CN107329040A - 一种基于暂态录波数据的配电自动化主站系统单相接地故障定位方法 - Google Patents

一种基于暂态录波数据的配电自动化主站系统单相接地故障定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于暂态录波数据的配电自动化主站系统单相接地故障定位方法,当满足单相接地故障启动判据,主站系统故障定位程序启动;根据录波文件数据格式标准,对接收到的故障录波文件进行解析;利用信号处理技术计算得出包含故障点前后三相电流突变特性、三相突变电流两两之间的波形相关系数以及故障点后零序电流固有模态能量在内的故障特征量;将计算得到的浮点型故障特征量转换成整型组号,将特征量最明显的组号转换成故障指示器的动作信号;利用配电自动化主站系统已有相间短路故障处理机制,完成单相接地故障定位。本发明所提方法不受系统接地方式、单相接地故障条件的影响,定位效果较为理想。

Description

一种基于暂态录波数据的配电自动化主站系统单相接地故障 定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于暂态录波数据的配电自动化主站系统单相接地故障定位方 法,属于配电自动化系统单相接地故障定位技术领域。
背景技术
[0002] 单相接地故障是配电网小电流接地系统最常见的故障,约占80%以上,发生单相 接地后,故障相对地电压降低,非故障相的相电压升高,但线电压却依然对称,且故障电流 较小,因而不影响对用户的连续供电,系统可继续运行1〜2h,然而,故障发生后,因非故障 相电压升高(最大可达到正常时的#倍),若长时间带故障运行,能引起绝缘的薄弱环节被 击穿,发展成为相间短路,使事故扩大,弧光接地还会引起全系统过电压,进而损坏设备,破 坏系统安全运行。
[0003] 随着社会对供电可靠性要求的日益增高,小电流接地故障定位的重要性也日益凸 显,亟需从根本上予以解决。但是由于配电网采用辐射状网络,分支多、结构复杂,即使找到 了故障线路也很难准确找到故障点。
发明内容
[0004] 针对现有技术存在的不足,本发明目的是提供一种基于暂态录波数据的配电自动 化主站系统单相接地故障定位方法,该方法能根据暂态录波数据准确定位单相接地故障区 段。
[0005] 为了实现上述目的,本发明是通过如下的技术方案来实现:
[0006] 本发明的一种基于暂态录波数据的配电自动化主站系统单相接地故障定位方法, 具体包括以下几个步骤:
[0007] (1)主站系统SCADA模块定期开展故障扫描,在接收到线路上的故障指示器上送的 录波启动动作信号后,先根据电气设备从属关系找到该故障指示器对应的终端id号,再向 主站前置模块发送召唤该终端的录波文件目录的消息;
[0008] (2) SCADA模块在获取到步骤(1)所述的录波文件目录后,筛选出符合条件的故障 录波文件,并向前置模块发送召唤该录波文件的消息;
[0009] (3) SCADA模块根据录波文件数据格式标准,将步骤⑵所述录波文件进行解析,得 到各采样点的三相电流、三相电压这些电气量信息;
[0010] ⑷根据步骤⑶解析后的暂态电气量信息,计算得到故障时刻点;
[0011] (5)依据步骤(4)计算得到的故障时刻点,提取该故障时刻前后各一个周波的数 据,根据相电流突变原理,计算得到三相电流的相电流突变量及三相突变电流两两之间的 波形相似度;
[0012] (6)主站SCADA模块根据步骤(3)解析得到的IA、IB、IC三相电流值,通过零序电流 计算方法IA+IB+IC,合成暂态零序电流;
[0013] ⑵依据步骤⑷计算得到的故障时刻点,提取该故障时刻后1/4周波的步骤(6)所 述的暂态零序电流数据,根据基于经验模态分解技术的固有模态能量法原理,计算得到零 序电流固有模态能量值;
[0014] (8)采用归一化的综合分析方法,将对步骤(5)、步骤(7)计算得到的相电流突变 量、波形相似度以及固有模态能量值转换成1、2、3整数组号值,得出故障特征最明显的故障 指示器;
[0015] (9)将步骤⑶分析得到的代表故障特征最明显的故障指示器组号值转换成故障 指示器接地动作信号,与配电自动化主站系统传统的短路故障分析处理方法对接,将该故 障指示器所在馈线段的下游确定为发生单相接地故障的区段,并通过不同的颜色在地理信 息图以及单线图上进行展示,实现对故障区段的隔离、恢复。
[0016] 步骤⑵中,所述符合条件的故障录波文件指的是满足:
