.12,-27.72,-27.31,-26.95,-26.53,-26.00,-25.44,-24.90,-24.35,-23.74,-23.06,-22.34,-21.65,-20.95,-20.18,-19.34,-18.51,-17.68,-16.83,-15.93,-14.98,-14.03,-13.10,-12.15,-11.13,-10.10,-9.094,-8.096,-7.075,-6.033,-5.012,-4.038,-3.118,-2.229,-1.399,-0.6786,-0.093,0.3790,0.7666,1.064,1.269,1.394,1.485,1.562,1.619,1.641,1.646,1.665,1.701,1.739,1.771,1.820,1.908,2.045,2.229,2.489,2.906,3.614,4.883,7.278,11.47,16.29,19.45,21.03,21.96,22.93,23.95,25.01,25.86,26.40,26.91,27.29,27.61,28.04,28.50,28.81,28.96,29.07,29.24,29.43,29.55,29.55,29.45,29.44,29.44,29.30,29.09,28.87,28.67,28.43,28.12,27.72,27.32,26.96,26.53,26.01,25.45,24.90,24.35,23.74]
滤波器系数：
h(n)=[0,0.0399,0.08608,0.1291,0.1596,0.1706,0.1596,0.1291,0.08608,0.0399]
F(n)=
[20.09,19.29,18.47,17.62,16.75,15.86,14.94,14.01,13.05,12.08,11.09,10.09,9.085,8.071,7.060,6.060,5.077,4.124,3.216,2.368,1.595,0.9082,0.3146,-0.1813,-0.5810,-0.8928,-1.129,-1.304,-1.428,-1.514,-1.574,-1.618,-1.652,-1.682,-1.714,-1.754,-1.811,-1.891,-2.008,-2.184,-2.462,-2.928,-3.734,-5.046,-6.928,-9.307,-12.00,-14.76,-17.36,-19.62,-21.43,-22.80,-23.85,-24.73,-25.49,-26.16,-26.73,-27.22,-27.64,-28.01,-28.34,-28.62,-28.87,-29.07,-29.22,-29.33,-29.40,-29.44,-29.44,-29.39,-29.31,-29.18,-29.03,-28.83,-28.59,-28.32,-28.01,-27.67,-27.29,-26.87,-26.41,-25.93,-25.41,-24.85,-24.26,-23.64,-22.99,-22.31,-21.60,-20.86,-20.09,-19.30,-18.48,-17.63,-16.76,-15.87,-14.95,-14.02,-13.06,-12.09,-11.10,-10.10,-9.094,-8.081,-7.069,-6.068,-5.086,-4.133,-3.224,-2.375,-1.602,-0.9140,-0.3195,0.1773,0.5778,0.8903,1.127,1.302,1.427,1.514,1.574,1.617,1.651,1.681,1.713,1.754,1.810,1.890,2.007,2.182,2.459,2.923,3.724,5.031,6.909,9.284,11.97,14.74,17.34,19.60,21.41,22.79,23.85,24.72,25.49,26.15,26.72,27.21,27.64,28.01,28.33,28.62,28.86,29.06,29.22,29.32,29.40,29.44,29.44,29.39,29.31,29.18,29.03,28.83,28.60,28.32,28.01,27.67,27.29,26.87,26.42,25.93,25.41,24.86,24.27,23.65,23.00,22.32,21.61,20.87]
2）用数值微分方法求F(n)每个点处的二阶导数（用D2(n)表示），D2(n)＝F(n+2)+F(n-2)-2F(n)，用周期延拓的方法得到边界点处数据的二阶导数，如D2(1)＝F(3)+F(179)-2F(1)，D2(2)=F(4)+F(180)-2F(2)，D2(179)=F(1)+F(177)-2F(179)，D2(180)=F(2)+F(178)-2F(180)，对得到的二阶导数序列D2(n)用FIR滤波器低通滤波，所用滤波器与1）相同，得到滤波后序列F2(n)，n=1,2,......180
D2(n)=
