CN105242176A - 一种适用于监测分支线路的小电流接地系统故障定位方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于监测分支线路的小电流接地系统故障定位方法，属于配电网故障检测领域。本发明解决了终端监测分支线路的小电流接地方式配电系统中单相接地故障定位问题，提出一种综合利用各区段上、下游各监测点暂态零模电流间相似性与极性关系逐级确定搜索路径、找出故障区段的定位方法。根据故障选线结果，首先选定故障线路出口首个区段为待定区段，计算待定区段上、下游各监测点暂态零模电流间相关系数，根据相关系数和极性特性判定待定区段是否为故障区段；若其为健全区段，则根据暂态电流幅值大小确定下一个待定区段，直至找出故障区段。实际应用中配电网分支众多、该发明解决了终端监测分支线路的配电系统中的定位难题、有着广泛的实际应用价值。

Description

一种适用于监测分支线路的小电流接地系统故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种小电流接地系统故障定位方法，适用于小电流接地方式的配电系统，属于配电网故障检测领域。

背景技术

小电流接地方式配电网中发生单相(小电流)接地故障时，在故障线路选择基础上，确定故障点距离或故障区段，可以进一步缩小故障查找和修复时间，将成为小电流接地故障检测技术研究和应用的热点、重点。传统利用稳态电气量的故障检测(选线、定位和测距)方法存在着故障量不突出、不稳定甚至不确定等问题，无法保证检测的可靠性和灵敏度。经过近年的发展，利用暂态电气量的小电流接地故障选线和定位技术均已实现突破。

论文《检测暂态零模电流相关性的小电流接地故障定位方法》提出一种通过判断相邻FTU检测到的暂态零模电流相关性的故障定位方法，但该方法只利用相邻检测点暂态零模电流的相似性关系，没有利用暂态零模电流间的极性特性，存在一定盲区易导致定位错误。专利《一种基于暂态电流波形比较的小电流接地故障定位方法》与论文《小电流接地故障暂态分析及定位新方法》分别提出了综合上下游间暂态电流相似性关系和极性特性、基于暂态零模电流比较的区段定位新方法，该方法消除了定位盲区，提高了暂态定位原理的可靠性和适应性，并利用仿真和现场实际故障数据验证了算法的有效性。但该算法只针对监测主干线路的情况(即各区段两侧只有两个相邻监测点)，对于监测分支线路的情况(即存在三个或以上监测点围成的区段)不能适应。

由于配电网分支众多，发生单相接地故障时，在终端监测分支线路的配电系统中存在由三个或以上监测点围成的区段。如何逐级确定搜索路径、找出故障区段已经成为阻碍该暂态电流定位方法推广应用的关键问题。本专利主要解决监测分支线路的小电流接地系统发生单相接地故障时的故障定位问题，提出一种综合利用故障点上游监测点暂态零模电流与下游各监测点暂态零模电流间相似性与极性关系逐级确定搜索路径、找出故障区段的定位方法。实际应用中配电网分支众多、该发明解决了终端监测分支线路的配电系统中的定位难题、有着广泛的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于解决监测分支线路的小电流接地系统中发生单相接地时的故障定位问题，提供一种基于零模电流暂态分量的故障定位方法。其技术解决方案是：终端在线采集零模电流及零模电压(条件允许时)，单相接地时，按以下步骤进行故障定位：

a.当零模电压幅值超越预设门槛时，变电所终端启动，选择故障线路，并将选线结果和故障线路出口零模电流采集数据上报主站；

b.当零模电压或零模电流突变量超越预设门槛时，各馈线终端启动，将故障零模电流采集数据上报主站；

c.主站接收变电所终端和馈线终端零模电流采集数据，对故障线路各终端零模电流数据进行滤波，分别提取其暂态分量，对健全线路终端数据则不予处理；

d.根据下述公式逐次计算区段各相邻监测点间的暂态零模电流相关系数：

${\mathrm{\ρ}}_{bl}=\frac{{\∫}_0^T{i}_{0b}\left(t\right)i_{0l}\left(t\right)dt}{\sqrt{{\∫}_0^T{i}_{0b}^2\left(t\right)dt{\∫}_0^T{i}_{0l}^2\left(t\right)dt}}$

