CN102944817A - 基于暂态信号小波变换的配电网单相接地故障定位方法及定位装置 - Google Patents

Abstract

一种配电网单相接地故障的区段定位方法以及定位装置，通过安装在线路上不同位置的终端准确捕捉到零序电流超过启动值前2个周期和超过启动值后2个周期的零序电流暂态信号，终端对零序电流暂态信号进行小波变换与重构，根据重构后细节分量的近似系数积分值分析故障点所在的区段。本发明的定位装置由终端和主站两个部分组成，所述终端安装在架空线路杆塔上或者电缆环网柜内，其输入端接收配电线路CT二次侧的相电流信号合成得到零序电流信号，并与主站通过光纤通信或者移动通信连接；所述主站安装在变电站内或调度中心，包括光纤通信模块和移动通信模块，接收终端发送的信号。本发明技术成熟、可靠性高。

Description

基于暂态信号小波变换的配电网单相接地故障定位方法及定位装置

技术领域

本发明属于电力系统自动化技术领域，具体涉及一种配电网单相接地故障的区段定位方法以及基于该定位方法的定位装置，适用于3～60kV中性点非有效接地电网，能够在单相接地故障发生时，准确定位故障区段。

背景技术

我国3～60kV配电网广泛采用中性点非有效接地方式，又称为小电流接地系统，小电流接地系统的故障绝大多数是单相接地故障。发生单相接地故障时，接地电流很小，可以在故障情况下继续运行1～2个小时，但是必须尽快找到故障点，这就提出了故障定位问题。

配电网故障定位问题长期以来没有得到很好的解决，现场往往还在采用人工巡线的方法，人工巡线不仅耗费了大量人力物力，而且延长了停电时间，影响供电安全。目前现场有三种方法进行自动定位，第一种方法是从PT注入高频信号，沿线路检测该信号确定故障位置，但是由于线路分布电容对高频信号形成通路，因此在经电阻接地时定位不准确。第二种方法是利用故障指示器的方法，由于故障指示器只能测量相电流，不能测量零序电流，所以对于短路故障效果较好，但是对于单相接地故障定位准确率很低。第三种方法是安装内置CT的智能开关，虽然该方法可以测量零序电流，但是市场上运行的终端和主站算法简单，仅仅判断稳态零序电流是否超过定值，对于中性点经消弧线圈接地系统定位正确率很低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术上的不足，提出新的定位方法，并提供一种针对配电网故障的定位装置。该定位方法充分利用了零序电流暂态分量进行定位，由于零序电流暂态分量中，含有丰富的故障特征，且暂态分量幅值较大、易于判断，因此本发明能够快速、准确地确定故障区段。本发明适用于中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统，适用于金属性接地、经电弧接地、经过渡电阻接地等多种故障情况。

本发明的技术方案如下：

一种基于暂态信号小波变换的配电网单相接地故障区段定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）安装在输电线路多个位置的终端实时检测安装位置处的电流互感器二次合成零序电流；

（2）当任一终端所检测的零序电流幅值超过预设的启动值后，各终端立刻捕捉零序电流超过启动值前2个周期和超过启动值后2个周期的零序电流暂态信号，

（3）终端对4个周期的零序电流暂态信号进行小波变换，所述小波变换采用Mallat算法，将所述零序电流暂态信号通过Mallat算法分解到第3尺度，求各个尺度上细节系数的模极大值M_j,k，其中，j为尺度下标，k为j尺度上不同的模极大值点，利用第一尺度和第二尺度下细节系数的模极大值点M_1,1和M_2,1，记录这两个点的数据，然后通过比较选出模较大的点，该点所在的时刻即为故障发生时刻T₀；

（4）选择T₀为积分起点，以10ms时间为积分长度，对零序电流暂态信号在第一尺度上的近似分量进行积分，将积分值上传给主站；

（5）主站综合比较各个终端传来的积分值符号，根据不同情况作出判断：

①如果所有终端传来的积分值符号都相同，判断为同一母线没有安装终端的其他线路出现故障；

②如果某条线路有一个或若干个终端传来的积分值符号与其他线路终端传来的积分值符号相反，其中，所述一个或若干个终端的数量相比较其它终端数量为少，则判断故障点在该一个或若干个终端所在的线路区段上，然后标记该条线路区段为可能的故障线路区段，然后从可能的故障线路区段上离母线最近的终端开始，依次往下搜寻，直到找出积分值符号相异的两个相邻终端，确定故障就发生在这两个相邻终端之间的线路区段上；

