CN106443350A - 消弧线圈接地系统的故障选线方法、装置及设备 - Google Patents

消弧线圈接地系统的故障选线方法、装置及设备 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种消弧线圈接地系统的故障选线方法、装置及设备，其中故障选线方法包括：根据母线零序电压、消弧线圈电流及各馈线的零序电流，计算各元件的暂态能量及零序有功功率幅值，根据各元件的暂态能量及第一选线条件选择第一备选元件；根据各元件的零序有功功率幅值及第二选线条件选择第二备选元件；判断第一备选元件与第二备选元件是否一致，是则判定第一备选元件或第二备选元件为故障元件；否则比较第一选线条件的第一可信度系数及第二选线条件的第二可信度系数，选取其中可信度系数较大的选线条件所对应的备选元件作为故障元件。对于相控式消弧线圈接地系统中所发生的间歇性接地等各种接地故障均能实现准确而可靠的故障选线。

Description

消弧线圈接地系统的故障选线方法、装置及设备
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种消弧线圈接地系统的故障选线方法、装置及设备。
背景技术
消弧线圈接地系统是我国配电网的一种主要中性点接地形式，其中基于电力电子器件控制的相控式消弧线圈应用广泛。而单相接地故障时的故障选线问题则一直是消弧线圈接地系统需要重点解决的问题之一。在各种单相接地故障中，间歇性弧光接地由于具有故障电流幅值不稳定、电弧的非线性和随机性等特点，更是大大增加了故障选线的难度。
目前针对消弧线圈接地系统中发生间歇性弧光接地时的故障选线方法主要有稳态选线方法和暂态选线方法两种，其中稳态选线方法利用稳态的工频信号或谐波信号，可用于消弧线圈接地系统，但由于稳态特征量的幅值较小，稳态方法在暂态振荡过程中极易受到干扰而失效。暂态选线方法利用接地初期的故障暂态特征，可在暂态过程中进行选线，但是当选线装置启动存在延时或暂态特征不明显时难以正确选线，尤其在间歇性接地故障的情况下，由于其通常伴随高阻接地的情况，导致首次接地产生的暂态量较小，使得暂态特征不明显。
另外，由于间歇性接地故障的复杂性，单一选线方法往往不能实现可靠选线，多判据融合的选线方法将具有更高的选线准确性和可靠性。但过于复杂的智能技术融合算法对选线装置的运算能力要求较高，不利于在具体工程中实施。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种消弧线圈接地系统的故障选线方法、装置及设备，能够对于包括间歇性接地故障在内的各种接地故障均能实现准确而可靠的故障选线。
一种消弧线圈接地系统的故障选线方法，其包括：
根据母线零序电压、消弧线圈电流及各馈线的零序电流，计算各元件的暂态能量及零序有功功率幅值，其中所述元件包括消弧线圈接地系统中的母线及馈线；
根据各所述元件的暂态能量及第一选线条件从各所述元件中选择第一备选元件；
根据各所述元件的零序有功功率幅值及第二选线条件从各所述元件中选择第二备选元件；
判断所述第一备选元件与所述第二备选元件是否一致，是则判定所述第一备选元件与所述第二备选元件其中之一为故障元件；
否则比较所述第一选线条件的第一可信度系数及所述第二选线条件的第二可信度系数，选取其中可信度系数较大的选线条件所对应的备选元件作为故障元件。
作为一种实施方式，所述根据各所述元件的暂态能量及第一选线条件从各所述元件中选择第一备选元件，包括：
比较各所述元件的暂态能量的大小，获取其中的最大值Wmax；
判断所述最大值Wmax是否大于预设能量阈值，是则选取所述最大值Wmax对应的元件为第一备选元件。
作为一种实施方式，所述根据各所述元件的零序有功功率幅值及第二选线条件从各所述元件中选择第二备选元件，包括：
比较各所述元件的零序有功功率幅值的大小，获取其中的最大值第二大值及第三大值
判断所述最大值所述第二大值及所述第三大值是否满足是则选取所述最大值对应的元件为第二备选元件。
作为一种实施方式，所述计算各元件的暂态能量及零序有功功率幅值，包括：
根据全波傅里叶算法，计算所述母线零序电压的有效值；
根据所述有效值的变化率进行故障阶段划分，得到暂态阶段系数pt及稳态阶段系数ps；
根据所述暂态阶段系数pt及所述消弧线圈接地系统中各馈线的线路参数，计算各元件在特征频带内的暂态能量；
根据所述稳态阶段系数ps、所述母线零序电压、所述消弧线圈电流及所述各馈线的零序电流，计算各所述元件的零序有功功率幅值。
作为一种实施方式，所述根据所述暂态阶段系数pt及所述消弧线圈接地系统中各馈线的线路参数，计算各元件在特征频带内的暂态能量，包括：
根据所述各馈线的线路参数，计算特征频带；
分别获取所述母线零序电压、所述消弧线圈电流及所述各馈线的零序电流在所述特征频带内的分量；
根据所述暂态阶段系数pt及各所述分量，计算各元件在所述特征频带内的暂态能量。
作为一种实施方式，所述根据所述稳态阶段系数ps、所述母线零序电压、所述消弧线圈电流及所述各馈线的零序电流，计算各所述元件的零序有功功率幅值，包括：
根据公式pj0(t)＝ps(t)·un(t)·ij0(t)，j＝M,1,2,...,k，计算各所述元件的瞬时零序功率pj0(t)，其中M为母线，k为所述消弧线圈接地系统中的馈线数量，ps(t)为在当前时刻t稳态阶段系数，un(t)为在当前时刻t所述母线零序电压、ij0(t)为在当前时刻t各馈线的零序电流；
