CN105425109B

CN105425109B - 一种能够提高准确率的小电流接地系统单相接地选线方法

Info

Publication number: CN105425109B
Application number: CN201510853790.2A
Authority: CN
Inventors: 李永丽; 宋金钊; 刘勇
Original assignee: TIANJIN TIANBIAN HENBOL ELECTRICAL ADVANCE CO Ltd; Tianjin University
Current assignee: TIANJIN TIANBIAN HENBOL ELECTRICAL ADVANCE CO Ltd; Tianjin University
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2018-07-27
Anticipated expiration: 2035-11-27
Also published as: CN105425109A

Abstract

本发明涉及一种能够提高准确率的小电流接地系统单相接地选线方法，包括：(1)监视是否发生故障，若发生，则启动故障选线算法；(2)对故障后第五个周波的零序电压与零序电流的采样数据进行傅里叶变换，得到零序电压与各路出线零序电流基波的幅值和相角，若为中性点经消弧线圈接地系统则计算五次谐波的幅值和相角；(3)构造比幅法故障测度；(4)构造比相法故障测度；(5)构造首半波法故障测度；(6)构造小波分析法故障测度；(7)找出每种判据下故障测度最大的线路编号，若编号相同，则此条线路为故障线路，输出选线结果，选线结束；若编号不同，则启动基于D‑S证据理论的多判据融合方法。本发有效提高了故障选线算法的准确性。

Description

一种能够提高准确率的小电流接地系统单相接地选线方法

技术领域

本发明属于继电保护、配电网技术领域。是一种具有较高准确率的小电流接地系统单相接地选线方法。

背景技术

我国中低压配电网普遍为小电流接地系统，包括中性点不接地系统、中性点经高阻接地系统和中性点经消弧线圈接地系统。小电流接地系统发生单相接地故障后线电压仍然对称，不影响对用户的供电，规程规定可以带故障运行1～2小时，供电可靠性高。

小电流接地系统发生单相接地故障后非故障相电压升高，会对系统的绝缘造成威胁，如不及时排除故障容易演变为两相接地等更严重的故障。因此，快速准确地识别故障线路对配电网安全可靠运行意义重大。另一方面，由于故障点仅流过系统对地电容电流，接地电流小，故障检测和选线十分困难。

现有的选线方法可以分为基于稳态信号的选线方法与基于暂态信号的选线方法。基于稳态信号的选线方法有零序电流幅值法、零序电流比相法、零序有功功率法、零序无功功率法、负序电流法、五次谐波法等；基于暂态信号的选线方法有首半波法，小波分析法，行波法等。由于小电流接地系统故障情况复杂多变，故障特征，尤其是中性点经消弧线圈接地系统的故障特征不明显，并且每一种方法都有其适用范围与局限性，做到高准确率选线很难。

发明内容

本发明的目的是提供一种小电流接地系统单相接地选线方法。该方法使用多种选线判据，并引入了基于D-S证据理论的信息融合方法，将多判据进行了科学有效融合，使用故障测度的概念，用数值的大小表示故障的可能性，最终给出一个合理的选线参考方案。技术方案如下：

一种能够提高准确率的小电流接地系统单相接地选线方法，包括下列步骤：

(1)监视PT二次开口零序电压，当电压超过门限值时记录故障时刻并存储故障后五个周波的零序电压与各路出线零序电流数据，启动故障选线算法；

(2)对故障后第五个周波的零序电压与零序电流的采样数据进行傅里叶变换，得到零序电压与各路出线零序电流基波的幅值和相角，若为中性点经消弧线圈接地系统则计算五次谐波的幅值和相角；

(3)构造比幅法故障测度：根据第(2)步计算的幅值和相角，以零序电压为参考相量，定义各路出线零序电流极性，若电流超前电压则极性为正，若电流滞后电压则极性为负，用零序电流幅值乘以极性得到出线带极性的幅值量，母线带极性幅值量为所有出线带极性幅值量和的相反数，定义故障电流为母线与各路出线带极性幅值量绝对值和的一半，母线与各路出线的故障测度由故障电流与带极性的幅值量作差得到，若所得结果小于零则故障测度取零，若大于等于零则保留原结果作为故障测度；

