CN105548806A - 一种基于暂态行波的小电流接地故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于暂态行波的小电流接地故障选线方法，它包括以下步骤：利用工频零序电压信号确定系统发生接地故障；对同一母线上的任一回出线选出故障相；对于同一母线上的任一回出线，计算暂态行波电流信号和暂态行波电压信号之间的极性关系；步骤四，根据极性关系进行确定同一母线上的出线是否为故障线路。本发明通过比较各出线三相暂态行波电流的二进小波变换模极大值选出各出线暂态行波电流最大的一相，然后根据该相暂态行波电流和暂态行波电压的极性关系选出故障线路，原理简单，适用范围广，不受过渡电阻的大小、中性点接地方式以及是否有分支线路等因素影响，具有较高的工程实用价值。

Description

一种基于暂态行波的小电流接地故障选线方法

技术领域

本发明涉及一种故障选线方法，具体地说是一种基于暂态行波的小电流接地故障选线方法，属于配电网的保护与控制技术领域。

背景技术

我国配电网广泛采用中性点非有效接地方式，这种接地方式具有供电可靠性高的优点，其单相接地故障发生率最高。当发生单相接地故障后，非故障相电压升高为原来的倍，个别情况下，接地电容电流可能引起故障点电弧飞越，瞬时出现比相电压大4-5倍的过电压，导致绝缘击穿，进一步扩大成两点或多点接地短路；故障点的电弧还会引起全系统过电压，常常烧毁电缆甚至引起火灾。因此，配电网的单相接地故障严重威胁这配电网的安全可靠性，为防止事故扩大，运行中希望尽快选择出故障线路并进行处理。但是由于单相接地是通过电源绕组和输电线路而对地分布电容形成的短路回路，故障点的接地电流很小，单相接地故障选线和故障定位问题长期以来没有得到很好地解决。

为了找出故障点，过去采用的是人工拉路的选线方法，受各种因素的影响，这种方法找出故障线路需要很长时间，降低了供电的质量，使得供电单位与用户的经济效益受到了影响。而且电网容易受到开关断开和闭合的冲击，会导致操作过电压和谐振过电压，开关的反复动作同样使得其使用寿命降低。随着无人值守变电站的增多和综合自动化水平的提高，一是某些时候集控中心工作人员发现和处理接地信号的时间较长，尤其是晚上出现的故障信号，会出现带故障长时间运行的情况；二是逐条拉路选线需要远方遥控操作，加大了设备的负担。

当前实际工作中，配电网普遍采用暂态零序电流法进行选线，利用故障线路的暂态零模电流初始行波的极性与非故障线路的极性相反这一原理判断故障线路，该方法具有可靠性高的优点。但是实际运行中模量行波的获取增加了现场应用的困难。获取零模电流行波需要现场配备合适的零序电流互感器，而仅为了故障选线增加零序电流互感器不经济并且利用零模选线的方法无法实现选相。若不使用零序互感器，线模电流行波获取是通过两相电流互感器，接线复杂且容易出错，这样使故障选线更加困难。

所以迫切需要一种快速准确地故障选线方法，一方面有利于提高供电可靠性，提高供电部门和用户的经济效益，另一方面有利于维护用电设备。

发明内容

针对配电网小电流接地故障的选线问题，本发明提出一种基于暂态行波的小电流接地故障选线方法，其能够快速准确地进行故障选线，克服传统算法可靠性不高的缺点。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种基于暂态行波的小电流接地故障选线方法，其特征是，通过安装在变电站的专用监测装置采集站内小电流接地系统母线上的工频零序电压信号，以及对站内小电流接地系统母线上的三相暂态行波电压信号和各出线的三相暂态行波电流信号进行同步采集，从而实现在线故障选线，所述故障选线方法包括以下步骤：

步骤一，利用工频零序电压信号(3u0)确定系统发生接地故障；

步骤二，对同一母线上的任一回出线选出故障相，设为p相，且将该相的暂态行波电流信号和暂态行波电压信号分别表示为i_k,p和u_k,p；

步骤三，对于同一母线上的任一回出线，计算参量：

d_k(n)＝i_k,p(n)·u_k,p(n)

$D_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}_k\left(n\right)$

其中：i_k,p(n)为第k回出线p相故障暂态行波电流信号的第n个采样值；u_k,p(n)为第k回出线p相故障暂态行波电压信号的第n个采样值；N为数据窗长度，参量D_k表示一段时间内暂态行波电流信号和暂态行波电压信号之间的总体极性关系；