[0017] ①与文件列表召唤时间相比,在一小时以内的故障录波文件;②在条件①规定的 有效时间范围内,未在历史记录中出现的故障录波文件;③满足前两个条件后,与召唤时间 最接近的故障录波文件。
[0018] 步骤⑷,所述故障时刻点具体的计算方法如下:
[0019] 正常运行时,从录波文件中通过求导数的方法计算得到第一个周波的最大斜率并 作为参考值,若后续采样点i与i+ι之间的斜率比参考值大,则采样点i+ι即为故障时刻点。
[0020] 步骤⑶所述相电流突变原理即,用故障时刻后的采样点电流,减去故障前对应采 样点的电流,提取出时域的电流突变量,从而计算出三相电流的相电流突变特性;三相突变 电流两两之间的波形相似度,本质就是通过线性相关分析,来计算两两波形的线性一致程 度。
[0021] 步骤(7)所述基于经验模态分解技术的固有模态能量法原理:即过对故障后暂态 零序电流进行经验模态分解EMD;分解后得到若干个固有模态函数分量IMF及一个剩余分 量;再求取多个IMF及剩余分量;将IMF和剩余分量的能量相加,得到一个测点的零序电流固 有模态能量值。6、根据权利要求1所述的基于暂态录波数据的配电自动化主站系统单相接 地故障定位方法,其特征在于,步骤(8)中,所述归一化的综合分析方法指的是:
[0022] 将步骤(5)在相电流突变维度下计算得到的包含相电流突变量、波形相似度在内 的故障特征量,通过三段法,将特征量转换成组号1、2、3;将步骤⑵在固有模态能量维度下 计算到的包含固有模态能量值在内的故障特征量,通过二段法,将特征量转换成组号1、2。
[0023] 相电流突变维度下的三段法,是指分别从步骤(5)计算得到的相电流突变量及三 相突变电流两两之间的波形相似度数组中,找到各自的最大值max、最小值min,从而计算得 到两者差值之间占比为1/3处的值mid_min,即mid_min=min+ (max-min) /3,2/3处的值mid_ max,艮Pmid_max= (max-min) /3*2+min;
[0024] 将步骤(5)计算得到的所有特征值与111;[11、1111(1_111;[11、1111(1_11^1、1]^1四个数值进行对 比,其中相电流突变量组号划分原则是:特征量落在[min,mid_min]区间,组号置为1,落在 (mid_min,mid_max]区间,组号置为2,落在(mid_max,max],组号置为3;突变电流两两之间 的波形相似度划分原则:特征量落在[min,mid_min]区间,组号置为3,落在(mid_min,mid_ max]区间,组号置为2,落在(mid_max,max],组号置为1 〇
[0025] 所述固有模态能量维度下的二段法,是指从步骤(7)计算得到的固有模态能量值 数组中找到最大值max、最小值min,从而计算得到两者之间的中值mid,S卩mid= (max-min) / 2;将所有的固有模态能量值与该中值进行对比,组号划分原则是:落在[min,mid]区间的组 号置为1,落在(mid,max]区间的组号置为2〇
[0026] 步骤(8)所述故障特征最明显的故障指示器是指:对于固有模态能量法,组号为2 代表该计算维度下故障指示器的故障特征最明显,对于相电流突变量、波形相似度法,组号 为3代表该计算维度下故障指示器的故障特征最明显,通过三者取交集的方法,即固有模态 能量法组号2、相电流突变量、波形相似度法组号3,满足这一特征条件的即为故障特征最明 显的故障指示器。
[0027] 本发明结合配电线路上多个故障指示器暂态录波数据,通过基于EMD分解技术的 固有模态能量原理、相电流突变原理提取单相接地明显的故障特征量,再利用配电自动化 主站系统已有相间短路故障拓扑分析算法、处理机制,形成对整个单相接地故障处理的闭 环控制,有效准确地完成配电网故障接地故障区段的定位。通过现场实测的录波数据验证, 本发明所提方法不受系统接地方式、单相接地故障条件的影响,定位效果较为理想。
附图说明
[0028] 图1为本发明的配电自动化主站系统单相接地故障定位方法工作流程图;
[0029] 图2 (a)是本发明提供的测点1的故障录波文件解析后的波形图;
[0030] 图2 (b)是本发明提供的测点11的故障录波文件解析后的波形图;
[0031] 图2 (c)是本发明提供的测点12的故障录波文件解析后的波形图;
[0032] 图2 (d)是本发明提供的测点13的故障录波文件解析后的波形图;
[0033] 图3为定位结果图。
具体实施方式
