CN103197203A - 一种基于三相电流突变量的时域波形相关分析的故障选线方法 - Google Patents

一种基于三相电流突变量的时域波形相关分析的故障选线方法 Download PDF

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CN103197203A CN201310107164XA CN201310107164A CN103197203A CN 103197203 A CN103197203 A CN 103197203A CN 201310107164X A CN201310107164X A CN 201310107164XA CN 201310107164 A CN201310107164 A CN 201310107164A CN 103197203 A CN103197203 A CN 103197203A
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束洪春
高利
朱梦梦
段锐敏
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Abstract

本发明是一种基于三相电流突变量的时域波形相关分析的故障选线方法，属电力系统继电保护技术领域。本方法为：对于馈出线路只安装有三相电流互感器而未安装零序电流互感器的配电网，当其发生单相接地故障时，装置立即启动，测量处测得各馈线的三相突变电流。提取故障后5ms时窗内的三相突变电流时域波形，对其进行相关分析求得相间相关系数和综合相关系数，将综合相关系数和相间相关系数分别作为选线判据和选相的判据特征量，按照判据原则实现配网单相接地故障的选线和选相。理论分析和大量仿真表明本发明效果良好。

Description

一种基于三相电流突变量的时域波形相关分析的故障选线方法
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体说是一种基于三相电流突变量的时域波形相关分析的故障选线方法。
背景技术
中性点经消弧线圈接地的配电网发生单相接地故障时，故障暂态电流幅值远大于稳态电流，且不受消弧线圈影响。故障后的暂态分量与稳态分量相比有很大的优越性，因此利用暂态量进行选线的方法成为配网故障选线方法的主流。基于暂态量的选线方法，大多利用了故障线路和健全线路暂态量在突变方向、幅值等特征上表现的差异，并借助信号处理手段提取这些特征对故障进行辨识。
单相接地故障约占配电网故障的80%，学者对单相接地故障选线问题进行了大量研究但仍有许多难题有待解决。主要原因在于：1、故障边界复杂、故障随机性强。不同的故障条件，其暂态零序信号频率成分、衰减特性和频谱能量分布存在差异；2、电压过零点附近发生的单相接地故障引起的高频分量很小，高频暂态量选线方法灵敏度大大下降；3、电缆线路和架空线路电气特性差异较大，健全线路零序电流波形之间相似性降低；4、由于行波传播速度较快，而配电网线路较短，加之干扰信号较多，行波首波头不易可靠捕捉，致使行波法检测受限。 
基于暂态量的选线方法大多采用零序电流作为分析对象，但对于只安装三相电流互感器而未安装零序电流互感器的配电网，由于三相电流互感器传变特性的不一致，由三相电流合成的零序电流与真实情况往往存在较大偏差，这种方式往往影响了基于零序电流的故障选线方法的可靠性。
发明内容
    本发明的目的是提出一种基于三相电流突变量的时域波形相关分析的故障选线方法，针对某些只安装有三相电流互感器而未安装零序电流互感器的配电网，当其发生单相接地故障时，直接利用三相电流互感器测得的三相电流时域波形进行分析选线，而不经过相应变换将三相电流转换为零序电流进行故障检测，克服因三相电流互感器传变特性不一致导致转换过程中产生的偏差。
本发明基于三相电流突变量的时域波形相关分析的故障选线方法是：配电网发生故障后，选线装置立即启动，从测量端测得各馈线的三相突变电流；提取故障后短时窗内的三相突变电流时域波形，对其进行相关系数求解，得到各馈线相间相关系数，再求取各馈线突变电流量的综合相关系数；通过比较馈线综合相关系数最大、最小值之差与预设阀值的大小，进行选线判断；通过比较故障馈线各相间的相关系数与预设阀值的大小，进行选相判断。具体按下列过程实现：
（1）当馈出线路只安装了三相电流互感器而未安装零序电流互感器的配电网发生单相接地故障时，选线装置立即启动，从测量端测得各馈线的三相突变电流；
（2）提取故障后5ms短时窗内各馈线的三相突变电流时域波形，然后根据式                                                
Figure 201310107164X100002DEST_PATH_IMAGE001
，对其进行相关系数求解，得到各馈线相间相关系数
Figure 10411DEST_PATH_IMAGE002
；
式中，
Figure 201310107164X100002DEST_PATH_IMAGE003
为离散信号，
Figure 454162DEST_PATH_IMAGE004
为离散信号的采样点个数，
Figure 201310107164X100002DEST_PATH_IMAGE005
为相关信号的记录长度；i=1，2，3…，为系统的馈线编号；x,y=A,B,C，且x≠y ，A、B、C为馈线三个相的编号；