步骤四，根据线路的暂态行波电流信号与暂态行波电压信号具有的关系进行确定同一母线上的出线是否为故障线路，如果参量D_k＜0，则确定该出线为故障线路，否则为非故障线路。

进一步地，在步骤一中，当监测装置检测到变电站小电流接地系统母线上的工频零序电压信号的采样值超过门槛值时，则判定该小电流接地系统发生了接地故障，而且保存此时刻前后一段时间内该母线上的三相暂态行波电压信号采样值和各出线的三相暂态行波电流信号采样值。

进一步地，在步骤二中，对采集的三相暂态行波电流信号采样序列进行二进小波变换处理，根据变换后三相暂态行波电流信号的第1个模极大值选出故障暂态行波电流最大的一相，即为故障相。

进一步地，在步骤四中，线路的暂态行波电流信号与暂态行波电压信号具有的关系为：对于故障相而言，在故障初期的任一采样时刻，故障线路的暂态行波电流信号和暂态行波电压信号具有反极性的关系；而非故障线路的暂态行波电流信号和暂态行波电压信号具有同极性的关系。

进一步地，在步骤四中，对于第n个采样时刻，暂态行波电流信号和暂态行波电压信号之间的极性关系可以用二者在该时刻采样值的乘积d_k(n)来描述，即：d_k(n)为第n个采样时刻的暂态行波电流信号采样值与暂态行波电压信号的乘积，当d_k(n)为正时表示暂态行波电流信号和暂态行波电压信号具有同极性关系，此时参量D_k为正值；当d_k(n)为负时表示暂态行波电流信号和暂态行波电压信号具有反极性关系，此时参量D_k为负值。

优选地，所述小电流接地系统包括110kV配电网、110kV/10kV变压器、10kV母线和若干回路出线，所述110kV/10kV变压器的高压侧与110kV配电网相连，10kV母线与110kV/10kV变压器的低压侧相连，若干回路出线分别与10kV母线相连，110kV/10kV变压器高压侧的中性点直接接地，110kV/10kV变压器低压侧的中性点采用非有效接地方式。

本发明的有益效果如下：本发明在确定配电网发生单相接地故障后，通过比较各出线三相暂态行波电流信号的二进小波变换第1个模极大值选出各出线暂态行波电流最大的一相，然后根据该相暂态行波电流和暂态行波电压的极性关系选出故障线路。本发明的原理简单，适用范围广，不受过渡电阻的大小、中性点接地方式以及是否有分支线路等因素影响，具有较高的工程实用价值。

本发明具有以下特点：

(1)对于不同的接地方式、接地故障和线路类型都有明显的极性特征。

(2)不需要增加零序电流互感器，仅利用三相电流即可进行准确的判断，具有一定的经济性。

(3)方法简单、易实现，对电能质量没有影响，具有准确性和可靠性，有较强的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明一具体应用的配电网线路模型示意图；

图3为中性点不接地系统在出线1发生A相金属性接地故障后，出线1的三相暂态行波电流波形示意图；

图4为中性点不接地系统在出线1发生A相金属性接地故障后，出线2的三相暂态行波电流波形示意图；

图5为中性点不接地系统在出线1发生A相金属性接地故障后，出线3的三相暂态行波电流波形示意图。

图6为中性点不接地系统在出线1发生A相金属性接地故障后，母线处三相暂态行波电压波形示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明提出的一种基于暂态行波的小电流接地故障选线方法，通过安装在变电站的专用监测装置采集站内小电流接地系统母线上的工频零序电压信号，以及对站内小电流接地系统母线上的三相暂态行波电压信号和各出线的三相暂态行波电流信号进行同步采集，从而实现在线故障选线，所述故障选线方法包括以下步骤：

步骤一，利用工频零序电压信号(3u0)确定系统发生接地故障；

步骤二，对同一母线上的任一回出线选出故障相，设为p相，且将该相的暂态行波电流信号和暂态行波电压信号分别表示为i_k,p和u_k,p；

步骤三，对于同一母线上的任一回出线，计算参量：

d_k(n)＝i_k,p(n)·u_k,p(n)

$D_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}_k\left(n\right)$

其中：i_k,p(n)为第k回出线p相故障暂态行波电流信号的第n个采样值；u_k,p(n)为第k回出线p相故障暂态行波电压信号的第n个采样值；N为数据窗长度，参量D_k表示一段时间内暂态行波电流信号和暂态行波电压信号之间的总体极性关系；

