CN104166067A - 单相接地故障定位检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相接地故障定位检测方法及装置，该方法包括：检测配电网络母线的零序电压和各出线的零序电流；判断零序电压是否大于预设阈值，若是则判定发生接地故障并启动高速采样以采集母线的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流；对采集的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流经小波变换得到去噪后的暂态零序电压和去噪后的各出线的暂态零序电流；分别计算去噪后的各出线的暂态零序电流在预定采样周期内的积分值，并确定出绝对值最大的前三条线路；判断前三条线路的暂态零序电流的极性是否相同，若是则判定为母线接地故障，若否，则判定前三条线路中极性异于余下两条线路的线路为故障线路。

Description

单相接地故障定位检测方法及装置

技术领域

本发明涉及配电控制领域，特别地，涉及一种用于配电系统的单相接地故障定位检测方法及装置。

背景技术

我国35kV及以下电力系统中，普遍采用中性点非直接接地方式，其一般有三种系统接地方式：中性点小电阻接地、中性点不接地和消弧线圈接地系统；对于中性点小电阻接地方式，因为故障零序电流比较大，所以比较容易判断，使用普通的零序保护就可以实现；而对于中性点不接地系统和消弧线圈接地系统，因其发生接地故障时流过接地点的电流小，所以被称为小电流接地系统。据电力部门故障统计报告可知，小电流接地系统发生单相接地故障的概率很高，约占故障总数的80％。对于中性点不接地和经消弧线圈接地配电网来说，其单相接地故障(又称为小电流接地故障)由于故障电流小、特征不明显，故障检测存在较大的技术难度。现有的配网自动化系统，一般仅能实现短路故障定位与隔离功能，不能可靠地实现小电流接地故障的检测。而实际配电网的故障绝大部分是单相接地故障，如果不能对其进行自动检测与隔离，将使配网自动化系统的应用效果大打折扣。

目前采用的小电流接地故障定位方法主要有零序电流法、注入信号法、暂态功率方向法三种。零序电流法比较沿线配电自动化终端检测到的零序电流幅值判断故障区段，其优点是简单易行，但在谐振接地系统中，需要在中性点投入中电阻产生足够大的零序电流，以保证检测灵敏度。注入信号法在变电所向系统施加一特定频率的信号，采用移动的或固定安装的信号检测装置判断故障位置；它能够用于谐振接地系统，但需要安装信号注入设备，且可靠性受过渡电阻、间歇性电弧的影响。暂态功率方向法首先利用暂态零模(序)电压、电流计算出故障方向，然后通过比较配电自动化终端测出的故障方向选择故障区段；该方法不受中性点运行方式、间歇性电弧的影响，不需要在中性点投入中电阻或向系统注入信号，但是由于暂态过程非常的短，而且零序电流很小，经常会出现误判。

现有的小电流接地故障定位方法存在上述的缺陷，导致这些方法的故障定位准确率不高，无法投入使用，故亟需开发一种能够准确定位单相接地故障的检测方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种单相接地故障定位检测方法及装置，以解决现有的单相接地故障的定位准确率不高的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种单相接地故障定位检测方法，该方法包括：

检测配电网络母线的零序电压和各出线的零序电流；

判断零序电压是否大于预设阈值，若是则判定发生接地故障并启动高速采样以采集母线的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流；

对采集的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流经小波变换得到去噪后的暂态零序电压和去噪后的各出线的暂态零序电流；

分别计算去噪后的各出线的暂态零序电流在预定采样周期内的积分值，并确定出绝对值最大的前三条线路；

判断前三条线路的暂态零序电流的极性是否相同，若是则判定为母线接地故障，若否，则判定前三条线路中极性异于余下两条线路的线路为故障线路。

进一步地，对采集的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流经小波变换得到去噪后的暂态零序电压和去噪后的各出线的暂态零序电流的步骤包括：

对采集的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流进行小波分解；

采用阈值消噪法对分解后的各信号进行去噪处理；

将去噪后的各信号进行小波重构得到去噪后的暂态零序电压和去噪后的各出线的暂态零序电流。

进一步地，该方法还包括：

对检测出的故障线路采用开关元件进行隔离操作。

进一步地，在对检测出的故障线路执行隔离操作前，还包括：

对开关元件进行短时闭锁保护，在检测出故障线路后的预定时间内判断实时采样的暂态零序电压经去噪后的电压值是否大于预设阈值，若否则取消隔离操作。

进一步地，高速采样的采样频率为300-3000HZ。

根据本发明的另一方面，还提供一种单相接地故障定位检测装置，该装置包括：

检测模块，用于检测配电网络母线的零序电压和各出线的零序电流；

判断模块，用于判断零序电压是否大于预设阈值，若是则判定发生接地故障并启动高速采样以采集母线的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流；