③如果步骤②搜寻结果显示可能的故障线路上所有终端传来的积分值符号均一致，那么可判断故障产生在故障线路离母线最远终端的下游，也就是最远终端和负荷之间的线路区段上。

本申请还进一步公开了一种利用所述的单相接地故障区段定位方法的配电网单相接地故障区段定位装置，所述单相接地故障定位装置由主站和终端两个部分组成，其特征为：

所述终端安装在架空线路杆塔上或者电缆环网柜内，其输入端架空线路和/或电缆CT二次侧的相电流信号合成得到零序电流信号，并与主站通过光纤通信或者移动通信连接；

所述主站安装在变电站内或调度中心，接收终端发送的信号。

所述终端包括顺次连接的电流变换器、A/D转换模块、CPU模块、光纤通信模块、移动通信模块。

主站为一台工业控制计算机，包含光纤通信模块和移动通信模块，接收终端发送的数据。

本申请的故障定位装置通过以下方法实现故障定位：

所述终端安装在架空线路杆塔上或者电缆环网柜内，其输入端接收配电线路(包括架空线路和电缆)CT二次侧的相电流信号合成得到零序电流信号，并与主站通过光纤通信或者移动通信连接。终端对4个周期的零序电流暂态信号进行小波变换，分解到第3层，利用第一尺度和第二尺度下细节系数的模极大值，来确定故障发生时刻T₀。

所述主站安装在变电站内或调度中心，接收终端发送的信号。正常运行时终端计算电流幅值并将结果上传给主站，由主站显示；发生故障后，主站综合比较各个终端传来零序电流第一尺度近似系数积分值的符号：

①如果所有终端传来的积分值符号都相同，判断为同一母线没有安装终端的其他线路出现故障；

②如果某条线路有一个或若干个终端传来的积分值符号与其他线路终端传来的积分值符号相反，其中，所述一个或若干个终端的数量相比较其它终端数量为少，则判断故障点在该一个或若干个终端所在的线路区段上，然后标记该条线路区段为可能的故障线路区段，然后从可能的故障线路区段上离母线最近的终端开始，依次往下搜寻，直到找出积分值符号相异的两个相邻终端，确定故障就发生在这两个相邻终端之间的线路区段上；

③如果步骤②搜寻结果显示可能的故障线路上所有终端传来的积分值符号均一致，那么可判断故障产生在故障线路离母线最远终端的下游，也就是最远终端和负荷之间的线路区段上。

本申请的优点如下：

1、利用故障发生后零序电流的暂态分量进行定位，相比传统的稳态量定值比较法，暂态信号的幅值相位特征明显，在定位中有明显的优势。

2、采用小波分析的方法对暂态电流信号进行处理，结合小波理论中的模极大值理论形成判据，处理后的故障特征明显，易于选出故障区段。

3、能够确定故障点所在区域，终端间距越小，定位越准确。

4、终端安装在线路上，无需人工沿线路巡视。

5、可以在带故障运行情况下定位，提高系统运行的可靠性。

6、技术成熟、可靠性高，适用于3～60kV中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的配电网，适用于金属性接地、经电弧接地、经过渡电阻接地等多种故障情况。

附图说明

图1是本申请的单相接地故障定位装置的结构示意图；

图2是单相接地故障时零序暂态电流分布情况的等值电路图；

图3是本申请基于暂态信号小波变换的配电网单相接地故障定位方法流程图；

图4是原始零序电流信号图；

图5是原始零序电流经小波变换后细节分量和近似分量；

图6是终端的原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，通过具体实施例对本申请的技术方案作进一步详细说明。

本申请提出的一种新的定位方法，其原理是在线路带单相接地故障运行的情况下，对各终端测得的零序电流信号进行小波变换，利用变换后各个终端电流信号的差别，进行故障定位。

所述终端安装在架空线路杆塔上或者电缆环网柜内，其输入端接收配电线路(包括架空线路和电缆)CT二次侧的相电流信号合成得到零序电流信号，并与主站通过光纤通信或者移动通信连接。

所述主站安装在变电站内或调度中心，接收终端发送的信号。正常运行时终端计算电流幅值并将结果上传给主站，由主站显示；发生故障后，主站综合比较各个终端传来零序电流第一尺度近似分量积分值的符号：

