CN106841924A - 基于参数识别的配电网线路绝缘监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于参数识别的配电网线路绝缘监测方法，包括：首先对中性点不接地的配电网，假设线路绝缘完好的情况下建立其数学模型；利用仿真所得的绝缘劣化时零序电压和零序电流数据，通过最小二乘法求解模型参数；借助得到的线路对地电容和对地电阻的符号，判断本条线路的绝缘状况。本方法直接识别与线路绝缘相关的等效对地电阻和等效对地电容，无需添加额外电气设备，能够实现全时段在线监测和预警；绝缘劣化的判别基于识别参数的符号，动作关系明确易于区分，不存在动作值不稳定的情况。

Description

基于参数识别的配电网线路绝缘监测方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，特别涉及一种基于参数识别的配电网线路绝缘监测方法。

背景技术

电力电缆以其安全、可靠、有利于美化城市与厂矿布局等优点，获得了越来越广泛的应用。电缆能适应地下、水底等各种敷设环境，其供电条件受自然气象因素和环境因素影响较小，对人身伤害小。由于电缆线路，尤其是城市配电网的电缆线路，多埋于地下，一旦发生故障寻找起来十分困难。不仅浪费大量的人力物力，而且会造成停电损失。

电缆绝缘的好坏是影响电缆安全可靠运行的关键因素。过去我国广泛使用的预防性试验是采用定期停电进行试验的方法，属于离线测量。由于经济、电力水平的发展，停电试验的传统方法已经越来越不满足实际需求；能够准确、有效判别电缆绝缘良好程度的方法是电力电缆绝缘在线监测技术的关键；现在国内外主要使用的电缆绝缘在线监测方法包括：直流叠加法、直流成分法、局部放电法、介质损耗监测法等。其中很多方法都存在易受干扰、所需电气量测量困难等问题。局部放电法是国际认可的一种电缆监测方法，但是其局部放电信号难以监测，易受干扰，是电缆出厂的质量判别方法且主要在实验条件好的实验室内进行，无法室外操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于参数识别的配电网线路绝缘监测方法，以解决现有电力电缆绝缘在线监测技术存在的不足。本发明首先对中性点不接地的配电网，假设线路绝缘完好的情况下建立其数学模型；利用仿真所得的绝缘劣化时零序电压和零序电流数据，通过最小二乘法求解模型参数；借助得到的线路对地电容和对地电阻的符号，判断本条线路的绝缘状况。本方法直接识别与线路绝缘相关的等效对地电阻和等效对地电容，无需添加额外电气设备，在现有测量手段的基础上实现全时段电缆线路绝缘在线监测和预警。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于参数识别的配电网线路绝缘监测方法，包括以下步骤：

1)建立模型

在一个多出线的中性点不接地配电网系统中，据电路理论，任意一条没有发生绝缘劣化的支路有如下方程：

式中，c、r为每相线路的对地电容和对地电阻；由于对称性，各相线路对地电容和对地电阻都相同，此处用同一字母表示；i_a、u_ag、i_al分别为该条支路A相线路电流、母线电压、负荷电流i_b、u_bg、i_bl分别为该条支路B相线路电流、母线电压、负荷电流，i_c、u_cg、i_cl分别为该条支路C相线路电流、母线电压、负荷电流；经过变换后得时域微分方程：

式中，u₀为该支路零序电压，i₀为该支路零序电流；参数识别的离散模型为：

式中，C、R分别为该支路的对地电容和对地电阻；u₀(k)、i₀(k)分别为第k个采样点的零序电压和零序电流，T_s为采样间隔；

2)参数识别及判定

参数识别离散模型中u₀(k)、i₀(k)均为已知量，未知量为支路对地电容C和对地电阻R；由f(R,C)＝0可知，取连续3个采样点的数据联立得到非线性方程组，利用最小二乘法求解得到待求电容值C和电阻值R；

