CN109188200A - 一种针对接地故障转移控制的配电网暂态故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对接地故障转移控制的配电网暂态故障选线方法；采用接地故障转移控制的中性点非有效接地配电网发生瞬时性单相弧光接地故障时，利用接地故障转移控制特有的故障接地及故障相母线主动接地过程中故障暂态电流的特征差异，即故障线路暂态零模电流在两次接地过程中方向相反，非故障线路暂态零模电流在两次接地过程中方向相同，构造选线判据。对各馈线两次接地后1/4工频周期内的零模电流分别进行小波包分解，按小波能量确定特征频带并多尺度重构以提取暂态零模电流，并利用重构数据间的相关系数极性实现故障选线。该方法有效提升了非有效接地配电网故障选线的可靠性及正确率，此外，仅利用故障线路信息即可完成故障选线。

Description

一种针对接地故障转移控制的配电网暂态故障选线方法

技术领域

本发明属于配电网故障选线方法技术领域，具体涉及一种针对接地故障转移控制的配电网暂态故障选线方法。

背景技术

坚强安全的配电网是提高客户用电体验和保证供电可靠性的重要基础。配电网拓扑结构复杂，运行环境恶劣，随机故障频发，统计结果表明，配电线路单相接地故障约占配电网故障总数的80％，其中70％的故障是由绝缘劣化引起，线路的绝缘劣化过程伴随着大量瞬时性故障的发生。瞬时性故障发生时，故障电弧易产生弧光过电压，造成设备大面积烧毁，破坏持续供电，威胁人身及设备安全。因此，通过对瞬时性故障信号的分析处理，可靠、准确地识别故障线路对保证配电网安全运行及高可靠供电具有重要意义。

我国配电网普遍采用中性点非有效接地方式，构成的非有效接地配电网发生单相接地故障时，故障稳态电流微弱，精确测量困难，加之故障电弧不稳定，不易获取满足精度要求的稳态信息，基于稳态量的选线方法难以可靠识别故障线路。基于暂态量的选线方法可以克服基于稳态量选线方法的缺点，但目前基于暂态量的选线方法需同时利用故障线路和非故障线路的暂态信息，且在只有2条馈线的情况下，选线准确率明显降低。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种针对接地故障转移控制的配电网暂态故障选线方法，旨在解决稳态电流幅值小和间歇性电弧接地导致的中性点非有效接地系统单相接地时故障选线困难的问题。

本发明提供了一种针对接地故障转移控制的配电网暂态故障选线方法，包括以下步骤：

(1)对配电网进行实时检测，当母线零序电压大于k_u倍的母线额定电压则判定系统发生单相接地故障，且零序电压突变时刻为故障发生时刻；

(2)提取单相接地故障发生时刻后各馈线1/4工频周期内的第一零模电流i_0.j.1，及故障相母线主动接地时刻后各馈线1/4工频周期内的第二零模电流i_0.j.2；

(3)对第一零模电流i_0.j.1和第二零模电流i_0.j.2分别进行小波分解，并按小波能量确定其各自特征频带后进行多尺度重构，获得第一暂态零模电流i'_0.j.1和第二暂态零模电流i'_0.j.2；

(4)通过计算各馈线第一暂态零模电流i'_0.j.1和第二暂态零模电流i'_0.j.2之间的相关系数来判断该馈线是否为故障线路。

更进一步地，步骤(1)中k_u通过整定获得，k_u的取值为0.15。

更进一步地，步骤(2)中1/4工频周期为5ms。

更进一步地，步骤(3)具体为：

(31)对各馈线第一零模电流i_0.j.1和第二零模电流i_0.j.2进行j层小波分解；令c为第j层可分得小波尺度总数，c的取值为2^j；k为小波分解的第k尺度，k的取值为0至2^j-1；

(32)提取各馈线第一零模电流i_0.j.1和第二零模电流i_0.j.2在第j层各尺度对应子频段下的小波系数，即第(j,k)子频段下的小波系数，并根据公式计算第(j,k)子频段下的小波能量；

其中，k为小波分解的第k尺度，为小波包分解第(j,k)子频段下的小波系数；

(33)依次计算各子频段下的小波能量占小波能量总和的比例系数，并将各子频段下的小波能量按比例系数从大到小排序，即{ε_i}；

(34)根据公式计算{ε_i}前m个小波能量之和占小波能量总和的综合比例系数，当综合比例系数大于整定阈值时，即判定{ε_i}前m个小波能量对应子频段的组合为特征频带；