步骤四，根据线路的暂态行波电流信号与暂态行波电压信号具有的关系进行确定同一母线上的出线是否为故障线路，如果参量D_k＜0，则确定该出线为故障线路，否则为非故障线路。

图2为本发明一具体应用的配电网线路模型示意图；图2中的接地方式、出线的条数、线路类型、故障类型以及故障距离可以任意改变。如图2所示，小电流接地系统包括110kV配电网、110kV/10kV变压器、10kV母线和若干回路出线，所述110kV/10kV变压器的高压侧与110kV配电网相连，10kV母线与110kV/10kV变压器的低压侧相连，若干回路出线分别与10kV母线相连，110kV/10kV变压器高压侧的中性点直接接地，110kV/10kV变压器低压侧的中性点采用非有效接地方式(即110kV/10kV变压器低压侧的中性点通过一个带开关控制的电感支路接地)。

本发明的选线原理：对于同一母线，当某回出线发生故障后，各出线选出三相暂态行波电流的二进小波变换第1个模极大值最大的一相，然后根据该相暂态行波电流和暂态行波电压的极性关系选出故障线路。

采用本发明所述基于暂态行波的小电流接地故障选线方法进行故障选线的具体过程如下：

1)利用工频零序电压信号(3u0)确定系统发生接地故障；当监测装置检测到变电站小电流接地系统母线上的工频零序电压信号(3u0)采样值超过设定的门槛值时，判定该小电流接地系统发生了接地故障，而且保存此时刻前后一段时间内该母线上的三相暂态行波电压信号采样值和各出线的三相暂态行波电流信号采样值。

2)对于同一母线上的任一回出线k，对保存的三相暂态行波电流信号采样序列进行二进小波变换，根据变换后三相暂态行波电流信号的第1个模极大值选出故障暂态行波电流最大的一相(即第1个模极大值最大的一相，也就是故障相)，设为p相，且将该相的暂态行波电流信号和暂态行波电压信号分别表示为i_k,p和u_k,p。

3)对于同一母线上的任一回出线k，计算参量：

d_k(n)＝i_k,p(n)·u_k,p(n)

$D_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}_k\left(n\right)$

其中：i_k,p(n)为第k回出线p相故障暂态行波电流信号的第n个采样值；u_k,p(n)为第k回出线p相故障暂态行波电压信号的第n个采样值；N为数据窗长度(以p相暂态行波电流信号第1个模极大值的出现时刻为起点向前选取N个采样点)。参量D_k表示一段时间内暂态行波电流信号和暂态行波电压信号之间的总体极性关系，正值表示同极性，负值表示反极性。

4)经过上述处理，对于出线k，若D_k＜0，则该出线为故障线路，否则为非故障线路。对于故障相而言，在故障初期的任一采样时刻，故障线路的暂态行波电流信号和暂态行波电压信号具有反极性的关系，而非故障线路的暂态行波电流信号和暂态行波电压信号具有同极性的关系。

对于第n个采样时刻，暂态行波电流信号和暂态行波电压信号之间的极性关系可以用二者在该时刻采样值的乘积d_k(n)来描述，乘积为正表示同极性，乘积为负表示反极性。

参量D_k表示一段时间内暂态行波电流信号和暂态行波电压信号之间的总体极性关系，可以防止个别采样数据错误导致的最终故障选线错误。

图2中主系统是具有单母线3条架空线出线的10kV配电网，如图2所示，线路L1为14km，线路L2为10km，线路L3为14km，假定出线L1距母线6km处发生A相金属性接地故障。故障发生时刻为100μs，采样频率为1MHz，故障产生的各出线暂态行波电流信号和母线处的暂态行波电压信号如图3至图6所示。通过对波形的处理，测得各出线三相暂态行波电流信号的二进小波变换第1个模极大值：

出线1的A、B、C三相暂态行波电流信号的二进小波变换第1个模极大值分别为：20.901A、-9.953A、-9.953A。

出线2的A、B、C三相暂态行波电流信号的二进小波变换第1个模极大值分别为：-7.585A、3.792A、3.792A。

出线3的A、B、C三相暂态行波电流信号的二进小波变换第1个模极大值分别为：-7.585A、3.792A、3.792A。

且各出线暂态行波电流信号取得二进小波变换第1个模极大值的时刻均为T＝123μs。

对出线1至出线3暂态行波电流信号的二进小波变换第1个模极大值进行分析可知，各出线A相暂态行波电流信号的二进小波变换第1个模极大值最大，故取各出线A相的暂态行波电流以及母线处A相的暂态行波电压进行参量计算，取数据窗口长度N＝10，通过在MATLAB中编程：

