CN109406948A - 采用暂态及稳态特征融合的配网单相接地故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用暂态及稳态特征融合的配网单相接地故障检测方法，它包括：谐振接地配电网系统不同故障条件下发生单相接地故障时，健全馈线和故障馈线的稳态和暂态特征的时频分布特性不同，强故障下暂态特征明显，采用故障暂态零序电流时频特性实现配电网故障的准确可靠检测；弱故障下采用故障发生后零序电流稳态量特征实现故障检测；解决了现有技术对暂态量故障选线方法采用暂态零序电流突变量、能量、幅值及极性等，使得选线效果不同程度上得到改善。但是接地故障发生后，消弧线圈的作用使得零序电流微弱，尤其发生间歇性弧光接地时，电弧的燃熄不确定，致使现有技术的检测方法不再可靠等技术问题。

Description

采用暂态及稳态特征融合的配网单相接地故障检测方法

技术领域

本发明属于属于配电网故障检测领域，尤其涉及一种采用暂态及稳态特征融合的配网单相接地故障检测方法。

背景技术

谐振接地配电网系统发生单相接地故障时，因故障电流较小和电弧不稳定因素，使得基于单一故障信息的选线方法在实际应用时效果不甚理想。此外，由于导线坠地、树木与架空馈线接触引起的高阻故障时有发生，使得实际运行中常常存在漏选和误选。而故障后的暂态分量相比稳态分量有很大的优势，利用暂态量进行选线成为故障选线方法之首选。

目前，众多学者已提出多种暂态量故障选线方法，主要利用暂态零序电流突变量、能量、幅值及极性等，使得选线效果不同程度上得到改善。但是接地故障发生后，消弧线圈的作用使得零序电流微弱，尤其发生间歇性弧光接地时，电弧的燃熄不确定，致使现有技术的检测方法不再可靠。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种采用暂态及稳态特征融合的配网单相接地故障检测方法，以解决现有技术对暂态量故障选线方法采用暂态零序电流突变量、能量、幅值及极性等，使得选线效果不同程度上得到改善。但是接地故障发生后，消弧线圈的作用使得零序电流微弱，尤其发生间歇性弧光接地时，电弧的燃熄不确定，致使现有技术的检测方法不再可靠等技术问题。

本发明的技术方案是：

一种采用暂态及稳态特征融合的配网单相接地故障检测方法，它包括：谐振接地配电网系统不同故障条件下发生单相接地故障时，健全馈线和故障馈线的稳态和暂态特征的时频分布特性不同，强故障下暂态特征明显，采用故障暂态零序电流时频特性实现配电网故障的准确可靠检测；弱故障下采用故障发生后零序电流稳态量特征实现故障检测。

采用采用时频特性实现配电网故障的准确可靠检测的方法为：采集各馈线检测的长、短时窗内故障暂态零序电流数据，对故障暂态零序电流数据经小波包分解并重构至不同频段，进而得到的时频特征能充分反应故障信号的时频特性，实现配电网故障的准确可靠检测。

所述对故障暂态零序电流数据经小波包分解并重构至不同频段，进而得到的时频特征能充分反应故障信号的时频特性的方法为：

步骤1、当谐振系统发生单相接地故障时，对故障暂态零序电流按照频带宽度采用小波包分解故障暂态信号采样序列，按照公式(1)计算分解后各频带信号对应的幅值

式中为小波包分解第(j，k)子频带下的系数，每个子频带下共有n个系数，j为小波包分解层数，k为小波包分解的第k个节点；

步骤2、定义暂态零序电流时频特征量为

式(2)中：w_T和w_F分别为时间窗和频率窗的长度；

步骤3、利用时频相关系数来考察同一时频窗内不同馈线暂态零序电流的时频特征量的相似程度。

利用系统的衰减直流分量进行故障检测，以作为暂态高频分量不足情况下的辅助方法，故障电流中不仅包含着基频分量还包含着谐波分量，用含有正弦函数的方程表示，衰减直流分量可用含有衰减指数方程表示