(35)对特征频带内的零模电流进行多尺度重构，获得第一暂态零模电流i'_0.j.1和第二暂态零模电流i'_0.j.2。

更进一步地，步骤(4)具体为：

(41)计算各馈线第一暂态零模电流i'_0.j.1和第二暂态零模电流i'_0.j.2之间的相关系数；

(42)当相关系数为负时则判定该馈线为故障线路，否则判定为非故障线路。

更进一步地，根据公式计算各馈线第一暂态零模电流i'_0.j.1和第二暂态零模电流i'_0.j.2之间的相关系数；其中，n为采样序列，采样起始点n＝1为故障发生时刻；N为采样个数，采样时窗为1/4个工频周期(5ms)；i'_0.j.1为特征频带下单相接地故障发生时刻后采样时窗内的暂态零模电流；i'_0.j.2为特征频带下故障相母线主动接地时刻后采样时窗内的暂态零模电流。

本发明采用接地故障转移控制的中性点非有效接地配电网发生瞬时性单相弧光接地故障时，利用接地故障转移控制特有的故障接地及故障相母线主动接地过程中的故障暂态电流特征差异，即故障线路暂态零模电流在两次接地过程中方向相反，非故障线路暂态零模电流在两次接地过程中方向相同，构造故障选线判据，识别故障线路。对各馈线两次接地后1/4工频周期(5ms)时窗内的零模电流数据分别进行小波包分解，按小波能量确定特征频带并多尺度重构以提取暂态零模电流，利用重构数据间的相关系数极性构造判据，从而实现故障选线。该方法有效提升了非有效接地配电网故障选线的可靠性及正确率，此外，仅利用故障线路信息即可完成故障选线。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种针对接地故障转移控制的配电网暂态故障选线方法的实现流程图；

图2为本发明对单相接地故障时系统零模电流分布分析示意图；

图3为本发明对接地故障转移时系统零模电流分布分析示意图；

图4为本发明在PSCAD/EMTDC软件平台中搭建的中性点谐振接地配电网仿真模型图；

图5为本发明实例中线路L1在距离母线10km处发生单相电弧接地故障，各馈线在其特征频带内的暂态零模电流图；(a)为线路L1单相故障接地和接地故障转移后暂态零模电流对比；(b)为线路L2单相故障接地和接地故障转移后暂态零模电流对比；(c)为线路L3单相故障接地和接地故障转移后暂态零模电流对比；(d)为线路L4单相故障接地和接地故障转移后暂态零模电流对比。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有故障选线方法的上述缺陷或改进需求，本发明公开一种针对接地故障转移控制的配电网暂态故障选线方法；利用接地故障转移控制特有的故障接地及故障相母线主动接地两次接地过程中的故障暂态电流特征差异，即故障线路暂态零模电流在两次接地过程中方向相反，非故障线路暂态零模电流在两次接地过程中方向相同，构造故障选线判据，识别故障线路。

具体地，如图1所示，本发明提供的一种针对接地故障转移控制的配电网暂态故障选线方法，包括以下步骤：

步骤1：对配电网进行实时检测，当母线零序电压大于k_u倍的母线额定电压(k_u可整定，一般取0.15)则判定系统发生单相接地故障(零序电压突变时刻为故障发生时刻)；

步骤2：提取单相接地故障发生时刻后各馈线1/4工频周期(5ms)内的零模电流i_0.j.1，及故障相母线主动接地时刻后各馈线1/4工频周期(5ms)内的零模电流i_0.j.2。

步骤3：利用db小波包(db5小波包)对i_0.j.1、i_0.j.2进行分解，按小波能量确定其各自特征频带并多尺度重构，计算得到暂态零模电流i'_0.j.1和i'_0.j.2；

步骤4：计算各馈线i'_0.j.1和i'_0.j.2间的相关系数r_j，若为负即判定为故障线路，否则判定为非故障线路；其中，相关系数

与传统故障选线方法相比，本发明通过接地故障转移控制将故障点处的间歇性电弧接地转换为母线处的稳定金属接地，其特有的两次接地过程使得各馈线暂态电流特征发生变化，特征差异为故障线路零模电流在两次接地过程中方向相反，非故障线路暂态零模电流在两次接地过程中方向相同，即仅利用单一的故障线路信息即可实现故障选线，无需对比其他线路信息，提高了故障选线的可靠性和适应性。同时，利用基于暂态量的方法进行选线，放大故障特征信息，有利于检测故障和精确量测。克服了电弧故障的故障信息不稳定和稳态量微弱难以精确量测导致的故障选线困难问题，仿真验证了本发明方法的可行性。

在本发明实施例中，接地故障转移控制是指在母线三相处分别安装快速开关，正常运行时开关处于分闸状态，线路发生接地故障时，故障相快速开关合闸主动接地故障相母线，实现接地故障转移，有效抑制弧光过电压并消除故障。下面分别对单相接地故障和接地故障转移条件下的故障特点进行分析：

