CN107526006B - 一种小电流系统单相接地故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小电流系统单相接地故障定位方法，包括：提取故障馈线上每个馈线终端在故障时刻前后的零序电流；利用db小波对零序电流进行N层小波包分解，得到每个馈线终端在每个频段的分解系数，并计算出每个馈线终端在每个频段的能量；选择出能量最大的频段，并获取能量最大的频段对应的馈线终端；按照获取的馈线终端能量大的前R个频段；提取剩余馈线终端中与选取的R个频段相同的频段的能量来构建每个馈线终端的能量向量；计算故障馈线上相邻的两个馈线终端的能量向量的标准化欧式距离；判断标准化欧式距离是否大于阈值，若大于阈值，该两个相邻的馈线终端之间为故障区段；否则为健全区段。通过上述方法，提高了故障定位的精确度和可靠度。

Description

一种小电流系统单相接地故障定位方法

技术领域

本发明涉及电路故障检测的技术领域，尤其涉及一种小电流系统单相接地故障定位方法。

背景技术

我国中压配电网广泛采用中性点非有效接地运行方式，主要包括中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式。相对于高压输电网络，中压配电网发生故障的概率要高很多，尤其是单相接地故障多发，统计表明单相接地故障约占配电网故障总数的80％。中性点非有效接地运行方式的配电网发生单相接地故障时，不会形成短路回路，仅由系统的分布电容引起很小的接地故障电流，故又被称为小电流接地故障。此时系统三相之间的线电压基本保持不变，对负荷供电不会造成影响，系统可以带故障运行一段时间，以便采取处理措施，避免供电突然中断对用户造成影响。若发生瞬时性接地故障时，由于接地电流小，接地电弧大部分都能自行熄灭，故障线路不需要跳闸就能恢复正常运行，具有很高的供电可靠性。

尽管系统可在单相接地故障情况下继续运行，但由于接地时非故障相对地电压升高，特别是间歇性弧光接地故障时，会产生弧光过电压，严重危害系统绝缘和设备安全。同时，过电压可能导致接地故障转化为相间短路故障，使线路跳闸，造成用户停电。随着社会对电力的依赖程度越来越高，故障停电造成的经济损失以及对社会的不良影响也越来越大。因此，为了保证系统安全运行、提高供电可靠性、减少停电损失，需要在单相接地故障后，迅速确定故障线路及故障区段位置，以便进一步采取故障处理措施。

由于故障电流微弱及故障点电弧不稳定等原因，配电系统单相接地故障定位问题迄今为止并未得到彻底解决。现有用于单相接地故障定位的方法为稳态信号定位法和暂态信号定位法，其中稳态信号定位法是利用工频零序电流的幅值和相位特征确定故障区段，但是在配电网中性点经消弧线圈接地系统时该方法定位失效。暂态法一般先利用小波包分析提取零序电流的高频段信号，再采用能量最集中的特征频段确定故障区段。由于存在特征频段区间不一致，各频段内能量相差情况不定，若仅仅选用某一FTU能量最大的特征频段进行故障定位，则可能丢失其它FTU在其它频段时能量最大的故障分量，损失有用的频段信息，不利于故障定位或造成故障定位的可靠性不高。

基于现有的单相接地故障定位方法中定位可靠性不高的缺陷，实有必要提供故障定位精度更高，可靠性更高的定位方法。

发明内容

针对现有的单相接地故障定位方法存在的定位可靠性不高的缺陷，实有必要提供一种小电流系统单相接地故障定位方法，可以实现单相接地故障的精确定位。

一方面，本发明提供一种小电流系统单相接地故障定位方法，包括：

步骤1：提取故障馈线上每个馈线终端在故障时刻前后的零序电流；

实时采集母线的零序电压，当检测到母线的零序电压超过故障判别阈值，根据故障选线方法确定故障馈线，并提取所述故障馈线上的M个馈线终端中每个馈线终端在故障时刻前Q1个采样周期和故障时刻后Q2个采样周期的零序电流；

其中，0＜Q1≤2，2≤Q2≤5，M≥3；

步骤2：依据系统中性点接地方式对步骤1所提取的每个馈线终端的零序电流进行预处理；

其中，若系统中性点接地方式为中性点经消弧线圈接地，执行步骤3；若系统中性点接地方式为中性点不接地方式，采用数字滤波陷波器滤除步骤1所提取的每个馈线终端的零序电流中的工频分量，再执行步骤3；

步骤3：对步骤2中的零序电流进行小波包分解并计算出每个馈线终端在每个频段的能量；

其中，利用db小波对每个馈线终端的零序电流进行N层小波包分解，得到每个馈线终端在2^N个频段中每个频段的分解系数，并根据馈线终端在每个频段的分解系数计算出每个馈线终端在每个频段的能量；

