CN109782122A - 一种s注入信号的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种S注入信号的检测方法。它解决了目前S注入信号小难检测的问题，在配电系统发生单相接地故障时，利用随机共振理论来检测微弱的S注入信号，以达到选线的目的。其方法为：1)当配电网发生单相接地故障时，各线路零序电流是以50Hz为主的正弦信号，通过信号注入装置向系统注入一个特定频率为220Hz的微弱电流信号；2)注入的该特定频率的微弱电流信号仅流经故障相，后经接地点入地，该信号即为要检测的选线判断信号；3)随机共振理论可在一定的条件下增强系统的输出，因此利用随机共振理论检测出信号注入装置注入的微弱电流信号，便可完成选线。

Description

一种S注入信号的检测方法

技术领域

本发明涉及一种配电网单相接地故障选线技术中的注入信号的检测方法，尤其涉及一种S注入信号的检测方法，它检测的注入信号是进行单相接地故障选线的诊断信号。

背景技术

我国6~35kV配电网主要采用小电流接地方式运行，该运行方式下单相接地故障发生的几率最高，但其故障选线问题始终没有得到彻底解决。

多数选线方法均是利用故障线路本身的诸多特征信号构成选线判据，但该类判据共有的缺陷为：随着接地电阻的增大，其故障特征量会大幅度减小，难以保证高接地电阻情况下故障选线的准确率。20世纪90年代，桑教授首次提出了基于注入原理的故障选线方法，该方法的提出是故障选线领域思想上的一次飞跃，它打破了以往只是利用故障线路本身的故障量进行选线，而是通过从母线PT二次侧人为的向系统注入一个特定频率的电流信号，注入的信号仅流过故障线路后经接地点入地，因此只要检测出注入的电流信号就可以进行故障选线，但受母线PT容量的限制，注入的交流电流信号幅值较微弱，不易追踪。该选线思想受到了广大电力研究者的青睐，并提出了多种基于注入原理的小电流接地故障选线方法，其中包括：1）分别向故障系统注入可控的脉冲信号和方波信号，其原理与“S注入法”相同，并未从根本上解决注入信号小的问题；2）注入半波直流信号的选线方法，该方法从系统中性点处注入较大的半波直流电流信号作为选线判据，可从本质上解决选线准确率低的问题，但对中性点不接地系统需额外增加接地变压器，一定程度上限制了其现场应用；3）基于可控短路选线方法，分别从变压器中性点和母线 PT二次侧开口三角形两种方式实行可控的有效接地，由此产生一个幅值较大、容易检测但不会影响系统正常运行的故障电流，目前其现场应用还需进一步研究。

发明内容

本发明的目的就是为了解决目前S注入信号小难检测的问题，在配电系统发生单相接地故障时，利用随机共振理论来检测微弱的S注入信号，以达到选线的目的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种S注入信号的检测方法，它的步骤为：

1)当配电网发生单相接地故障时，各线路零序电流是以50Hz为主的正弦信号，通过信号注入装置向系统注入一个特定频率为220Hz的微弱电流信号；

2)注入的该特定频率的微弱电流信号仅流经故障相，后经接地点入地，该信号即为要检测的选线判断信号；

3) 随机共振理论可在一定的条件下增强系统的输出，因此利用随机共振理论检测出信号注入装置注入的微弱电流信号，便可完成选线。

所述步骤1)中的220Hz电流信号为：

(1)

式(1)中，为信号注入装置所注入的电流，是频率为220Hz的正弦信号；为其有效 值，f ₀为注入信号的频率。

所述步骤2)中，若系统发生A相接地故障时，系统各相对地电压会发生变化，信号注入装置通过对上述电压变化的检测，判断出A相接地，并自动将信号电源跨接在A、N端子之间，在A相电压互感器PT二次绕组产生电流信号，如附图1中的虚线①所示。由于A相PT一次绕组处于被短接状态，二次绕组中的电流必然感应到一次侧，其回路如附图1中的虚线②所示。选择注入信号频率f ₀位于工频N次与N+1次谐波之间，确保99.9%的信号沿接地线路接地相流动并经接地点入地，有利于提高选线准确率。

所述步骤3)中，随机共振理论是通过噪声和微弱周期信号，在一定的非线性条件下，能够增强非线性系统的周期性输出。

受随机白噪声和注入微弱电流信号作用的双稳态系统由朗之万方程（LE）来描述，即：

(2)

方程(2)对应的福克-普朗克(FPE)方程为：

(3)

目前并不能从理论上得出方程(3)的精确解，利用四阶Runge-Kutta算法求其近似解：

(4)

其中， k ₁、k ₂、k ₃、k ₄分别为：

(5)

随机共振对低频信号具有很好的能量聚集的倾向，但对于高频微弱信号具有抑制作用，所以要检测高频信号就必须先将其转化为低频信号，后作为系统输入，从而产生随机共振。

引入变量替换z可以将模型变成归一化形式，即

(6)

通过化简，得

(7)

式(7)是式(2)的归一化形式，两式是等价的，且归一化后信号频率变为原来的1/a。因此对于高频信号可以通过选择较大的参数，归一化为低频信号，来满足随机共振的要求，从而检测出所注入的220Hz微弱电流信号。