（3）由各馈线相间相关系数，根据公式，求取各馈线突变电流量的综合相关系数
Figure 201310107164X100002DEST_PATH_IMAGE007
；其中，
Figure 793363DEST_PATH_IMAGE008
，为系统的馈线编号；
（4）通过仿真实验，设定馈线综合相关系数阀值
Figure 201310107164X100002DEST_PATH_IMAGE009
，按以下条件进行选线判断：
若
Figure 582065DEST_PATH_IMAGE010
，则馈线故障，故障馈线编号为
Figure 196717DEST_PATH_IMAGE012
，
若
Figure 201310107164X100002DEST_PATH_IMAGE013
，则母线故障，
式中，为各馈线综合相关系数中的最大值，为各馈线综合相关系数中的最小值；
（5）通过仿真实验，设置故障馈线各相间的相关系数阀值
Figure 635362DEST_PATH_IMAGE016
，按以下条件进行选相判断：
若
Figure 201310107164X100002DEST_PATH_IMAGE017
，则
Figure 780036DEST_PATH_IMAGE018
、为健全相，另一相为故障相；
式中，
Figure 831169DEST_PATH_IMAGE020
为故障馈线各相间的相关系数，为故障馈线的编号，
Figure 130301DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 201310107164X100002DEST_PATH_IMAGE023
且。
本发明中，综合相关系数阀值
Figure DEST_PATH_IMAGE025
和故障馈线各相间的相关系数阀值
Figure 557051DEST_PATH_IMAGE016
的设定，都是通过大量的系统仿真实验，最终找出恰当的数值，作为比较的依据。
本发明的原理是：
一、理论分析
对于图1所示配电网系统，当馈线
Figure 841402DEST_PATH_IMAGE026
某处发生单相接地故障时，其故障附加等效电路如图2所示，故障相故障点
Figure DEST_PATH_IMAGE027
处叠加一电压源
Figure 365180DEST_PATH_IMAGE028
，与故障前该点电压的大小相等、方向相反。
由图1可知，对于故障发生前各条馈线的各相，有：
                                           (1)
式中：K=1，2，……，N；P=A，B，C；为各相总电流；
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为各相对地电容电流；
Figure 450128DEST_PATH_IMAGE032
为各相负荷电流；
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为中性点对地电压；
Figure 843063DEST_PATH_IMAGE034
为电源相电压；
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为馈线K的各相对地电容。
故障发生后，故障点处附加电流
Figure 179104DEST_PATH_IMAGE036
。此时，对于故障馈线的故障相，有：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
                       (2)
对健全馈线各相及故障馈线健全相，有
Figure 620581DEST_PATH_IMAGE038
                         (3)
式中：当
Figure DEST_PATH_IMAGE039
时，
Figure 33501DEST_PATH_IMAGE040
；当
Figure DEST_PATH_IMAGE041
时，
Figure 597338DEST_PATH_IMAGE042
；C M 为馈线M的各相对地电容。由图2所示故障附加等效电路可知，故障馈线
Figure 656561DEST_PATH_IMAGE026
的量测端故障相电流突变量为：
                               (4)
接地故障发生后，健全馈线各相及故障馈线健全相突变电流量为：
Figure 964045DEST_PATH_IMAGE044
                                 (5)
其中，
Figure 120220DEST_PATH_IMAGE028
为故障点处附加激励电压源。对于健全馈线，有如下特征：同一条馈线的三相突变电流量为对地电容电流，幅值相等、波形一致。而对于故障馈线，仅有2个健全相突变电流相同，其故障相突变电流还包括故障点对地电流，不具有上述特征。因此，可以利用该特性进行配电网单相接地故障的选线。
二、判据特征量的求取
1、原始数据采集：配电网发生故障后，选线装置立即启动，从测量端测得各馈线的三相突变电流。提取故障后5ms时窗内的三相突变电流时域波形。
2、相关系数求取：相关函数是时域描述随机信号统计特征的一个非常重要的数字特征，确定性信号可以看作是平稳信号的具有遍历性的随机信号的特例。设