通过直流滤波算法提取各所述元件的瞬时零序功率pj0(t)的直流分量，取所述直流分量的绝对值为各元件的零序有功功率幅值。
本发明还公开了一种消弧线圈接地系统的故障选线装置，其包括：
计算模块，用于根据母线零序电压、消弧线圈电流及各馈线的零序电流，计算各元件的暂态能量及零序有功功率幅值，其中所述元件包括消弧线圈接地系统中的母线及馈线；
第一选择模块，用于根据各所述元件的暂态能量及第一选线条件从各所述元件中选择第一备选元件；
第二选择模块，用于根据各所述元件的零序有功功率幅值及第二选线条件从各所述元件中选择第二备选元件；
判断模块，用于判断所述第一备选元件与所述第二备选元件是否一致，是则判定所述第一备选元件与所述第二备选元件其中之一为故障元件；否则比较所述第一选线条件的第一可信度系数及所述第二选线条件的第二可信度系数，选取其中可信度系数较大的选线条件所对应的备选元件作为故障元件。
作为一种实施方式，所述第一选择模块，包括：
第一比较单元，用于比较各所述元件的暂态能量的大小，获取其中的最大值Wmax；
第一选择单元，用于判断所述最大值Wmax是否大于预设能量阈值，是则选取所述最大值Wmax对应的元件为第一备选元件。
作为一种实施方式，所述第二选择模块，包括：
第二比较单元，用于比较各所述元件的零序有功功率幅值的大小，获取其中的最大值第二大值及第三大值
第二选择单元，用于判断所述最大值所述第二大值及所述第三大值是否满足是则选取所述最大值对应的元件为第二备选元件。
本发明还公开了一种消弧线圈接地系统的故障选线设备，其包括上述任一项所述的故障选线装置。
上述消弧线圈接地系统的故障选线方法、装置及设备，通过结合特征频带无功能量的暂态判据与零序有功功率的稳态判据，从而能实现对接地故障全过程中暂态与稳态特征的充分利用，相较于单一选线方法，提高了准确性和灵敏性。即便对于间歇性接地故障，也能进行分阶段处理，充分计及在接地故障全过程中各种暂态和稳态故障特征的强弱将随时间的推移而呈现的不同变化趋势，更加有效地利用其多次接地暂态过程及稳定接地阶段所包含的故障信息。
上述故障选线方法，受接地故障类型、故障位置、过渡电阻的影响小，对于相控式消弧线圈接地系统中所发生的间歇性接地等各种接地故障均能实现准确而可靠的故障选线，具有较强的工程实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1为一实施例的消弧线圈接地系统的接地故障选线方法的流程示意图；
图2为另一实施例的消弧线圈接地系统的接地故障选线方法的流程示意图；
图3为又一实施例的消弧线圈接地系统的接地故障选线方法的流程示意图；
图4为又一实施例的消弧线圈接地系统的接地故障选线方法的流程示意图；
图5为又一实施例的消弧线圈接地系统的接地故障选线方法的流程示意图；
图6为一实施例的消弧线圈接地系统的线路示意图；
图7为一实施例的消弧线圈接地系统的接地故障选线装置的结构示意图；
图8为另一实施例的消弧线圈接地系统的接地故障选线装置的结构示意图；
图9为又一实施例的消弧线圈接地系统的接地故障选线装置的结构示意图；
图10为一实施例的消弧线圈接地系统的接地故障选线设备的结构示意图；
图11为一实施例的消弧线圈接地系统的接地故障选线设备的系统架构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
下面结合附图描述根据本发明实施例的消弧线圈接地系统的故障选线方法、装置及设备。例如，本发明一实施例的消弧线圈接地系统的故障选线方法包括以下步骤：根据母线零序电压、消弧线圈电流及各馈线的零序电流，计算各元件的暂态能量及零序有功功率幅值，其中所述元件包括消弧线圈接地系统中的母线及馈线；根据各所述元件的暂态能量及第一选线条件从各所述元件中选择第一备选元件；根据各所述元件的零序有功功率幅值及第二选线条件从各所述元件中选择第二备选元件；判定所述第一备选元件与所述第二备选元件是否一致，是则判定所述第一备选元件与所述第二备选元件其中之一为故障元件；否则比较所述第一选线条件的第一可信度系数及所述第二选线条件的第二可信度系数，选取其中可信度系数较大的选线条件所对应的备选元件作为故障元件。其中，实时监测母线零序电压，根据母线零序电压判断是否发生接地故障及接地故障是否消失。
例如，如图1所示，本发明一实施例的消弧线圈接地系统的故障选线方法，包括以下步骤：
S110，根据母线零序电压、消弧线圈电流及各馈线的零序电流，计算各元件的暂态能量及零序有功功率幅值。
其中，本实施例所述的元件包括消弧线圈接地系统中的母线及馈线。
作为一种实施方式，实时监测母线零序电压，当母线零序电压大于设定的启动门槛值时，判断发生接地故障，则以当前时间为接地时刻，从t＝0开始计时，并执行本实施例的故障选线方法。其中，启动门槛值根据相电压设置，例如启动门槛值为相电压的一定比例。又如，设定的启动门槛值为相电压的20％。
作为一种实施方式，在执行本实施例的故障选线方法的同时，还实时计算母线零序电压的有效值，例如按照全波傅里叶算法实时计算母线零序电压的有效值，当该母线零序电压的有效值接近于零时，判断接地故障消失，可停止执行本实施例的故障选线方法。例如，记母线零序电压为un(t)，其有效值为Un_RMS，上述设定的启动门槛值为uset，在t>0的某一时刻，若则认为接地故障消失，可停止执行本实施例的故障选线方法，将该故障选线方法涉及的全部变量清零。