[0034] 为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合
具体实施方式,进一步阐述本发明。
[0035] 本发明的一种基于暂态录波数据的配电自动化主站系统单相接地故障定位方法, 具体包括以下几个步骤:
[0036] (1)主站后台接收到线路上的故障指示器动作信号,通过电气设备从属关系找到 该故障指示器对应的终端信息后,向前置召唤该终端的录波文件目录;
[0037] (2)主站后台根据步骤(1)所述的录波文件目录,筛选出符合条件的故障录波文 件,并向前置召唤该录波文件;
[0038] (3)主站后台根据录波文件数据格式C0MTRADE标准,将步骤(2)所述录波文件进行 解析,得到具体的浮点数据并将波形展示出来;
[0039] ⑷根据步骤⑶解析后的暂态波形数据,计算得到故障时刻点;
[0040] (5)依据步骤(4)计算得到的故障时刻点,提取该故障时刻前后各一个周波的数 据,根据相电流突变原理,计算得到三相电流的相电流突变特性及三相突变电流两两之间 的波形相似度;
[0041] ⑶主站后台根据步骤⑶解析后的浮点数据,合成暂态零序电流数据;
[0042] ⑵依据步骤⑷计算得到的故障时刻点,提取该故障时刻后1/4周波的步骤(6)合 成的暂态零序电流数据,根据基于EMD分解技术的固有模态能量法,计算得到固有模态能量 值;
[0043] ⑶采用“归一化”的综合分析方法,将对步骤⑶、步骤⑵计算得到的相电流突变 量、波形相似度以及固有模态能量值转换成分组数据,通过对不同维度下观察到的异常分 组数据进行筛选,找到故障特征最明显的故障指示器;
[0044] (9)将步骤⑶分析得到的故障特征最明显的故障指示器组号转换成故障指示器 接地动作信号,与配电自动化主站系统传统的短路故障分析处理方法对接,复用拓扑分析、 故障隔离、故障恢复等算法,完成整个单相接地故障处理的闭环控制。
[0045] 步骤(2)中,符合条件的故障录波文件指的是满足:①与文件列表召唤时间相比, 在一小时以内的故障录波文件;②在条件1规定的有效时间范围内,未在历史记录中出现的 故障录波文件;③满足前两个条件后,与召唤时间最接近的故障录波文件。
[0046] 步骤(3),录波文件数据格式系列标准包括:《IEEE Standard Common Format for Transient Data Exchange (COMTRADE) for Power Systems))〇
[0047] 步骤(4),计算故障时刻点,具体计算方法是:从录波文件中计算得到第一个周波 (正常运行时)的最大斜率并作为参考值,若后续采样点i与i + Ι之间的斜率比参考值大,则 米样点i+1即为故障时刻点。
[0048] 步骤(5),计算故障时刻点,具体计算方法是:从录波文件中计算得到第一个周波 (正常运行时)的最大斜率并作为参考值,若后续采样点i与i + Ι之间的斜率比参考值大,则 米样点i+1即为故障时刻点。
[0049] 步骤⑶,“归一化”综合分析方法指的是将步骤⑶在相电流突变维度下计算得到 的故障特征量,通过三段法,将特征量转换成组号1、2、3,其中组号3代表故障特征量最明 显;步骤(7)在固有模态能量维度下计算到的故障特征量,通过二段法,将特征量转换成组 号1、2,其中组号2代表故障特征最明显。
[0050] 步骤(8),所述相电流突变维度下的三段法,是指分别从步骤(5)计算得到的相电 流突变特性及三相突变电流两两之间的波形相似度数组中,找到各自的最大值(max)、最小 值(min),从而计算得到两者差值之间占比为1/3处的值(mid_min),即mid_min=min+ (max-min) /3,2/3处的值(mid_max),即mid_max= (max-min) /3*2+min。将步骤⑶计算得到的所 有特征值与111;[11、1111(1_111;[11、1111(1_11^1、11^1四个数值进行对比,其中相电流突变特性组号划分 原则是:特征量落在[min,mid_min]区间,组号置为1,落在(mid_min,mid_max]区间,组号置 为2,落在(mid_maX,max],组号置为3;突变电流两两之间的波形相似度划分原则:特征量落 在[min,mid_min]区间,组号置为3,落在(mid_min,mid_max]区间,组号置为2,落在(mid_ max ,max],组号置为1〇