Figure DEST_PATH_IMAGE045
和
Figure 291176DEST_PATH_IMAGE046
为能量有限的实信号波形，为了研究它们之间的区别，衡量其在不同时刻的相似程度，引入：
                              （6）
式中为常数。
根据均方差最小准则，取
Figure DEST_PATH_IMAGE049
的时间平均值
Figure 683291DEST_PATH_IMAGE050
来衡量二者之间的相似性，则有
Figure DEST_PATH_IMAGE051
                   （7）
令
Figure 144839DEST_PATH_IMAGE052
，求得最佳的
Figure DEST_PATH_IMAGE053
使两波形最相似，并代入式（7），得到最小的为：
Figure 84294DEST_PATH_IMAGE054
                        （8）
式（8）中，
Figure DEST_PATH_IMAGE055
对应信号
Figure 733581DEST_PATH_IMAGE045
和
Figure 300566DEST_PATH_IMAGE046
的离散采样序列在一定数据窗内的表达式为：
Figure 439423DEST_PATH_IMAGE001
                    （9）
式中为离散信号，为离散信号的采样点个数，
Figure 133207DEST_PATH_IMAGE005
为相关信号的记录长度。
由（9）式可知，
Figure 380649DEST_PATH_IMAGE055
越大，
Figure 185794DEST_PATH_IMAGE050
越小，两波形越相似，因此，
Figure 678348DEST_PATH_IMAGE055
为相关系数。
对故障后5ms时窗内的三相突变电流时域波形进行相关分析，求取各馈线相间相关系数
Figure 455811DEST_PATH_IMAGE056
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE057
=1、2、3…为馈线编号，
Figure 874154DEST_PATH_IMAGE058
为各馈线三相的编号，且
Figure 369858DEST_PATH_IMAGE024
。
由馈线相间的相关系数计算确定馈线综合相关系数，定义如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE059
                       （10）
将综合相关系数作为判据特征量。
三、选线判据
由于馈线故障时，故障馈线的馈线综合相关系数较小，健全馈线的馈线综合相关系数较大；当母线发生故障时，各馈线综合相关系数相近但馈线最大综合相关系数与馈线最小综合相关系数差的绝对值小于某个阀值。因此，通过仿真实验，设置馈线综合相关系数阀值，定义选线判据为：
当
Figure 295143DEST_PATH_IMAGE060
，则馈线故障，故障馈线编号为。
当
Figure DEST_PATH_IMAGE061
，则母线故障。
式中，
Figure 601808DEST_PATH_IMAGE062
为各馈线综合相关系数中的最大值，
Figure DEST_PATH_IMAGE063
为各馈线综合相关系数中的最小值。
通过仿真实验，进一步设置故障馈线各相间的相关系数阀值
Figure 436165DEST_PATH_IMAGE016
，定义选相判据为：
若
Figure 188220DEST_PATH_IMAGE017
，则
Figure 10683DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 215399DEST_PATH_IMAGE019
为健全相，另一相为故障相。
式中，
Figure 351983DEST_PATH_IMAGE020
为故障馈线各相间的相关系数，
Figure 20861DEST_PATH_IMAGE021
为故障馈线的编号，x,y=A,B,C，且x≠y ，A、B、C为馈线三个相的编号。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、克服了由于三相电流互感器传变特性不一致而导致三相电流合成零序电流时与真实情况存在较大偏差的问题。
2、直接利用三相电流互感器检测的数据进行检测分析，过程清晰简单。
附图说明
图1为本发明为基于三相电流突变量的时域波形相关分析的故障选线选相流程图；
图2为本发明单相接地故障零序网络；
图3为本发明单相接地故障附加网络等效电路；
图4为本发明用于仿真的配电网的结构图；
图5为本发明实施例1故障馈线L1三相电流突变量；
图6为本发明实施例1健全馈线L3三相电流突变量；
图7为本发明实施例1健全馈线L5三相电流突变量。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
配电网发生故障后，选线装置立即启动，从测量端测得各馈线的三相突变电流；提取故障后短时窗内的三相突变电流时域波形，对其进行相关系数求解，得到各馈线相间相关系数，再求取各馈线突变电流量的综合相关系数；通过比较馈线综合相关系数最大、最小值之差与预设阀值的大小，进行选线判断；通过比较故障馈线各相间的相关系数与预设阀值的大小，进行选相判断。