①如果所有终端传来的积分值符号都相同，判断为同一母线没有安装终端的其他线路出现故障；

②如果某条线路有一个或若干个终端传来的积分值符号与其他线路终端传来的积分值符号相反，其中，所述一个或若干个终端的数量相比较其它终端数量为少，则判断故障点在该一个或若干个终端所在的线路区段上，然后标记该条线路区段为可能的故障线路区段，然后从可能的故障线路区段上离母线最近的终端开始，依次往下搜寻，直到找出积分值符号相异的两个相邻终端，确定故障就发生在这两个相邻终端之间的线路区段上；

③如果步骤②搜寻结果显示可能的故障线路上所有终端传来的积分值符号均一致，那么可判断故障产生在故障线路离母线最远终端的下游，也就是最远终端和负荷之间的线路区段上。

如图1所示，定位装置由套接式架空线路CT C（当使用多组套接式架空线路CT时，分别使用C-1、C-2……C-n表示）、终端B（当使用多组与CT对应的终端时，多个终端分别使用B-1、B-2……B-n表示）和主站A三个部分组成，其中架空线路CT和终端配合使用，在线路的多个位置进行安装。架空线路CT为开口铁磁式结构，可以打开分为两半套接在架空线路上，避免了将架空线路断开的施工难度；CT精度达到1级，充分保证了测量的准确性。终端为适用于户外使用的低功耗微机型装置，安装于架空线杆塔上，与安装在ABC三相上的高精度架空线路CT配合使用。终端用于测量相电流和零序电流信号及向主站发送故障信息，由电流变换器、A/D、移动通信模块和太阳能充电模块组成。主站为一台工业控制计算机，安装于变电站内或者调度中心，用于接收终端的信息并进行故障定位运算，由光纤通信模块、移动通信模块组成。

单相接地故障时零序电流分布情况的等值电路如图2所示。在f点发生接地故障，由于线路上存在对地分布电容，零序电流以故障点到对地分布电容为通路，所以故障点前后及非故障分支都能检测到零序电流。故障线路零序电流大小等于所有非故障线路零序电流大小之和，且故障点上游零序电流的相位与非故障点下游零序电流的相位相差180度。在①②③④⑤五个终端，测得零序电流

箭头所示为各零序电流的流向。由于零序电流以对地电容为通路，呈容性，现以母线零序电压为参照，设定正方向为从母线流向线路，那么终端④检测出的

与终端①②③⑤检测出的

在相位上相差180度，这是本申请所使用判据的理论基础。

结合附图3所示的本发明基于暂态信号小波变换的配电网单相接地故障定位方法流程图，来详细介绍本发明的配电网单相接地故障定位方法。

所述方法包括以下步骤：

（1）安装在输电线路多个位置的终端实时检测安装位置处的电流互感器二次合成零序电流；

（2）当任一终端所检测的零序电流幅值超过预设的启动值后，各终端立刻捕捉零序电流超过启动值前2个周期和超过启动值后2个周期的零序电流暂态信号，

（3）终端对4个周期的零序电流暂态信号进行小波变换，分解到第3尺度，求各个尺度上细节系数的模极大值M_j,k（j为尺度下标，k为j尺度上不同的模极大值点)，利用第一尺度和第二尺度下细节系数的模极大值M1,1，和M2,1，来确定故障发生时刻T₀；

这里的小波变换为小波理论中的Mallat算法，其过程相当于对输入信号序列进行双通道滤波，滤波器的输出分别对应输入信号的低频概貌和高频细节，称低频概貌信号为近似分量，高频细节信号为细节分量，原理如下：

对于一个函数f(x)∈L²（R），由于L²（R）可以分解为一系列空间{W_j}的直和，即

$L^2\left(R\right)={\mathrm{\Σ}}_{j=-\∞}^{\∞}{W}_j=...+W_{-1}+W_0+W_1+...$

其中有， $V_j=V_{j-1}\⊕W_{j-1}=V_{j-2}\⊕W_{j-2}\⊕W_{j-1}=......,$ 即V_j-1是W_j-1关于空间V_j的补空间，称空间{V_j}为尺度空间，空间{W_j}为尺度j的小波空间。

那么对于任意一个函数f(x)∈V₀∈L²（R），可以将其分解近似部分V_-1和细节部分W_-1，然后对V_-1继续分解，如此反复进行，就可以得到任意尺度下的近似部分和细节部分。

综上，只要将函数f(x)向尺度空间V_j投影，就可以得到其在尺度j下的近似信号

其中

称为尺度展开系数。

同样，将函数f(x)向不同尺度的小波空间W_j投影，就可以得到其不同尺度下的细节信号

$f_d^j\left(x\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{d}_{j,k}{\mathrm{\ψ}}_{j,k}\left(x\right)---\left(3\right)$