(4)构造比相法故障测度：根据第(2)步计算的幅值和相角，计算各路出线零序电流超前零序电压的角度制相角，若相角大于零，则用相角减90后取绝对值作为该路出线的故障测度；若相角小于零，则用相角加90取绝对值，再用180减绝对值得到一个中间量，用该路出线零序电流幅值与故障电流之比乘以中间量，若所得结果小于90或大于180，则用90或180作为该路出线故障测度，否则所得结果为该路出线故障测度，母线故障测度定义为180与所有出线故障测度最大值之差；

(5)构造首半波法故障测度：首先，对首半波中所有线路电流瞬时值求绝对值之和，将最大值点定为首半波极值点，记录极值点处幅值最大的三路出线编号m、n、p，以及对应的零序电流I_0m、I_0n、I_0p，零序导纳Y_0m、Y_0n、Y_0p，首半波法故障测度由幅值和极性两部分组成，幅值部分为，若0.8*Y_0m/Y_0n<|I_m/I_n|<1.2*Y_0m/Y_0n，则母线幅值故障测度置一，出线幅值故障测度置零，否则母线幅值故障测度置零，出线幅值故障测度定义为该路出线幅值与所有出线幅值和的比值，极性部分为，比较幅值最大的三路出线极性，若有一路出线极性与其余两路相反，则该路出线极性故障测度置一，包括母线在内的其余线路极性故障测度置零，若三路出线极性相同，则母线极性故障测度置一，其余线路极性故障测度置零，幅值故障测度权重W_a＝D_a/(2+D_a)，极性故障测度权重W_b＝1/(2+D_a)，式中D_a＝I_0m/I_0n，用幅值故障测度与极性故障测度乘以对应权重再相加得到各条线路的首半波故障测度；

(6)构造小波分析法故障测度：使用故障后一个周波的采样数据，使用db6小波对各路出线的零序电流进行小波分解，将信号分解到第五尺度，然后对5，4，3，2尺度上的细节分量分别进行小波重构，重构到原信号尺度，给母线及每条出线分别设置一个故障测度并令初值为零，设定一阈值0.3，从第5尺度开始，对各条线路重构信号小波变换值大于阈值的细节分量取出并逐点比较，在各点处找出小波系数幅值最大的3条线路，若3条线路的小波变换值均大于阈值且一条线路的小波变换值与另两条线路的小波变换值异号，则该路出线故障测度累加小波变换值的绝对值，若3条线路的小波变换值均大于阈值且三条线路的小波变换值极性相同，则母线故障测度累加三条线路小波变换值绝对值的平均值，若满足阈值条件的线路只有两条且异号，则线路故障测度分别累加对应的小波变换值绝对值，若满足阈值条件的线路只有两条且同号，则母线故障测度累加两条线路小波变换值绝对值和的三分之一，若满足阈值条件的线路只有1条，则只对该线路的故障测度累加，并乘以权系数三分之一，对4、3、2尺度上的小波变换值同样按照以上步骤计算即得各条线路的小波故障测度；