其中i_0b(t)和i_0l(t)为故障点上、下游监测点处暂态零模电流，T为暂态过程持续时间。-1≤ρ_bl≤1，|ρ_bl|越大，表明i_0b、i_0l间相似度越高。设定ρ_T＝0.6(一般有ρ_T∈[0.5,0.8])为门槛值，ρ_bl>ρ_T表示两暂态零模电流相似且极性相同；-ρ_T<ρ_bl<ρ_T表示两暂态零模电流不相似；ρ_bl<-ρ_T表示两暂态零模电流相似但极性相反。

e.选择故障线路出口第一个区段为待定区段，比较待定区段上游(即母线侧)监测点与所有下游(负荷侧)监测点间暂态零模电流相关系数，判断其是否故障区段，如果判断为健全区段，则选择搜索路径确定下一个待定区段，重复上述过程直至确定故障区段。具体流程如下：1)判断待定区段是否存在下游监测点。若待定区段只有一个监测点(即上游监测点)，则该区段为故障区段；若待定区段有一个或以上下游监测点，依次执行下述步骤。

2)根据d中公式计算每个待定区段上游(即母线侧)监测点与所有下游(负荷侧)监测点间的相关系数。

3)若待定区段至少存在一个下游监测点与上游监测点暂态零模电流波形相似且极性相同，即相关系数大于设定门槛值ρ_T，则该区段判定为健全区段；

4)若待定区段所有下游监测点与上游监测点暂态零模电流波形不相似或相似但极性相反，即相关系数小于预设门槛值ρ_T，则该区段判定为故障区段；

5)若待定区段为健全区段，在与上游监测点相关系数大于设定门槛值ρ_T的所有下游监测点中，选择暂态零模电流幅值最大的监测点下游相邻区段为下一个待定区段。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作更进一步说明：

附图1为一种典型配网自动化定位系统结构示意图；

附图2为定位流程框图；

附图3为带分支线路的配电线路仿真模型(其中■代表故障点位置；●代表馈线终端FTU位置)；

附图4(a)(b)分别为附图3所示系统中E点发生金属性单相接地故障时各区段上、下游各监测点暂态零模电流波形对比；

附图5(a)(b)分别为附图3所示系统中F点发生金属性单相接地故障时各区段上、下游各监测点暂态零模电流波形对比；

具体实施方式

为实现上述目的，本发明拟用下述技术方案来实现：

I、如附图1所示是基于配网自动化系统平台的小电流接地故障定位系统，由安装于变电站内部的站内终端(小电流接地故障选线装置)、安装于线路各监测点的线路终端(FTU)、安装于主控室的小电流接地故障定位主站及通讯网络组成。该定位系统具体工作流程如下：

1)正常运行时系统工作流程

线路中的馈线终端一直处于对线路各监测点零模电流和零模电压(有条件时)信号采样的状态，并将零模电压采样信号或零模电流变化量的与装置启动门槛值进行比较，判断是否符合装置启动条件；选线装置负责监测母线零模电压和各条馈线出口零模电流信号，正常工作时对监测信号进行采样，并将零模电压的采样值与装置启动门槛值进行比较，判断线路中是否有故障发生；定位主站负责接收馈线终端和选线装置上报的故障数据，并进行故障定位，正常工作时会对馈线终端和选线装置进行状态查询，避免装置退出工作状态。

2)故障时系统工作流程

线路中发生小电流接地故障时，线路馈线终端根据零模电流变化量或零模电压(有条件时)信号启动，记录各监测点一个周波的故障零模电流信号，并将带有时间标签的故障数据上报至定位主站；选线装置根据母线处零模电压启动，当零模电压值达到装置启动门槛值时，启动装置，并记录母线处零模电压、各条馈线母线出口处的零模电流信号、故障持续时间、故障发生时间、故障线路、故障相等故障数据，并将故障数据作相应的转化上报至定位主站；定位主站负责接收选线装置和馈线终端上报的故障数据，并根据故障数据进行故障区段定位。

II、基于附图3所示中性点经消弧线圈接地的电缆线路模型，分别设置E、F点发生金属性单相接地故障，验证上述算法的有效性。此模型中线路l₄中包括4个区段，分别是：Q0与Q1围成第一区段；Q1与Q2、Q3、Q4、Q5围成第二区段；Q5与Q6围成第三区段；Q6与Q7、Q8、Q9、Q10围成第四区段。