得到支路对地电容和对地电阻的参数估计值后，进行该支路绝缘劣化的判别。

进一步的，步骤2)中该支路绝缘劣化的判别方法为：

a)若支路对地电容和对地电阻的参数估计值序列的平均值为负，且对地电阻绝对值大于整定值，即

式中，C(k)为电容估计值序列，R(k)为电阻估计值序列，R_f为整定值；

b)若支路对地电容和对地电阻的参数估计值序列的平均值为正，但对地电阻绝对值小于整定值，则判定为绝缘良好；

c)若支路对地电容和对地电阻的参数估计值序列的平均值不为负，则判定为绝缘良好。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出的在线绝缘监测方法，仅仅利用已有的电气量即可实现电缆决选良好程度的判别，无需停电也无需添加其他测量设备，从原理上克服了以往绝缘监测受干扰严重、电气量测量不准确的缺陷。此外，本发明使用的判剧非正即负，能够非常明显的表征绝缘裂化情况。本发明为中性点接地的配电网系统电缆线路的绝缘在线监测提供了一种可靠、简便的方法。

附图说明

图1为单相电缆分布参数模型示意图；

图2为电阻均匀减小时，△R与△I关系图；

图3为电容均匀增大时，△C与△I关系图；

图4为配电网电流分布图；

图5为配电网模型简图；

图6为1号支路A相电缆绝缘劣化各线路识别电阻；

图7为1号支路A相电缆绝缘劣化各线路识别电容；

图8为3号支路A相电缆绝缘劣化各线路识别电阻；

图9为3号支路A相电缆绝缘劣化各线路识别电容。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

请参阅图1至图9所示，本发明一种基于参数识别的配电网线路绝缘监测方法，包括以下步骤：

1)建立模型

在一个多出线的中性点不接地配电网系统中，所有线路采用分布参数模型。根据电路理论，任意一条没有发生绝缘劣化的支路有如下方程：

式中，c、r为一相线路的对地电容和对地电阻，i_a、u_ag、i_al分别为该条支路A相线路电流、母线电压、负荷电流，i_b、u_bg、i_bl分别为该条支路B相线路电流、母线电压、负荷电流，i_c、u_cg、i_cl分别为该条支路C相线路电流、母线电压、负荷电流。经过变换后可得时域微分方程：

式中，u₀为该支路零序电压，i₀为该支路零序电流。因此，参数识别的离散模型为：

式中，记C、R分别为该支路的对地电容和对地电阻；u₀(k)、i₀(k)分别为第k个采样点的零序电压和零序电流，T_s为采样间隔；

2)模型识别与判定

参数识别离散模型中u₀(k)、i₀(k)均为已知量，实际的未知量仅为支路对地电容C和对地电阻R，可以表示成形如f(R,C)＝0的方程。连续两个采样点数据，联立即可得到一个非线性方程组，求解这个非线性方程组即可得到待求的支路对地电容C和对地电阻R。为得到更为精确的解，采样最小二乘意义下的参数估计值。

如果令：

a₁＝c，

g₂(k)＝u₀

y(k)＝i₀(k)

则a＝[a₁,a₂]^T，g(k)＝[g₁(k),g₂(k)]^T

以上公式带入式(3)，得：

y(k)＝g^T(k)a

根据最小二乘原理，就是要寻找合适的a_l，使

式中，m为完成一次参数估计所要使用的数据点的个数。

minδ²为a_l的二次函数，该式成立的条件是：

可得：

式中：

取连续采样点求解以上方程组，即可得到最小二乘意义下的参数估计值。当采样点数目达到一定数量(理论上是三个以上，实际应用中依据工程实际而定，数量越多将越精确，可以取几十个甚至上百个)时，利用数据冗余，可以对参数做出一个最有估计，使模型特征能够得到更加充分的体现，减小数据计算误差和采样误差等给参数估计带来的波动性。