实施例1：如图4所示110kV/35kV配电网单相接地故障仿真模型，它有6条馈线，Z字型变压器中性点通过消弧线圈串联电阻接地。架空馈线
Figure 450443DEST_PATH_IMAGE064
=15km、
Figure DEST_PATH_IMAGE065
=18km、
Figure 142456DEST_PATH_IMAGE066
=30km，线–缆混合馈线
Figure DEST_PATH_IMAGE067
=17km，其架空馈线12km、电缆5km，电缆馈线
Figure 82730DEST_PATH_IMAGE068
=6km、
Figure DEST_PATH_IMAGE069
=8km。其中，架空馈线为JS1杆型，LGJ－70型导线，档距80m，电缆馈线为YJV23-35/95型电缆。该电网中的G为无限大电源；T为主变压器，变比为110 kV /35kV，联结组别为
Figure 920629DEST_PATH_IMAGE070
/d11；
Figure DEST_PATH_IMAGE071
是Z字形变压器；L为消弧线圈；R为消弧线圈的阻尼电阻。馈线采用架空线路、架空线—电缆混合线路和电缆线路三种线路。负荷选用恒定功率负荷模型。假设馈线
Figure 22578DEST_PATH_IMAGE064
距离始端5公里处A相发生单相接地故障，接地电阻20Ω，故障角为60°，采样频率为10kHz。
基于三相电流突变量的时域波形相关分析的故障选线选相流程图如图1所示。由三相电流互感器采集到的馈线各相电流突变量的时域波形如图5-7所示（只列举馈线、
Figure 178807DEST_PATH_IMAGE072
和
Figure DEST_PATH_IMAGE073
的波形）。取各馈线故障后5ms时窗的数据进行相间相关系数和综合相关系数的计算，计算结果如表1所示。
表1 馈线
Figure 494382DEST_PATH_IMAGE074
故障时各馈线的综合相关系数
Figure 32811DEST_PATH_IMAGE076
从表1可以看出故障相和健全相相关系数较小，健全相与健全相相关系数较大；故障馈线综合相关系数较小，健全线综合相关系数较大。
设定一个综合相关系数阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE077
，若则判定为母线故障，否则，对应的馈线
Figure 143342DEST_PATH_IMAGE057
为故障馈线。设置故障馈线各相间的相关系数阀值
Figure 375740DEST_PATH_IMAGE080
，若
Figure DEST_PATH_IMAGE081
，则
Figure 22754DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 973392DEST_PATH_IMAGE019
为健全相，另一相为故障相。式中，
Figure 292116DEST_PATH_IMAGE082
为故障馈线各相间的相关系数，
Figure 582283DEST_PATH_IMAGE021
为故障馈线的编号，x,y=A,B,C，且x≠y ，A、B、C为馈线三个相的编号。
通过大量仿真实验，设置综合相关系数阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE083
，由表1计算结果可知，
Figure 400197DEST_PATH_IMAGE084
Figure DEST_PATH_IMAGE085
且
Figure 277280DEST_PATH_IMAGE086
，由此判定馈线
Figure 901159DEST_PATH_IMAGE064
为故障馈线。通过大量仿真实验，设置故障馈线各相间的相关系数阀值，因为
Figure 45833DEST_PATH_IMAGE088
，所以判定故障线路B、C相为健全相，A相为故障相，与假设一致，选线选相正确。
 实施例2：如图4所示110kV/35kV配电网单相接地故障仿真模型，其参数在实施例1中已说明，这里不再累述。现假设馈线距离始端4公里处A相发生单相接地故障，接地电阻60Ω，故障角为30°，采样频率为10kHz。取由三相电流互感器采集到的各馈线三相电流突变量时域波形中故障后5ms时窗的数据进行相间相关系数和综合相关系数的计算，计算结果如表2所示。
从表2可以看出故障相和健全相相关系数较小，健全相与健全相相关系数较大；故障馈线综合相关系数较小，健全线综合相关系数较大。
设定一个综合相关系数阈值
Figure 458414DEST_PATH_IMAGE077
，若
Figure 682722DEST_PATH_IMAGE078
则判定为母线故障，否则，
Figure 947481DEST_PATH_IMAGE079
对应的馈线为故障馈线。设置故障馈线各相间的相关系数阀值，若
Figure 282145DEST_PATH_IMAGE081
，则
Figure 902875DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 295811DEST_PATH_IMAGE019
为健全相，另一相为故障相。式中，