其中，上述母线零序电压、消弧线圈电流及各馈线的零序电流通过实时测量计算获得。例如，实时测量电压互感器及电流互感器的二次侧电压值和二次侧电流值，根据电压互感器及电流互感器的变比参数，计算得到一次侧的电压值及电流值，即上述母线零序电压、消弧线圈电流及各馈线的零序电流。
可选的，各元件的暂态能量是全频带范围内的暂态能量；或者，考虑到相控式消弧线圈输出电流的高频特性，为了消除高频特性的不利影响，各元件的暂态能量为在特征频带内的暂态能量，其中各元件的特征频带根据其串联谐振角频率计算得到。
在本实施例中，各元件的零序有功功率幅值为各元件的瞬时零序有功功率中直流分量的绝对值。
S120，根据各所述元件的暂态能量及第一选线条件从各所述元件中选择第一备选元件。
在本实施例中，第一选线条件为暂态选线条件，当各元件中存在暂态能量满足第一选线条件的元件时，该元件即为第一备选元件。其中，当存在多个满足第一选线条件的元件时，选取其中暂态能量最大的元件作为第一备选元件。
作为一种实施方式，预先设置一能量阈值，若暂态能量大于该能量阈值，则认为满足第一选线条件。
在一些实施方式中，第一备选元件只能为暂态能量最大的元件，即，判断该暂态能量最大的元件是否满足第一选线条件，若满足，则该暂态能量最大的元件为第一备选元件，否则认为暂态特征不足，无法选线，即不选取第一备选元件。
S130，根据各所述元件的零序有功功率幅值及第二选线条件从各所述元件中选择第二备选元件。
在本实施例中，第二选线条件为稳态选线条件，当各元件中存在零序有功功率幅值满足第二选线条件的元件时，该元件即为第二备选元件。
在一些实施方式中，第二备选元件只能为零序有功功率幅值最大的元件，即，判断该零序有功功率幅值最大的元件是否满足第二选线条件，若满足，则该该零序有功功率幅值最大的元件为第二备选元件，否则认为稳态特征不足，无法选线，即不选取第二备选元件。
S140，判断所述第一备选元件与所述第二备选元件是否一致，是则执行步骤S150，否则执行步骤S160。
S150，判定所述第一备选元件与所述第二备选元件其中之一为故障元件。
在本实施例中，若按照第一选线条件选出来的第一备选元件和按照第二选线条件选出来的第二备选元件相同，则直接判定第一备选元件或第二备选元件为故障元件。
S160，比较所述第一选线条件的第一可信度系数及所述第二选线条件的第二可信度系数，选取其中可信度系数较大的选线条件所对应的备选元件作为故障元件。
在本实施例中，若按照第一选线条件选出来的第一备选元件和按照第二选线条件选出来的第二备选元件不相同，则根据第一选线条件和第二选线条件的可信度系数，最终确定故障元件。具体地，选取可信度系数较大的选线条件所对应的备选元件作为故障元件。例如，若第一可信度系数大于第二可信度系数，则选取第一备选元件作为故障元件，否则选取第二备选元件作为故障元件。
其中，第一选线条件的第一可信度系数与各元件的暂态能量有关，可根据各元件的暂态能量计算得到；第二选线条件的第二可信度系数与各元件的零序有功功率有关，可根据各元件的零序有功功率计算得到。
作为一种实施方式，确定故障元件之后，还执行如下步骤：指示故障元件。例如，通过显示屏指示故障元件；又如，通过指示灯的闪烁次数指示故障元件；又如，通过语音播报方式指示故障元件。其中，故障元件为母线及各馈线中的至少一个。
上述消弧线圈接地系统的故障选线方法，通过结合特征频带无功能量的暂态判据与零序有功功率的稳态判据，从而能实现对接地故障全过程中暂态与稳态特征的充分利用，相较于单一选线方法，提高了准确性和灵敏性。即便对于间歇性接地故障，也能进行分阶段处理，充分计及在接地故障全过程中各种暂态和稳态故障特征的强弱将随时间的推移而呈现的不同变化趋势，更加有效地利用其多次接地暂态过程及稳定接地阶段所包含的故障信息。
上述故障选线方法，受接地故障类型、故障位置、过渡电阻的影响小，对于相控式消弧线圈接地系统中所发生的间歇性接地等各种接地故障均能实现准确而可靠的故障选线，具有较强的工程实用性。
作为一种实施方式，如图2所示，步骤S110包括：
S111，根据全波傅里叶算法，计算所述母线零序电压的有效值。
例如，实时监测母线零序电压un(t)，并根据全波傅里叶算法计算其有效值，该有效值记为Un_RMS。又如，按照预设时间间隔监测母线零序电压un(t)，当该时间间隔足够小时，可实现实时监测效果。
S112，根据所述有效值的变化率进行故障阶段划分，得到暂态阶段系数pt及稳态阶段系数ps。
本实施例中，所述有效值的变化率记为dUn_RMS/dt，由于母线零序电压un(t)及其有效值Un_RMS为零散值，则通过对母线零序电压有效值Un_RMS进行差分，求得该有效值的变化率dUn_RMS/dt。
具体地，按照如下所示计算公式分别计算暂态阶段系数pt及稳态阶段系数ps：
其中，ε为预先设定的变化率阈值。在接地初期，母线零序电压有效值变化率的最大值记为dmax，假设当变化率逐渐降低至一定程度时，认为进入故障稳态阶段，例如假设当变化率逐渐降低至dmax的20％时，认为进入故障稳态阶段，则ε＝0.2dmax。
S113，根据所述暂态阶段系数pt及所述消弧线圈接地系统中各馈线的线路参数，计算各元件在特征频带内的暂态能量。
具体地，根据所述消弧线圈接地系统中各馈线的线路参数，计算特征频带；进而根据所述暂态阶段系数pt、所述母线零序电压、所述消弧线圈电流及所述各馈线的零序电流，计算各元件在所述特征频带内的暂态能量。
具体实施中，特征频带的上限根据各馈线的首次串联谐振角频率确定，特征频带的下限为一固定值。例如，为排除消弧线圈补偿的影响，选取特征频带下限为200Hz。