发生单相接地故障后，系统的零模网络由线路的对地电容构成，故障点处叠加一个等效零模电压源。故障点至母线的零模电流经系统侧及所有非故障线路对地电容流回大地，故障点至线路末端的零模电流经该区段对地电容流入大地。因此故障点至母线的零模电流及非故障线路与故障点至末端线路的零模电流方向相反，即在发生单相接地故障后，故障线路首端流过的零模电流方向为线路流向母线，任一非故障线路首端流过的零模电流方向为母线流向线路。其电流分布如图2所示，其中表示零模电压源，表示接地点故障电流，表示故障线路L_N的零模电流，表示非故障线路L_i的零模电流，表示系统侧零模电流。

接地故障转移后，故障消除，原故障点处叠加的等效零模电压源转移至母线处。此时，系统中任一线路首端流过的零模电流经其对地电容流入大地，方向均为母线流向线路。其电流分布如图3所示。

综上可知，在单相接地故障和接地故障转移条件下故障线路的零模电流方向会发生明显变化，而非故障线路的零模电流方向不变。

在本发明实施例中，配电网在发生单相接地故障并进行接地故障转移处理，将改变故障线路在两次接地过程中的零模电流方向，而非故障线路的零模电流在两次接地过程中方向不变。

因此，可利用馈线在两次接地过程暂态零模电流间相关系数的极性实现故障选线。选线方法为：分别选取单相接地故障和接地故障转移后1/4工频周期(5ms)为数据窗，利用db小波包(db5小波包)分别对各馈线两次接地后数据窗内的零模电流按一定频带宽度进行分解(进行3层小波分解)；按能量占比分别确定其所在特征频带，即对地电容电流分布最集中的频带，也是故障特征最明显的频带，并将两次接地过程的零模电流在其各自特征频带内进行多尺度重构，以提取暂态零模电流；计算各馈线两次接地过程中暂态零模电流间的相关系数，为负即为故障线路，为正则为非故障线路。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图4为本发明在PSCAD/EMTDC软件平台中搭建的中性点谐振接地配电网仿真模型。其中，G为无穷大电源；T为主变压器，接线方式为YNd11，变比为110kV/10.5kV；Ti(i代表线路)为配电变压器，接线方式为Dyn11，变比为10/0.4kV；Z为接地变压器，中性点经消弧线圈和阻尼电阻接地；四条馈线分别为L1(40km)、L2(32km)、L3(24km)、L4(16km)，等间距布置测点，即L1每10km布置一个测点，L2每8km布置一个测点，L3每6km布置一个测点，L4每4km布置一个测点；负荷采用三相平衡的恒定阻抗负载模型，统一等效为P＝0.405MW和Q＝0.2475MVar，功率因数为0.85；容性无功补偿装置的容量按主变压器容量的30％配置，每相电容为173μF；采样频率为10kHz。

电弧特性复杂，影响因素众多，其动态模型是基于弧隙的能量平衡理论而提出的，即在能量平衡的基础上将电弧视为一个圆柱形气体通道。电弧呈现高度非线性的时变特性，电弧电导随电弧能量大小的变化而变化，可将其视作一个可变电阻。本发明综合各类文献建立了易于实现且相对精确的电弧模型，并利用PSCAD/EMTDC软件中的定序器模拟间歇性电弧。

图5示出了本发明实例中线路L1在距离母线10km处发生单相电弧接地故障，各馈线在其特征频带内的暂态零模电流图；其中(a)为线路L1单相故障接地和接地故障转移后暂态零模电流对比；(b)为线路L2单相故障接地和接地故障转移后暂态零模电流对比；(c)为线路L3单相故障接地和接地故障转移后暂态零模电流对比；(d)为线路L4单相故障接地和接地故障转移后暂态零模电流对比。

在本发明实施例中，当0.12s时线路L1的C相在距离母线10km处发生单相电弧接地故障，具体步骤如下：

步骤1：对配电网进行实时检测，当母线零序电压大于0.15倍母线额定电压则判定系统发生单相接地故障(零序电压突变时刻为故障发生时刻)；

步骤2：以采样频率10kHz采样并提取i_0.1.1、i_0.1.2、i_0.2.1、i_0.2.2、i_0.3.1、i_0.3.2、i_0.4.1、i_0.4.2；

步骤3：利用db5小波包对其进行3层小波分解，按小波能量分别确定特征频带，本发明实例中各零模电流的特征频带均为625Hz～1250Hz，分别将各零模电流在特征频带内进行重构，以提取暂态零模电流，即i'_0.1.1、i'_0.1.2、i'_0.2.1、i'_0.2.2、i'_0.3.1、i'_0.3.2、i'_0.4.1、i'_0.4.2；