处理模块，用于对采集的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流经小波变换得到去噪后的暂态零序电压和去噪后的各出线的暂态零序电流；

确定模块，用于分别计算去噪后的各出线的暂态零序电流在预定采样周期内的积分值，并确定出绝对值最大的前三条线路；

判定模块，用于判断前三条线路的暂态零序电流的极性是否相同，若是则判定为母线接地故障，若否则判定前三条线路中极性异于余下两条线路的线路为故障线路。

进一步地，处理模块包括：

小波分解单元，用于对采集的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流进行小波分解；

阈值消噪单元，用于采用阈值消噪法对分解后的各信号进行去噪处理；

小波重构单元，用于将去噪后的各信号进行小波重构得到去噪后的暂态零序电压和去噪后的各出线的暂态零序电流。

进一步地，该装置还包括：

隔离模块，用于对检测出的故障线路采用开关元件进行隔离操作。

进一步地，该装置还包括：

闭锁保护单元，用于对开关元件进行短时闭锁保护，在检测出故障线路后的预定时间内判断实时采样的暂态零序电压经去噪后的电压值是否大于预设阈值，若否则取消隔离操作。

进一步地，高速采样的采样频率为300-3000HZ。

本发明具有以下有益效果：

本发明单相接地故障定位检测方法及装置，通过在接地故障发生后高速采样以采集母线的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流，并经小波变换以得到去噪后的暂态零序电压和去噪后的各出线的暂态零序电流，再分别计算各暂态零序电流的积分值，以准确定位接地故障，提高了定位的准确性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例单相接地故障定位检测方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种单相接地故障定位检测方法，该方法包括：

步骤S101，检测配电网络母线的零序电压和各出线的零序电流；

本实施例中，采用硬件采集母线零序电压和各出线的零序电流，如采用电压互感器采集零序电压，采用电流互感器采集零序电流；且采集的各参数编码后传递给处理器，以实现零序电压和各零序电流的编码。

步骤S103，判断零序电压是否大于预设阈值，可选地，此处的预设阈值可调，用于调整接地故障检测灵敏度，否若则返回步骤S101，若是则执行步骤S105。

步骤S105，若零序电压大于预设阈值，则判定发生接地故障并启动高速采样以采集母线的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流。本实施例中，高速采样的采样频率为300-3000HZ，以保证暂态数据的准确性。

本实施例中，系统在发生接地故障的一段时间之内，线路中的暂态电流比稳态电流大数十倍，信噪比升高，且不受消弧线圈补偿方式的影响，因此，利用暂态信息的选线判别方法具有很高的灵敏度和准确率，适合检测电弧不稳定的接地故障；当线路发生单相接地故障之后，故障线路的故障点会产生衰减很快的暂态电容电流与衰减较慢的暂态电感电流。暂态接地电流的幅值主要由暂态电容电流决定，消弧线圈补偿的作用在暂态电流初期不明显，它不会影响暂态电流的极性；理论分析和实践结果都证明：由于正常线路之间电流极性相同，正常线路与故障线路的电容电流极性相反。暂态零序电流和暂态零序电压的首半波之间存在着固定的相位关系，在故障线路上两者极性相反，在非故障线路上两者极性相同，可将此作为判别故障线路的一个依据。

步骤S107，对采集的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流经小波变换得到去噪后的暂态零序电压和去噪后的各出线的暂态零序电流。

可选地，本实施例中，步骤S107包括：

对采集的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流进行小波分解；

采用阈值消噪法对分解后的各信号进行去噪处理；

将去噪后的各信号进行小波重构得到去噪后的暂态零序电压和去噪后的各出线的暂态零序电流。

本实施例中，采用阈值消噪法进行去噪处理，即通过选取一个合适的噪声阈值λ，并将小于该噪声阈值的小波系数置零，并且保留大于该噪声阈值的小波系数，使信号中的噪声得到有效的抑制。最后进行逆小波变换，得到去噪后的有用信号。本实施例方法选用的是阈值消噪法，可以能够避免小波系数震荡，且连续性好。由于在使用小波去噪的时候要进行小波变换，这样就存在分解层数和小波函数的选取问题。通过详细分析各方面因素，本实施例优选地，选用db6小波进行小波分析与变换。

本实施例采用db6小波进行小波分析与变换，即：

$a_n^i=\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k^{i-1}{h}_0(k-2n),(i=\mathrm{1,2},...,6)$

$d_n^i=\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k^{i-1}{h}_1(k-2n),(i=\mathrm{1,2},...,6)$

其中，k＝0，1，2，…，N-1，N，表示输入序列的个数；是分解后的低频分量，是分解后的高频分量；j代表第j级小波分解，j＝0时，就是原始输入信号的离散序列f_k，在此处为零序电流信号；h₀(k-2n)是分解低通滤波器系数，h₁(k-2n)是分解的高通滤波器系数。

