CN110568300B - 一种基于多源信息的配电网单相接地故障辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多源信息的配电网单相接地故障辨识方法，属于电力系统继电保护技术领域。首先利用零序电压的突变能量作为单相接地故障辨识的功能性启动；然后结合零序电压的突变能量以及开关状态信息变化情况判定是否发生单相接地故障；最后采用最大熵估计功率谱来进一步区分开关动作和单相接地故障。本发明在采用零序电压突变能量和开关状态信息辨识故障的基础上加入了最大熵估计零序电流功率谱辨识，构成了一种基于多源信息的配电网单相接地故障辨识方法，可以有效地避免单相接地故障的漏选。

Description

一种基于多源信息的配电网单相接地故障辨识方法

技术领域

本发明涉及一种基于多源信息的配电网单相接地故障辨识方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

配电网拓扑结构复杂，且运行方式多变，线路众多，目前配电网络的单相接地故障检测所利用的信息源大部分都是单一的，要么只利用了电气量，要么只利用了开关的状态量，配电网的故障边界复杂，简单的一维信息难以确定配电网是否真正的发生故障，只有利用多维信息监测，才能保证其判定结果的准确性，这为配电网络的故障检测带来了困难。零序电压的突变能量能灵敏的反映出配电网的单相接地故障，但是负荷、补偿电容器组的投切以及开关的不同期动作等也会引起零序电压的变化，使得零序电压突变能量超过阈值，在采用零序电压突变能量和开关状态信息辨识故障时可能会漏选因为负荷的投切所导致的单相接地故障。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于多源信息的配电网单相接地故障辨识方法，用于解决配电网在有负荷、补偿电容器组的投切以及开关的不同期动作等因素所造成的单相接地故障辨识困难的问题。

本发明的技术方案是：一种基于多源信息的配电网单相接地故障辨识方法，其特征在于：首先利用零序电压的突变能量作为单相接地故障辨识的功能性启动；然后结合零序电压的突变能量以及开关状态信息变化情况判定是否发生单相接地故障；最后采用最大熵估计功率谱来进一步区分开关动作和单相接地故障。避免在仅采用零序电压突变能量以及开关状态信息变化情况判定时开关动作所导致的单相接地故障被漏选。

2、根据权利要求1所述的基于多源信息的配电网单相接地故障辨识方法，其特征在于具体步骤为：

Step1：利用零序电压的突变能量作为功能性启动的判据，定义零序电压的突变能量E(k)为：

式中，N表示瞬时采样点，M表示一定时窗内的采样点，其中N≥M；

Step2：基于零序电压的突变能量E(k)和开关状态信息的单相接地故障辨识步骤为：

(1)判断零序电压的突变能量E(k)是否超过设定阈值，若超过阈值，则启动单相接地故障的辨识环节；若未超过设定阈值，则表明配电网络未发生单相接地故障，故障辨识环节不启动。

(2)若零序电压突变能量超过设定阈值，单相接地故障的辨识环节启动，则对配电网络的开关状态进行检测，“1”表示开关断开，“0”表示开关闭合；如果没有与零序电压突变能量相对应的开关动作，则判定为单相接地故障；如果出现与零序电压突变能量相对应的开关动作，则转入下一步对零序电流功率谱进行分析，根据功率谱主频率的成分判定是否发生单相接地故障。

Step3：采用最大熵估计功率谱来进一步区分开关动作和单相接地故障步骤为：

(1)如果出现与零序电压突变能量相对应的开关动作，则截取相关时间段内的零序电流作最大熵估计功率谱分析，设该时间段内的零序电流信号为x_n(m)，FFT(快速傅里叶变换)变换为X_n(k)，k表示第k条谱线，该信号的短时能量为：

某一谱线k的能量谱为：

Y＝X_n(k)X^* _n(k) (3)

(2)通过功率谱估计并对零序电流作0-1归一化处理，每个频率分量的归一化谱概率密度函数为：

该零序电流信号的短时谱熵为：

求得的熵值H与自相关函数R_x有如下关系：

用熵率h作为信息的度量如下所示：

其中，m为零序电流信号的第m个子带数；

则功率谱密度S_x(f)和熵率存在着如下关系：

其中，离散的时间序列频率为[-f_c,f_c]；

则离散的时间序列的相关函数为：

当满足条件

时计算出熵谱密度估计值；

(3)采用最大熵估计功率谱来区分配电网单相接地故障和开关动作，并对功率谱作0-1归一化处理，将功率谱中幅值为1所对应的频率称为主频率；当功率谱主频率小于100Hz，判定配电网络出现单相接地故障，否则判定为配电网络开关动作。