其中d_j,k=<f(x),ψ_j,k(x)>称为小波展开系数。

式（2）通过尺度空间V_j的基

求取函数的近似信号，式（3）通过小波空间W_j的基ψ_j，k(x)求取不同尺度下函数的细节信号，式（2）和式（3）称为离散小波变换的分解公式。

从上述的分解公式，可以看出，对信号的分解完全由系数序列{c_j，k}和{d_j，k}确定，我们把在固定的j下，由c_j+1,k求c_j，k和d_j，k的算法称为分解算法；由c_j，k和d_j，k求c_j+1,k的算法称为重构算法。此方法由Mallat提出，因此又称为Mallat算法。

在本申请装置中的实际分解过程为：对原始信号进行双通道滤波，用两个滤波器把频带在0至f之间的原始信号分为0至f/2的低频部分和f/2至f的高频部分，分别反映信号的概貌与细节，称这两个输出信号为近似分量和细节分量。分解过程用“二抽取”的办法，即把输入序列每隔一个输出一次，组成长度缩短一半的新序列，将每次分解后的低频部分重复进行分解，共分解三次，最后形成一个第一尺度的近似分量，和三个分别在第一、二、三尺度的细节分量。

利用模极大值确定故障发生时刻的方法为：首先检测出第一尺度和第二尺度下细节系数的模极大值点M1,1，和M2,1（模极大值指的是信号在某个区间内的极大值），记录这两个点的数据，然后通过比较选出模较大的点，该点所在的时刻即为故障发生时刻T₀；

（4）选择T0为积分起点，10ms时间为积分长度，对零序电流第一尺度上的近似分量进行积分，将积分值上传给主站；

（5）主站综合比较各个终端传来的积分值符号，根据不同情况作出判断：

①如果所有终端传来的积分值符号都相同，判断为同一母线没有安装终端的其他线路出现故障；

②如果某条线路有一个或若干个终端传来的积分值符号与其他线路终端传来的积分值符号相反，其中，所述一个或若干个终端的数量相比较其它终端数量为少，则判断故障点在该一个或若干个终端所在的线路区段上，然后标记该条线路区段为可能的故障线路区段，然后从可能的故障线路区段上离母线最近的终端开始，依次往下搜寻，直到找出积分值符号相异的两个相邻终端，确定故障就发生在这两个相邻终端之间的线路区段上；

③如果步骤②搜寻结果显示可能的故障线路上所有终端传来的积分值符号均一致，那么可判断故障产生在故障线路离母线最远终端的下游，也就是最远终端和负荷之间的线路区段上。

下面以实测的零序电流波形图来说明终端的信号特征提取以及故障定位的过程。

图4是实测线路的零序电流信号（虚线表示故障线路），图5显示了小波变换后的零序电流细节系数和近似系数（虚线表示故障线路）。实际的暂态过程中，由于各个量中谐波成分很高，常常导致上述的相位关系不明显，容易误判错判。本发明对测得的零序电流相量进行了小波变换，从原始的含有大量谐波的信号中剥离出特定频段的分量，采用积分的方法，从故障起始时间开始，选取1/4采样周期作为积分长度，通过比较积分值的符号来判断故障位置，使得固有的零序电流信号相位关系更加清晰直观，有利于准确定位故障。

从图5中细节系数第一层d1和第二层d2来看，其波形在第80个采样点到第120个采样点之间出现很大的幅值，在此区域内求出d1和d2绝对值最大的点分别为86,87，这两个点称作模极大值点，这两个点的值称为模极大值。模极大值点对应着信号的突变点，模极大值的大小对应突变的强度，所以取模极大值比较大的d1所对应的点86作为积分起点，然后以1/4周期为长度，对近似系数a1进行积分，由于采样值都是离散的，这里的积分也就是指将近似系数a1，从86开始15个采样点的值相加求和，求和公式为：

$S={\mathrm{\&Sigma;}}_{x=86}^{100}{f}_{a1}\left(x\right)$

对图2所示七个终端零序电流数据都做上述处理后，经过计算，求和情况如下：

表1各终端零序电流近似系数求和值

终端号	1	2	3	4	5	6	7
								s	-375.2629	10.3702	1.3788	143.7300	11.9298	0.8706	0.5846

由表1可以清楚的看出，只有终端1的积分值为负，可以判断出故障点就在终端1所在的线路上，而且在终端1的下游，再根据已知的终端安装情况，搜寻出与终端1处于同一线路的相邻异号终端，就可以判断出故障发生在这两个终端之间，实现故障的准确定位。