得到支路对地电容和对地电阻的参数估计值后，即可进行该支路绝缘劣化的判别，具体判别方法为；

a)若支路对地电容和对地电阻的参数估计值序列的平均值为负，且对地电阻绝对值大于整定值，即

式中，C(k)为电容估计值序列，R(k)为电阻估计值序列，R_f为整定值，为了排除干扰的影响。满足式(4)则可以直接判定为绝缘劣化线。

b)若支路对地电容和对地电阻的参数估计值序列的平均值为正，但对地电阻绝对值小于整定值，则判定为绝缘良好。

c)若支路对地电容和对地电阻的参数估计值序列的平均值不为负，则判定为绝缘良好。仿真验证：

图1为单相电缆的分布参数模型，图2、图3分别为裂化过程中电缆接地电流随电缆对地电阻R₀、C₀变化的变化规律。其中Δi＝i/i₀，ΔC＝lg(C/C₀)，ΔR＝lg(R₀/R)。i为绝缘劣化后监测得到的接地不平衡电流有效值，i₀为绝缘良好时监测到的接地不平衡电流有效值，C、R为绝缘劣化后的对地电容和接地电阻值，C₀、R₀绝缘良好时的对地电容和接地电阻值。由图可见，本发明仿真方法能够很好模拟电缆线路绝缘裂化。

图5为配电网模型简图，当1号支路A相电缆绝缘劣化时，通过参数识别计算得到的各支路的电阻值以及电容值如图6、图7所示。仅1号支路识别电阻和识别电容为负值，其余线路为正值，本方法有效。

当3号支路A相电缆绝缘劣化时，通过参数识别计算得到的各支路的电阻值以及电容值如图8、图9所示。1号和4号支路的识别电阻和识别电容均为负值，其他支路均为正值。通过配合，能够确定3号支路绝缘裂化，检修完成后即可判定1号支路是否裂化。因此，本方法有效。

Claims (2)

1.基于参数识别的配电网线路绝缘监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立模型

在一个多出线的中性点不接地配电网系统中，据电路理论，任意一条没有发生绝缘劣化的支路有如下方程：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=c\frac{{\mathrm{du}}_{ag}}{dt}+\frac{u_{ag}}{r}+i_{al}\\ i_b=c\frac{{\mathrm{du}}_{bg}}{dt}+\frac{u_{bg}}{r}+i_{bl}\\ i_c=c\frac{{\mathrm{du}}_{cg}}{dt}+\frac{u_{cg}}{r}+i_{cl}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，c、r为每相线路的对地电容和对地电阻；i_a、u_ag、i_al分别为该条支路A相线路电流、母线电压、负荷电流i_b、u_bg、i_bl分别为该条支路B相线路电流、母线电压、负荷电流，i_c、u_cg、i_cl分别为该条支路C相线路电流、母线电压、负荷电流；经过变换后得时域微分方程：

$i_0=C\frac{{\mathrm{du}}_0}{dt}+\frac{u_0}{R}---\left(2\right)$

式中，u₀为该支路零序电压，i₀为该支路零序电流；参数识别的离散模型为：

$i_0\left(k\right)=C\×\frac{u_0(k+1)-u_0(k-1)}{2T_s}+\frac{1}{R}{u}_0\left(k\right)---\left(3\right)$

式中，C、R分别为该支路的对地电容和对地电阻；u₀(k)、i₀(k)分别为第k个采样点的零序电压和零序电流，T_s为采样间隔；

2)参数识别及判定

参数识别离散模型中u₀(k)、i₀(k)均为已知量，未知量为支路对地电容C和对地电阻R；由f(R,C)＝0可知，取连续3个采样点的数据联立得到非线性方程组，利用最小二乘法求解得到待求电容值C和电阻值R；

得到支路对地电容和对地电阻的参数估计值后，进行该支路绝缘劣化的判别。

2.根据权利要求1所述的基于参数识别的配电网线路绝缘监测方法，其特征在于，步骤2)中该支路绝缘劣化的判别方法为：

a)若支路对地电容和对地电阻的参数估计值序列的平均值为负，且对地电阻绝对值大于整定值，即

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\&OverBar;}{C}=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}C\left(k\right)<0\\ \stackrel{\&OverBar;}{R}=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}R\left(k\right)<0\\ \left|\stackrel{\&OverBar;}{R}\right|>R_f\end{array}\right.$

式中，C(k)为电容估计值序列，R(k)为电阻估计值序列，R_f为整定值；

b)若支路对地电容和对地电阻的参数估计值序列的平均值为正，但对地电阻绝对值小于整定值，则判定为绝缘良好；

c)若支路对地电容和对地电阻的参数估计值序列的平均值不为负，则判定为绝缘良好。