Figure 930054DEST_PATH_IMAGE082
为故障馈线各相间的相关系数，为故障馈线的编号，x,y=A,B,C，且x≠y ，A、B、C为馈线三个相的编号。
如实施例1所述，针对该系统通过大量仿真实验综合相关系数阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE089
设置为0.4，由表2计算结果可知，
Figure 109418DEST_PATH_IMAGE084
=
Figure 735571DEST_PATH_IMAGE090
且
Figure DEST_PATH_IMAGE091
，由此判定馈线
Figure 732477DEST_PATH_IMAGE067
为故障馈线。如实施例1所述，针对该系统通过大量仿真实验故障馈线各相间的相关系数阀值
Figure 39962DEST_PATH_IMAGE080
设置为0.8，因为
Figure 635284DEST_PATH_IMAGE092
Figure DEST_PATH_IMAGE093
Figure 370022DEST_PATH_IMAGE094
，所以判定故障线路B、C相为健全相，A相为故障相，与假设一致，选线选相正确。
表2 馈线
Figure 916541DEST_PATH_IMAGE096
故障时各馈线的综合相关系数
Figure 762137DEST_PATH_IMAGE098
上面结合附图对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于三相电流突变量的时域波形相关分析的故障选线方法，其特征在于：配电网发生故障后，选线装置立即启动，从测量端测得各馈线的三相突变电流；提取故障后短时窗内的三相突变电流时域波形，对其进行相关系数求解，得到各馈线相间相关系数，再求取各馈线突变电流量的综合相关系数；通过比较馈线综合相关系数最大、最小值之差与预设阀值的大小，进行选线判断；通过比较故障馈线各相间的相关系数与预设阀值的大小，进行选相判断。
2.一种基于三相电流突变量的时域波形相关分析的故障选线方法，其特征在于按下列过程实现：
（1）当馈出线路只安装了三相电流互感器而未安装零序电流互感器的配电网发生单相接地故障时，选线装置立即启动，从测量端测得各馈线的三相突变电流；
（2）提取故障后5ms短时窗内各馈线的三相突变电流时域波形，然后根据式                                                
Figure 201310107164X100001DEST_PATH_IMAGE001
，对其进行相关系数求解，得到各馈线相间相关系数
Figure 695529DEST_PATH_IMAGE002
；
式中，
Figure 201310107164X100001DEST_PATH_IMAGE003
为离散信号，
Figure 994661DEST_PATH_IMAGE004
为离散信号的采样点个数，
Figure 201310107164X100001DEST_PATH_IMAGE005
为相关信号的记录长度；i=1，2，3…，为系统的馈线编号；x,y=A,B,C，且x≠y ，A、B、C为馈线三个相的编号；
（3）由各馈线相间相关系数，根据公式
Figure 156652DEST_PATH_IMAGE006
，求取各馈线突变电流量的综合相关系数
Figure 201310107164X100001DEST_PATH_IMAGE007
；其中，
Figure 421412DEST_PATH_IMAGE008
，为系统的馈线编号；
（4）通过仿真实验，设定馈线综合相关系数阀值
Figure 201310107164X100001DEST_PATH_IMAGE009
，按以下条件进行选线判断：
若
Figure 643446DEST_PATH_IMAGE010
，则馈线故障，故障馈线编号为
Figure 483402DEST_PATH_IMAGE012
，
若
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，则母线故障，
式中，为各馈线综合相关系数中的最大值，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为各馈线综合相关系数中的最小值；
（5）通过仿真实验，设置故障馈线各相间的相关系数阀值，按以下条件进行选相判断：
若
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，则
Figure 695705DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为健全相，另一相为故障相；
式中，
Figure 969430DEST_PATH_IMAGE020
为故障馈线各相间的相关系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为故障馈线的编号，
Figure 473223DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
且
Figure 446995DEST_PATH_IMAGE024
。
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