(7)找出每种判据下故障测度最大的线路编号，若编号相同，则此条线路为故障线路，输出选线结果，选线结束；若编号不同，则启动基于D-S证据理论的多判据融合方法；

(8)基于D-S证据理论的多判据融合方法：定义故障信度，故障信度是指线路发生故障的信任程度，信度为0，表明该线路肯行没有发生故障；信度为1，表明该线路肯定发生故障，首先构造信度分配函数，将故障信度分配给各条线路，此处的故障信度仍然是针对单判据而言的，信度分配函数是两部分函数的乘积m＝m_r·m_a，m_r反应故障测度的相对值，是就判据下的每一条线路而言的，计算线路故障测度在该样本总测度中所占份额，若份额小于10％且其故障测度大小在各条线路中排名没有列入前5位，则令该线路m_r值为0，这一部分的故障信度分配到了该判据的整体识别框架即m(θ)上，作为不确定的故障信度，否则用份额值作为其m_r值，m_a反应故障测度的绝对值，是就不同判据而言的，首先根据不同判据设定拐点值C，若该判据下最大故障测度fmm大于等于C，则该判据下m_a＝1；若最大故障测度fmm小于拐点C，则该判据下m_a＝fmm/C，根据上述方法计算出各个故障判据下的每条线路的基本信度分配值，然后使用证据组合规则求出多个判据组合后的基本信度分配，线路在两个判据下的组合规则为判据一中该线路的故障信度与判据二中该线路的故障信度之积、判据一中该线路的故障信度与判据二中不确定部分的故障信度之积、判据一中不确定部分的故障信度与判据二中该线路的故障信度之积，三者的和除以系数K，系数K通过1减去所有线路判据一下的故障信度乘以除该线路外所有线路判据二下的故障信度之和得到，得到两个判据下的组合故障信度后再与第三个判据故障信度组合即可得到三个判据下的组合故障信度，以此类推，最终，多判据融合方法将所有判据的故障信度融合在一起，给出每条线路的故障可能性，可能性最大的即为故障线路，输出选线结果，选线结束。

本发明所提选线方法受接地时刻影响小，抗过度电阻能力强，具有较高的选线准确率。

附图说明

图1为10kV中性点不接地系统结构图；

图2为10kV中性点不接地系统选线流程图；

图3为10kV中性点经高阻接地系统结构图；

图4为10kV中性点经高阻接地系统选线流程图；

图5为10kV中性点经消弧线圈接地系统结构图；

图6为10kV中性点经消弧线圈接地系统选线流程图。

具体实施方式

下面结合附图和仿真实例对本发明进行说明。

实例1

中性点不接地系统以图1所示的结构图为例，图中模型包含5路出线L₁～L₅，其中L₁、L₂为架空线，长度分别为20km、6km；L₃、L₄为电缆线，长度分别为10km、3km；L₅为架空电缆混合线，电缆线部分靠近母线，长5km，架空线长7km。架空线路、电缆线路参数如表1、2所示。所有负荷均采用“Three-phase Series RLC Load”，中性点不接地，功率因数0.8。

表1架空线路参数

相序	电阻(Ω/km)	电容(μF/km)	电感(mH/km)
				正序	0.17	0.061	7.600
零序	0.23	0.038	34.400

表2电缆线路参数

相序	电阻(Ω/km)	电容(μF/km)	电感(mH/km)
				正序	0.024	0.308	0.516
零序	0.190	0.203	1.540

故障位置选取在第1路出线距离母线9km处，A相经5欧电阻接地，故障相角0°。发生故障后执行中性点不接地选线方法，图2展示了该选线方法的流程图。

选线结果如表3所示。

表3中性点不接地系统故障选线结果(L₁/5欧/0°)

注：表中母线与各路出线对应的数值为在不同判据下的故障测度与多判据融合下的故障信度，由于本次选线没有启动多判据融合方法，故用“/”标出。

由表3可知，本次故障选线每一种判据下L₁的故障测度均为最大值，并且故障与非故障线路区分明显，选线正确。由于四种判据选线结果一致，故没有启动多判据融合算法。

改变故障点位置，选取在母线处，A相经500欧电阻接地，故障相角90°。发生故障后执行中性点不接地选线方法，选线结果如表4所示。

表4中性点不接地系统故障选线结果(母线/500欧/90°)

由表4可知，本次故障选线各判据选线结果不一致，其中基波比幅法与基波比相法选线正确，首半波法与小波分析法误选，启动多判据融合选线方法，融合选线方法选线结果为母线故障可能性为99％，其余出线故障可能性为0，选线正确。可见多判据融合选线方法能将多种判据科学有效的融合，准确率高，保护裕度大。

