CN102981099B - 基于遗传算法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两个周期和超过启动值后两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，根据重构后的细节分量对终端编码，使用遗传算法进行搜寻故障点所在的区段。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(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，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

基于遗传算法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，通过小波变换提取零序电流的准确相位信息，并利用具有出色全局寻优能力的遗传算法来搜寻故障区段。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：

一种基于遗传算法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）当某一终端安装位置处被检测的零序电流幅值超过预设的启动值后，所有终端立刻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；

（3）所述所有终端对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，得到第3层的细节分量，并将其上传给主站；

（4）主站综合比较各个终端传来零序电流小波分解到第三层的细节分量，根据细节分量与母线零序电压的相位关系进行编码：

将细节分量相位超前母线零序电压的终端状态编码为0，将细节分量相位滞后于母线零序电压的终端状态编码为1；

将线路按终端安装位置划分为若干个区段，即第i个终端所在的线路分支或线路区段定义为第i个区段，i、n为整数，i≤n，n为终端的个数。假设发生故障的区段状态编码为1，假设没有发生故障的区段状态编码为0。（5）主站根据编码结果，生成终端状态函数，启动遗传算法，经过计算搜寻出故障区段：

终端状态函数表示的是某一终端与其下游区段状态之间的关系，其公式表达如下：

$I_{\mathrm{tj}}\left(s\right)=\underset{j}{\mathrm{\Π}}{s}_i---\left(1\right)$

其中，I_tj(s)为第j个终端的终端状态函数，j≤i，s_i是第i个区段的区段状态编码，∏是逻辑或的意思，表示若第j个终端下游的各区段状态编码至少有一个为1时，则第j个终端的终端状态函数值为1，否则为0；

遗传算法中适应度函数的公式表达如下：

$E\left(s\right)=M-\left({\mathrm{\Σ}}_{j=1}^n\right|I_{\mathrm{tj}}-I_{\mathrm{tj}}\left(s\right)|+|{\mathrm{\Σ}}_{i-1}^n{s}_i-1\left|\right)---\left(2\right)$

其中，M的数值为实际安装的终端个数的2倍，I_tj为第j个终端的终端状态编码，I_tj(s)为第j个终端的终端状态函数，而s_i则为第i个区段的区段状态编码，n表示的是终端个数，也表示区段的个数；

其中，所述遗传算法搜寻故障区段的过程如下：

①主站启动遗传算法后随机生成初代种群，种群中的个体即为前述的区段状态编码，种群个体数设置为等于区段的个数n；

②对初代种群进行选择，交叉，变异操作：选择过程采用最优保持和轮盘赌的混合选择机制；交叉过程采用二进制单点交叉方式，概率选为0.6；变异操作采用二进制变异方式，概率选为0.01；然后得到新一代种群，新一代种群的编号为在上一代种群基础上加1；

③根据前述的适应度函数，计算新一代种群中每个个体的适应度值；

④检查种群的编号，如果达到预定的最大迭代次数，那么直接进入第⑤步；如果没有达到最大迭代次数，那么检验第③步计算得到的适应度值，找出适应度值最大的个体，称该个体为最优个体，如果最优个体适应度值等于M，那么进入第⑤步，如果最优个体适应度值小于M，那么返回到第②步。

⑤搜寻最优个体即区段状态编码为1的位置，根据这个位置与实际区段的对应关系找出故障区段，然后输出故障区段。

本申请还公开了一种利用上述的配电网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，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；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。

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，经过遗传算法搜寻并确定故障区段，显示给调度运行人员。

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，把第三层细节分量的相位信息上传给主站。

正常运行时终端计算零序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小波分解到第三层的细节分量，根据其与母线零序电压的相位关系对终端进行编码，主站根据编码结果，生成终端状态函数，启动遗传算法，经过计算搜寻出故障区段。

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，处理后的相位特征明显，保证了遗传算法所需编码信息的准确性。

3、采用具有出色全局寻优能力的遗传算法，通过对适应度函数的设计，使算法对终端发回主站信号的畸变具有一定的容错能力。

4、能够确定故障点所在区域，终端间距越小，定位越准确。

5、终端安装在线路上，无需人工沿线路巡视。

6、可以在带故障运行情况下定位，提高系统运行的可靠性。

7、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是本发明的结构示意图；

图2是单相接地故障时零序电流分布情况的等值电路图；

图3是原始零序电流信号图；

图4是原始零序电流经小波变换后细节分量和近似分量；

图5是基于遗传算法的配电网单相接地故障定位方法流程图；

图6是主站遗传算法的流程图；

图7是终端的原理图。

具体实施方式

下面结合说明书如图，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。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，把第三层细节分量的相位信息上传给主站。