作为一种实施方式，对于每条馈线，其特征频带的上限等于其首次串联谐振角频率。具体地，对于第i条馈线，其首次串联谐振角频率fksi由公式计算得到。其中，lki为第i条馈线的线路长度，L0ki为第i条馈线的单位长度零序电感，C0ki为第i条馈线的单位长度对地电容，k为所述消弧线圈接地系统中的馈线数量，即i＝1表示第1条馈线、i＝2表示第2条馈线，i＝k表示第k条馈线。
作为另一种实施方式，考虑到不同馈线的首次串联谐振角频率相差不大，为了节省运算量，取所有馈线的特征频带的上限值为各馈线的首次串联谐振角频率中的最小值。例如，选取各条馈线的首次串联谐振角频率fksi中最小值f′＝min(fksi)，则系统特征频带范围为200～f′Hz。
根据所述暂态阶段系数pt、所述母线零序电压、所述消弧线圈电流及所述各馈线的零序电流，计算各元件在所述特征频带内的暂态能量，包括：
分别获取所述母线零序电压、所述消弧线圈电流及所述各馈线的零序电流在所述特征频带内的分量；例如，分别对所述母线零序电压un、所述消弧线圈电流in及所述各馈线的零序电流进行滤波，获取其在特征频带内的分量。又如，利用6阶butterworth(巴特沃兹)带通滤波器，分别对所述母线零序电压un、所述消弧线圈电流in、所述各馈线的零序电流ij0(j＝1,2,...,k)，及母线的零序故障电流iM0进行滤波，获取其在特征频带内的分量，分别记为un_sf，in_sf，i10_sf，i20_sf，…，ik0_sf，iM0_sf。其中，
根据所述暂态阶段系数pt及各所述分量，计算各元件在所述特征频带内的暂态能量。具体地，根据所述暂态阶段系数pt及各所述分量，计算各元件在所述特征频带内的无功功率，对该无功功率进行积分，得到各元件在特征频带内的暂态能量Wj。例如，对于任意元件j，其在特征频带内的无功功率通过以下公式计算得到：
qj＝pt(t)·ij0_sf(t)·dun_sf(t)/dt，j＝M,1,2,...,k；
其中M表示母线，k为所述消弧线圈接地系统中的馈线数量，即j＝1表示第1条馈线、j＝2表示第2条馈线，j＝k表示第k条馈线。
令t＝0为接地时刻，由t＝0时起，实时对特征频带无功功率进行积分，则任意元件j在特征频带的暂态能量的计算公式为：
S114，根据所述稳态阶段系数ps、所述母线零序电压、所述消弧线圈电流及所述各馈线的零序电流，计算各所述元件的零序有功功率幅值。
在本实施例中，各元件的零序有功功率幅值为其瞬时零序有功功率中直流分量的绝对值。
具体实施中，根据所述稳态阶段系数ps、所述母线零序电压、所述消弧线圈电流及所述各馈线的零序电流，计算各元件的瞬时零序有功功率pj0(t)；再提取各元件瞬时零序功率pj0(t)的直流分量，例如利用FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅氏变换)方法分解提取各元件瞬时零序功率pj0(t)的直流分量，取该直流分量的绝对值为各元件的零序有功功率幅值，记为
例如，对于任意元件j，其瞬时零序功率通过以下公式计算得到：
pj0(t)＝ps(t)·un(t)·ij0(t)，j＝M,1,2,...,k；
其中，ps(t)为瞬时稳态阶段系数，即当前时间的稳态阶段系数；un(t)为瞬时母线零序电压，即当前时间的母线零序电压；ij0(t)为元件j的瞬时零序电流，即元件j在当前时间的零序电流。
具体地，当j＝M时，ij0(t)表示当前时间母线的零序故障电流iM0(t)；当j＝1,2,...,k时，ij0(t)表示当前时间各馈线的零序电流。其中，in(t)为当前时间的消弧线圈电流。
作为一种实施方式，如图3所示，步骤S120包括：
S121，比较各所述元件的暂态能量的大小，获取其中的最大值Wmax。
例如，比较各元件在特征频带内的暂态能量Wj的大小，获取其中的最大值Wmax。
S122，判断所述最大值Wmax是否大于预设能量阈值，是则执行步骤S123。
在本实施例中，预先设置一能量阈值Wset，例如，设定该能量阈值Wset＝1V·A·s。比较上述最大值Wmax及该预设能量阈值Wset，判断最大值Wmax是否满足Wmax＞Wset。
S123，选取所述最大值Wmax对应的元件为第一备选元件。
在本实施例中，若步骤S122的判断结果为是，则认为Wmax对应元件为故障元件；否则认为暂态特征不足，无法根据第一选线条件进行选线。
作为一种实施方式，如图4所示，步骤S130包括：
S131，比较各所述元件的零序有功功率幅值的大小，获取其中的最大值第二大值及第三大值
S132，判断所述最大值所述第二大值及所述第三大值是否满足是则执行步骤S133。
S133，选取所述最大值对应的元件为第二备选元件。
在本实施例中，比较各元件的零序有功功率幅值的大小，取中的前三个最大值判断是否满足若满足，则认为对应元件为故障元件，若不满足，则认为稳态特征不足，无法根据第二选线条件进行选线。
作为一种实施方式，在步骤S160之前，还执行步骤：计算所述第一选线条件的第一可信度系数；以及，计算所述第二选线条件的第二可信度系数。
其中，第一可信度系数与各元件的暂态能量有关，可根据各元件的暂态能量计算得到；例如，第一可信度系数，即暂态方法的可信度系数kt为：
其中，αt为暂态临界系数；Wmax为各元件在特征频带内的暂态能量最大值；WΣ为除Wmax对应元件以外，其余各元件在特征频带内的暂态能量之和，即WΣ＝ΣWj-Wmax。作为一较佳实施方式，取αt＜1，例如αt＝0.8。