本发明的有益效果是：本发明在采用零序电压突变能量和开关状态信息辨识故障的基础上加入了最大熵估计零序电流功率谱辨识，构成了一种基于多源信息的配电网单相接地故障辨识方法，可以有效地避免单相接地故障的漏选。

附图说明

图1是本发明配电网络故障辨识的流程图；

图2是本发明故障性质判别仿真模型图；

图3是本发明单相接地故障零序电压突变能量及其开关状态图；

图4是本发明切除小型负荷零序电压突变能量及其开关状态图；

图5是本发明切除电动机零序电压突变能量及其开关状态图；

图6是本发明电容器组的不同期投入零序电压突变能量及其开关状态图；

图7是本发明零序电流及其归一化功率谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于多源信息的配电网单相接地故障辨识方法，其特征在于：首先利用零序电压的突变能量作为单相接地故障辨识的功能性启动；然后结合零序电压的突变能量以及开关状态信息变化情况判定是否发生单相接地故障；最后采用最大熵估计功率谱来进一步区分开关动作和单相接地故障。避免在仅采用零序电压突变能量以及开关状态信息变化情况判定时开关动作所导致的单相接地故障被漏选。

2、根据权利要求1所述的基于多源信息的配电网单相接地故障辨识方法，其特征在于具体步骤为：

Step1：利用零序电压的突变能量作为功能性启动的判据，定义零序电压的突变能量E(k)为：

式中，N表示瞬时采样点，M表示一定时窗内的采样点，其中N≥M；

系统正常运行时E(k)的理论值为零，发生故障后E(k)突变明显，可用于装置启动，提高了启动的灵敏性及速动性。如果配电网络中性点电压不得超过相电压15％，则相应的设置零序电压的突变能量的阈值，并且阈值与M值相关；M值可根据配电网自身拓扑结构及启动的灵敏性与可靠性来确定，这里取M＝5。当M＝5时，零序电压的突变能量峰值为0.0072(kV)²，为提高启动的可靠性，乘以一个可靠系数2，并将乘以可靠系数后的数值设置为零序电压突变能量的启动阈值，即当M＝5时，零序电压突变能量的启动阈值为0.0144(kV)²，躲过不平衡负荷所导致的零序电压异常升高。

Step2：基于零序电压的突变能量E(k)和开关状态信息的单相接地故障辨识步骤为：

(1)判断零序电压的突变能量E(k)是否超过设定阈值，若超过阈值，则启动单相接地故障的辨识环节；若未超过设定阈值，则表明配电网络未发生单相接地故障，故障辨识环节不启动。

(2)若零序电压突变能量超过设定阈值，单相接地故障的辨识环节启动，则对配电网络的开关状态进行检测，“1”表示开关断开，“0”表示开关闭合；如果没有与零序电压突变能量相对应的开关动作，则判定为单相接地故障；如果出现与零序电压突变能量相对应的开关动作，则转入下一步对零序电流功率谱进行分析，根据功率谱主频率的成分判定是否发生单相接地故障。

Step3：采用最大熵估计功率谱来进一步区分开关动作和单相接地故障步骤为：

(1)如果出现与零序电压突变能量相对应的开关动作，则截取相关时间段内的零序电流作最大熵估计功率谱分析，设该时间段内的零序电流信号为x_n(m)，FFT(快速傅里叶变换)变换为X_n(k)，k表示第k条谱线，该信号的短时能量为：

某一谱线k的能量谱为：

Y＝X_n(k)X^* _n(k) (3)

(2)通过功率谱估计并对零序电流作0-1归一化处理，每个频率分量的归一化谱概率密度函数为：

该零序电流信号的短时谱熵为：

求得的熵值H与自相关函数R_x有如下关系：

用熵率h作为信息的度量如下所示：

其中，m为零序电流信号的第m个子带数；

则功率谱密度S_x(f)和熵率存在着如下关系：

其中，离散的时间序列频率为[-f_c,f_c]；

则离散的时间序列的相关函数为：

当满足条件

时计算出熵谱密度估计值；

(3)采用最大熵估计功率谱来区分配电网单相接地故障和开关动作，并对功率谱作0-1归一化处理，将功率谱中幅值为1所对应的频率称为主频率；当功率谱主频率小于100Hz，判定配电网络出现单相接地故障，否则判定为配电网络开关动作。

