CN109856506A - 基于邻点差异法的单相接地故障区域定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于邻点差异法的单相接地故障区域定位方法，用于小电流接地系统，包括以下步骤：在电力系统的线路上架设信号监测装置，所述信号监测装置采集各测试点的暂态零序电流；采用小波包分解将暂态零序电流进行多层次划分，得到特征频带；然后对上述的特征频带进行小波重构以复原为功率信号；同时计算相邻两个故障点的零序电流的相对熵，熵值最大的为故障区域。本发明中的邻点差异系数由能量和皮尔森相关系数构成，从能量和距离的角度综合考虑，从而相对全面的分析了线路故障点两端的差异。

Description

基于邻点差异法的单相接地故障区域定位方法

技术领域

本发明涉及故障检测领域，尤其涉及基于邻点差异法的单相接地故障区域定位方法。

背景技术

我国的6～66kV配电网电力系统多属于小电流接地系统，一般釆用中性点不接地或者中性点经消弧线圈接地的工作方式，由于其发生接地故障时，流过接地点的电流小，又称中性点非有效接地系统。接地故障是指由于导体与地连接或对地绝缘电阻变的小于规定值而引起的故障。根据电力系统运行部门的故障统计，出于外界因素(如雷击、人风、鸟类等)的影响，配电网中相接地故障是配电网故障中最常见的，发生率最高，占整个电气短路故障的80％以上。当发生单相接地故障时，由于不能构成低阻抗的短路回路，接地电流很小，故称为小电流接地系统。它的优点在于发生单相接地故障时多数情况下可以自动熄弧并恢复绝缘。当线路发生永久性单相接地故障后，三相系统的线电压仍然是对称的，大小和相位并不变化，系统可以正常运行1～2h，可见，小电流接地方式可显著提高供电可靠性，但系统的接地相对地电容被短接，对地电压都变为零。为防止另一相在接地而引起两相短路甚至三相电路，因而必须限制定时间内排除单相故障。

目前针对小电流接地系统采用的是多种方法综合选线，因为现场受故障现状的影响，单一的故障判据难以兼顾众多不确定的故障模式，目前的故障选线已经可以指出绝大多数的故障线路，现在需要解决故障点的问题，在故障线路上定位故障位置是进一步的研究重点，通过定位故障点，可以避免现场工作人员巡线的繁琐任务，从而更快的到达故障点排除故障。

目前比较前沿的方法是利用小波包能量相对熵原理进行故障点定位。配网发生小电流接地故障时，故障点同侧相邻检测点的暂态零序电流波形基本一致，相似程度高，相对熵较小。

采用相对熵的办法从能量的角度分析了故障点两端零序电流的差异，但是在实际的配网中，线路不是单一的而是具有些许支路，在此基础上，单从一个相对熵的比较来指出故障位置是较为乏力的，熵值的计算从数学角度看是在计算面积，对于波形的状态细节观测不足，即使线路发生了短暂的接地故障，例如雷击，从能量的角度计算仅有微小的变化，而从波形的曲线上来观测，已经有了很大的变动。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了邻点差异法的方法，通过计算故障线路FTU测得的零序电流，通过db10小波包分解后将特征频带进行小波重构，依据结构计算邻点差异系数，根据邻点差异系数即能确定故障区域；综上所述，本发明中的邻点差异系数由能量和皮尔森相关系数构成，从能量和距离的角度综合考虑，从而相对全面的分析了线路故障点两端的差异。