其中，第二可信度系数与各元件的零序有功功率有关，可根据各元件的零序有功功率计算得到。例如，第二可信度系数，即稳态方法可信度系数ks为：
其中，αs为稳态临界系数，为除对应元件以外，其余各元件的零序有功功率绝对值之和，即作为一较佳实施方式，取αs＞1，例如αs＝1.2。
作为一种实施方式，步骤S160之前，还执行步骤：判断计时时间是否满足t＞tset，是则执行步骤S160，否则认为故障在设定的时间阈值之内已经消失，则不需要给出选线结果。
其中，tset为预先设定的时间阈值，例如tset＝1s。
在本实施例中，当接地故障持续一定时间时，比较第一可信度系数kt及第二可信度系数ks，选取其中的可信度较大的方法所得的选线结果为最终故障选线结果。例如，若第一可信度系数kt大于第二可信度系数ks，则选取第一备选元件作为故障元件，否则选取第二备选元件作为故障元件。
其中，图5为本发明一具体实施例的消弧线圈接地系统的故障选线方法的流程示意图。如图5所示，在一具体实施例中，上述故障选线方法包括如下步骤：
S500，启动选线装置。
S501，采集母线零序电压，消弧线圈电流及各馈线的零序电流。
S502，由公式计算母线零序故障电流。
S503，计算中性点电压有效值的变化率dU0.RMS/dt。
S504，计算暂态阶段系数pt及稳态阶段系数ps，并同步执行步骤S505及步骤S512，其中：
S505，由系统结构参数计算特征频带。
S506，利用带通滤波器获得各电压电流信号的特征频带分量。
S507，计算各元件的特征频带暂态能量：
S508，比较获得Wj中的最大值Wmax。
S509，判断是否满足Wmax＞Wset，是则执行S510，否则执行S511。
S510，将Wmax对应元件作为暂态选线结果。
S511，判断是否满足t＞tset，是则无暂态选线结果，否则返回执行步骤S507。
S512，计算各元件的瞬时零序功率：
pj0(t)＝ps(t)·un(t)·ij0(t)，j＝M,1,2,...,k。
S513，利用直流滤波算法获得瞬时功率的直流分量幅值。
S514，比较获得前三个最大值
S515，判断是否满足是则执行S516，否则执行S517。
S516，将对应元件作为稳态选线结果。
S517，判断是否满足t＞tset，是则无稳态选线结果，否则返回执行步骤S514。
S518，判断暂态选线结果及稳态选线结果是否一致，是则执行S521，否则执行S519。
S519，计算暂态方法可信度系数kt及稳态方法可信度系数kt：
S520，由可信度系数大的方法给出选线结果。
S521，指示故障线路。
下面以图6所示的配电网为例，列举几种不同的接地故障情况予以说明。
其中，图6所示配电网的电源额定电压为110kV，系统侧等值阻抗为j4.084Ω。如图6所示，中性点采用相控式消弧线圈接地，且在接地信号出现后立刻投入补偿，补偿度为过补偿5％，可控硅导通角为120°。主变额定容量为40MVA，变比为110/11。10kV母线共带有6回馈线L1～L6，均为电缆线路，型号为YJV22-3*300，其线路串联阻抗为0.0788+j0.0885Ω/km，对地电容为0.3755μF/km，馈线L1～L6的长度分别为5km、5.5km、4.5km、4.5km、7km、7.5km，线路负荷分别为0.01MW、0.05MW、0.05MW、0.03MW、0.01MW、0.02MW。设置装置采样频率为5kHz。图中，i10～i60为线路L1～L6的零序电流，in为中性点处测得的消弧线圈补偿电流，un为母线零序电压。
例如，线路L4发生间歇性接地故障，电弧接地时间分别为t＝0.5671s～t＝0.5971s、t＝0.6071s～t＝0.6171s。过渡电阻为100Ω。上述步骤中预先设定的变化率阈值为ε＝0.2*18＝3.6kV/s。线路L1～L6及母线的特征频带暂态能量计算值分别为9.41、7.57、21.63、5.37、10.07、0.00，根据第一选线条件，暂态选线结果为L4故障；零序有功功率计算值分别为0.67、0.60、0.32、5.64、0.53、0.81、0.00，根据第二选线条件，稳态选线结果为L4故障。故障选线结果为线路L4发生故障。
例如，母线处发生间歇性接地故障，电弧接地时间分别为t＝0.5671s～t＝0.5971s、t＝0.6071s～t＝0.6171s。过渡电阻为300Ω。上述步骤中预先设定的变化率阈值为ε＝0.2*7.1＝1.4kV/s。线路L1～L6及母线的特征频带暂态能量计算值分别为1.32、1.37、0.84、1.06、1.27、1.69、3.53，根据第一选线条件，暂态选线结果为母线故障；零序有功功率计算值分别为0.38、0.30、0.17、0.42、0.28、3.61、4.83，根据第二选线条件，稳态选线结果为母线故障。故障选线结果为母线发生故障。
例如，线路L6发生永久性接地故障，过渡电阻为50Ω。上述步骤中预先设定的变化率阈值为ε＝0.2*27＝5kV/s。线路L1～L6及母线的特征频带暂态能量计算值分别为14.00、12.82、7.01、14.24、12.48、29.86、0.00，根据第一选线条件，暂态选线结果为L6故障；零序有功功率计算值分别,0.18、0.58、0.27、0.49、0.19、2.53、0.00，根据第二选线条件，稳态选线结果为L6故障。故障选线结果为线路L6发生故障。
理论和实际表明，本发明利用接地故障全过程的暂态及稳态故障特征，对相控式消弧线圈接地系统所发生的含间歇性接地故障在内的各类接地故障均能实现准确而可靠的故障选线，具有良好的工程实用价值。