(一)E点发生金属性单相接地故障

a.当零模电压幅值超越预设门槛时，变电所终端启动，选线装置选择故障线路为l₄，并将选线结果和故障线路出口零模电流采集数据上报主站；

b.当零模电流突变量超越预设门槛时，各馈线终端启动，将故障零模电流采集数据上报主站；

c.主站接收变电所终端和馈线终端零模电流采集数据，对故障线路各终端零模电流数据进行滤波，分别提取其暂态分量，对健全线路终端数据则不予处理。

d.从故障线路出口第一个监测区段开始；

1)根据下述公式

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&rho;}}_{bl}=\frac{{\&Integral;}_0^T{i}_{0b}\left(t\right)i_{0l}\left(t\right)dt}{\sqrt{{\&Integral;}_0^T{i}_{0b}^2\left(t\right)dt{\&Integral;}_0^T{i}_{0l}^2\left(t\right)dt}}\\ =\frac{{\&Integral;}_0^T\sin ({\mathrm{\&omega;}}_{b}t+{\mathrm{\&alpha;}}_b)\sin ({\mathrm{\&omega;}}_{l}t+{\mathrm{\&alpha;}}_l)e^{-2\mathrm{\&delta;}t}dt}{\sqrt{{\&Integral;}_0^T{\sin }^2({\mathrm{\&omega;}}_{b}t+{\mathrm{\&alpha;}}_b)e^{2\mathrm{\&delta;}t}dt{\&Integral;}_0^T{\sin }^2({\mathrm{\&omega;}}_{l}t+{\mathrm{\&alpha;}}_l)e^{2\mathrm{\&delta;}t}dt}}\end{array}$

计算得到各区段相邻监测点的暂态零模电流相关系数计算结果为：

p01＝0.9995；

p12＝-0.6911；p13＝-0.6911；p14＝-0.6911；p15＝0.9287；

p56＝-0.3483；

p67＝0.9942；p68＝0.9942；p69＝0.9942；p610＝0.9526；

其中P_ij表示监测点Q_i和Q_j处的暂态零模电流相关系数。

2)首先确定故障线路出口处第一区段为待定区段。

3)将待定区段上游监测点(Q0)与下游监测点(Q1)处的暂态零模电流相关系数与设定门槛值ρ_T＝0.6作对比，有p01＝0.9995大于设定门槛值，即上游监测点(Q0)与下游监测点(Q1)处的暂态零模电流相似且极性相同，则该区段为健全区段；由于仅存在Q1一个下游监测点与上游检测点相似且极性相同，所以选择Q1所在的下游区段(即第二区段)为下级待定区段；

4)将待定区段上游监测点(Q1)与各下游监测点(Q2、Q3、Q4、Q5)处的暂态零模电流相关系数与门槛值ρ_T＝0.6作对比。其中上游监测点(Q1)与各下游监测点(Q2、Q3、Q4)处的暂态零模电流相关系数(分别为p12＝-0.6911、p13＝-0.6911、p14＝-0.6911)小于设定门槛值ρ_T＝0.6，即上游监测点(Q1)与各下游监测点(Q2、Q3、Q4)处的暂态零模电流相似但极性相反；上游监测点Q1与下游监测点Q5处暂态零模电流相关系数(p15＝0.9287)大于设定门槛值ρ_T＝0.6，即存在一个下游监测点与上游监测点暂态零模电流波形相似且极性相同，则判定该区段为健全区段。由于仅存在Q5一个下游监测点与上游检测点相似且极性相同，所以选择Q5所在的下游区段(即第三区段)为下级待定区段；

5)将第三区段上游监测点Q5与下游监测点Q6处的暂态零模电流相关系数(p56＝-0.3483)与门槛值ρ_T＝0.6作对比,有p56＝-0.3483小于设定门槛值，即Q5与Q6处暂态零模电流不相似，则判定该区段为故障区段。

(二)F点发生金属性单相接地故障

1)如(一)所示步骤计算可得各区段相邻监测点暂态零模电流相关系数结果为：

P01＝0.9993；

p12＝-0.6785；p13＝-0.6785；p14＝-0.6785；p15＝0.9304；

p56＝0.9969；

p67＝-0.1744；p68＝-0.1744；p69＝-0.1744；p610＝-0.1547

2)首先确定故障线路出口处第一区段为待定区段。待定区段上游监测点(Q0)与下游监测点(Q1)处的暂态零模电流相关系数与设定门槛值ρ_T＝0.6作对比，有p01＝0.9993大于设定门槛值，即上游监测点(Q0)与下游监测点(Q1)处的暂态零模电流相似且极性相同，则该区段为健全区段；由于仅存在Q1一个下游监测点与上游检测点相似且极性相同，所以选择Q1所在的下游区段(即第二区段)为下级待定区段；

