CN107797028B - 一种配网弧光接地故障识别方法 - Google Patents

一种配网弧光接地故障识别方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及配电网线路故障识别技术领域，尤其涉及一种配网弧光接地故障识别方法。所述故障识别方法包括：确定所述配网线路的故障发生时刻；提取所述配网线路故障发生前和故障发生后的若干个周波波形；计算所述配网线路故障相电压的采样相角差序列Φ(k)；计算所述配网线路故障后零序电流的一阶差分值序列ΔI(k)；根据所述采样相角差序列Φ(k)及零序电流的一阶差分值序列ΔI(k)得到特征序列M(k)；根据所述特征序列M(k)在预设时间内的突变次数判断所述配网线路故障是否为弧光接地故障。本申请提供的故障识别方法，可以在针对配网线路弧光故障高发区域进行线路维护和操作，能够提供给配电网安全维护和运行更加丰富的信息，对提高电网安全运行可靠性具有十分重要的意义。

Description

一种配网弧光接地故障识别方法
技术领域
本申请涉及配电网线路故障识别技术领域，尤其涉及一种配网弧光接地故障识别方法。
背景技术
随着经济的发展，电力供应已无法满足人们的需求，电网的安全问题日趋严重。基于此，发展并扩大中压配电网的建设是目前电网经济发展的主要任务。我国中低压配网以架空线为主，线路的结构复杂，分支众多，易发生故障。据统计，电力系统在运行过程中，由配网故障造成的停电事故约占总停电事故的95％以上，其中70％的事故由单相接地故障或母线故障引发。
目前，弧光接地一直是配网中的常见故障，是电力电网安全运行的严重隐患。弧光接地就是某相电压经过弧光与大地短路，一般出现在高压的无中性点接地系统中。由于电网是三相的，当某一相突然因弧光接地而电位为零，那么其余两相的对地电压就由线电压升高到相电压，就产生过电压，而持续发展性的弧光接地会导致弧光过电压。
传统配电网通常是通过经消弧线圈或小电阻接地的运行方式来弱化弧光过电压危害，但并没有针对弧光接地故障进一步处理，消弧线圈接地虽然在一定程度上起到了保护作用，但也存在着一定缺陷，实际经验表明其在很多情况下仍然存在着灭弧性能不佳等诸多问题，已经越来越难以满足用户的要求。因此，需要对电网弧光接地进行辨识，从而在针对弧光故障高发区域进行线路维护和操作，提供给配电网安全维护和运行更加丰富的信息。
发明内容
为解决上述技术中存在的弧光接地故障处理效果不佳、有待改善的问题，本申请提供了一种配网弧光接地故障识别方法。
一种配网弧光接地故障识别方法，包括以下步骤：
确定所述配网线路的故障发生时刻；
提取所述配网线路故障发生前和故障发生后的若干个周波波形；
计算所述配网线路故障相电压的采样相角差序列Φ(k)；
计算所述配网线路故障后零序电流的一阶差分值序列ΔI(k)；
根据所述采样相角差序列Φ(k)及零序电流的一阶差分值序列ΔI(k)得到特征序列M(k)；
根据所述特征序列M(k)在预设时间段内的突变次数判断所述配网线路故障是否为弧光接地故障。
进一步地，确定所述配网线路的故障发生时刻包括：
通过PMU采集装置采集所述配网线路的波形数据；
通过观察所述波形数据确定所述配网线路的故障发生时刻。
进一步地，计算所述配网线路故障相电压的采样相角差
Figure GDA0002261503030000011
的计算公式如下：
Figure GDA0002261503030000012
Figure GDA0002261503030000021
Figure GDA0002261503030000022
Figure GDA0002261503030000023
其中，
Figure GDA0002261503030000024
进一步地，计算所述配网线路故障零序电流的一阶差分值序列ΔI(k)的计算公式为：
ΔI＝It-It-1 (5)
ΔI(k)＝(ΔI1,ΔI2,ΔI3,…ΔIn) (6)
其中，It为t时刻的零序电流值，It-1为t-1时刻的零序电流值。
进一步地，所述根据所述采样相角差序列Φ(k)及零序电流的一阶差分值序列ΔI(k)得到特征序列M(k)，公式如下：
M(k)＝Φ(k)·ΔI(k) (7)
其中，Φ(k)为每相邻两点的故障相电压的相角差序列，ΔI(k)为故障后零序电流的一阶差分值序列。
进一步地，根据所述特征序列M(k)在预设时间段内的突变次数判断所述配网线路故障是否为弧光接地故障，具体包括：
S601、将所述预设时间段分成若干个检测时间段，计算每个检测时间段内的突变阈值thr；若当前检测时间段内的突变阈值为上一检测时间段内突变阈值的10倍以上，记为发生了一次突变；定义当前检测时间段的突变阈值是thri，所述突变阈值thri的计算公式如下：