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小波分解到第三层的细节分量，根据细节分量与母线零序电压的相位关系进行编码，根据编码结果，生成终端状态函数，启动遗传算法，经过计算搜寻出故障区段。

如图1所示，定位装置由套接式架空线路CT（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，如图3所示（虚线所示为终端④测得的零序电流）。图4是各终端零序电流经过小波变换后的第1、2、3层细节分量（虚线所示为终端④零序电流经小波变换后的细节分量），从图4中可以看出，通过小波变换分解出第三层细节分量(图4中的小图d3所示)后，这一相位关系更趋明显。终端将小波变换后的量传给主站后，主站根据相位的不同来对终端进行终端状态编码，然后随机产生初始种群，初始种群的个体也就是随机生成的区段状态编码，个体数量等于区段的数量。以图2为例，终端①②③④⑤将线路分为s1~s5五个区段，那么初始种群就包含有5个个体，每个个体的长度为5。

如图5所示为基于遗传算法的配电网单相接地故障定位方法，所述定位方法包括以下步骤：

（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）当某一终端安装位置处被检测的零序电流幅值超过预设的启动值后，所有终端立刻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；

（3）所述所有终端对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，得到第3层的细节分量，并将其上传给主站；

（4）主站综合比较各个终端传来零序电流小波分解到第三层的细节分量，根据细节分量与母线零序电压的相位关系进行编码并上传给主站，终端状态编码原则如下：

将细节分量相位超前母线零序电压的终端状态编码为0，将细节分量相位滞后于母线零序电压的终端状态编码为1；将线路按终端安装位置划分为若干个区段，即第i个终端所在的线路分支或线路区段定义为第i个区段，i、n为整数，i≤n，n为终端的个数，假设发生故障的区段状态编码为1，假设没有发生故障的区段状态编码为0；

其中，假设区段发生故障，是指前述的区段状态编码中该区段代表的位置为1。如s1~s5五个区段的区段状态编码为00001，那么说明s1~s4没有发生故障，s5区段发生故障。在本发明的基于遗传算法的配电网单相接地故障定位方法中，因为在算法开始时还不知道哪个区段发生故障，先由程序随机给出若干个事故情况（初代种群），然后由遗传算法对这若干个预想事故情况进行处理，由于选择、交叉、变异过程的干预，每一次处理后的结果都将更加接近最优解。经过若干次的迭代，达到收敛条件后，程序会输出一个最接近最优解的结果。

（5）主站根据编码结果，生成终端状态函数，启动遗传算法，经过计算搜寻出故障区段：

终端状态函数表示的是某一终端与其下游区段状态之间的关系，其公式表达如下：

$I_{\mathrm{tj}}\left(s\right)=\underset{j}{\mathrm{\Π}}{s}_i---\left(1\right)$

其中，j≤i，s_i是第i个区段的区段状态编码，∏是逻辑或的意思，表示若第j个终端下游的各区段状态编码至少有一个为1时，则第j个终端的终端状态函数值为1，否则为0；

遗传算法中适应度函数的公式表达如下：

$E\left(s\right)=M-\left({\mathrm{\Σ}}_{j=1}^n\right|I_{\mathrm{tj}}-I_{\mathrm{tj}}\left(s\right)|+|{\mathrm{\Σ}}_{i-1}^n{s}_i-1\left|\right)---\left(2\right)$

其中，M的数值为实际安装的终端个数的2倍，I_tj为第j个终端的终端状态编码，I_tj(s)为第j个终端的终端状态函数，而s_i则为第i个区段的区段状态编码，n表示的是终端个数，也表示区段的个数；

其中，所述遗传算法搜寻故障区段的过程如图6所示：

①主站启动遗传算法后，随机生成初代种群，种群个体数设置为等于区段的个数n，种群中的个体即为区段状态编码，区段状态编码原则为：

将线路按终端安装位置划分成若干个区段，即将第i个终端下游至第i+1个终端之间的区段定位第i个区段，而第n个终端的下游区段定为第n个区段，其中，i、n为整数，i≤n，n为终端的个数，假设发生故障的区段状态编码为1，假设没有发生故障的区段状态编码为0；

