CN106443349B - 一种高阻接地故障定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高阻接地故障定位方法及系统，根据故障选线结果，计算故障馈线各区段上、下游各监测点暂态零序电流在母线暂态零序电压上投影分量，比较各监测点暂态零序电流投影分量的幅值大小，选取投影分量幅值最大的若干监测点作为故障候选区段并判断两者极性关系；若同极性，则为健全区段；若反极性，则为故障区段。本发明解决了高阻接地故障在小电流接地系统中的定位难题，有着广泛的实际应用价值。

Description

一种高阻接地故障定位方法及系统
技术领域
本发明涉及小电流接地系统高阻接地故障定位领域，特别是一种基于暂态投影变换的高阻接地故障定位方法及系统。
背景技术
受自然环境、线路架空距离低等因素影响，配电网中常发生经非理想导体的单相高阻接地故障，如导线跌落在草地、马路、沙地、水塘等。据不完全统计，高阻接地故障约占到接地故障总数的5-10％。法国小电流接地系统有超过12％的接地故障为高阻接地故障。由于高阻接地故障电流小(一般为安培级)、故障点不稳定等原因，当配电线路发生永久性高阻接地故障后难以被检测到，使得系统长时间带故障运行，这可能导致相间故障或短路故障，扩大故障范围。因此当线路发生高阻故障后，需要快速的定位到故障区段并做出相应的隔离措施。特别是对于谐振接地系统，由于消弧线圈的补偿作用，故障线路故障区段工频电流和健全区段相比没有明显故障特征等原因，谐振接地系统的高阻接地故障定位仍然是一个非常大的挑战。
近年来，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的时间，将成为小电流接地故障检测技术研究和应用的热点、重点。现有的针对低阻接地故障区段定位方法可分为两类：一类是主动式定位方法，利用一次设备动作产生较大的扰动电流或者利用人工直接向系统注入特定电流调节消弧线圈的补偿度，根据零序电流变化量确定故障区段；另一类是被动式定位方法，利用接地故障过渡过程中的暂态信号幅值比较、极性比较、功率方向等原理进行故障定位。现有的低阻(金属性)接地故障定位尚未完全解决，且均不适用于高阻接地故障，因此更是无暇顾及关于故障电气量特征不明显的高阻接地故障定位技术的研究，所以鲜少见到相关的研究报道。
对于小电流接地系统，工频电流自身无明显故障特征因此无法直接用以进行故障检测(工频电流有功分量理论上可行，但含量较小、易受TV/TA传变特性影响，实用存在较大困难)。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种高阻接地故障定位方法及系统，解决了小电流接地系统中发生高阻接地时的故障定位问题，为小电流接地系统高阻接地故障定位技术的研究提供了一个全新的思路，有着广泛的实际应用价值。
本发明采用以下方案实现：一种高阻接地故障定位方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：设置在主控室的故障定位主站判断配电系统是否发生高阻接地故障，若是，设置于变电站内部的小电流接地故障选线装置选择发生故障的馈线：
步骤S2：设置在主控室的故障定位主站计算故障馈线上各监测点暂态零序电流在母线暂态零序电压上的投影分量，并比较各监测点的暂态零序电流在母线暂态零序电压上的投影分量的幅值大小；
步骤S3：设置在主控室的故障定位主站按幅值从大到小的顺序依次选出N个监测点,将选择的监测点所在的区段作为故障候选区段，并判断各个故障候选区段的上、下游监测点的极性关系；若同极性，则该故障候选区段为健全区段；若反极性，则该故障候选区段为故障区段；其中，所述N为大于等于3的正整数。
进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：当母线的零序电压幅值Ub的范围处于Uth1＜Ub＜Uth2时，则设置在主控室的故障定位主站判断配电系统发生高阻接地故障，并启动设置于变电站内部的小电流接地故障选线装置，所述小电流接地故障选线装置选择发生故障的馈线，并将选线结果和故障馈线出口的零序电流数据采集上报至设置在主控室的故障定位主站；其中Uth1与Uth2为预设的母线零序电压幅值门槛值；
步骤S12：当馈线上的零序电压或者零序电流的突变量超过预设的门槛值时，设置于该馈线上各监测点的馈线终端设备FTU启动，采集本监测点的零序电压与零序电流的数据并上报至设置在主控室的故障定位主站。
进一步地，所述Uth1为15V，所述Uth2为90V。
进一步地，步骤S1中所述选择出发生故障的馈线具体为：判断各馈线出口的零序电流变化量是否大于预设的门槛值，出口的零序电流变化量大于预设门槛值的馈线为发生故障的馈线。