Figure GDA0002261503030000025
其中，λ＝10，M(t)是所述特征序列M(k)在上一检测时间段t内的突变值；wi-1是所述特征序列M(k)上一突变值回到正常范围后的一个周波长度时间区间；
S602、检测所述特征序列M(k)的突变次数，即零序电流中的电弧放电现象；每次放电过程持续时间长度为1ms，以时间长度1ms为周期计算每相邻两点之间的上升或下降幅值；当所述特征序列M(k)中的突变值M(t)上升或下降幅值超过突变阈值thr时，计算一次脉冲尖峰个数；所述突变值M(t)需满足如下公式：
Figure GDA0002261503030000026
其中，thr是突变阈值，所述特征序列M(k)两次突变值M(t)之间的最小时间长度为2ms，即满足|ti-ti-1|≥2ms；
S603、计算所述配网线路故障后第一个周期后的特征序列M(k)在所述预设时间段内的突变值数量，按故障后第一个周波计算N＝10个周波长度的时间段内进行特征序列M(k)突变值数量计算，若所述突变值数量大于设定阈值Kthr，判定弧光接地故障，具体公式如下：
Figure GDA0002261503030000027
其中，
Figure GDA0002261503030000028
是第i个周波出现的特征序列M(k)的突变值数量，设定阈值Kthr是在所述预设时间段内脉冲尖峰的总数。
本申请提供的技术方案包括以下有益效果：在已知配网线路发生故障并确定故障发生时刻后，提取所述配网线路故障发生前和故障发生后的若干个周波波形；通过对故障发生后的故障相电压的采样相角差、零序电流的一阶差分序列进行计算，构建特征序列从而统计故障过程中的电弧放电现象并统计其发生的频率，实现对故障类型的识别。本申请提供的弧光接地故障识别方法，可以在针对配网线路弧光故障高发区域进行线路维护和操作，能够提供给配电网安全维护和运行更加丰富的信息，对提高电网安全运行可靠性具有十分重要的意义。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
为了更清楚地说明本申请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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请提供的配网线路故障真值试验线路图；
图2是本申请提供的中性点经消弧线圈接地配网系统中弧光接地试验记录波形；
图3是本申请提供的配网线路故障相电压采样相角差
Figure GDA0002261503030000031
的计算示意图；
图4是本申请提供的配网线路弧光接地故障特征序列M(k)突变值的示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式；相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。
目前，弧光接地一直是配网中的常见故障，是电力电网安全运行的严重隐患。弧光接地就是某相电压经过弧光与大地短路，一般出现在高压的无中性点接地系统中。其中，尤其以单相弧光接地最为常见，单相弧光接地是一种临时性故障，多发生在潮湿、多雨天气，单相弧光接地是不稳定的，随着引弧、息弧、重新燃弧……而产生很高的过电压，叫弧光过电压，是危害电力系统的一大罪魁；弧光接地多发于中性点不接地系统中，合理配置消弧线圈可以减小零序电流从而使电弧不易建立，可以减轻或消除弧光过电压的危害，然而在很多情况下仍然存在灭弧性能不佳等诸多问题，已经越来越难以满足用户的要求。因此，需要对弧光接地故障进行辨识，从而在针对弧光故障高发区域进行线路维护和操作，提供给配电网安全维护和运行更加丰富的信息。
为进一步阐述本申请达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本申请的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
参见图1所示，在10kV配电网线路上进行弧光接地故障真值试验，试验线路如图1所示，试验得到的波形如图2所示。本申请提供的一种配网弧光接地故障识别方法，具体包括以下步骤：
S101、确定所述配网线路的故障发生时刻；
S102、提取所述配网线路故障发生前和故障发生后的若干个周波波形；
S103、计算所述配网线路故障相电压的采样相角差序列Φ(k)；
S104、计算所述配网线路故障后零序电流的一阶差分值序列ΔI(k)；
S105、根据所述采样相角差序列Φ(k)及零序电流的一阶差分值序列ΔI(k)得到特征序列M(k)；
S106、根据所述特征序列M(k)在预设时间段内的突变次数判断所述配网线路故障是否为弧光接地故障。