[0051] 步骤(8),所述固有模态能量维度下的二段法,是指从步骤(7)计算得到的固有模 态能量值数组中找到最大值(max)、最小值(min),从而计算得到两者之间的中值(mid),即 mid= (max-min)/2。将所有的固有模态能量值与该中值进行对比,组号划分原则是:落在 [min,mid]区间的组号置为1,落在(mid,max]区间的组号置为2。
[0052] 步骤(8),所述故障特征最明显的故障指示器是指将不同维度下观察到的异常数 据取交集的方法,找到故障特征量最明显故障指示器信息。
[0053] 随着配电自动化系统的大规模推广应用,通信技术、配电终端数据采集技术的发 展,无线公网数据采集方式的普及以及单相接地故障暂态时段故障录波的实现,使得我们 有条件采用新的技术思路,来准确有效地甄别配电网单相接地故障。
[0054] 参见图1,本发明提供的接地故障定位流程如下:主站系统定期开展故障扫描,当 满足故障启动判据(主站收到故障指示器动作信号),故障定位程序启动;对接收到的故障 录波文件进行解析,形成一系列模糊数据;分析计算线路故障点前后三相电流突变特性、三 相突变电流两两之间的波形相关系数以及故障点后零序电流固有模态能量在内的故障特 征量;将计算后的故障特征量进行归一化处理,形成具有可比性的组号值,根据组号代表的 不同含义,将故障特征量最明显的故障指示器组号转换成故障指示器动作信号;以故障信 号为交界面,利用配电自动化主站系统已有相间短路拓扑算法、故障处理机制,形成对整个 单相接地故障处理的闭环控制,在电气接线图上将故障区段进行着色显示。
[0055] 以实测案例为例,对四个故障指示器的故障录波文件进行分析。依据录波文件数 据格式系列标准对录波文件进行解析,解析出来的波形如图2 (a)、2 (b)、2 (c)、2 (d)所示。
[0056] 提取该故障时刻前后各一个周波的数据,根据相电流突变原理,S卩,用故障后的采 样电流,减去故障前对应采样点的电流,提取出时域的电流突变量,从而计算出三相电流的 相电流突变特性;三相突变电流两两之间的波形相似度,本质就是通过线性相关分析,来计 算两两波形的线性一致程度。根据基于EMD分解技术的固有模态能量法,S卩,过对故障后暂 态零序电流进行经验模态分解(EMD);分解后得到若干个固有模态函数分量(MF)及一个剩 余分量;再求取多个IMF及剩余分量;将IMF和剩余分量的能量相加,得到一个测点的零序电 流固有模态能量值。再根据“归一化”综合分析方法组号确定的原则,以及组号所代表的不 同含义,确定得到测点12的故障特征量最明显。测试案例中的四个波形的故障特征量计算 结果及组号如表1所示。
[0057] 表1故障特征量计算结果
Figure CN107329040AD00081
[0060] 将测点12的组号转换成该故障指示器接地动作信号,通过主站系统原有的短路故 障拓扑算法、故障处理机制,完成单相接地故障定位,定位结果如图3所示。
[0061] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。

Claims (9)

1. 一种基于暂态录波数据的配电自动化主站系统单相接地故障定位方法,其特征在 于,具体包括以下几个步骤: (1) 主站系统SCADA模块定期开展故障扫描,在接收到线路上的故障指示器上送的录波 启动动作信号后,先根据电气设备从属关系找到该故障指示器对应的终端id号,再向主站 前置模块发送召唤该终端的录波文件目录的消息; (2) SCADA模块在获取到步骤(1)所述的录波文件目录后,筛选出符合条件的故障录波 文件,并向前置模块发送召唤该录波文件的消息; (3) SCADA模块根据录波文件数据格式标准,将步骤⑵所述录波文件进行解析,得到各 采样点的三相电流、三相电压这些电气量信息; ⑷根据步骤⑶解析后的暂态电气量信息,计算得到故障时刻点; (5)依据步骤(4)计算得到的故障时刻点,提取该故障时刻前后各一个周波的数据,根 据相电流突变原理,计算得到三相电流的相电流突变量及三相突变电流两两之间的波形相 似度; ⑹主站SCADA模块根据步骤(3)解析得到的IA、IB、IC三相电流值,通过零序电流计算 方法IA+IB+IC,合成暂态零序电流; (7) 依据步骤⑷计算得到的故障时刻点,提取该故障时刻后1/4周波的步骤(6)所述的 暂态零序电流数据,根据基于经验模态分解技术的固有模态能量法原理,计算得到零序电 流固有模态能量值; (8) 采用归一化的综合分析方法,将对步骤(5)、步骤(7)计算得到的相电流突变量、波 形相似度以及固有模态能量值转换成1、2、3整数组号值,得出故障特征最明显的故障指示 器; (9) 将步骤(8)分析得到的代表故障特征最明显的故障指示器组号值转换成故障指示 器接地动作信号,与配电自动化主站系统传统的短路故障分析处理方法对接,将该故障指 示器所在馈线段的下游确定为发生单相接地故障的区段,并通过不同的颜色在地理信息图 以及单线图上进行展示,实现对故障区段的隔离、恢复。