实例2

中性点经高阻接地系统以图3所示的结构图为例，系统出线数、线路参数、负载均与中性点不接地系统相同，中性点接地电阻一般按中性点电流I_R＝1～1.5I_C进行选择，I_C为系统对地电容电流，根据仿真模型及线路参数，中性点电阻取200Ω。

故障位置选取在第3路出线距离母线2km处，A相经5000欧电阻接地，故障相角0°。选线结果如表5所示。

表5中性点经高阻接地系统故障选线结果(L₃/5000欧/0°)

由表5可知，由于接地电阻大且故障相角小，小波分析法失效，但其余判据选线均正确。由于选线结果不一致，启动了多判据融合选线方法，选线结果为L₃故障可能性61％，远高于其余线路，选线正确。

实例3

中性点经消弧线圈接地系统以图5所示的结构图为例，系统出线数、线路参数、负载均与中性点不接地系统相同，消弧线圈补偿度取5％，由线路参数求出系统对地分布电容C_Σ，进而计算出消弧线圈等效电感L＝1/1.05*1/(3ω²C_Σ)＝0.6554H。消弧线圈的有功损耗取感性损耗的3％，R_L＝0.03ωL＝6.1767Ω。

故障位置选取在第3路出线距离母线2km处，A相经50欧电阻接地，故障相角45°。选线结果如表6所示。

表6中性点经高阻接地系统故障选线结果(L₃/50欧/45°)

注：由于中性点经消弧线圈接地系统中五次谐波较小导致谐波比幅法故障测度较小，故计算结果保留至小数点后四位。

由表6可知，在这一故障情况下只有小波分析法选线正确，其余三种判据误选。启动多判据融合选线方法后，选线结果为L₃故障可能性60％，仍然远高于其余线路，选线正确。

仿真实验表明，本发明选线准确率高，适应性强，在工程实际中具有较强的实用价值。

选线方法包括下列步骤：

(1)监视PT二次开口零序电压，当电压超过门限值时记录故障时刻并存储故障后五个周波的零序电压与各路出线零序电流数据，启动故障选线算法。

(2)对故障后第五个周波的零序电压与零序电流的采样数据进行傅里叶变换，得到零序电压与各路出线零序电流基波的幅值和相角(若为中性点经消弧线圈接地系统则计算五次谐波的幅值和相角)。

(3)构造基波(谐波)比幅故障测度。以零序电压为参考相量，定义各路出线零序电流极性，若电流超前电压则极性为正，若电流滞后电压则极性为负；用零序电流幅值乘以极性得到出线带极性的幅值量，母线带极性幅值量为所有出线带极性幅值量和的相反数；定义故障电流为母线与各路出线带极性幅值量绝对值和的一半。母线与各路出线的故障测度由故障电流与带极性的幅值量作差得到，若所得结果小于零则故障测度取零，若大于等于零则保留原结果作为故障测度。

(4)构造基波(谐波)比相故障测度。计算各路出线零序电流超前零序电压的相角(角度制)，若相角大于零，则用相角减90后取绝对值作为该路出线的故障测度；若相角小于零，则用相角加90取绝对值，再用180减绝对值得到一个中间量，用该路出线零序电流幅值与故障电流之比乘以中间量，若所得结果小于90或大于180，则用90或180作为该路出线故障测度，否则所得结果为该路出线故障测度。母线故障测度定义为180与所有出线故障测度最大值之差。