3)将待定区段上游监测点(Q1)与各下游监测点(Q2、Q3、Q4、Q5)处的暂态零模电流相关系数与门槛值ρ_T＝0.6作对比。其中上游监测点(Q1)与各下游监测点(Q2、Q3、Q4)处的暂态零模电流相关系数(分别为p12＝-0.6785；p13＝-0.6785；p14＝-0.6785)小于设定门槛值ρ_T＝0.6，即上游监测点(Q1)与各下游监测点(Q2、Q3、Q4)处的暂态零模电流相似但极性相反；上游监测点Q1与下游监测点Q5处暂态零模电流相关系数(p15＝0.9304)大于设定门槛值ρ_T＝0.6，即存在一个下游监测点与上游监测点暂态零模电流波形相似且极性相同，则判定该区段为健全区段。由于仅存在Q5一个下游监测点与上游检测点相似且极性相同，所以选择Q5所在的下游区段(即第三区段)为下级待定区段；

4)将第三区段上游监测点Q5与下游监测点Q6处的暂态零模电流相关系数(p56＝0.9969)与门槛值ρ_T＝0.6作对比，有p56＝0.9969大于设定门槛值，即Q5与Q6处暂态零模电流相似且极性相同，则判定该区段为健全区段，由于仅存在Q1一个下游监测点与上游检测点相似且极性相同，所以选择Q6所在下游区段(即第四区段)为下级待定区段。

5)将第四区段上游监测点(Q6)与下游监测点(Q7、Q8、Q9、Q10)处暂态零模电流相关系数与设定门槛值ρ_T＝0.6作对比，有上游监测点(Q6)与下游监测点(Q7、Q8、Q9、Q10)处暂态零模电流相关系数相关系数(分别为p67＝-0.1744；p68＝-0.1744；p69＝-0.1744；p610＝-0.1547)均小于设定门槛值ρ_T＝0.6。即上游监测点Q6与下游各监测点Q7、Q8、Q9、Q10暂态零模电流均不相似，则该区段判定为故障区段；

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.本专利提出一种基于零模电流暂态分量波形比较、适用于终端监测分支线路的小电流接地方式配电系统(即存在由三个或以上监测点围成的区段)的单相接地故障定位方法,终端在线采集零模电流及零模电压(条件允许时)，单相接地时，按以下步骤进行故障定位：

a.当零模电压幅值超越预设门槛时，变电所终端启动，选择故障线路，并将选线结果和故障线路出口零模电流采集数据上报主站；

b.当零模电压或零模电流突变量超越预设门槛时，各馈线终端启动，将故障零模电流采集数据上报主站；

c.主站接收变电所终端和馈线终端零模电流采集数据，对故障线路各终端零模电流数据进行滤波，分别提取其暂态分量，对健全线路终端数据则不予处理；

d.定义各区段监测点中靠近母线侧的监测点为区段上游监测点，其他监测点为下游监测点，根据下述公式逐次计算各区段上游监测点与下游各监测点暂态零模电流间相关系数：

${\mathrm{\&rho;}}_{bl}=\frac{{\&Integral;}_0^T{i}_{0b}\left(t\right)i_{0l}\left(t\right)dt}{\sqrt{{\&Integral;}_0^T{i}_{0b}^2\left(t\right)dt{\&Integral;}_0^T{i}_{0l}^2\left(t\right)dt}}$

其中i_0b(t)和i_0l(t)为各区段上、下游监测点的暂态零模电流，T为暂态过程持续时间,-1≤ρ_bl≤1，|ρ_bl|越大，表明i_0b、i_0l相似度越高，设定ρ_T＝0.6(一般有ρ_T∈[0.5,0.8])为门槛值，ρ_bl>ρ_T表示两暂态零模电流相似且极性相同；-ρ_T<ρ_bl<ρ_T表示两暂态零模电流不相似；ρ_bl<-ρ_T表示两暂态零模电流相似但极性相反；

e.首先选定故障线路出口第一个区段为待定区段，比较待定区段相邻监测点间暂态零模电流相关系数，判断其是否为故障区段，如果判断为健全区段，则选择搜索路径确定下一个待定区段，重复上述过程直至找出故障区段；

其特征在于：

1)判断待定区段是否存在下游监测点，若待定区段只有一个监测点(即上游监测点)，则该区段为故障区段；若待定区段有一个或以上下游监测点，依次执行下述步骤；

2)计算待定区段上游(即母线侧)监测点与所有下游(负荷侧)监测点暂态零模电流间相关系数；

3)若待定区段至少存在一个下游监测点与上游监测点暂态零模电流波形相似且极性相同，即相关系数大于设定门槛值ρ_T，则该区段判定为健全区段；

4)若待定区段所有下游监测点与上游监测点暂态零模电流波形不相似或相似但极性相反，即相关系数小于预设门槛值ρ_T，则该区段判定为故障区段；

5)若待定区段为健全区段，在与上游监测点相关系数大于设定门槛值ρ_T的所有下游监测点中，选择暂态零模电流幅值最大的监测点下游相邻区段为下一个待定区段。