进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：设置在主控室的故障定位主站对母线零序电压ub、故障馈线上各监测点零序电流ioj的数据进行滤波，分别提取其暂态分量ub_T、ioj_T；ub_T为母线暂态零序电压，ioj_T为故障馈线上的各监测点暂态零序电流；
步骤S22：将故障馈线上的各监测点暂态零序电流ioj_T向母线暂态零序电压ub_T做投影，根据下述公式计算各监测点暂态零序电流在母线暂态零序电压上的投影分量ioj_T_P：
步骤S23：比较各监测点暂态零序电流在母线暂态零序电压上的投影分量的幅值大小。
进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：依次选取投影分量幅值最大的N个监测点作为故障线路候选监测点，候选监测点所在的区段作为故障候选区段；其中，N为大于等于3的正整数；
步骤S32：定义各区段监测点中靠近母线侧的监测点为该区段的上游监测点，另一监测点为该区段的下游监测点，根据下述公式计算各故障候选区段的上游监测点与下游各监测点暂态零序电流投影分量间的极性系数ρkm：
其中，i0m_T_P表示上游监测点的暂态零序电流，i0k_T_P表示下游监测点的暂态零序电流，T为暂态过程的持续时间；
步骤S33：若ρkm＞0，则表明i0m_T_P与i0k_T_P同极性；若ρkm＜0，则表明i0m_T_P与i0k_T_P反极性；
步骤S34：选择反极性的两监测点之间的区段为故障区段。
进一步地，还包括步骤S35：若所有监测点的暂态零序电流投影分量间的极性系数都大于零，则故障区段为最末监测点的下一段区段。
本发明还提供了一种基于上文所述的基于暂态投影变换的高阻接地故障定位方法的系统，包括设置在变电站内部的小电流接地故障选线装置、设置在各馈线上各监测点的馈线终端设备FTU、设置在主控室的故障定位主站；所述小电流接地故障选线装置用以采集母线零序电压以及各馈线出口的零序电流；所述馈线终端设备FTU用以采集各馈线上各监测点的零序电压、零序电流；所述故障定位主站用以接收所述小电流接地故障选线装置与所述馈线终端设备FTU采集的信息，并计算故障线路各监测点暂态零序电流在母线暂态零序电压上的投影分量，通过比较各监测点的暂态零序电流投影分量的幅值大小确定故障候选区段，通过判断故障候选区上、下游监测点的极性关系确定故障区段。
进一步地，所述通过判断故障候选区上、下游监测点的极性关系确定故障区段具体为：若该故障候选区段上、下游监测点的极性关系为同极性，则该故障候选区段为健全区段；若该故障候选区段上、下游监测点的极性关系为反极性，则该故障候选区段为故障区段；所述N为大于等于3的正整数。
进一步地，若所有监测点的暂态零序电流投影分量间的极性系数都大于零，则故障区段为最末监测点的下一段区段。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明采用各区段上、下游各监测点暂态零序电流在母线暂态零序电压上投影分量极性关系来定位故障点，解决了高阻接地故障在小电流接地系统中的定位难题，有着广泛的实际应用价值。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的系统连接示意图。
图3为本发明实施例中的配电线路仿真模型。
图4为本发明实施例中发生接地电阻为30Ω的高阻接地故障时各候选监测点电流、母线电压的零序分量波形对比示意图。
图5为本发明实施例中发生接地电阻为30Ω的高阻接地故障时各候选监测点电流、母线电压的暂态分量波形对比示意图。
图6为本发明实施例中发生接地电阻为30Ω的高阻接地故障时各候选监测点电流、母线电压的投影分量波形对比示意图。
图7为本发明实施例中发生接地电阻为1500Ω的高阻接地故障时各候选监测点电流、母线电压的零序分量波形对比示意图。
图8为本发明实施例中发生接地电阻为1500Ω的高阻接地故障时各候选监测点电流、母线电压的暂态分量波形对比示意图。
图9为本发明实施例中发生接地电阻为1500Ω的高阻接地故障时各候选监测点电流、母线电压的投影分量波形对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例提供了一种高阻接地故障定位方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：设置在主控室的故障定位主站判断配电系统是否发生高阻接地故障，若是，设置于变电站内部的小电流接地故障选线装置选择发生故障的馈线：
步骤S2：设置在主控室的故障定位主站计算故障馈线上各监测点暂态零序电流在母线暂态零序电压上的投影分量，并比较各监测点的暂态零序电流在母线暂态零序电压上的投影分量的幅值大小；