②对初代种群进行选择，交叉，变异操作：选择过程采用最优保持和轮盘赌的混合选择机制；交叉过程采用二进制单点交叉方式，概率选为0.6；变异操作采用二进制变异方式，概率选为0.01。然后得到新一代种群，新一代种群的编号为在上一代种群基础上加1；

③计算新一代种群中每一个个体的适应度值，适应度函数的计算公式为式（2）；

④检查种群的编号，如果达到最大迭代次数，那么直接进入第⑤步；如果没有达到最大迭代次数，那么检验第③步计算得到的适应度值，找出适应度值最大的个体，称该个体为最优个体，如果最优个体适应度值等于M，那么算法进入第⑤步，如果最优个体适应度值小于M，那么算法回到第②步。

⑤搜寻最优个体中1的位置，根据这个位置与实际区段的对应关系找出故障区段，然后输出故障区段。

本申请还公开了一种利用上述的配电网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，接收终端发送的信号。

终端的原理如图7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)

1.一种基于遗传算法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)当某一终端安装位置处被检测的零序电流幅值超过预设的启动值后，所有终端立刻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；

(3)所述所有终端对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，得到第3层的细节分量，并将其上传给主站；

(4)主站综合比较各个终端传来零序电流暂态信号小波分解到第三层的细节分量，根据细节分量与母线零序电压的相位关系进行编码：

将细节分量相位超前母线零序电压的终端状态编码为0，将细节分量相位滞后于母线零序电压的终端状态编码为1；

将线路按终端安装位置划分为若干个区段，即第i个终端所在的线路分支或线路区段定义为第i个区段，i、n为整数，i≤n，n为终端的个数；在遗传算法中，将假设发生故障的区段状态编码为1，假设没有发生故障的区段状态编码为0；

(5)主站根据编码结果，生成终端状态函数，启动遗传算法，经过计算搜寻出故障区段：

终端状态函数表示的是某一终端与其下游区段状态之间的关系，其公式表达如下：

$I_{\mathrm{tj}}\left(s\right)=\underset{j}{\mathrm{\Π}}{s}_j$          (1)

其中，I_tj(s)为第j个终端的终端状态函数，j≤i，s_i是第i个区段的区段状态编码，∏是逻辑或的意思，表示若第j个终端下游的各区段状态编码至少有一个为1时，则第j个终端的终端状态函数值为1，否则为0；

遗传算法中适应度函数的公式表达如下：

$E\left(s\right)=M-\left({\mathrm{\Σ}}_{j=1}^n\right|I_{\mathrm{tj}}-I_{\mathrm{tj}}\left(s\right)|+|{\mathrm{\Σ}}_{i-1}^n{s}_i-1\left|\right)$         (2)

其中，E(s)表示适应度函数值，M的数值为实际安装的终端个数的2倍，I_tj为第j个终端的终端状态编码，I_tj(s)为第j个终端的终端状态函数，而s_i则为第i个区段的区段状态编码，n表示的是终端个数，也表示区段的个数；

其中，所述遗传算法搜寻故障区段的过程如下：

①主站启动遗传算法后随机生成初代种群，种群中的个体即为前述的区段状态编码，种群个体数设置为等于区段的个数n；

②对初代种群进行选择，交叉，变异操作：选择过程采用最优保持和轮盘赌的混合选择机制；交叉过程采用二进制单点交叉方式，概率选为0.6；变异操作采用二进制变异方式，概率选为0.01；然后得到新一代种群，新一代种群的编号为在上一代种群基础上加1；

③根据前述的适应度函数，计算新一代种群中每个个体的适应度值；

④检查种群的编号，如果达到预定的最大迭代次数，那么直接进入第⑤步；如果没有达到最大迭代次数，那么检验第③步计算得到的适应度值，找出适应度值最大的个体，称该个体为最优个体，如果最优个体适应度值等于M，那么进入第⑤步，如果最优个体适应度值小于M，那么返回到第②步；

⑤搜寻最优个体即区段状态编码为1的位置，根据这个位置与实际区段的对应关系找出故障区段，然后输出故障区段。

2.一种利用权利要求1所述的配电网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，所述配电网单相接地故障区段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，其输入端接收架空线路和/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或3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暂态信号，经过遗传算法搜寻并确定故障区段，显示给调度运行人员。