本实施例采用小波变换对的零序电压U₀和n条出线零序电流I1，I2，I3，...，In进行小波分解，并采用阈值消噪法对各个信号进行去噪，最后将去噪后的细节分量和近似分量进行重构得到消噪后的零序电流I1，I2，I3，...，In和零序电压U0。重构过程为：

$a_n^{j-1}=\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k^j{h}_0(n-2k)+\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k^j{h}_1(n-2k)$

上式需要反复进行，直到求出为止。

本实施例中，噪声阈值λ的选取采用以下进行计算：

${\mathrm{\λ}}_i=\underset{\‾}{\mathrm{median}\left(\right|d_i\left(k\right)\left|\right)}\sqrt{2\ln N},(i=\mathrm{1,2},...,6)$

其中：d_i(k)表示小波分解的第i层细节系数序列；median(|d_i(k)|)表示对第i层细节系数的绝对值取均值；N为第i层细节系数序列的元素个数。此公式充分利用了噪声的方差信息，比其它的阈值选取方法更加准确。

步骤S109，分别计算去噪后的各出线的暂态零序电流在预定采样周期内的积分值，并确定出绝对值最大的前三条线路。为了保证为保证采样的数据正确有效而确定合理的采样频率和采样周期，分析暂态零序电流的周期特性，本实施例中，采样周期选取接地故障发生后的0.5-1.5个工频周期。

分别计算各出线的暂态零序电流积分值的公式如下：

$I_k=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[i_{0k.j}-i_{0k.(j-n/2)}]*T_S$

其中，i_0k.j为第k条线路零序电流的第j个采样点，j＝1表示故障后线路零序电流的第一个采样值，Ts为采样周期。根据故障后前故障数据，确定出绝对值最大的前三条线路，分别设为Im1、Im2和Im3。

步骤S111，判断前三条线路的暂态零序电流的极性是否相同，若是则执行步骤S113，判定为母线接地故障；若否，则执行步骤S115，判定前三条线路中极性异于余下两条线路的线路为故障线路。可选地，本实施例中，判断前三条线路的暂态零序电流的极性的条件是：取积分的绝对值最大的线路Im1对应的极值时刻，采样的暂态零序电流，判断前三条线路的暂态零序电流的极性是否相同，其中，采样时刻可为Im1取得最大值或者最小值对应的时刻t₀，对应的采样点为j＝n₀，计算得到Imax1、Imax2和Imax3，若Imax1、Imax2和Imax3中一个零序电流的正负号与其余两个不同，则该条线路判为故障线路；若Imax1、Imax2和Imax3的正负号全都相同，则判断为母线故障。可选地，上述判别方法只有当Imax1、Imax2和Imax3数值均大于预定门槛时，才用于判断相互之间的极性。

优选地，该方法还包括：

对检测出的故障线路采用开关元件进行隔离操作，即在准确判断出接地故障线路后，通过控制相应的开关元件控制故障线路的断路器断开，以对故障线路进行隔离。

优选地，在对检测出的故障线路执行隔离操作前，还包括：

对开关元件进行短时闭锁保护，在检测出故障线路后的预定时间内判断实时采样的暂态零序电压经去噪后的电压值是否大于预设阈值，若否则取消隔离操作，即在延时期间内，若零序电压恢复正常，则排除瞬时性故障引起的误动作，以提高隔离操作的准确性。

根据本发明的另一方面，还提供一种用于实施上述实施例的单相接地故障检测定位方法的装置，该装置包括：

检测模块，用于检测配电网络母线的零序电压和各出线的零序电流；

判断模块，用于判断零序电压是否大于预设阈值，若是则判定发生接地故障并启动高速采样以采集母线的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流；本实施例中，高速采样的采样频率为300-3000HZ，以保证暂态数据的准确性；

处理模块，用于对采集的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流经小波变换得到去噪后的暂态零序电压和去噪后的各出线的暂态零序电流；

确定模块，用于分别计算去噪后的各出线的暂态零序电流在预定采样周期内的积分值，并确定出绝对值最大的前三条线路；

判定模块，用于判断前三条线路的暂态零序电流的极性是否相同，若是则判定为母线接地故障，若否则判定前三条线路中极性异于余下两条线路的线路为故障线路。

可选地，该处理模块包括：

小波分解单元，用于对采集的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流进行小波分解；

阈值消噪单元，用于采用阈值消噪法对分解后的各信号进行去噪处理；

小波重构单元，用于将去噪后的各信号进行小波重构得到去噪后的暂态零序电压和去噪后的各出线的暂态零序电流。

本实施例中，采用阈值消噪法进行去噪处理，即通过选取一个合适的噪声阈值λ，并将小于该噪声阈值的小波系数置零，并且保留大于该噪声阈值的小波系数，使信号中的噪声得到有效的抑制。最后进行逆小波变换，得到去噪后的有用信号。本实施例方法选用的是阈值消噪法，可以能够避免小波系数震荡，且连续性好。由于在使用小波去噪的时候要进行小波变换，这样就存在分解层数和小波函数的选取问题。通过详细分析各方面因素，本实施例优选地，选用db6小波进行小波分析与变换。