其中，E_mk表示为第m个馈线终端在第(N，k)频段的能量；

表示为第m个馈线终端在第(N，k)频段的分解系数，n为相应频段内的采样点；k∈{0,1,2...2^N-1}，3≤N≤5，1≤m≤M，N为正整数；

步骤4：从M个馈线终端的所有频段中选择出能量最大的频段，并获取能量最大的频段对应的馈线终端；

步骤5：将步骤4获取的馈线终端中各个频段的能量按照从大到小的顺序排列并选择前R个频段；

步骤6：提取剩余M-1个馈线终端中与步骤5中的R个频段相同的频段的能量，构建每个馈线终端的能量向量；

其中，每个馈线终端的能量向量由馈线终端上步骤5中的R个频段对应的R个能量组成；

步骤7：计算故障馈线上相邻的两个馈线终端的能量向量的标准化欧式距离；

步骤8：判断步骤7中计算的标准化欧式距离是否大于阈值，若大于阈值，大于阈值的标准化欧式距离对应的两个馈线终端之间的区段为故障区段；否则标准化欧式距离对应的两个馈线终端之间的区段为健全区段。

优选地，步骤7中相邻的两个馈线终端的能量向量的标准化欧式距离的公式如下所示：

其中，d_m,m-1表示第m个馈线终端和第m-1个馈线终端的能量向量的标准化欧式距离；

第m个馈线终端的能量向量表示为：第m-1个馈线终端的能量向量表示为：

其中，表示为第m个馈线终端中步骤5中所选择的前R个频段中第R个频段的能量，且第m个馈线终端中步骤5中所选择前R个频段中的第R个频段为第m个馈线终端的所有频段中的第(N,k_R)个频段；

表示为第m-1个馈线终端中步骤5中所选择的前R个频段中第R个频段的能量；且第m-1个馈线终端中步骤5中所选择前R个频段中的第R个频段为第m-1个馈线终端的所有频段中的第(N,k_R)个频段；

为步骤5中所选择的前R个频段中第1个频段、第2个频段、第R个频段所对应第m个和第m-1个馈线终端的能量之间的标准差，k_R∈{0,1,2...2^N-1}。

优选地，步骤3采用db5小波对每个馈线终端的零序电流进行N层小波包分解。

选择消失矩阶数大，正则性好、及具有紧支撑集的小波集，经仿真发现，选用db5小波包最为合适。

优选地，步骤3中分解层数的N等于4。

优选地，步骤5中所选择前R个频段中的R等于3。

对于每个馈线终端，能量集中的前3个频段包含了绝大多数的故障特征，选择每一个馈线终端中能量最集中的前3个频段，一方面满足了故障定位的可靠性需求，另一方面，增加了故障定位的灵活性和实用性。

优选地，步骤2中滤波器的频率响应特性为：

其中，H(e^jωT)是频率响应函数，e^jωT表示为复指数信号，z₁，z₂为传递函数的零点，p₁，p₂为传递函数的极点，ω_f为陷波角频率，T为周期，j为虚数符号。

有益效果：

本发明公开了一种小电流系统单相接地故障定位方法，利用db小波对故障馈线上的所有馈线终端采集的零序电流进行小波包分解，得到每个馈线终端在各个频段的分解系数，进而计算出每个馈线终端在各个频段的能量，并从中选取能量最大的频段以及能量最大的频段对应的馈线终端，再选取该馈线终端在各个频段中能量较大的数个频段，根据选出的数个频段的能量构建每个馈线终端的能量向量，进而通过计算相邻馈线终端的能量向量的标准化欧式距离来判断相邻馈线终端之间的区段是否为故障区段。基于能量集中的频段所包含的故障特征最多，本发明通过选择能量集中的数个频段来进行故障分析可以更加准确地进行故障定位，使得故障定位的可靠性更高。

此外，不论是中性点经消弧线圈接地，还是中性点不接地方式本发明都适用，应用范围更广；本发明所采集的馈线终端的零序电流包含了故障前后的数据及多个频段的能量信息，包含了更多的故障特征，进而提高故障定位的可靠性。

再者，分解层数过少，频段较宽，分解层数过多时，频段较窄，而频段过宽过窄均不利于故障分量的分离和提成，本发明所提供的分解层数为3～5的范围，可以得到合适的频段宽，便于故障分量的分离和提取。