D1＝0；

N＝10；

fori＝1:1:N

d1＝ia1(i,1)*ua(i,1)；

D1＝D1+d1；

end

D2＝0；

fori＝1:1:N

d2＝ia2(i,1)*ua(i,1)；

D2＝D2+d2；

end

D3＝0；

fori＝1:1:N

d3＝ia3(i,1)*ua(i,1)；

D3＝D3+d3；

end

得到参量结果为：

D1＝-69.722

D2＝24.907

D3＝24.907

显然D1<0，故线路1为故障线路，线路2与线路3为非故障线路。

由上述实施实例结果可得，采用本发明的选线方法进行故障选线结果完全正确。实施实例是在一定的工程经验的基础上建立的模型，但是非常具有普遍性。因此，本发明作为小电流接地故障选线的新算法，具有良好的工程实用价值。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于暂态行波的小电流接地故障选线方法，其特征是，通过安装在变电站的专用监测装置采集站内小电流接地系统母线上的工频零序电压信号，以及对站内小电流接地系统母线上的三相暂态行波电压信号和各出线的三相暂态行波电流信号进行同步采集，从而实现在线故障选线，所述故障选线方法包括以下步骤：

步骤一，利用工频零序电压信号(3u0)确定系统发生接地故障；

步骤二，对同一母线上的任一回出线选出故障相，设为p相，且将该相的暂态行波电流信号和暂态行波电压信号分别表示为i_k,p和u_k,p；

步骤三，对于同一母线上的任一回出线，计算参量：

d_k(n)＝i_k,p(n)·u_k,p(n)

$D_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{d}_k\left(n\right)$

其中：i_k,p(n)为第k回出线p相故障暂态行波电流信号的第n个采样值；u_k,p(n)为第k回出线p相故障暂态行波电压信号的第n个采样值；N为数据窗长度，参量D_k表示一段时间内暂态行波电流信号和暂态行波电压信号之间的总体极性关系；

步骤四，根据线路的暂态行波电流信号与暂态行波电压信号具有的关系进行确定同一母线上的出线是否为故障线路，如果参量D_k＜0，则确定该出线为故障线路，否则为非故障线路。

2.根据权利要求1所述的一种基于暂态行波的小电流接地故障选线方法，其特征是，在步骤一中，当监测装置检测到变电站小电流接地系统母线上的工频零序电压信号的采样值超过门槛值时，则判定该小电流接地系统发生了接地故障，而且保存此时刻前后一段时间内该母线上的三相暂态行波电压信号采样值和各出线的三相暂态行波电流信号采样值。

3.根据权利要求1所述的一种基于暂态行波的小电流接地故障选线方法，其特征是，在步骤二中，对采集的三相暂态行波电流信号采样序列进行二进小波变换处理，根据变换后三相暂态行波电流信号的第1个模极大值选出故障暂态行波电流最大的一相，即为故障相。

4.根据权利要求1所述的一种基于暂态行波的小电流接地故障选线方法，其特征是，在步骤四中，线路的暂态行波电流信号与暂态行波电压信号具有的关系为：对于故障相而言，在故障初期的任一采样时刻，故障线路的暂态行波电流信号和暂态行波电压信号具有反极性的关系；而非故障线路的暂态行波电流信号和暂态行波电压信号具有同极性的关系。

5.根据权利要求1所述的一种基于暂态行波的小电流接地故障选线方法，其特征是，在步骤四中，对于第n个采样时刻，暂态行波电流信号和暂态行波电压信号之间的极性关系可以用二者在该时刻采样值的乘积d_k(n)来描述，即：d_k(n)为第n个采样时刻的暂态行波电流信号采样值与暂态行波电压信号采样值的乘积，当d_k(n)为正时表示暂态行波电流信号和暂态行波电压信号具有同极性关系，此时参量D_k为正值；当d_k(n)为负时表示暂态行波电流信号和暂态行波电压信号具有反极性关系，此时参量D_k为负值。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种基于暂态行波的小电流接地故障选线方法，其特征是，所述小电流接地系统包括110kV配电网、110kV/10kV变压器、10kV母线和若干回路出线，所述110kV/10kV变压器的高压侧与110kV配电网相连，10kV母线与110kV/10kV变压器的低压侧相连，若干回路出线分别与10kV母线相连，110kV/10kV变压器高压侧的中性点直接接地，110kV/10kV变压器低压侧的中性点采用非有效接地方式。