2. 根据权利要求1所述的基于暂态录波数据的配电自动化主站系统单相接地故障定位 方法,其特征在于,步骤(2)中,所述符合条件的故障录波文件指的是满足: ①与文件列表召唤时间相比,在一小时以内的故障录波文件;②在条件①规定的有效 时间范围内,未在历史记录中出现的故障录波文件;③满足前两个条件后,与召唤时间最接 近的故障录波文件。
3. 根据权利要求1所述的基于暂态录波数据的配电自动化主站系统单相接地故障定位 方法,其特征在于,步骤⑷,所述故障时刻点具体的计算方法如下: 正常运行时,从录波文件中通过求导数的方法计算得到第一个周波的最大斜率并作为 参考值,若后续采样点i与i+Ι之间的斜率比参考值大,则采样点i+Ι即为故障时刻点。
4. 根据权利要求1所述的基于暂态录波数据的配电自动化主站系统单相接地故障定位 方法,其特征在于,步骤⑸所述相电流突变原理即,用故障时刻后的采样点电流,减去故障 前对应采样点的电流,提取出时域的电流突变量,从而计算出三相电流的相电流突变特性。
5. 根据权利要求1所述的基于暂态录波数据的配电自动化主站系统单相接地故障定位 方法,其特征在于,步骤(7)所述基于经验模态分解技术的固有模态能量法原理:即过对故 障后暂态零序电流进行经验模态分解EMD;分解后得到若干个固有模态函数分量MF及一个 剩余分量;再求取多个IMF及剩余分量;将IMF和剩余分量的能量相加,得到一个测点的零序 电流固有模态能量值。
6. 根据权利要求1所述的基于暂态录波数据的配电自动化主站系统单相接地故障定位 方法,其特征在于,步骤⑻中,所述归一化的综合分析方法指的是: 将步骤(5)在相电流突变维度下计算得到的包含相电流突变量、波形相似度在内的故 障特征量,通过三段法,将特征量转换成组号1、2、3;将步骤⑺在固有模态能量维度下计算 到的包含固有模态能量值在内的故障特征量,通过二段法,将特征量转换成组号1、2。
7. 根据权利要求6所述的基于暂态录波数据的配电自动化主站系统单相接地故障定位 方法,其特征在于, 相电流突变维度下的三段法,是指分别从步骤(5)计算得到的相电流突变量及三相突 变电流两两之间的波形相似度数组中,找到各自的最大值max、最小值min,从而计算得到两 者差值之间占比为 1/3处的值mid_min,即mid_min=min+ (max-min) /3,2/3处的值mid_max, 艮 Pmid_max= (max_min)/3 氺 2+min; 将步骤⑸计算得到的所有特征值与111;[11、1]11(1_1]1;[11、1]11(1_111&1、111&1四个数值进行对比,其 中相电流突变量组号划分原则是:特征量落在[min,mid_min]区间,组号置为1,落在(mid_ min,mid_max]区间,组号置为2,落在(mid_max,max],组号置为3;突变电流两两之间的波形 相似度划分原则:特征量落在[min,mid_min]区间,组号置为3,落在(mid_min,mid_max]区 间,组号置为2,落在(mid_max,max],组号置为1 〇
8. 根据权利要求6所述的基于暂态录波数据的配电自动化主站系统单相接地故障定位 方法,其特征在于, 所述固有模态能量维度下的二段法,是指从步骤(7)计算得到的固有模态能量值数组 中找到最大值max、最小值min,从而计算得到两者之间的中值mid,S卩mid= (max-min) /2;将 所有的固有模态能量值与该中值进行对比,组号划分原则是:落在[min,mid]区间的组号置 为1,落在(mid,max]区间的组号置为2〇
9. 根据权利要求1所述的基于暂态录波数据的配电自动化主站系统单相接地故障定位 方法,其特征在于, 步骤(8)所述故障特征最明显的故障指示器是指:对于固有模态能量法,组号为2代表 该计算维度下故障指示器的故障特征最明显,对于相电流突变量、波形相似度法,组号为3 代表该计算维度下故障指示器的故障特征最明显,通过三者取交集的方法,即固有模态能 量法组号2、相电流突变量、波形相似度法组号3,满足这一特征条件的即为故障特征最明显 的故障指示器。
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