一种S注入信号的检测方法，它的方法为：

①小电流接地系统正常运行时，实时监测系统三相电压和零序电压，并判断系统是否发生单相接地故障；

②若没有单相接地故障发生时，重复步骤①；若有，信号注入装置自动跨接在接地相和中性接地点端子之间，向系统注入220Hz的微弱电流信号，该电流包含在故障线路的零序电流中；

③将各线路零序电流信号通过两级带通滤波，尽可能的滤除220Hz以外的信号；

④将滤波后的信号经过随机共振理论和归一化处理，检测出注入的电流信号，完成选线工作；

⑤继续监测母线电压和系统零序电压，并判断单相接地故障是否解除；

⑥若故障未解除，继续进行步骤⑤的操作；

⑦若故障已解除，返回到步骤①重新进行上述操作。

本发明的工作过程为：对于运行的小电流接地系统，实时监测系统的三相电压和零序电压的状态，并实时判断系统是否发生单相接地故障。当发生单相接地故障时，信号注入装置自动跨接在接地相和中性点端子之间，向系统注入220Hz的微弱电流信号，将采集到的各线路零序电流信号经过两级带通滤波，然后经过随机共振理论和归一化处理，检测出注入的电流信号。

本发明的有益效果是：1)本发明针对注入法存在的缺陷，利用随机共振理论增强系统的输出，从而更加准确的检测出所注入的微弱电流信号，提高了选线准确率。2)本发明所提出的检测方法方便简单，易实现，不需增加额外的硬件设备。

附图说明

图1为信号注入原理示意图。

图2为注入的220Hz电流信号。

图3a为故障线路混合电流信号。

图3b为非故障线路混合电流信号。

图4a为经过一次带通滤波的故障线路混合电流信号频谱图。

图4b为经过一次带通滤波的非故障线路混合电流信号频谱图。

图5a为经过两次带通滤波的故障线路混合电流信号频谱图。

图5b为经过两次带通滤波的非故障线路混合电流信号频谱图。

图6为5a信号与噪声的混合信号。

图7为故障线路混合电流信号中，经过利用随机共振理论检测出的S注入信号。

其中，1、母线，2、电压互感器PT，3、信号注入装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，系统正常工作时，实时监测系统的三相电压和零序电压，并实时判断系统是否发生单相接地故障。若系统正常运行时，PT二次电压U _AN=U _BN=U _CN=57.7V，U _LN=0；主机不输出信号电流。当发生单相接地故障时(以A相接地为例)，U _AN=0，U _BN=U _CN=U _LN=100V，主机根据PT二次侧电压的变化可判断出A相发生了单相接地故障。由于PT的A相一次侧绕组被短路，使PT的A相处于不工作的“闲置”状态。此时信号发生器3可以将一内部特定信号电源自动的跨接在端子A与N之间，就会在A相PT二次侧绕组产生特定电流信号，如图中虚线①所示。由于A相PT的一次侧绕组处于短路状态，二次侧绕组中的电流会感应到一次侧，在PT一次侧的中性点与线路接地故障点之间形成了一个信号电流的通路，如图中虚线②所示。注入的特定电流信号如图2所示。将采集到的如图3所示的各线路零序电流信号经过两级带通滤波，分别得到频谱图如图4和5所示，由图5b可以看出，非故障线路中的220Hz电流信号几乎为0。最后利用随机共振理论和归一化处理，检测出故障线路中的220Hz电流信号如图7所示。

一种S注入信号的检测方法，它的步骤为：

1)当配电网发生单相接地故障时，各线路零序电流是以50Hz为主的正弦信号，通过信号注入装置3向系统注入一个特定频率为220Hz的微弱电流信号；

2)注入的该特定频率的微弱电流信号仅流经故障相，后经接地点入地，该信号即为要检测的选线判断信号；

3) 随机共振理论可在一定的条件下增强系统的输出，因此利用随机共振理论检测出信号注入装置3注入的微弱电流信号，便可完成选线。

所述步骤1)中的220Hz电流信号为：

(1)

式(1)中，为信号注入装置所注入的电流，是频率为220Hz的正弦信号；为其有效 值，f ₀为注入信号的频率。

所述步骤2)中，若系统发生A相接地故障时，系统各相对地电压会发生变化，信号注入装置通过对上述电压变化的检测，判断出A相接地，并自动将信号电源跨接在A、N端子之间，在A相电压互感器PT二次绕组产生电流信号，如附图1中的虚线①所示。由于A相PT一次绕组处于被短接状态，二次绕组中的电流必然感应到一次侧，其回路如附图1中的虚线②所示。选择注入信号频率f ₀位于工频N次与N+1次谐波之间，确保99.9%的信号沿接地线路接地相流动并经接地点入地，有利于提高选线准确率。

所述步骤3)中，随机共振理论是通过噪声和微弱周期信号，在一定的非线性条件下，能够增强非线性系统的周期性输出。

受随机白噪声和注入微弱电流信号作用的双稳态系统由朗之万方程（LE）来描述，即：

(2)