(5)构造首半波法故障测度。首先，对首半波中所有线路电流瞬时值求绝对值之和，将最大值点定为首半波极值点，记录极值点处幅值最大的三路出线编号m、n、p，以及对应的零序电流I_0m、I_0n、I_0p，零序导纳Y_0m、Y_0n、Y_0p。首半波法故障测度由幅值和极性两部分组成。幅值部分为，若则母线幅值故障测度置一，出线幅值故障测度置零；否则母线幅值故障测度置零，出线幅值故障测度定义为该路出线幅值与所有出线幅值和的比值。极性部分为，比较幅值最大的三路出线极性，若有一路出线极性与其余两路相反，则该路出线极性故障测度置一，其余线路(包括母线)极性故障测度置零；若三路出线极性相同，则母线极性故障测度置一，其余线路极性故障测度置零。幅值故障测度权重极性故障测度权重式中用幅值故障测度与极性故障测度乘以对应权重再相加得到各条线路的首半波故障测度。

(6)构造小波分析法故障测度。使用故障后一个周波的采样数据，使用db6小波对各路出线的零序电流进行小波分解，将信号分解到第五尺度，然后对5，4，3，2尺度上的细节分量分别进行小波重构，重构到原信号尺度。给母线及每条出线分别设置一个故障测度并令初值为零。设定一阈值0.3，从第5尺度开始，对各条线路重构信号小波变换值大于阈值的细节分量取出并逐点比较，在各点处找出小波系数幅值最大的3条线路。若3条线路的小波变换值均大于阈值且一条线路的小波变换值与另两条线路的小波变换值异号，则该路出线故障测度累加小波变换值的绝对值；若3条线路的小波变换值均大于阈值且三条线路的小波变换值极性相同，则母线故障测度累加三条线路小波变换值绝对值的平均值；若满足阈值条件的线路只有两条且异号，则线路故障测度分别累加对应的小波变换值绝对值；若满足阈值条件的线路只有两条且同号，则母线故障测度累加两条线路小波变换值绝对值和的三分之一；若满足阈值条件的线路只有1条，则只对该线路的故障测度累加，并乘以权系数三分之一。对4、3、2尺度上的小波变换值同样按照以上步骤计算即得各条线路的小波故障测度。

(7)找出每种判据下故障测度最大的线路编号，若编号相同，则此条线路为故障线路，输出选线结果，选线结束；若编号不同，则启动基于D-S证据理论的多判据融合方法。

以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的系统及方法的限制，本发明的保护范围以权利要求为准。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种能够提高准确率的小电流接地系统单相接地选线方法，包括下列步骤：

(3)构造比幅法故障测度：根据第(2)步计算的幅值和相角，以零序电压为参考相量，定义各路出线零序电流极性，若电流超前电压则极性为正，若电流滞后电压则极性为负，用零序电流幅值乘以极性得到出线带极性的幅值量，母线带极性幅值量为所有出线带极性幅值量和的相反数，定义故障电流为母线与各路出线带极性幅值量绝对值和的一半，母线与各路出线的故障测度由故障电流与对应线路带极性的幅值量作差得到，若所得结果小于零则故障测度取零，若大于等于零则保留原结果作为故障测度；

(4)构造比相法故障测度：根据第(2)步计算的幅值和相角，计算各路出线零序电流超前零序电压的角度制相角，若相角大于零，则用相角减90后取绝对值作为该路出线的故障测度；若相角小于零，则用相角加90取绝对值，再用180减该绝对值得到一个中间量，用该路出线零序电流幅值与故障电流之比乘以中间量，若所得结果小于90或大于180，则用90或180作为该路出线故障测度，否则所得结果为该路出线故障测度，母线故障测度定义为180与所有出线故障测度最大值之差；