步骤S3：设置在主控室的故障定位主站按幅值从大到小的顺序依次选出N个监测点,将选择的监测点所在的区段作为故障候选区段，并判断各个故障候选区段的上、下游监测点的极性关系；若同极性，则该故障候选区段为健全区段；若反极性，则该故障候选区段为故障区段；其中，所述N为大于等于3的正整数。
在本实施例中，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：当母线的零序电压幅值Ub的范围处于Uth1＜Ub＜Uth2时，则设置在主控室的故障定位主站判断配电系统发生高阻接地故障，并启动设置于变电站内部的小电流接地故障选线装置，所述小电流接地故障选线装置选择发生故障的馈线，并将选线结果和故障馈线出口的零序电流数据采集上报至设置在主控室的故障定位主站；其中Uth1与Uth2为预设的母线零序电压幅值门槛值；
步骤S12：当馈线上的零序电压或者零序电流的突变量超过预设的门槛值时，设置于该馈线上各监测点的馈线终端设备FTU启动，采集本监测点的零序电压与零序电流的数据并上报至设置在主控室的故障定位主站。
在本实施例中，所述Uth1为15V，所述Uth2为90V。
在本实施例中，步骤S1中所述选择出发生故障的馈线具体为：判断各馈线出口的零序电流变化量是否大于预设的门槛值，出口的零序电流变化量大于预设门槛值的馈线为发生故障的馈线。
在本实施例中，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：设置在主控室的故障定位主站对母线零序电压ub、故障馈线上各监测点零序电流ioj的数据进行滤波，分别提取其暂态分量ub_T、ioj_T；ub_T为母线暂态零序电压，ioj_T为故障馈线上的各监测点暂态零序电流；
步骤S22：将故障馈线上的各监测点暂态零序电流ioj_T向母线暂态零序电压ub_T做投影，根据下述公式计算各监测点暂态零序电流在母线暂态零序电压上的投影分量ioj_T_P：
步骤S23：比较各监测点暂态零序电流在母线暂态零序电压上的投影分量的幅值大小。
在本实施例中，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：依次选取投影分量幅值最大的N个监测点作为故障线路候选监测点，候选监测点所在的区段作为故障候选区段；其中，N为大于等于3的正整数；
步骤S32：定义各区段监测点中靠近母线侧的监测点为该区段的上游监测点，另一监测点为该区段的下游监测点，根据下述公式计算各故障候选区段的上游监测点与下游各监测点暂态零序电流投影分量间的极性系数ρkm：
其中，i0m_T_P表示上游监测点的暂态零序电流，i0k_T_P表示下游监测点的暂态零序电流，T为暂态过程的持续时间；
步骤S33：若ρkm＞0，则表明i0m_T_P与i0k_T_P同极性；若ρkm＜0，则表明i0m_T_P与i0k_T_P反极性；
步骤S34：选择反极性的两监测点之间的区段为故障区段。
在本实施例中，还包括步骤S35：若所有监测点的暂态零序电流投影分量间的极性系数都大于零，则故障区段为最末监测点的下一段区段。
如图2所示，本实施例还提供了一种基于上文所述的基于暂态投影变换的高阻接地故障定位方法的系统，包括设置在变电站内部的小电流接地故障选线装置、设置在各馈线上各监测点的馈线终端设备FTU、设置在主控室的故障定位主站；所述小电流接地故障选线装置用以采集母线零序电压以及各馈线出口的零序电流；所述馈线终端设备FTU用以采集各馈线上各监测点的零序电压、零序电流；所述故障定位主站用以接收所述小电流接地故障选线装置与所述馈线终端设备FTU采集的信息，并计算故障线路各监测点暂态零序电流在母线暂态零序电压上的投影分量，通过比较各监测点的暂态零序电流投影分量的幅值大小确定故障候选区段，通过判断故障候选区上、下游监测点的极性关系确定故障区段。
在本实施例中，所述通过判断故障候选区上、下游监测点的极性关系确定故障区段具体为：若该故障候选区段上、下游监测点的极性关系为同极性，则该故障候选区段为健全区段；若该故障候选区段上、下游监测点的极性关系为反极性，则该故障候选区段为故障区段；所述N为大于等于3的正整数。
在本实施例中，若所有监测点的暂态零序电流投影分量间的极性系数都大于零，则故障区段为最末监测点的下一段区段。
较佳的，在正常运行时，系统的工作流程如下：