可选地，确定所述配网线路的故障发生时刻包括：
通过PMU采集装置采集所述配网线路的波形数据；
通过观察所述波形数据确定所述配网线路的故障发生时刻。
其中，PMU装置即电力系统中同步相量测量装置，英文名称为：PhasorMeasurementUnit，用于进行同步相量的测量和输出以及进行动态记录。
可选地，参见图3所示的配网线路故障相电压采样相角差
Figure GDA0002261503030000041
的计算示意图，计算所述配网线路故障相电压的采样相角差
Figure GDA0002261503030000042
的计算公式如下：
Figure GDA0002261503030000043
Figure GDA0002261503030000044
Figure GDA0002261503030000045
Figure GDA0002261503030000046
其中，
Figure GDA0002261503030000047
可选地，计算所述配网线路故障零序电流的一阶差分值序列ΔI(k)的计算公式为：
ΔI＝It-It-1 (5)
ΔI(k)＝(ΔI1,ΔI2,ΔI3,…ΔIn) (6)
其中，It为t时刻的零序电流值，It-1为t-1时刻的零序电流值。
可选地，根据所述采样相角差序列Φ(k)及零序电流的一阶差分值序列ΔI(k)得到特征序列M(k)，公式如下：
M(k)＝Φ(k)·ΔI(k) (7)
其中，Φ(k)为每相邻两点的故障相电压的相角差序列，ΔI(k)为故障后零序电流的一阶差分值序列。
可选地，根据所述特征序列M(k)在预设时间段内的突变次数判断所述配网线路故障是否为弧光接地故障，具体包括：
S601、将所述预设时间段分成若干个检测时间段，计算每个检测时间段内的突变阈值thr；若当前检测时间段内的突变阈值为上一检测时间段内突变阈值的10倍以上，记为发生了一次突变；定义当前检测时间段的突变阈值是thri，所述突变阈值thri的计算公式如下：
Figure GDA0002261503030000048
其中，λ＝10，M(t)是所述特征序列M(k)在上一检测时间段t内的突变值；wi-1是所述特征序列M(k)上一突变值回到正常范围后的一个周波长度时间区间；
S602、检测所述特征序列M(k)的突变次数，即零序电流中的电弧放电现象；每次放电过程持续时间长度为1ms，以时间长度1ms为周期计算每相邻两点之间的上升或下降幅值；当所述特征序列M(k)中的突变值M(t)上升或下降幅值超过突变阈值thr时，计算一次脉冲尖峰个数；所述突变值M(t)需满足如下公式：
Figure GDA0002261503030000051
其中，thr是突变阈值，所述特征序列M(k)两次突变值M(t)之间的最小时间长度为2ms，即满足|ti-ti-1|≥2ms；
S603、计算所述配网线路故障后第一个周期后的特征序列M(k)在所述预设时间段内的突变值数量，按故障后第一个周波计算N＝10个周波长度的时间段内进行特征序列M(k)突变值数量计算，若所述突变值数量大于设定阈值Kthr，判定弧光接地故障，具体公式如下：
Figure GDA0002261503030000052
其中，
Figure GDA0002261503030000053
是第i个周波出现的特征序列M(k)的突变值数量，设定阈值Kthr是在所述预设时间段内脉冲尖峰的总数。
本次实验是在10kV配电网线路上进行弧光接地故障真值试验，具体是在母线后10KV线路上测试单相接地故障试验。实验线路经母线引出，在设置故障区域中，真培III线路末端接负荷，其中，真培III线路是图1中的一条线路。线路中点引出接地点，用来设置接地点故障。接地点前线路设置测量装置，可以测量三相电压，两相电流和零序电流。
试验的采样频率为20kHz。根据本申请提供的方法，计算从故障后第2个周波到第12个周波长度的特征序列M(k)，计算所述特征序列M(k)的突变值次数。图4是本申请提供的配网线路弧光接地故障特征序列M(k)突变值的示意图。
本次实验中，利用本申请提供的识别方法对所述配网线路进行了3次故障试验，通过对比所述配网线路故障实际电弧放电次数与计算得到的电弧放电次数，详见表1所示，可以得出，利用本申请提供的方法计算得到的电弧放电次数与配网线路实际电弧放电次数几乎完全相同。
表1
故障试验 故障实际电弧放电次数 本方法计算电弧次数
故障试验1 13 12
故障试验2 10 10
故障试验3 12 12
经过大量仿真试验以及真值试验证明，本申请提供的弧光接地故障识别方法通过有效计算所述配网线路故障放电次数，能够快速有效地对弧光接地故障进行识别，对弧光接地故障类型的辨识能力强。