步骤4：计算各馈线的i'_0.j.1和i'_0.j.2间的相关系数r_j，结果为：r₁＝-0.369，r₂＝0.192，r₃＝0.374，r₄＝0.564，可判定线路L1为故障线路，L2、L3、L4为非故障线路；

由于电弧被视为可变电阻，且电弧故障多发生在合闸角为90°的情况，因此只在不同故障位置下进行仿真，故障选线结果如表1所示。其中故障位置分别为：F1为线路L1距离母线20km处发生故障，F2为线路L2距离母线24km处发生故障，F3为线路L3距离母线12km处故障，F4为线路L4距离母线4km处故障。

表1单相电弧接地故障的故障选线结果

故障位置	L1	L2	L3	L4	选线结果
						F1	-0.523	0.447	0.583	0.713	L1
F2	0.292	-0.418	0.391	0.446	L2
						F3	0.612	0.625	-0.375	0.664	L3
F4	0.640	0.709	0.797	-0.661	L4

目前依据故障线路和非故障线路暂态电容电流在特征频带内相似性最弱原理进行选线的方法主要是利用特征频带内故障线路和非故障线路的暂态电容电流间相关系数的幅值和极性构造判据，在配电网仅有两条馈线时失效，针对这种情况，去除图5所示配电网中的线路L1和线路L3，故障位置为F4时，利用本发明提出的选线方法进行计算，结果如表2所示。

表2故障选线结果

L2	L4	选线结果
			0.436	-0.279	L4

可见，本发明提出的基于接地故障转移控制的配电网暂态故障选线方法适用于只有2条馈线的情况。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种针对接地故障转移控制的配电网暂态故障选线方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对配电网进行实时检测，当母线零序电压大于k_u倍的母线额定电压则判定系统发生单相接地故障，且零序电压突变时刻为故障发生时刻；

(2)提取单相接地故障发生时刻后各馈线1/4工频周期内的第一零模电流i_0.j.1，及故障相母线主动接地时刻后各馈线1/4工频周期内的第二零模电流i_0.j.2；

(3)对第一零模电流i_0.j.1和第二零模电流i_0.j.2分别进行小波分解，并按小波能量确定其各自特征频带后进行多尺度重构，获得第一暂态零模电流i'_0.j.1和第二暂态零模电流i'_0.j.2；

(4)通过计算各馈线第一暂态零模电流i'_0.j.1和第二暂态零模电流i'_0.j.2之间的相关系数来判断该馈线是否为故障线路。

2.如权利要求1所述的配电网暂态故障选线方法，其特征在于，步骤(1)中k_u通过整定获得，k_u的取值为0.15。

3.如权利要求1或2所述的配电网暂态故障选线方法，其特征在于，步骤(2)中1/4工频周期为5ms。

4.如权利要求1-3任一项所述的配电网暂态故障选线方法，其特征在于，步骤(3)具体为：

(31)对各馈线第一零模电流i_0.j.1和第二零模电流i_0.j.2进行j层小波分解；令c为第j层可分得小波尺度总数，c的取值为2^j；k为小波分解的第k尺度，k的取值为0至2^j-1；

(32)提取各馈线第一零模电流i_0.j.1和第二零模电流i_0.j.2在第j层各尺度对应子频段下的小波系数，即第(j,k)子频段下的小波系数，并根据公式计算第(j,k)子频段下的小波能量；

其中，k为小波分解的第k尺度，为小波包分解第(j,k)子频段下的小波系数；

(33)依次计算各子频段下的小波能量占小波能量总和的比例系数，并将各子频段下的小波能量按比例系数从大到小排序，即{ε_i}；

(34)根据公式计算{ε_i}前m个小波能量之和占小波能量总和的综合比例系数，当综合比例系数大于整定阈值时，即判定{ε_i}前m个小波能量对应子频段的组合为特征频带；

(35)对特征频带内的零模电流进行多尺度重构，获得第一暂态零模电流i'_0.j.1和第二暂态零模电流i'_0.j.2。

5.如权利要求1-4任一项所述的配电网暂态故障选线方法，其特征在于，步骤(4)具体为：

(41)计算各馈线第一暂态零模电流i'_0.j.1和第二暂态零模电流i'_0.j.2之间的相关系数；

(42)当相关系数为负时则判定该馈线为故障线路，否则判定为非故障线路。

6.如权利要求5所述的配电网暂态故障选线方法，其特征在于，根据公式计算各馈线第一暂态零模电流i'_0.j.1和第二暂态零模电流i'_0.j.2之间的相关系数；

其中，n为采样序列，采样起始点n＝1为故障发生时刻；N为采样个数，采样时窗为1/4个工频周期；i'_0.j.1为特征频带下单相接地故障发生时刻后采样时窗内的暂态零模电流；i'_0.j.2为特征频带下故障相母线主动接地时刻后采样时窗内的暂态零模电流。