式中I₀表示衰减直流分量的幅值，τ表示衰减直流分量的时间常数；I_k表示k次谐波的幅值，P表示最高次谐波。

本发明有益效果：

本发明采用由于谐振接地配电网系统不同故障条件下发生单相接地故障时，健全馈线和故障馈线的稳态和暂态特征的时频分布特性不同，强故障下暂态特征明显，弱故障下采用故障发生后零序电流稳态量特征，进而实现故障检测；

本发明优点：

与现有方法相比，本申请的有益效果为：

1、采用小波包变化，利用时频分析来刻画配电网故障线路与健全线路的零序电流。

2、基于暂态、稳态特征融合的思路进行故障检测，提高了故障检测的准确度。

解决了现有技术对暂态量故障选线方法采用暂态零序电流突变量、能量、幅值及极性等，使得选线效果不同程度上得到改善。但是接地故障发生后，消弧线圈的作用使得零序电流微弱，尤其发生间歇性弧光接地时，电弧的燃熄不确定，致使现有技术的检测方法不再可靠等技术问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的故障初始相角为90°时的零序电流波形图；

图2为本发明实施例提供的零序电流三维分布图；

图3为本发明实施例提供的各条线路零序电流波形图。

具体实施方式

本发明公开了一种采用暂态及稳态特征融合的配网单相接地故障检测方法，所述方法包括：谐振接地配电网系统不同故障条件下发生单相接地故障时，健全馈线和故障馈线的稳态和暂态特征的时频分布特性不同，强故障下暂态特征明显，弱故障下采用故障发生后零序电流稳态量特征，进而实现故障检测；本发明采用各馈线检测的长、短时窗内故障零序电流数据，经小波包分解并将其重构至不同频段，进而求得到的时频特征能充分反应故障信号的时频特性，进而实现配电网故障的准确可靠检测。

当谐振系统发生单相接地故障时，对故障暂态零序电流按照适当的频带宽度采用小波包分解故障暂态信号采样序列，按照公式(1)计算分解后各频带信号对应的幅值。

式中为小波包分解第(j，k)子频带下的系数，每个子频带下共有n个系数，j为小波包分解层数，k为小波包分解的第k个节点。定义暂态零序电流时频特征量为

式中：w_T和w_F分别为时间窗和频率窗的长度；时频特征量能够较全面地反映了暂态零序电流的时频变化特性；E₁-E_wf为公式(1)计算分解后各频带信号对应的幅值。谐振接地系统发生单相接地故障，在故障角接近0°时，故障零序电流高频分量幅值很小，暂态特征不明显，但是由于消弧线圈电感L所引起的故障馈线衰减直流分量较大，理论上它其只流过故障馈线而不流过健全馈线。当谐振接地系统的母线故障时虽然也有衰减直流分量产生，但它不流过任何线路，而是直接流入消弧线圈。综合以上分析不难发现，利用系统的衰减直流分量进行故障检测，以其作为暂态高频分量不足情况下的辅助方法。故障电流中不仅包含着基频分量还包含着谐波分量，可用含有正弦函数的方程表示。衰减直流分量可用含有衰减指数方程表示。

上式中，i(t)为故障电流，I₀表示衰减直流分量的幅值，ω为角频率，θ为初始相位角，τ表示衰减直流分量的时间常数；I_k表示k次谐波的幅值，P表示最高次谐波。若式3在一个工频周期内进行积分运算，式中的第二项将为0，剩余的第一项值与衰减直流分量有关。因此工程中选取周期内的数据进行平均值计算便可近似得到衰减直流分量幅值I₀，进而确定单相接地故障线路。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方法，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

首先，建立谐振接地系统仿真模型，其中线路l₁＝15km，l₃＝18km，l₅＝30km；线–缆混合馈线l₄＝17km，其中架空馈线12km，电缆5km；电缆馈线l₂＝6km，l₆＝8km。系统中的馈线采用架空线路、架空线-电缆混合线路和电缆线路3种线路。