需要说明的是，术语“包括”意在涵盖非排他性的包含，在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员在考虑本说明书及实践这里申请的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未使用的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由上面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种配网弧光接地故障识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定所述配网线路的故障发生时刻；
提取所述配网线路故障发生前和故障发生后的若干个周波波形；
计算所述配网线路故障相电压的采样相角差序列Φ(k)；
计算所述配网线路故障后零序电流的一阶差分值序列ΔI(k)；
根据所述采样相角差序列Φ(k)及零序电流的一阶差分值序列ΔI(k)得到特征序列M(k)；
根据所述特征序列M(k)在预设时间段内的突变次数判断所述配网线路故障是否为弧光接地故障。
2.根据权利要求1所述的配网弧光接地故障识别方法，其特征在于，确定所述配网线路的故障发生时刻包括：
通过PMU采集装置采集所述配网线路的波形数据；
通过观察所述波形数据确定所述配网线路的故障发生时刻。
3.根据权利要求1所述的配网弧光接地故障识别方法，其特征在于，计算所述配网线路故障相电压的采样相角差
Figure FDA0002261503020000011
的计算公式如下：
Figure FDA0002261503020000012
Figure FDA0002261503020000013
Figure FDA0002261503020000014
Figure FDA0002261503020000015
其中，
Figure FDA0002261503020000016
4.根据权利要求1所述的配网弧光接地故障识别方法，其特征在于，计算所述配网线路故障零序电流的一阶差分值序列ΔI(k)的计算公式为：
ΔI＝It-It-1 (5)
ΔI(k)＝(ΔI1,ΔI2,ΔI3,…ΔIn) (6)
式(5)中，It为t时刻的零序电流值，It-1为t-1时刻的零序电流值。
5.根据权利要求1所述的配网弧光接地故障识别方法，其特征在于，所述根据所述采样相角差序列Φ(k)及零序电流的一阶差分值序列ΔI(k)得到特征序列M(k)，公式如下：
M(k)＝Φ(k)·ΔI(k) (7)
式(7)中，Φ(k)为每相邻两点的故障相电压的相角差序列，ΔI(k)为故障后零序电流的一阶差分值序列。
6.根据权利要求1所述的配网弧光接地故障识别方法，其特征在于，根据所述特征序列M(k)在预设时间段内的突变次数判断所述配网线路故障是否为弧光接地故障，具体包括：
S601、将所述预设时间段分成若干个检测时间段，计算每个检测时间段内的突变阈值thr；若当前检测时间段内的突变阈值为上一检测时间段内突变阈值的10倍以上，记为发生了一次突变；定义当前检测时间段的突变阈值是thri，所述突变阈值thri的计算公式如下：
Figure FDA0002261503020000017
式(8)中，λ＝10，M(t)是所述特征序列M(k)在上一检测时间段t内的突变值；wi-1是所述特征序列M(k)上一突变值回到正常范围后的一个周波长度时间区间；
S602、检测所述特征序列M(k)的突变次数，即零序电流中的电弧放电现象；每次放电过程持续时间长度为1ms，以时间长度1ms为周期计算每相邻两点之间的上升或下降幅值；当所述特征序列M(k)中的突变值M(t)上升或下降幅值超过突变阈值thr时，计算一次脉冲尖峰个数；所述突变值M(t)需满足如下公式：
Figure FDA0002261503020000021
式(9)中，thr是突变阈值，所述特征序列M(k)两次突变值M(t)之间的最小时间长度为2ms，即满足|ti-ti-1|≥2ms；
S603、计算所述配网线路故障后第一个周期后的特征序列M(k)在所述预设时间段内的突变值数量，按故障后第一个周波计算N＝10个周波长度的时间段内进行特征序列M(k)突变值数量计算，若所述突变值数量大于设定阈值Kthr，判定弧光接地故障，具体公式如下：
Figure FDA0002261503020000022
式(10)中，
Figure FDA0002261503020000023
是第i个周波出现的特征序列M(k)的突变值数量，设定阈值Kthr是在所述预设时间段内脉冲尖峰的总数。
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