请参阅图7，其为本发明一实施例的消弧线圈接地系统的故障选线装置的结构示意图。该故障选线装置可用于执行图1至5中任一项所示故障选线方法。如图7所示，该故障选线装置200包括：
计算模块210，用于根据母线零序电压、消弧线圈电流及各馈线的零序电流，计算各元件的暂态能量及零序有功功率幅值，其中所述元件包括消弧线圈接地系统中的母线及馈线；
第一选择模块220，用于根据各所述元件的暂态能量及第一选线条件从各所述元件中选择第一备选元件；
第二选择模块230，用于根据各所述元件的零序有功功率幅值及第二选线条件从各所述元件中选择第二备选元件；
判断模块240，用于判断所述第一备选元件与所述第二备选元件是否一致，是则判定所述第一备选元件与所述第二备选元件其中之一为故障元件；否则比较所述第一选线条件的第一可信度系数及所述第二选线条件的第二可信度系数，选取其中可信度系数较大的选线条件所对应的备选元件作为故障元件。
在一个实施例中，如图8所示，第一选择模块220包括第一比较单元221及第一选择单元222，其中：
第一比较单元221，用于比较各所述元件的暂态能量的大小，获取其中的最大值Wmax；
第一选择单元222，用于判断所述最大值Wmax是否大于预设能量阈值，是则选取所述最大值Wmax对应的元件为第一备选元件。
在一个实施例中，如图9所示，第二选择模块230包括第二比较单元231及第二选择单元232，其中：
第二比较单元231，用于比较各所述元件的零序有功功率幅值的大小，获取其中的最大值第二大值及第三大值
第二选择单元232，用于判断所述最大值所述第二大值及所述第三大值是否满足是则选取所述最大值对应的元件为第二备选元件。
在一个实施例中，计算模块210具体用于：
根据全波傅里叶算法，计算所述母线零序电压的有效值；
根据所述有效值的变化率进行故障阶段划分，得到暂态阶段系数pt及稳态阶段系数ps；
根据所述暂态阶段系数pt及所述消弧线圈接地系统中各馈线的线路参数，计算各元件在特征频带内的暂态能量；
根据所述稳态阶段系数ps、所述母线零序电压、所述消弧线圈电流及所述各馈线的零序电流，计算各所述元件的零序有功功率幅值。
在一个实施例中，计算模块210根据所述暂态阶段系数pt及所述消弧线圈接地系统中各馈线的线路参数，计算各元件在特征频带内的暂态能量，具体包括：
根据所述各馈线的线路参数，计算特征频带；
分别获取所述母线零序电压、所述消弧线圈电流及所述各馈线的零序电流在所述特征频带内的分量；
根据所述暂态阶段系数pt及各所述分量，计算各元件在所述特征频带内的暂态能量。
在一个实施例中，计算模块210根据所述稳态阶段系数ps、所述母线零序电压、所述消弧线圈电流及所述各馈线的零序电流，计算各所述元件的零序有功功率幅值，具体包括：
根据公式pj0(t)＝ps(t)·un(t)·ij0(t)，j＝M,1,2,...,k，计算各所述元件的瞬时零序功率pj0(t)，其中M为母线，k为所述消弧线圈接地系统中的馈线数量，ps(t)为在当前时刻t稳态阶段系数，un(t)为在当前时刻t所述母线零序电压、ij0(t)为在当前时刻t各馈线的零序电流；
通过直流滤波算法提取各所述元件的瞬时零序功率pj0(t)的直流分量，取所述直流分量的绝对值为各元件的零序有功功率幅值。
本发明又一实施例是，一种消弧线圈接地系统的故障选线装置，其采用上述任一实施例所述消弧线圈接地系统的故障选线方法；例如，一种消弧线圈接地系统的故障选线装置，其采用上述任一实施例所述消弧线圈接地系统的故障选线方法实现；又如，一种消弧线圈接地系统的故障选线装置，其具有上述任一实施例所述消弧线圈接地系统的故障选线方法所对应的功能模块。
上述消弧线圈接地系统的故障选线装置，通过结合特征频带无功能量的暂态判据与零序有功功率的稳态判据，从而能实现对接地故障全过程中暂态与稳态特征的充分利用，相较于单一选线方法，提高了准确性和灵敏性。即便对于间歇性接地故障，也能进行分阶段处理，充分计及在接地故障全过程中各种暂态和稳态故障特征的强弱将随时间的推移而呈现的不同变化趋势，更加有效地利用其多次接地暂态过程及稳定接地阶段所包含的故障信息。
上述故障选线装置，受接地故障类型、故障位置、过渡电阻的影响小，对于相控式消弧线圈接地系统中所发生的间歇性接地等各种接地故障均能实现准确而可靠的故障选线，具有较强的工程实用性。
本发明实施例还提供了一种消弧线圈接地系统的故障选线设备，其包括上述任一实施例所述的故障选线装置。
在一个实施例中，如图10所示，上述故障选线设备10，具体包括A/D采样模块11、主控模块12、JTAG模块13、人机交互模块14、开入开出模块15和以太网模块16，其中所述A/D采样模块11、所述JTAG模块13、所述人机交互模块14、所述开入开出模块15和所述以太网模块16分别与所述主控模块12连接。
本实施例中，A/D采样模块11的输出端与主控模块12连接，A/D采样模块11的输入端用于连接消弧线圈接地系统中的母线、消弧线圈及各馈线，以采集母线零序电压、消弧线圈电流及各馈线的零序电流。
其中，主控模块12起主控作用，用于接收A/D采样模块11采集的数据信号，进行接地故障选线处理，并控制JTAG模块13、人机交互模块14、开入开出模块15和以太网模块16，实现调试、配置、人机交互、通信等功能。例如，主控模块12执行上述任一实施例所述的消弧线圈接地系统的故障选线方法，以进行接地故障选线处理。例如，上述故障选线装置集成在主控模块12内部，用以执行上述任一实施例所述的消弧线圈接地系统的故障选线方法。