采用最大熵估计功率谱对配电网发生单相接地故障、切除小型负荷、切除电动机、不同期投入电容器的计算结果如图7所示，将功率谱幅值为1所对应的频率称为主频率，配电网发生故障时零序电流功率谱的主频率为48.8281Hz，配电网切除小型负荷时零序电流功率谱的主频率为986.3281Hz，配电网切除电动机时零序电流功率谱的主频率为2392.5781Hz，配电网不同期投入电容器组时零序电流功率谱的主频率为429.6875Hz；若功率谱中主频率小于100Hz，则判断配电网络有单相接地故障，否则判定为开关动作的干扰源。

下面结合具体的例子，对本发明进行详细说明。

实施例1：如图2所示，在仿真软件中搭建了故障性质判别模型，10kV配电网络从110kV/10kV变电站的10kV母线侧出线，线路L₁接电弧炉负荷，线路L₄、L₆为架空线路，线路L₃、L₅为电缆线路；中性点通过Z字型变压器T_z连接消弧线圈L，消弧线圈L与小电阻R_n并联后再与大地连接，且r_L为消弧线圈的阻尼电阻。

假设配电网络发生了800Ω的单相接地故障、小型负荷切除、电动机切除及电容器组不同期投入四个状态，利用其零序电压的突变能量及开关状态量来辨识配电网是否发生故障，“1”表示开关断开，“0”表示开关闭合。

图3为配电网络的单相接地故障，零序电压的突变能量虽然超过了所设定的阈值，但是在其相关时间段内的开关状态并没有发生变化，故判定配电网发生故障；图4、图5、图6分别为小型负荷切除、电动机切除及电容器组的不同期投入，零序电压的突变能量也已经超过了所设定的阈值，其相关时间段内的开关状态也都发生了变化，故判定配电网没有发生故障。

实施例2：假设如图2的配电网在0.45s切除小型负荷后又在0.462s发生单相接地故障，采用结合零序电压能量突变能量和开关信息以及零序电流功率谱进行多源故障辨识。

零序电压突变能量超过阈值，开关信息量由闭合转为断开；如果只利用零序电压的突变能量及开关的状态变化，则很有可能会漏判此次的故障，结合零序电流功率谱，其主频率接近配电网发生故障时零序电流的主频率48.8281Hz，则判定配电网络中有故障。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种基于多源信息的配电网单相接地故障辨识方法，其特征在于：首先利用零序电压的突变能量作为单相接地故障辨识的功能性启动；然后结合零序电压的突变能量以及开关状态信息变化情况判定是否发生单相接地故障；最后采用最大熵估计功率谱来进一步区分开关动作和单相接地故障；

具体步骤为：

Step1：利用零序电压的突变能量作为功能性启动的判据，定义零序电压的突变能量E(k)为：

式中，N表示瞬时采样点，M表示一定时窗内的采样点，其中N≥M；

Step2：基于零序电压的突变能量E(k)和开关状态信息的单相接地故障辨识步骤为：

(1)判断零序电压的突变能量E(k)是否超过设定阈值，若超过阈值，则启动单相接地故障的辨识环节；若未超过设定阈值，则表明配电网络未发生单相接地故障，故障辨识环节不启动；

(2)若零序电压突变能量超过设定阈值，单相接地故障的辨识环节启动，则对配电网络的开关状态进行检测，“1”表示开关断开，“0”表示开关闭合；如果没有与零序电压突变能量相对应的开关动作，则判定为单相接地故障；如果出现与零序电压突变能量相对应的开关动作，则转入下一步对零序电流功率谱进行分析，根据功率谱主频率的成分判定是否发生单相接地故障；

Step3：采用最大熵估计功率谱来进一步区分开关动作和单相接地故障步骤为：

(1)如果出现与零序电压突变能量相对应的开关动作，则截取相关时间段内的零序电流作最大熵估计功率谱分析，设该时间段内的零序电流信号为x_n(m)，FFT变换为X_n(k)，k表示第k条谱线，该信号的短时能量为：

某一谱线k的能量谱为：

Y＝X_n(k)X^* _n(k) (3)

(2)通过功率谱估计并对零序电流作0-1归一化处理，每个频率分量的归一化谱概率密度函数为：

该零序电流信号的短时谱熵为：

求得的熵值H与自相关函数R_x有如下关系：

用熵率h作为信息的度量如下所示：

其中，m为零序电流信号的第m个子带数；

则功率谱密度S_x(f)和熵率存在着如下关系：

其中，离散的时间序列频率为[-f_c,f_c]；

则离散的时间序列的相关函数为：

当满足条件

时计算出熵谱密度估计值；

(3)采用最大熵估计功率谱来区分配电网单相接地故障和开关动作，并对功率谱作0-1归一化处理，将功率谱中幅值为1所对应的频率称为主频率；当功率谱主频率小于100Hz，判定配电网络出现单相接地故障，否则判定为配电网络开关动作。

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