又因能量最集中的前3个频段足以包含该FTU采样零序电流的故障特征，及其它频段故障信息少，可忽略不计。这样一来，利用多个频段组成的能量的欧式距离实现故障定

附图说明

图1是本发明实施方式提供的一种小电流系统单相接地故障定位方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的单相接地故障零序网络等效电路；

图3是本发明实施例提供的一种小电流系统单相接地故障定位方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步地说明。

参见图1，本发明提供的一种小电流系统单相接地故障定位方法，包括：

步骤1：提取故障馈线上每个馈线终端在故障时刻前后的零序电流。

其中，实时采集母线的零序电压，当检测到母线的零序电压超过故障判别阈值，根据故障选线方法确定故障馈线，并提取故障馈线上的M个馈线终端中每个馈线终端在故障时刻前Q1个采样周期和故障时刻后Q2个采样周期的零序电流；

其中，0＜Q1≤2，2≤Q2≤5，M≥3，本实施例中优选Q1为0.5，Q2为2.5。

具体的，利用母线互压传感器实时采集母线零序电压u₀，其中故障判别阈值为可靠系数与额定电压的相乘值，本实施例中考虑系统不平衡电压引起的零序电压，可靠系数一般取为0.3，如下所示：

u₀＞K_eU_n

其中，u₀为母线零序电压，K_e为可靠系数，U_n为额定电压。

应当理解，当母线零序电压瞬时值大于故障判别阈值时，且传统的三段式过流保护未启动时，配电网系统立即启动单相接地故障定位。其中本实施例中所采用的故障选线方法是基于现有的选线方法来实现的，例如比幅选线法、比相选线法、注入法。

如图2所示，馈线上设有M个馈线终端(Feed Terminal unit，FTU)，馈线终端用于实时采集测量点的零序电流。

步骤2：依据系统中性点接地方式对步骤1所提取的每个馈线终端的零序电流进行预处理；

其中，若系统中性点接地方式为中性点经消弧线圈接地，执行步骤3；若系统中性点接地方式为中性点不接地方式，采用数字滤波陷波器滤除步骤1所提取的每个馈线终端的零序电流中的工频分量，再执行步骤3；具体的，若是消弧线圈投入，则为中性点经消弧线圈接地，否则为中性点不接地方式。

其中，滤波器的频率响应特性为：

其中，H(e^jωT)是频率响应函数，e^jωT表示为复指数信号，z₁，z₂为传递函数的零点，p₁，p₂为传递函数的极点，ω_f为陷波角频率，T为周期，j为虚数符号。

步骤3：对步骤2中的零序电流进行小波包分解并计算出每个馈线终端在每个频段的能量。

其中，利用db小波对每个馈线终端的零序电流进行N层小波包分解，得到每个馈线终端在2^N个频段中每个频段的分解系数，并根据馈线终端在每个频段的分解系数计算出每个馈线终端在每个频段的能量；

其中，E_mk表示为第m个馈线终端在第(N，k)频段的能量；M为故障馈线上馈线终端的序列号；k为小波包4层分解后的节点号；

表示为第m个馈线终端在第(N，k)频段的分解系数，n为相应频段内的采样点。

k∈{0,1,2...2^N-1}，3≤N≤5，1≤m≤M，N为正整数。

具体的，每个频段的宽度为f_s/(2*2^N)，f_s为系统采样频率，例如本实施例中系统采样频率f_s为4kHZ。本实施例中任意一个馈线终端的系统采样频率为f_s的零序电流经过N层小波包分解后得到2^N个频段表示为{(N,1),(N,2)...(N,2^N)}，其中，(N,2^N)表示为第2^N个频段。

本实施例中，优选N＝4，即进行4层小波包分解，分解后得到16个频段，每个频段的宽度为f_s/(2*16)，任意一个馈线终端的各频段的能量如下表示：

式中，E_mk表示为第m个馈线终端在第(4，k)频段的能量；为第m个馈线终端在第(4，k)频段的分解系数，频段(4，k)对应的频率范围为[k*f_s/(2*16)，(k+1)*f_s/(2*16)]，k∈{0,1,2...15}，n为频段(4，k)内的采样点。