方程(2)对应的福克-普朗克(FPE)方程为：

(3)

目前并不能从理论上得出方程(3)的精确解，利用四阶Runge-Kutta算法求其近似解：

(4)

其中， k ₁、k ₂、k ₃、k ₄分别为：

(5)

随机共振对低频信号具有很好的能量聚集的倾向，但对于高频微弱信号具有抑制作用，所以要检测高频信号就必须先将其转化为低频信号，后作为系统输入，从而产生随机共振。

引入变量替换z可以将模型变成归一化形式，即

(6)

通过化简，得

(7)

式(7)是式(2)的归一化形式，两式是等价的，且归一化后信号频率变为原来的1/a。因此对于高频信号可以通过选择较大的参数，归一化为低频信号，来满足随机共振的要求，从而检测出所注入的220Hz微弱电流信号。

一种S注入信号的检测方法，它的方法为，

①小电流接地系统正常运行时，实时监测系统三相电压和零序电压，并判断系统是否发生单相接地故障；

②若没有单相接地故障发生时，重复步骤①；若有，信号注入装置自动跨接在接地相和中性接地点端子之间，向系统注入220Hz的微弱电流信号，该电流包含在故障线路的零序电流中；

③将各线路零序电流信号通过两级带通滤波，尽可能的滤除220Hz以外的信号；

④将滤波后的信号经过随机共振理论和归一化处理，检测出注入的电流信号，完成选线工作；

⑤继续监测母线电压和系统零序电压，并判断单相接地故障是否解除；

⑥若故障未解除，继续进行步骤⑤的操作；

⑦若故障已解除，返回到步骤①重新进行上述操作。

Claims (5)

1.一种S注入信号的检测方法，其特征是，它的步骤为：

1)当配电网发生单相接地故障时，各线路零序电流是以50Hz为主的正弦信号，通过信号注入装置向系统注入一个特定频率为220Hz的微弱电流信号；

2)注入的该特定频率的微弱电流信号仅流经故障相，后经接地点入地，该信号即为要检测的选线判断信号；

3) 随机共振理论可在一定的条件下增强系统的输出，因此利用随机共振理论检测出信号注入装置注入的微弱电流信号，便可完成选线。

2.根据权利要求1所述的一种S注入信号的检测方法，其特征是，所述步骤1)中的220Hz电流信号为：

(1)

式(1)中，为信号注入装置所注入的电流，是频率为220Hz的正弦信号；为其有效值，f ₀为注入信号的频率。

3.根据权利要求1所述的一种S注入信号的检测方法，其特征是，所述步骤2)中，若系统发生A相接地故障时，系统各相对地电压会发生变化，信号注入装置通过对上述电压变化的检测，判断出A相接地，并自动将信号电源跨接在A、N端子之间，在A相电压互感器PT二次绕组产生电流信号，如附图1中的虚线①所示；由于A相PT一次绕组处于被短接状态，二次绕组中的电流必然感应到一次侧，其回路如附图1中的虚线②所示；选择注入信号频率f ₀位于工频N次与N+1次谐波之间，确保99.9%的信号沿接地线路接地相流动并经接地点入地，有利于提高选线准确率。

4.根据权利要求1所述的一种S注入信号的检测方法，其特征是，所述步骤3)中，随机共振理论是通过噪声和微弱周期信号，在一定的非线性条件下，能够增强非线性系统的周期性输出；

受随机白噪声和注入微弱电流信号作用的双稳态系统由朗之万方程（LE）来描述，即：

(2)

方程(2)对应的福克-普朗克(FPE)方程为：

(3)

目前并不能从理论上得出方程(3)的精确解，利用四阶Runge-Kutta算法求其近似解：

(4)

其中， k ₁、k ₂、k ₃、k ₄分别为：

(5)

随机共振对低频信号具有很好的能量聚集的倾向，但对于高频微弱信号具有抑制作用，所以要检测高频信号就必须先将其转化为低频信号，后作为系统输入，从而产生随机共振；

引入变量替换z可以将模型变成归一化形式，即

(6)

通过化简，得

(7)

式(7)是式(2)的归一化形式，两式是等价的，且归一化后信号频率变为原来的1/a；因此对于高频信号可以通过选择较大的参数，归一化为低频信号，来满足随机共振的要求，从而检测出所注入的220Hz微弱电流信号。

5.根据权利要求1所述的一种S注入信号的检测方法，其特征是，它的方法为，

①小电流接地系统正常运行时，实时监测系统三相电压和零序电压，并判断系统是否发生单相接地故障；

②若没有单相接地故障发生时，重复步骤①；若有，信号注入装置自动跨接在接地相和中性接地点端子之间，向系统注入220Hz的微弱电流信号，该电流包含在故障线路的零序电流中；

③将各线路零序电流信号通过两级带通滤波，尽可能的滤除220Hz以外的信号；

④将滤波后的信号经过随机共振理论和归一化处理，检测出注入的电流信号，完成选线工作；

⑤继续监测母线电压和系统零序电压，并判断单相接地故障是否解除；

⑥若故障未解除，继续进行步骤⑤的操作；

⑦若故障已解除，返回到步骤①重新进行上述操作。