作为一种实施方式，主控模块11采用双处理器，例如，如图11所示，主控模块11包括一ARM(Advanced RISC Machines，进阶精简指令集机器)处理器及一DSP(DigitalSignal Processor，数字信号处理器)。其中，DSP芯片和ARM处理器之间通过共享UHPI(Universal Host-Port Interface，通用主机端口接口)进行数据交换。
ARM处理器用于人机交互控制及通信控制。例如，ARM处理器与人机交互模块连接，以控制人机交互模块进行显示输出、语音输出、按键输入等人机交互操作。又如，ARM处理器还与以太网模块16连接，以控制以太网模块16，实现与保护信息子站、控制中心的信息交互。DSP芯片负责进行数据采集、数据预处理以及基于暂态量的故障综合选线逻辑判断等工作。
请一并参阅图11，其为上述接地故障选线设备的系统架构示意图。如图11所示，主控模块12还包括与JTAG模块13连接的JTAG控制器，用于控制上述JTAG模块13。
作为一种实施方式，JTAG模块13包括14针JTAG接口。采用标准的14针JTAG接口，实现对所述接地故障选线设备的调试与配置。
在一个实施例中，ARM处理器包括MII(Media Independent Interface，介质无关接口)控制器，MII控制器与所述以太网模块16连接。
所述以太网模块16包括以太网口、媒体访问控制器单元及网络物理层单元。其中，以太网口包括电以太网口及光以太网口中至少一种。例如，以太网模块16配置有两个电以太网口和两个光以太网口。这样，通信接口丰富，适用范围更广。
本实施例中，以太网模块为遵循IEEE 802.3-2002规范的百兆以太网控制器，例如采用百兆网络控制芯片KSZ8995为核心。以太网模块16支持变电站层MMS(ManufacturingMessage Specification，制造报文规范通信，例如，通过以太网模块16收发IEC 61850变电站层总线上的MMS报文，实现与保护信息子站、控制中心的信息交互。
在一个实施例中，人机交互模块14包括显示器及按键模块中至少一种。
其中，显示器包括显示屏及其驱动电路。对于非自主发光显示器，还包括背光调节电路。例如，以液晶显示器为例，其包括LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示)屏、LCD驱动芯片及背光调节电路，其中所述LCD驱动芯片及所述背光调节电路分别与所述LCD显示屏连接。例如，显示器采用内置驱动芯片及背光调节芯片的TFT(Thin-Film Transistor，薄膜晶体管)LCD显示器，支持背光调节，便于对故障综合选线装置进行工况监视以及整定配置。又如，采用分辨率为480*272的5英寸彩色TFT屏幕，所述TFT屏幕内置LCD驱动器，经缓冲器芯片SN74ALVCH16827DGGR与ARM处理器相连。所述TFT屏幕使用TPS61080芯片控制TFT屏幕背光。
相应地，ARM处理器还包括LCD控制器，所述LCD控制器与所述LCD驱动芯片连接。ARM处理器通过LCD控制器对显示器进行控制。
作为一种实施方式，按键模块包括矩阵键盘以及与所述矩阵键盘连接的键盘芯片；相应地，所述ARM处理器还包括通信接口，所述通信接口与所述键盘芯片连接。例如，所述通信接口包括SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)或I2C(Inter－Integrated Circuit)总线接口。键盘芯片通过SPI或I2C总线接口与主控模块12通信，便于保护测控装置的配置整定。例如，使用TCA8418键盘芯片对4*5矩阵键盘进行扫描，并通过I2C接口与主控模块12中的ARM控制器进行通信。
在一个实施例中，所述A/D采样模块11包括多个微型互感器、多路低通滤波电路及多个A/D转换芯片，其中所述多个微型互感器的输出端分别连接所述多路低通滤波电路的输入端，所述多路低通滤波电路的输出端分别连接所述多个A/D转换芯片的输入引脚；所述多个A/D转换芯片的输出引脚连接所述主控模块。
例如，A/D采样模块11包括8个微型互感器、8路低通滤波电路和8个A/D转换芯片。其中，微型互感器包括电流变比为10A/7.07V的电流互感器和电压变比为200V/7.07V的电压互感器；低通滤波采用巴特沃兹低通滤波器，例如采用由TL072运放组成的巴特沃兹低通滤波器，其截止频率为2kHz；A/D转换芯片为16位、最大采样频率200kHz的转换芯片，例如采用ADS1178芯片。
作为一种实施方式，A/D采样模块设置于A/D采样板卡上，与主控模块通过高速串行总线连接，例如通过SPI接口连接。又如，上述接地故障选线设备可安装4块A/D采样板卡，共32路A/D采样通道。
在一个实施例中，上述开入开出模块15具有多路开入量及多路开出量。例如，本实施例的开入开出模块具有8路开入量和8路开出量，由DSP芯片的GPIO(General PurposeInput Output，通用输入输出)扩展组成。其中8路开入量通过TLP027光耦隔离输入，支持24V/110V/220V开入量输入，8路开出量通过DSP实现1-24V继电输出，接点最大容量为250V/5A。