线路中的馈线终端设备FTU一直处于对线路各监测点零序电流和零序电压(有条件时)信号采样的状态，并将零序电压采样信号或零序电流的变化量与装置启动门槛值进行比较，判断母线零序电压幅值是否处于Uth1＜Ub＜Uth2，(一般的Uth1＝15V，Uth2＝90V)，判断是否符合装置启动条件；小电流接地故障选线装置负责监测母线零序电压和各条馈线出口零序电流信号，正常工作时对监测信号进行采样，并将零序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；故障定位主站负责接收馈线终端设备FTU和小电流接地故障选线装置上报的故障数据，并进行故障定位，正常工作时故障定位主站会对馈线终端设备FTU和小电流接地故障选线装置进行状态查询，避免装置退出工作状态。
当发生故障时，系统的工作流程如下：
线路中发生小电流接地故障时，馈线终端设备FTU根据零序电流变化量或零序电压(有条件时)信号启动，记录各监测点三个周波的故障零序电压电流信号，并将带有时间标签的故障数据上报至故障定位主站；小电流接地故障选线装置根据母线处零序电压启动，当母线零序电压幅值处于Uth1＜Ub＜Uth2时(一般的Uth1＝15V，Uth2＝90V)，则说明系统发生高阻接地故障，启动装置，并记录母线处零序电压、各条馈线母线出口处的零序电流信号、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故障定位主站；故障定位主站负责接收小电流接地故障选线装置和馈线终端设备FTU上报的故障数据，并根据上文中的步骤进行故障定位。
特别的，基于图3所述的中性点经消弧线圈接地的混合线路模型，本实施例设置线路5区域2发生高阻接地故障，验证上述算法的有效性，具体如下：
(一)发生30Ω的高阻接地故障。
a.当母线零序电压幅值处于Uth1＜Ub＜Uth2时(一般的Uth1＝15V，Uth2＝90V)，则说明系统发生高阻接地故障，变电所终端的选线装置启动，选择故障线路5，并将选线结果和故障线路出口零序电流采集数据上报故障定位主站；
b.当零序电压或零序电流突变量超越预设门槛时，各馈线终端启动，将故障零序电压电流采集数据上报故障定位主站，如图4所示；
c.故障定位主站接收变电所终端和馈线各监测点零序电压电流采集数据，对零序电压ub、故障线路各监测点零序电流i0j数据进行滤波，分别提取其暂态分量i0j_T、ub_T，如图5所示，对健全线路终端数据则不予处理；
d.将故障线路各监测点暂态零序电流向母线暂态零序电压做投影，根据下述公式计算各监测点暂态零序电流的投影分量i0j_T_P，如图6所示：
e.比较各监测点暂态零序电流投影分量的幅值大小，选取投影分量幅值最大的n个监测点作为故障线路候选监测点，n大于等于3；
f.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，根据下述公式计算各区段上游监测点与下游各监测点暂态零序电流投影分量间极性系数：
ρ12＝0.9995；ρ23＝-0.9942；ρ34＝0.9526；
g.选择反极性两监测点之间的区段2为故障区段。
(二)发生1500Ω的高阻接地故障。
a.当母线零序电压幅值处于Uth1＜Ub＜Uth2时(一般的Uth1＝15V，Uth2＝90V)，则说明系统发生高阻接地故障，变电所终端启动，选择故障线路5，并将选线结果和故障线路出口零序电流采集数据上报主站；
b.当零序电压或零序电流突变量超越预设门槛时，各馈线终端启动，将故障零序电压电流采集数据上报主站，如图7所示；
c.主站接收变电所终端和馈线各监测点零序电压电流采集数据，对零序电压ub、故障线路各监测点零序电流i0j数据进行滤波，分别提取其暂态分量i0j_T、ub_T，如图8所示，对健全线路终端数据则不予处理；
d.将故障线路各监测点暂态零序电流向母线暂态零序电压做投影，根据下述公式计算各监测点暂态零序电流的投影分量i0j_T_P，如图9所示：
e.比较各监测点暂态零序电流投影分量的幅值大小，选取投影分量幅值最大的n个监测点作为故障线路候选监测点，n大于等于3；
f.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，根据下述公式计算各区段上游监测点与下游各监测点暂态零序电流投影分量间极性系数：
ρ12＝0.9945；ρ23＝-0.9983；ρ34＝0.9924；
g.选择反极性两监测点之间的区段2为故障区段。
其中，图4至图9中iQ2表示故障区段上游检测点暂态投影电流，iQ3表示，故障区段下游检测点暂态投影电流。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种高阻接地故障定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：设置在主控室的故障定位主站判断配电系统是否发生高阻接地故障，若是，设置于变电站内部的小电流接地故障选线装置选择发生故障的馈线：