为了实现本发明目的的技术方案如下，本发明公开了基于邻点差异法的单相接地故障区域定位方法，用于小电流接地系统，包括以下步骤：

在电力系统的线路上架设信号监测装置，所述信号监测装置采集各测试点的暂态零序电流；

采用小波包分解将暂态零序电流进行多层次划分，得到特征频带；

然后对上述的特征频带进行小波重构以复原为功率信号；

同时计算相邻两个故障点的零序电流的相对熵，熵值最大的为故障区域。

在本发明的一个优选实施例中，所述暂态零序电流小波包分解之前进行滤除工频分量。

在本发明的一个优选实施例中，所述在线监测装置采用FTU，所述FTU通过电流互感器采集线路参数，向监测单元发送，

在本发明的一个优选实施例中，所述FTU在各线路各相每1km处安装一枚，采用10kHz的采样速率来获取各位置的暂态零序电流。

在本发明的一个优选实施例中，所述FTU通过卡扣结构安装在架空线路上。

在本发明的一个优选实施例中，所述小波包分解将暂态零序电流进行多层次划分，具体包括：

层次划分得到高频与低频两个分量，以分辨率为准n重复分解，根据被分解的信号所属特征频带选择分解层数和频带区间，其信号分解的双尺度方程为：

式中u_n(t)为被分解信号，h(k)为低通滤波器的系数，g(k)为高通滤波器的系数。

在本发明的一个优选实施例中，所述特征频带为300Hz～1500Hz。

在本发明的一个优选实施例中，获得相邻两点功率信号的特征频带特征为x(t)，y(t)，从而计算相邻两点功率信号的互相关系数：

式中x(t)，y(t)表示故障线路上相邻两点的特征频段功率信号，R_xy表示二者的互相关系数，τ表示二者时间偏差量，T表示平均时间长度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中的邻点差异系数由能量和皮尔森相关系数构成，从能量和距离的角度综合考虑，从而相对全面的分析了线路故障点两端的差异。

附图说明

图1为本发明的小波包分解示意图。

图2为本发明的实施例的故障区域定位原理图。

图3为本发明的ATP/EMTP下的仿真图。

图4为本发明的线路暂态零序电流波形图。

图5为本发明的故障区域定位特征波形。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

实施例1：

当系统发生单相接地故障后，系统中才会出现零序电流和零序电压，可以根据各线路零序电流细节特征进行故障线路和故障位置的确定。小波包分解将信号进行多层次划分，能根据被分析的信号自动匹配相应的频带，提高时频分辨率，得到高频与低频两个分量，以分辨率为准进行重复分解，其信号分解的双尺度方程为：

式中u_n(t)为被分解信号，h(k)为低通滤波器的系数，g(k)为高通滤波器的系数。

具体参见图1，图1中u_n(t)表示被分解信号，A表示低频，D表示高频，末尾序号表示分解层数，最终的分解关系为：

u_n(t)＝AAA3+DAA3+ADA3+DDA3+AAD3+DAD3+ADD3+DDD3 (2)

将各线路的各测试点故障信号，进行经过db10小波包10层分解，得到特征频带，然后对该频段进行单只重构，复原为功率信号，从而计算相邻两点功率信号的互相关系数：

式中x(t)，y(t)表示故障线路上相邻两点的特征频段功率信号，R_xy表示二者的互相关系数，τ表示二者时间偏差量，T表示平均时间长度。

在小波包分解的前提下，对重构信号进行互相关系数计算，精确度更高。

另一方面，从数学角度分析波形，常采用距离来描述二者的相似程度，这里我们综合计算复杂度和区分效果，选择了皮尔森相关系数来衡量二者线性关联性的程度，采用小波包分解后的特征频段，同样进行小波重构后，求相邻两点的相关系数

式中n表示该分解结果的点数，x，y表示相邻两点的特征波形。

经过公式(3)和公式(4)两个方面的相关系数计算，分别提取出邻点相关性，为了全方面的表示二者的相关程度，提出了邻点差异法，即综合功率和几何两方面的相关系数，并修正归一化，最终给出了邻点差异系数R的计算公式：

通过计算出故障线路相邻两测试点的邻点差异系数R，求出差异系数最大的便是该分辨度(即两测试点间的距离)下的故障区域：

min{R_i,j}＝min[R_1,2,R_2,3,…,R_n-1,n] (7)

由于接地故障点的存在，故障线路在故障点对地仅有较小的电位差，在故障点前的线路和故障点后的线路从电能传输结构上被分为了两个部分，电能传输方向相反，导致在故障点前后暂态电流发生突变，从而依据相邻测试点差异性程度最大的便是便能定位故障位置。