其中，db小波为多贝西小波(Daubechies)，本实施例中优选db5小波。

步骤4：从M个馈线终端的所有频段中选择出能量最大的频段，并获取能量最大的频段对应的馈线终端；

M个馈线终端的所有频段的总数为M×2^N个，步骤5实际为从M×2^N个频段中选择出能量最大频段。

步骤5：将步骤4获取的馈线终端中各个频段的能量按照从大到小的顺序排列并选择前R个频段。

步骤6：提取剩余M-1个馈线终端中与步骤5中的R个频段相同的频段的能量，构建每个馈线终端的能量向量。

其中，每个馈线终端的能量向量由馈线终端上步骤5中的R个频段对应的R个能量组成。

其中，馈线终端的能量向量表示为：其中第m个馈线终端的能量向量。

具体的，表示为第m个馈线终端中步骤5中所选择的前R个频段中第1个频段的能量，第m个馈线终端中步骤5中所选择前R个频段中的第1个频段为第m个馈线终端的所有频段中的第(N,k₁)个频段；表示为第m个馈线终端中步骤5中所选择的前R个频段中第2个频段的能量，第m个馈线终端中步骤5中所选择前R个频段中的第2个频段为第m个馈线终端的所有频段中的第(N,k₂)个频段；表示为第m个馈线终端中步骤5中所选择的前R个频段中第R个频段的能量，且第m个馈线终端中步骤5中所选择前R个频段中的第R个频段为第m个馈线终端的所有频段中的第(N,k_R)个频段；k₁,k₂,k_R∈{0,1,2...2^N-1}，且k₁≠k₂≠k_R。

例如，本实施例中R为3时，步骤5获取的馈线终端能量集中的前3个频段表示为：(N,k₁)，(N,k₂)，(N,k₃)，则获取剩余馈线终端上(N,k₁)，(N,k₂)，(N,k₃)此三个频段对应的能量，构建剩余馈线终端上每个馈线终端的能量向量。本实施例中用字母r表示k₁，用字母s表示k₂，用字母t表示k₃，进而得到故障馈线上任意一个馈线终端的能量向量表示为：其中，表示第m个馈线终端的能量向量，E_mr表示为第m个馈线终端在第(N,r)个频段的能量，E_ms表示为第m个馈线终端在第(N,s)个频段的能量，E_mt表示为第m个馈线终端在第(N，t)个频段的能量。

步骤7：计算故障馈线上相邻的两个馈线终端的能量向量的标准化欧式距离。

具体的，相邻的两个馈线终端的能量向量的标准化欧式距离公式如下所示：

其中，d_m,m-1表示相邻的第m个馈线终端和第m-1个馈线终端的能量向量的标准化欧式距离；

第m个馈线终端的能量向量表示为：第m-1个馈线终端的能量向量表示为：

其中，表示为第m个馈线终端中步骤5中所选择的前R个频段中第1个频段的能量，且第m个馈线终端中步骤5中所选择前R个频段中的第1个频段为第m个馈线终端的所有频段中的第(N,k₁)个频段；表示为第m个馈线终端中步骤5中所选择的前R个频段中第2个频段的能量，且第m个馈线终端中步骤5中所选择前R个频段中的第2个频段为第m个馈线终端的所有频段中的第(N,k₂)个频段；表示为第m个馈线终端中步骤5中所选择的前R个频段中第R个频段的能量，且第m个馈线终端中步骤5中所选择前R个频段中的第R个频段为第m个馈线终端的所有频段中的第(N,k_R)个频段；表示为第m-1个馈线终端中步骤5中所选择的前R个频段中第1个频段的能量，且第m-1个馈线终端中步骤5中所选择前R个频段中的第1个频段为第m-1个馈线终端的所有频段中的第(N,k₁)个频段；表示为第m-1个馈线终端中步骤5中所选择的前R个频段中第2个频段的能量，且第m-1个馈线终端中步骤5中所选择前R个频段中的第2个频段为第m-1个馈线终端的所有频段中的第(N,k₂)个频段；表示为第m-1个馈线终端中步骤5中所选择的前R个频段中第R个频段的能量；且第m-1个馈线终端中步骤5中所选择前R个频段中的第R个频段为第m-1个馈线终端的所有频段中的第(N,k_R)个频段。

如图3所示，是以Q1为0.5，Q2为2.5、N为4、R为3为例的一种小电流系统单相接地故障定位方法的流程图，本实施例中R为3时，且故障馈线上任意一个馈线终端的能量向量表示为时，相邻的第m个馈线终端和第m-1个馈线终端的能量向量的标准化欧式距离表示如下：

式中，E_mr，E_ms，E_mt组成第m个馈线终端的能量向量，E_(m-1)r，E_(m-1)s，E_(m-1)t组成第m-1个馈线终端的能量向量，s_r，s_s，s_t分别为R为3时三个频段所对应在第m个和第m-1个馈线终端的能量之间的标准差。

步骤8：判断步骤7中计算的标准化欧式距离是否大于阈值，若大于阈值，大于阈值的标准化欧式距离对应的两个馈线终端之间的区段为故障区段；否则为健全区段。

具体的，设定阈值d_set，若d_m,m-1>d_set，则FTUM与FTU(M-1)之间的区间为故障区段，否则为健全区段。其中，阈值d_set是根据大量实验仿真数据来设定。