0.01×[-10.00,-8.998,-10.00,-8.998,-8.998,-8.998,-8.000,-8.000,-7.002,-6.000,-4.000,-3.000,-2.000,1.000,4.000,8.000,13.00,18.00,24.00,29.60,34.10,37.10,38.48,37.80,34.76,30.10,24.90,20.10,15.30,10.60,6.800,4.000,1.600,-.8000,-3.500,-6.499,-10.00,-15.60,-25.70,-45.11,-81.78,-137.4,-192.2,-215.0,-187.0,-120.0,-29.00,59.01,129.0,168.0,165.0,125.0,78.02,49.98,40.00,37.00,33.00,27.00,21.00,18.00,17.00,16.00,18.00,19.00,17.00,15.00,14.00,16.00,17.00,16.00,15.00,14.00,16.00,16.00,14.00,14.00,14.00,15.00,16.00,14.00,12.00,14.00,15.00,13.00,12.00,12.00,12.00,12.00,12.00,11.00,10.00,11.00,11.00,8.998,8.998,8.998,8.000,8.000,7.002,6.000,4.998,3.000,2.000,-1.000,-4.000,-7.002,-12.00,-17.70,-24.00,-29.70,-34.00,-37.00,-38.50,-37.83,-34.85,-30.20,-24.90,-20.00,-15.30,-10.90,-7.002,-3.900,-1.500,0.8998,3.500,6.301,10.00,15.60,25.50,44.89,81.28,136.7,192.0,215.0,187.0,120.0,31.00,-60.00,-130.0,-167.0,-163.0,-126.0,-80.00,-49.98,-41.00,-37.00,-31.00,-26.00,-23.00,-19.00,-16.00,-17.00,-17.00,-18.00,-18.00,-14.00,-14.00,-17.00,-17.00,-16.00,-15.00,-14.00,-15.00,-16.00,-16.00,-14.00,-13.00,-15.00,-15.00,-14.00,-14.00,-13.00,-13.00,-14.00,-13.00,-12.00,-12.00,-12.00,-13.00,-13.00]
F2(n)=
0.01×
[-8.874,-8.504,-7.995,-7.294,-6.449,-5.383,-4.043,-2.374,-0.2499,2.390,5.630,9.486,13.90,18.63,23.35,27.70,31.24,33.60,34.50,33.88,31.85,28.67,24.70,20.34,16.00,11.90,8.188,4.847,1.774,-1.237,-4.599,-9.096,-16.15,-27.88,-46.12,-70.86,-98.96,-124.5,-140.1,-139.5,-118.8,-79.31,-27.29,26.74,71.90,100.7,111.5,106.7,91.85,73.14,55.56,42.13,33.37,27.86,24.09,21.31,19.31,18.04,17.28,16.85,16.57,16.31,16.05,15.75,15.56,15.53,15.48,15.33,15.08,14.87,14.79,14.74,14.59,14.40,14.29,14.18,13.97,13.67,13.32,12.99,12.72,12.43,12.04,11.70,11.46,11.18,10.84,10.46,10.04,9.615,9.175,8.672,8.074,7.378,6.578,5.536,4.214,2.572,.5037,-2.077,-5.274,-9.121,-13.53,-18.29,-23.08,-27.52,-31.17,-33.58,-34.51,-33.89,-31.87,-28.70,-24.75,-20.40,-16.04,-11.95,-8.222,-4.870,-1.795,1.228,4.589,9.062,16.07,27.72,45.90,70.62,98.67,124.2,140.0,139.4,118.8,79.36,27.53,-26.48,-71.75,-100.7,-111.5,-106.9,-92.05,-73.28,-55.70,-42.26,-33.37,-27.86,-24.13,-21.33,-19.38,-18.07,-17.20,-16.68,-16.42,-16.25,-16.05,-15.84,-15.63,-15.53,-15.52,-15.39,-15.13,-14.94,-14.83,-14.72,-14.59,-14.38,-14.15,-14.00,-13.85,-13.63,-13.32,-13.04,-12.79,-12.51,-12.18,-11.83,-11.50,-11.22,-10.92,-10.55,-10.11,-9.620]