在一个实施例中，接地故障选线设备还包括电源模块，所述电源模块与所述主控模块连接。具体地，电源模块用于将接入的交流电压转换为可供上述接地故障选线设备使用的直流电压。例如，本实施例的电源模块的输入范围为85-264VAC，用于将接入的交流电压转换5V、±15V和24V直流电压后供接地故障选线设备的各个模块使用。
上述消弧线圈接地系统的接地故障选线设备，基于暂态量和稳态量进行综合故障选线，具有高精度模数转换能力、强大数据处理以及数据通信能力，集成度高，应用灵活。
应该说明的是，上述装置实施例中，所包括的各个模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于可读取存储介质中，所述存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种消弧线圈接地系统的故障选线方法，其特征在于，包括：
根据母线零序电压、消弧线圈电流及各馈线的零序电流，计算各元件的暂态能量及零序有功功率幅值，其中所述元件包括消弧线圈接地系统中的母线及馈线；
根据各所述元件的暂态能量及第一选线条件从各所述元件中选择第一备选元件；
根据各所述元件的零序有功功率幅值及第二选线条件从各所述元件中选择第二备选元件；
判断所述第一备选元件与所述第二备选元件是否一致，是则判定所述第一备选元件与所述第二备选元件其中之一为故障元件；
否则比较所述第一选线条件的第一可信度系数及所述第二选线条件的第二可信度系数，选取其中可信度系数较大的选线条件所对应的备选元件作为故障元件。
2.如权利要求1所述的故障选线方法，其特征在于，所述根据各所述元件的暂态能量及第一选线条件从各所述元件中选择第一备选元件，包括：
比较各所述元件的暂态能量的大小，获取其中的最大值Wmax；
判断所述最大值Wmax是否大于预设能量阈值，是则选取所述最大值Wmax对应的元件为第一备选元件。
3.如权利要求1所述的故障选线方法，其特征在于，所述根据各所述元件的零序有功功率幅值及第二选线条件从各所述元件中选择第二备选元件，包括：
比较各所述元件的零序有功功率幅值的大小，获取其中的最大值第二大值及第三大值
判断所述最大值所述第二大值及所述第三大值是否满足是则选取所述最大值对应的元件为第二备选元件。
4.如权利要求1或2所述的故障选线方法，其特征在于，所述计算各元件的暂态能量及零序有功功率幅值，包括：
根据全波傅里叶算法，计算所述母线零序电压的有效值；
根据所述有效值的变化率进行故障阶段划分，得到暂态阶段系数pt及稳态阶段系数ps；
根据所述暂态阶段系数pt及所述消弧线圈接地系统中各馈线的线路参数，计算各元件在特征频带内的暂态能量；
根据所述稳态阶段系数ps、所述母线零序电压、所述消弧线圈电流及所述各馈线的零序电流，计算各所述元件的零序有功功率幅值。
5.如权利要求4所述的故障选线方法，其特征在于，所述根据所述暂态阶段系数pt及所述消弧线圈接地系统中各馈线的线路参数，计算各元件在特征频带内的暂态能量，包括：
根据所述各馈线的线路参数，计算特征频带；
分别获取所述母线零序电压、所述消弧线圈电流及所述各馈线的零序电流在所述特征频带内的分量；
根据所述暂态阶段系数pt及各所述分量，计算各元件在所述特征频带内的暂态能量。
6.如权利要求4所述的故障选线方法，其特征在于，所述根据所述稳态阶段系数ps、所述母线零序电压、所述消弧线圈电流及所述各馈线的零序电流，计算各所述元件的零序有功功率幅值，包括：
根据公式pj0(t)＝ps(t)·un(t)·ij0(t)，j＝M,1,2,...,k，计算各所述元件的瞬时零序功率pj0(t)，其中M为母线，k为所述消弧线圈接地系统中的馈线数量，ps(t)为在当前时刻t稳态阶段系数，un(t)为在当前时刻t所述母线零序电压、ij0(t)为在当前时刻t各馈线的零序电流；
通过直流滤波算法提取各所述元件的瞬时零序功率pj0(t)的直流分量，取所述直流分量的绝对值为各元件的零序有功功率幅值。
7.一种消弧线圈接地系统的故障选线装置，其特征在于，包括：
计算模块，用于根据母线零序电压、消弧线圈电流及各馈线的零序电流，计算各元件的暂态能量及零序有功功率幅值，其中所述元件包括消弧线圈接地系统中的母线及馈线；
第一选择模块，用于根据各所述元件的暂态能量及第一选线条件从各所述元件中选择第一备选元件；
第二选择模块，用于根据各所述元件的零序有功功率幅值及第二选线条件从各所述元件中选择第二备选元件；
判断模块，用于判断所述第一备选元件与所述第二备选元件是否一致，是则判定所述第一备选元件与所述第二备选元件其中之一为故障元件；否则比较所述第一选线条件的第一可信度系数及所述第二选线条件的第二可信度系数，选取其中可信度系数较大的选线条件所对应的备选元件作为故障元件。
8.如权利要求7所述的故障选线装置，其特征在于，所述第一选择模块，包括：
第一比较单元，用于比较各所述元件的暂态能量的大小，获取其中的最大值Wmax；
第一选择单元，用于判断所述最大值Wmax是否大于预设能量阈值，是则选取所述最大值Wmax对应的元件为第一备选元件。
9.如权利要求7所述的故障选线装置，其特征在于，所述第二选择模块，包括：
第二比较单元，用于比较各所述元件的零序有功功率幅值的大小，获取其中的最大值第二大值及第三大值
第二选择单元，用于判断所述最大值所述第二大值及所述第三大值是否满足是则选取所述最大值对应的元件为第二备选元件。
10.一种消弧线圈接地系统的故障选线设备，其特征在于，包括如权利要求7至9中任一项所述的故障选线装置。
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