本发明通过上述方法可有效地解决单相接地故障定位问题，由于小电流系统单相接地故障状态复杂，情况多变，故障后馈线终端采样的零序电流分布频段广，能量集中频段影响因素多，且各馈线终端能量集中频段往往存在差异，故需选择经小波包分解后的多个频段。又因能量最集中的前R个频段足以包含该馈线终端采样零序电流的故障特征，及其它频段故障信息少，可忽略不计。这样一来，利用多个频段组成的能量的欧式距离实现故障定位即可以减小计算量，又能增加故障定位的可靠性。本发明利用小波包分解过程中多个频段的故障信息，克服传统的单一特征频段故障特征不明显，故障定位可靠性不高的缺点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的范围内可对其进行许多修改，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种小电流系统单相接地故障定位方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1：提取故障馈线上每个馈线终端在故障时刻前后的零序电流；

实时采集母线的零序电压，当检测到母线的零序电压超过故障判别阈值，根据故障选线方法确定故障馈线，并提取所述故障馈线上的M个馈线终端中每个馈线终端在故障时刻前Q1个采样周期和故障时刻后Q2个采样周期的零序电流；

其中，0＜Q1≤2，2≤Q2≤5，M≥3；

步骤2：依据系统中性点接地方式对步骤1所提取的每个馈线终端的零序电流进行预处理；

其中，若系统中性点接地方式为中性点经消弧线圈接地，执行步骤3；若系统中性点接地方式为中性点不接地方式，采用数字滤波陷波器滤除步骤1所提取的每个馈线终端的零序电流中的工频分量，再执行步骤3；

步骤3：对步骤2中的零序电流进行小波包分解并计算出每个馈线终端在每个频段的能量；

其中，利用db小波对每个馈线终端的零序电流进行N层小波包分解，得到每个馈线终端在2^N个频段中每个频段的分解系数，并根据馈线终端在每个频段的分解系数计算出每个馈线终端在每个频段的能量；

其中，E_mk表示为第m个馈线终端在第(N，k)频段的能量；

表示为第m个馈线终端在第(N，k)频段的分解系数，n为相应频段内的采样点；

k∈{0,1,2...2^N-1}，3≤N≤5，1≤m≤M，N为正整数；

步骤4：从M个馈线终端的所有频段中选择出能量最大的频段，并获取能量最大的频段对应的馈线终端；

步骤5：将步骤4获取的馈线终端中各个频段的能量按照从大到小的顺序排列并选择前R个频段；

步骤6：提取剩余M-1个馈线终端中与步骤5中的R个频段相同的频段的能量，构建每个馈线终端的能量向量；

其中，每个馈线终端的能量向量由馈线终端上步骤5中的R个频段对应的R个能量组成；

步骤7：计算故障馈线上相邻的两个馈线终端的能量向量的标准化欧式距离；

步骤8：判断步骤7中计算的标准化欧式距离是否大于阈值，若大于阈值，大于阈值的标准化欧式距离对应的两个馈线终端之间的区段为故障区段；否则标准化欧式距离对应的两个馈线终端之间的区段为健全区段。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤7中相邻的两个馈线终端的能量向量的标准化欧式距离公式如下所示：

其中，d_m,m-1表示第m个馈线终端和第m-1个馈线终端的能量向量的标准化欧式距离；

第m个馈线终端的能量向量表示为：第m-1个馈线终端的能量向量表示为：

其中，表示为第m个馈线终端中步骤5中所选择的前R个频段中第R个频段的能量，且第m个馈线终端中步骤5中所选择前R个频段中的第R个频段为第m个馈线终端的所有频段中的第(N,k_R)个频段；

表示为第m-1个馈线终端中步骤5中所选择的前R个频段中第R个频段的能量；且第m-1个馈线终端中步骤5中所选择前R个频段中的第R个频段为第m-1个馈线终端的所有频段中的第(N,k_R)个频段；

为步骤5中所选择的前R个频段中第1个频段、第2个频段、第R个频段所对应第m个和第m-1个馈线终端的能量之间的标准差，k_R∈{0,1,2...2^N-1}。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3采用db5小波对每个馈线终端采集的零序电流进行N层小波包分解。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中分解层数的N等于4。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5中所选择前R个频段中的R等于3。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中滤波器的频率响应特性为：

其中，H(e^jωT)是频率响应函数，e^jωT表示为复指数信号，z₁，z₂为传递函数的零点，p₁，p₂为传递函数的极点，ω_f为陷波角频率，T为周期，j为虚数符号。