步骤S2：设置在主控室的故障定位主站计算故障馈线上各监测点暂态零序电流在母线暂态零序电压上的投影分量，并比较各监测点的暂态零序电流在母线暂态零序电压上的投影分量的幅值大小；
步骤S3：设置在主控室的故障定位主站按幅值从大到小的顺序依次选出N个监测点,将选择的监测点所在的区段作为故障候选区段，并判断各个故障候选区段的上、下游监测点的极性关系；若同极性，则该故障候选区段为健全区段；若反极性，则该故障候选区段为故障区段；其中，所述N为大于等于3的正整数；
其中，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：当母线的零序电压幅值Ub的范围处于Uth1＜Ub＜Uth2时，则设置在主控室的故障定位主站判断配电系统发生高阻接地故障，并启动设置于变电站内部的小电流接地故障选线装置，所述小电流接地故障选线装置选择发生故障的馈线，并将选线结果和故障馈线出口的零序电流数据采集上报至设置在主控室的故障定位主站；其中Uth1与Uth2为预设的母线零序电压幅值门槛值；
步骤S12：当馈线上的零序电压或者零序电流的突变量超过预设的门槛值时，设置于该馈线上各监测点的馈线终端设备FTU启动，采集本监测点的零序电压与零序电流的数据并上报至设置在主控室的故障定位主站；
其中，步骤S1中所述选择出发生故障的馈线具体为：判断各馈线出口的零序电流变化量是否大于预设的门槛值，出口的零序电流变化量大于预设门槛值的馈线为发生故障的馈线；
其中，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：依次选取投影分量幅值最大的N个监测点作为故障线路候选监测点，候选监测点所在的区段作为故障候选区段；其中，N为大于等于3的正整数；
步骤S32：定义各区段监测点中靠近母线侧的监测点为该区段的上游监测点，另一监测点为该区段的下游监测点，根据下述公式计算各故障候选区段的上游监测点与下游各监测点暂态零序电流投影分量间的极性系数ρkm：
其中，i0m_T_P表示上游监测点的暂态零序电流，i0k_T_P表示下游监测点的暂态零序电流，T为暂态过程的持续时间；
步骤S33：若ρkm＞0，则表明i0m_T_P与i0k_T_P同极性；若ρkm＜0，则表明i0m_T_P与i0k_T_P反极性；
步骤S34：选择反极性的两监测点之间的区段为故障区段。
2.根据权利要求1所述的一种高阻接地故障定位方法，其特征在于：所述Uth1为15V，所述Uth2为90V。
3.根据权利要求1所述的一种高阻接地故障定位方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：设置在主控室的故障定位主站对母线零序电压ub、故障馈线上各监测点零序电流ioj的数据进行滤波，分别提取其暂态分量ub_T、ioj_T；ub_T为母线暂态零序电压，ioj_T为故障馈线上的各监测点暂态零序电流；
步骤S22：将故障馈线上的各监测点暂态零序电流ioj_T向母线暂态零序电压ub_T做投影，根据下述公式计算各监测点暂态零序电流在母线暂态零序电压上的投影分量i0j_T_P：
步骤S23：比较各监测点暂态零序电流在母线暂态零序电压上的投影分量的幅值大小。
4.根据权利要求1所述的一种高阻接地故障定位方法，其特征在于：还包括步骤S35：若所有监测点的暂态零序电流投影分量间的极性系数都大于零，则故障区段为最末监测点的下一段区段。
5.一种基于权利要求1所述的高阻接地故障定位方法的系统，其特征在于：包括设置在变电站内部的小电流接地故障选线装置、设置在各馈线上各监测点的馈线终端设备FTU、设置在主控室的故障定位主站；所述小电流接地故障选线装置用以采集母线零序电压以及各馈线出口的零序电流；所述馈线终端设备FTU用以采集各馈线上各监测点的零序电压、零序电流；所述故障定位主站用以接收所述小电流接地故障选线装置与所述馈线终端设备FTU采集的信息，并计算故障线路各监测点暂态零序电流在母线暂态零序电压上的投影分量，通过比较各监测点的暂态零序电流投影分量的幅值大小确定故障候选区段，通过判断故障候选区上、下游监测点的极性关系确定故障区段。
6.根据权利要求5所述的一种高阻接地故障定位方法的系统，其特征在于：所述通过判断故障候选区上、下游监测点的极性关系确定故障区段具体为：若该故障候选区段上、下游监测点的极性关系为同极性，则该故障候选区段为健全区段；若该故障候选区段上、下游监测点的极性关系为反极性，则该故障候选区段为故障区段；所述N为大于等于3的正整数。
7.根据权利要求6所述的一种高阻接地故障定位方法的系统，其特征在于：若所有监测点的暂态零序电流投影分量间的极性系数都大于零，则故障区段为最末监测点的下一段区段。
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