可选地，本实施例中，该装置还包括：

隔离模块，用于对检测出的故障线路采用开关元件进行隔离操作。

可选地，本实施例中，该装置还包括：

闭锁保护单元，用于对开关元件进行短时闭锁保护，在检测出故障线路后的预定时间内判断实时采样的暂态零序电压经去噪后的电压值是否大于预设阈值，若否则取消隔离操作。

可选地，本实施例中，判断前三条线路的暂态零序电流的极性的条件是：取积分的绝对值最大的线路Im1对应的极值时刻，采样的暂态零序电流，判断前三条线路的暂态零序电流的极性是否相同，其中，采样时刻可为Im1取得最大值或者最小值对应的时刻t₀，对应的采样点为j＝n₀，计算得到Imax1、Imax2和Imax3，若Imax1、Imax2和Imax3中一个零序电流的正负号与其余两个不同，则该条线路判为故障线路；若Imax1、Imax2和Imax3的正负号全都相同，则判断为母线故障。可选地，上述判别方法只有当Imax1、Imax2和Imax3数值均大于预定门槛时，才用于判断相互之间的极性，以提高检测结果的准确性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单相接地故障定位检测方法，其特征在于，包括：

检测配电网络母线的零序电压和各出线的零序电流；

判断所述零序电压是否大于预设阈值，若是则判定发生接地故障并启动高速采样以采集母线的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流；

对采集的所述暂态零序电压和各出线的所述暂态零序电流经小波变换得到去噪后的暂态零序电压和去噪后的各出线的暂态零序电流；

分别计算去噪后的各出线的暂态零序电流在预定采样周期内的积分值，并确定出绝对值最大的前三条线路；

判断所述前三条线路的暂态零序电流的极性是否相同，若是则判定为母线接地故障，若否则判定所述前三条线路中极性异于余下两条线路的线路为故障线路。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对采集的所述暂态零序电压和各出线的所述暂态零序电流经小波变换得到去噪后的暂态零序电压和去噪后的各出线的暂态零序电流包括：

对采集的所述暂态零序电压和各出线的所述暂态零序电流进行小波分解；

采用阈值消噪法对分解后的各信号进行去噪处理；

将去噪后的各信号进行小波重构得到去噪后的暂态零序电压和去噪后的各出线的暂态零序电流。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

对检测出的故障线路采用开关元件进行隔离操作。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在对检测出的故障线路执行所述隔离操作前，还包括：

对所述开关元件进行短时闭锁保护，在检测出故障线路后的预定时间内判断实时采样的所述暂态零序电压经去噪后的电压值是否大于预设阈值，若否则取消所述隔离操作。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述高速采样的采样频率为300-3000HZ。

6.一种单相接地故障定位检测装置，其特征在于，包括：

检测模块，用于检测配电网络母线的零序电压和各出线的零序电流；

判断模块，用于判断所述零序电压是否大于预设阈值，若是则判定发生接地故障并启动高速采样以采集母线的暂态零序电压和各出线的暂态零序电流；

处理模块，用于对采集的所述暂态零序电压和各出线的所述暂态零序电流经小波变换得到去噪后的暂态零序电压和去噪后的各出线的暂态零序电流；

确定模块，用于分别计算去噪后的各出线的暂态零序电流在预定采样周期内的积分值，并确定出绝对值最大的前三条线路；

判定模块，用于判断所述前三条线路的暂态零序电流的极性是否相同，若是则判定为母线接地故障，若否则判定所述前三条线路中极性异于余下两条线路的线路为故障线路。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述处理模块包括：

小波分解单元，用于对采集的所述暂态零序电压和各出线的所述暂态零序电流进行小波分解；

阈值消噪单元，用于采用阈值消噪法对分解后的各信号进行去噪处理；

小波重构单元，用于将去噪后的各信号进行小波重构得到去噪后的暂态零序电压和去噪后的各出线的暂态零序电流。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

隔离模块，用于对检测出的故障线路采用开关元件进行隔离操作。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

闭锁保护单元，用于对所述开关元件进行短时闭锁保护，在检测出故障线路后的预定时间内判断实时采样的所述暂态零序电压经去噪后的电压值是否大于预设阈值，若否则取消所述隔离操作。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述高速采样的采样频率为300-3000HZ。