(5)构造首半波法故障测度：首先，对首半波中所有线路电流瞬时值求绝对值之和，将最大值点定为首半波极值点，记录极值点处幅值最大的三路出线编号m、n、p，以及对应的零序电流I_0m、I_0n、I_0p，零序导纳Y_0m、Y_0n、Y_0p，首半波法故障测度由幅值和极性两部分组成，幅值部分为，若0.8*Y_0m/Y_0n<|I_0m/I_0n|<1.2*Y_0m/Y_0n，则母线幅值故障测度置一，出线幅值故障测度置零，否则母线幅值故障测度置零，出线幅值故障测度定义为该路出线幅值与所有出线幅值和的比值，极性部分为，比较幅值最大的三路出线极性，若有一路出线极性与其余两路相反，则该路出线极性故障测度置一，包括母线在内的其余线路极性故障测度置零，若三路出线极性相同，则母线极性故障测度置一，其余线路极性故障测度置零，幅值故障测度权重W_a＝D_a/(2+D_a)，极性故障测度权重W_b＝1/(2+D_a)，式中D_a＝I_0m/I_0n，用幅值故障测度与极性故障测度乘以对应权重再相加得到各条线路的首半波故障测度；

(6)构造小波分析法故障测度：使用故障后一个周波的采样数据，使用db6小波对各路出线的零序电流进行小波分解，将信号分解到第五尺度，然后对5，4，3，2尺度上的细节分量分别进行小波重构，重构到原信号尺度，给母线及每条出线分别设置一个故障测度并令初值为零，设定一阈值0.3，从第5尺度开始，对各条线路重构信号小波变换值大于阈值的细节分量取出并逐点比较，在各点处找出小波系数幅值最大的3条线路，若3条线路的小波变换值均大于阈值且一条线路的小波变换值与另两条线路的小波变换值异号，则该路出线故障测度累加对应的小波变换值的绝对值，若3条线路的小波变换值均大于阈值且三条线路的小波变换值极性相同，则母线故障测度累加三条线路小波变换值绝对值的平均值，若满足阈值条件的线路只有两条且其小波变换值异号，则线路故障测度分别累加对应的小波变换值绝对值，若满足阈值条件的线路只有两条且其小波变换值同号，则母线故障测度累加对应的两条线路小波变换值绝对值和的三分之一，若满足阈值条件的线路只有1条，则只对该线路的故障测度累加，并乘以权系数三分之一，对4、3、2尺度上的小波变换值同样按照以上步骤计算即得各条线路的小波故障测度；

(8)基于D-S证据理论的多判据融合方法：定义故障信度，故障信度是指线路发生故障的信任程度，信度为0，表明该线路肯定没有发生故障；信度为1，表明该线路肯定发生故障，首先构造信度分配函数，将故障信度分配给各条线路，此处的故障信度仍然是针对单判据而言的，信度分配函数是两部分函数的乘积m＝m_r·m_a，m_r反应故障测度的相对值，是就判据下的每一条线路而言的，计算线路故障测度在样本总测度中所占份额，若份额小于10％且其故障测度大小在各条线路中排名没有列入前5位，则令该线路m_r值为0，这一部分的故障信度分配到了该判据的整体识别框架即m(θ)上，作为不确定的故障信度，否则用份额值作为其m_r值，m_a反应故障测度的绝对值，是就不同判据而言的，首先根据不同判据设定拐点值C，若该判据下最大故障测度fmm大于等于C，则该判据下m_a＝1；若最大故障测度fmm小于拐点C，则该判据下m_a＝fmm/C，根据上述方法计算出各个故障判据下的每条线路的基本信度分配值，然后使用证据组合规则求出多个判据组合后的基本信度分配，线路在两个判据下的组合规则为判据一中该线路的故障信度与判据二中该线路的故障信度之积、判据一中该线路的故障信度与判据二中不确定部分的故障信度之积、判据一中不确定部分的故障信度与判据二中该线路的故障信度之积，三者的和除以系数K，每条线路判据一下的故障信度分别乘以除该线路外所有线路判据二下的故障信度，再将所有乘积求和，用1减去这个和即为系数K，得到两个判据下的组合故障信度后再与第三个判据故障信度组合即可得到三个判据下的组合故障信度，以此类推，最终，多判据融合方法将所有判据的故障信度融合在一起，给出每条线路的故障可能性，可能性最大的即为故障线路，输出选线结果，选线结束。