3）判断F(n)的正向过零时刻tpzero和反向过零时刻tnzero：观察F(n)发现F(113)<0且F(114)＞0，因此判断tpzero=114；类似，F(23)＞0且F(24)<0则判断tnzero＝24；
4）N/8=180/8=22.5，判断F2(114)~F2(136)之间和F2(24)~F2(46)之间的符号正负，观察F2(n)可见：F2(114)～F2(119)<0,F2(120)～F2(133)＞0,F2(134)～F2(136)<0;F2(24)~F2(29)＞0,F2(30)~F2(43)<0,F2(44)～F2(46)<0;
5）根据F(n)的凹凸性进一步判断疑似高阻接地故障是否发生：设定n1=3，F2(114)<0表明F(114)是凸性，且在[114~136]期间内，有连续14个点（120~133），使得F(n)是凹性（如图1所示），大于n1，因此判断发生了疑似高阻接地故障；
6）每0.02秒重复一次步骤1~5），得到每个工频周波是否发生疑似高阻接地故障的结果；设定稳态高阻接地故障时间阈值Tstable为1秒，设定电力系统干扰事件时间阈值Tirupt为0.05秒，设定系统时间窗Tsystem为5秒，设定干扰事件次数阈值为3次；如果疑似高阻接地故障持续时间超过1秒，则判断为稳态高阻接地故障；如果疑似高阻接地故障持续时间小于1秒且超过0.05秒，则判断为电力系统干扰事件；如果在5秒内发生电力系统干扰事件次数大于3次，则认为是间歇性故障。

Claims (3)

1.一种基于零序电流波形畸变凹凸性的高阻接地故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤： 
1）对馈线的零序电流进行采样，获得一个工频周波的采样值序列f(n),n=1,2,......N，N为整数，取值范围为60~240，对采样值序列进行有限冲击响应（FIR）数字低通滤波，滤波器截止频率为采样频率的1/10到1/2倍;得到滤波后的N个点的序列值F(n)； 
2）用数值微分方法求F(n)的二阶导数D2(n)，其中D2(n)＝F(n+2)+F(n-2)-2F(n)；对得到的二阶导数D2(n)进行有限冲击响应（FIR）数字低通滤波，得到序列值F2(n),n=1,2,......N； 
3）判断F(n)的正向过零时刻tpzero和反向过零时刻tnzero，判断方法为：若F(n-1)<0且F(n)＞0则tpzero＝n；若F(n-1)＞0且F(n)<0则tnzero＝n，n=1,2,......N，且令F(0)=F(N)； 
4）判断正向过零点之后[tpzero,tpzero+N/8]期间内，以及反向过零点之后[tnzero,tnzero+N/8]期间内F(n)的凹凸性，判断方法为：如果F2(n)＞0则F(n)定义为凹性，如果F2(n)<0则F(n)定义为凸性；如果tpzero+N/8或者tnzero+N/8的值大于N，则将F2(n)进行周期延拓（即如果tpzero+N/8大于N，当n＝N+1~tpzero+N/8时，令F2(n)=F2(n-N)；或者如果tnzero+N/8大于N，当n＝N+1~tnzero+N/8时，令F2(n)=F2(n-N）； 
5）根据F(n)的凹凸性进一步判断疑似高阻接地故障是否发生，方法如下：如果F(tpzero)是凸性，且在[tpzero,tpzero+N/8]期间内，有连续n1个点使得F(n)是凹性；或者如果F(tnzero)是凹性，且在[tnzero,tnzero+N/8]期间内，有连续n1个点使得F(n)是凸性，则判断为疑似高阻接地故障发生； 
6）每0.02秒重复一次步骤1~5），得到每个工频周波是否发生疑似高阻接地故障的结果，根据疑似高阻接地故障持续时间及发生次数，确定故障为稳态高阻接地故障、间歇性故障。 
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，n1取值根据检测的灵敏度来设置，取值区间在[0.01N,0.1N] 。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述疑似高阻接地故障持续时间和发生次数的判别采用如下方法： 
如果疑似高阻接地故障持续时间超过稳态高阻接地故障时间阈值Tstable，则判断为稳态高阻接地故障；如果疑似高阻接地故障持续时间小于Tstable且超过电力系统干扰事件时间阈值Tirupt，则判断为电力系统干扰事件；如果在系统时间窗Tsystem内发生电力系统干扰事件次数大于干扰事件次数阈值，则认为是间歇性故障；其中Tstable取值为1~10秒，Tirupt取值为0.05~0.1秒，Tsystem取值为5~10秒，干扰事件次数阈值为3~5次。 
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