配网在相电压过峰值发生单相接地故障时，暂态零序电流主要是高频电容分量，暂态特征十分明显；当配电网在相电压过零点发生单相接地故障时，暂态零序电流主要是电感分量，暂态特征不明显，但是由于消弧线圈电感所引起的故障馈线衰减直流分量较大，健全馈线衰减直流分量较小，其只流过故障馈线而不流过健全馈线；当发生高阻接地故障时，暂态高频分量小，衰减速度比较快。

所述配网系统的电缆馈线L₂距离母线3km处发生单相故障，故障相电压在峰值时，且故障电阻为30Ω时，线路L₂及L₄的零序电流如附图1所示。当故障发生在电压峰值时的暂态特性突出，此时，电流包含的高频电容分量占比很大，由此造成的健全馈线与故障馈线零序电流波形相似度较低。

利用小波包分析得到的故障馈线L2及健全馈线L4的零序电流时频特征分布如附图2所示。

更为具体的是，不失一般性，接地故障过程中的稳态、暂态特征在一定程度上能反映健全馈线和故障馈线的特征，因此本文将接地故障的衰减直流分量、四分之一时窗内的暂态零序电流时频特征量进行融合，进一步提高不同故障条件下配网接地故障的准确可靠检测。

馈线L₁距离始端8公里处发生A相接地故障，接地电阻5Ω，故障初始相角0°，各条线路的零序电流长时窗波形如图3所示。参见图3可以发现，在相电压过零时刻，故障馈线零序电流中包含着显著的衰减直流分量，健全馈线零序电流中包含着较少的衰减直流分量，可利用这一特征差异进行暂态高频分量不足时的辅助检测方法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。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公开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，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明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。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (4)

1.一种采用暂态及稳态特征融合的配网单相接地故障检测方法，它包括：谐振接地配电网系统不同故障条件下发生单相接地故障时，健全馈线和故障馈线的稳态和暂态特征的时频分布特性不同，强故障下暂态特征明显，采用故障暂态零序电流时频特性实现配电网故障的准确可靠检测；弱故障下采用故障发生后零序电流稳态量特征实现故障检测。

2.根据权利要求1所述的一种采用暂态及稳态特征融合的配网单相接地故障检测方法，其特征在于：采用采用时频特性实现配电网故障的准确可靠检测的方法为：采集各馈线检测的长、短时窗内故障暂态零序电流数据，对故障暂态零序电流数据经小波包分解并重构至不同频段，进而得到的时频特征能充分反应故障信号的时频特性，实现配电网故障的准确可靠检测。

3.根据权利要求2所述的一种采用暂态及稳态特征融合的配网单相接地故障检测方法，其特征在于：所述对故障暂态零序电流数据经小波包分解并重构至不同频段，进而得到的时频特征能充分反应故障信号的时频特性的方法为：

步骤1、当谐振系统发生单相接地故障时，对故障暂态零序电流按照频带宽度采用小波包分解故障暂态信号采样序列，按照公式(1)计算分解后各频带信号对应的幅值

式中为小波包分解第(j，k)子频带下的系数，每个子频带下共有n个系数，j为小波包分解层数，k为小波包分解的第k个节点；

步骤2、定义暂态零序电流时频特征量为

式(2)中：w_T和w_F分别为时间窗和频率窗的长度；

步骤3、利用时频相关系数来考察同一时频窗内不同馈线暂态零序电流的时频特征量的相似程度。

4.根据权利要求1所述的一种采用暂态及稳态特征融合的配网单相接地故障检测方法，其特征在于：利用系统的衰减直流分量进行故障检测，以作为暂态高频分量不足情况下的辅助方法，故障电流中不仅包含着基频分量还包含着谐波分量，用含有正弦函数的方程表示，衰减直流分量可用含有衰减指数方程表示

式中I₀表示衰减直流分量的幅值，τ表示衰减直流分量的时间常数；I_k表示k次谐波的幅值，P表示最高次谐波。