本申请还公开了一种利用上述单相接地故障区段定位方法的配电网单相接地故障区段定位装置，所述单相接地故障定位装置由主站和终端两个部分组成，其特征为：

所述终端安装在架空线路杆塔上或者电缆环网柜内，其输入端架空线路和/或电缆CT二次侧的相电流信号合成得到零序电流信号，并与主站通过光纤通信或者移动通信连接；

所述主站安装在变电站内或调度中心，接收终端发送的信号。

其中，终端的原理如图6所示，由CPU、电流变换器、A/D、移动通信模块、光纤收发模块组成。由小电流互感器和电阻Rz构成电流变换器将输电线电流变换为交流0到5V信号，交流0到5V信号输入到输入运算放大器OP07中，OP07、基准电压源AD584以及电阻R1、R2、Rf构成比例加法器。输入运算放大器OP07输出接到8051F120的P1.0管脚上，8051F120内部含有ADC和附加基准电压源，对模拟信号进行AD采样，采样后CPU计算出信号特征。8051F120通过P4和P5这两个I/O口中的P4.0-P4.7和P5.0-P5.6接点分别与移动通信模块M1206的Sub HD Pin15端口的15个接点一一对应相连，用于驱动移动通信模块M1206，采用移动通信方式向主站发送特征数据。HFBR14为光纤发送模块，HFBR24为光纤接收模块，8051F120芯片通过UART0连接到光纤收发模块，采用光纤通信方式向主站发送特征数据。

Claims (4)

1.一种基于暂态信号小波变换的配电网单相接地故障区段定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）安装在输电线路多个位置的终端实时检测安装位置处的电流互感器二次合成零序电流；

（2）当任一终端所检测的零序电流幅值超过预设的启动值后，各终端立刻捕捉零序电流超过启动值前2个周期和超过启动值后2个周期的零序电流暂态信号，

（3）终端对4个周期的零序电流暂态信号进行小波变换，所述小波变换采用Mallat算法，将所述零序电流暂态信号通过Mallat算法分解到第3尺度，求各个尺度上细节系数的模极大值M_j,k，其中，j为尺度下标，k为j尺度上不同的模极大值点，利用第一尺度和第二尺度下细节系数的模极大值M_1,1和M_2,1，记录所述第一尺度和第二尺度下细节系数的模极大值的两个点的数据，然后通过比较选出模较大的点，该点所在的时刻即为故障发生时刻T₀；

（4）选择T₀为积分起点，以10ms时间为积分长度，对零序电流暂态信号在第一尺度上的近似分量进行积分，将积分值上传给主站；

（5）主站综合比较各个终端传来的积分值符号，根据不同情况作出判断：

①如果所有终端传来的积分值符号都相同，判断为同一母线没有安装终端的其他线路出现故障；

②如果某条线路有一个或若干个终端传来的积分值符号与其他线路终端传来的积分值符号相反，其中，所述一个或若干个终端的数量相比较其它线路终端数量为少，则判断故障点在该一个或若干个终端所在的线路区段上，然后标记该条线路区段为可能的故障线路区段，然后从可能的故障线路区段上离母线最近的终端开始，依次往下搜寻，直到找出积分值符号相异的两个相邻终端，确定故障就发生在这两个相邻终端之间的线路区段上；

③如果步骤②搜寻结果显示可能的故障线路上所有终端传来的积分值符号均一致，那么可判断故障产生在故障线路离母线最远终端的下游，也就是最远终端和负荷之间的线路区段上。

2.一种利用权利要求1所述的单相接地故障区段定位方法的配电网单相接地故障区段定位装置，所述单相接地故障定位装置由主站和终端两个部分组成，其特征为：

所述终端安装在架空线路杆塔上或者电缆环网柜内，其输入端架空线路和/或电缆CT二次侧的相电流信号合成得到零序电流信号，并与主站通过光纤通信或者移动通信连接；

所述主站安装在变电站内或调度中心，接收终端发送的信号。

3.根据权利要求2所述的配电网单相接地故障区段定位装置，其特征为：

所述终端包括顺次连接的电流变换器、A/D转换模块、CPU模块、光纤通信模块、移动通信模块；终端对零序电流暂态信号进行小波变换，将分析结果上传给主站。

4.根据权利要求2所述的配电网单相接地故障区段定位装置，其特征为：

主站为一台工业控制计算机，包含光纤通信模块和移动通信模块，接收终端发送的数据；主站综合比较各个终端传来零序电流故障特征，经过计算确定故障区段并显示给调度运行人员。

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