而故障点两侧的暂态零序电流波形差异较大，相似程度较低，相对熵较大。

实施例2：

本发明针对实施例1给出的技术方案，针对中性点经消弧线圈接地系统，采用ATP/EMTP电磁暂态仿真软件建立仿真模型，如图2所示为故障区域定位原理图。

实现配电网系统的模拟，采用典型的10kV配电网结构，建立小电流接地故障仿真模型。在10kV下，线路长度一般不超过20km，因此，假设该系统为有4条架空线的110kV变电站，变压器采用Y₀/Y型接线，低压侧中性点和消弧线圈相连接，出线长度分别为6km，10km，15km和20km。小电流接地系统中，负荷对系统单相接地故障是没有影响的，四条线路分别对应各自负荷。根据架空线路标准参数，设置系统各线路正序阻抗Z₁为：(0.17+j 0.38)Ω/km，设置系统各线路零序阻抗Z₂为：(0.23+j 1.72)Ω/km，设置系统各线路正序导纳Y₁为：(j3.045)μS/km，设置系统各线路零序导纳Y₀为：(j1.884)μS/km，设置该系统补偿度为8％，消弧线圈电感量L_N＝10.22H，串联电阻按照感抗值的10％计算，R_L＝321Ω，仿真采样频率设为200kHz。实际仿真原理图如图3所示。

采用上述仿真原理示意图后，得出如图4的线路暂态零序电流波形图，通过仿真波形可以看出，故障线路的零序电流波形和非故障线路的零序电流波形，从稳定量观测，其幅值差异，相位相反，依据业界现有的选线原理，可以很快确定故障线路。在故障线路确定的情况下，本发明只研究故障线路的特征，从故障线路中找出故障点位置。

区域定位中邻点差异法中的典型特征波形如图5所示，该波形是通过MATLAB小波包变换工具箱提取出来的特征波形，上半部分是故障线路故障点之前的特征波形，下半部是故障线路故障点之后的特征波形，对二者的差异性通过公式6计算，可以得出是故障线路中差异性程度最大的区域，从而确定故障点位置。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.基于邻点差异法的单相接地故障区域定位方法，用于小电流接地系统，其特征在于：包括以下步骤：

在电力系统的线路上架设信号监测装置，所述信号监测装置采集各测试点的暂态零序电流；

采用小波包分解将暂态零序电流进行多层次划分，得到特征频带；

然后对上述的特征频带进行小波重构以复原为功率信号；

同时计算相邻两个故障点的零序电流的相对熵，熵值最大的为故障区域。

2.根据权利要求1所述的基于邻点差异法的单相接地故障区域定位方法，其特征在于，所述暂态零序电流小波包分解之前进行滤除工频分量。

3.根据权利要求1所述的基于邻点差异法的单相接地故障区域定位方法，其特征在于，所述在线监测装置采用FTU，所述FTU通过电流互感器采集线路参数，向监测单元发送。

4.根据权利要求3所述的基于邻点差异法的单相接地故障区域定位方法，其特征在于，所述FTU在各线路各相每1km处安装一枚，采用10kHz的采样速率来获取各位置的暂态零序电流。

5.根据权利要求3所述的基于邻点差异法的单相接地故障区域定位方法，其特征在于，所述FTU通过卡扣结构安装在架空线路上。

6.根据权利要求1-5之一所述的基于邻点差异法的单相接地故障区域定位方法，其特征在于，所述小波包分解将暂态零序电流进行多层次划分，具体包括：

层次划分得到高频与低频两个分量，以分辨率为准n重复分解，根据被分解的信号所属特征频带选择分解层数和频带区间，其信号分解的双尺度方程为：

式中u_n(t)为被分解信号，h(k)为低通滤波器的系数，g(k)为高通滤波器的系数。

7.根据权利要求6所述的基于邻点差异法的单相接地故障区域定位方法，其特征在于，所述特征频带为300Hz～1500Hz。

8.根据权利要求6所述的基于邻点差异法的单相接地故障区域定位方法，其特征在于，获得相邻两点功率信号的特征频带特征为x(t)，y(t)，从而计算相邻两点功率信号的互相关系数：

式中x(t)，y(t)表示故障线路上相邻两点的特征频段功率信号，R_xy表示二者的互相关系数，τ表示二者时间偏差量，T表示平均时间长度。