CN110703036A - 一种利用聚类的谐振接地系统高阻接地故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用聚类的谐振接地系统高阻接地故障定位方法，包括以下步骤：根据母线零序电压和各条线路的零序电流信号判断线路中的高阻故障；提取不同检测点在故障后首个工频半波时间内的零序电流波形；对不同检测点的故障电流波形进行聚类分析，将故障线路所有检测点划分为两个检测点群；若两个点群中心坐标之间的距离小于门槛值，则选择最末区段为故障区段，否则选择两个点群之间的分界区段为故障区段。本发明利用故障首工频半波零序电流波形聚类结果来确定故障区段的方法适用性较强，在故障接地电阻较高时仍可适用；本发明综合故障线路上所有检测点所测电流的极性与幅值信息进行定位，具有更高的可靠性与准确性。

Description

一种利用聚类的谐振接地系统高阻接地故障定位方法

技术领域

本发明属于配电网继电保护技术领域，具体涉及一种利用聚类的谐振接地系统高阻接地故障定位方法。

背景技术

随着利用故障暂态电气量、中性点附加中电阻等选线技术的不断成熟，谐振接地系统低阻接地故障的选线问题基本得到解决。高阻接地故障传统保护难以可靠动作的问题成为新的研究热点。高阻接地故障是指裸露的带电导线和非理想导体的直接接触，包括导线断线坠落接地、经树障接地等。研究表明，被记录下来的高阻接地故障占配电网故障的5％～10％，实际的故障比例应该更高。由于故障点过渡电阻可达上千欧姆甚至更高，故障信号极其微弱，检测难度极大。根据电力系统继电保护委员会(PSRC)高阻接地故障的研究报告，传统保护技术检测高阻接地故障成功率不足20％。中压配电线路多集中在城乡市区，导线坠落接地极易发生触电事故，加之其检测难度大、不能快速切除等原因，高阻接地故障易造成严重的人身伤害与重大的社会影响。据统计，巴西平均每年53.6人死于高阻接地故障。近年来，我国也已报道过多起导线坠地引起的人身触电事故。因此，高阻接地故障发生时需要快速的定位到故障区段并做出相应隔离措施。

小电流低阻接地故障区段定位技术主要分为两个发展方向：一是利用一次设备动作产生较大的扰动电流，或者向系统注入特定电流，通过检测附加电流信号选择故障线路的主动式定位方法；二是利用故障信号的幅值与方向(相位)信息指示故障的被动式定位方法。

在谐振接地系统发生低阻接地故障时，大量选线方法利用了高频暂态分量的特征定位故障接地点，但当故障接地电阻增大时，线路上的故障电气量的特征也会发生改变，具体表现如下：暂态分量的最高频率仅稍高于工频，消弧线圈对暂态的影响不能忽略；故障点上游与下游的暂态电流之间的极性关系将无法确定；暂态电流的幅值较小。即，此类方法将无法保证选线的正确性。

总体而言，现有的低阻接地故障定位问题尚未完全解决，且对高阻接地故障的适用性均未可知。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种利用聚类的谐振接地系统高阻接地故障定位方法，根据故障上游与下游检测点所测零序电流在故障暂态时间内的相似性差别，利用聚类算法对故障首工频半波时间内的不同检测点所测零序电流波形进行聚类分析，根据聚类结果实现谐振接地系统的故障定位，具有独特的优势，在故障接地电阻较高时仍然可以适用。为谐振接地系统高阻接地故障定位技术研究提供了一个全新的思路，有着广泛的实际应用价值。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种利用聚类的谐振接地系统高阻接地故障定位方法，包括以下步骤：

步骤1：选线装置检测母线零序电压和各条线路出口零序电流信号，并对检测信号进行采样；

步骤2：将母线零序电压的采样值与装置启动门槛值进行比较，判断线路中是否有高阻故障发生；当母线零序电压幅值处于高阻接地故障阈值范围Uthl<U0<UthZ时，则说明系统发生高阻接地故障，选线装置选择故障线路，并将选线结果上报定位主站；

当零模电压或零模电流突变量超越预设门槛时，各馈线终端启动，将故障零序电流采集数据上报定位主站；

步骤3：定位主站接收馈线终端和选线装置上报的故障数据，并进行故障定位。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的方法还包括：定位主站对馈线终端和选线装置进行状态查询，避免装置推出工作状态。

上述的步骤3所述定位主站接收馈线终端和选线装置上报的故障数据，并进行故障定位，包括以下步骤：

步骤(1)：定位主站接收馈线各检测点的零序电流采集数据，并分别提取其故障后半个工频周波时间内的数据，得到检测点1至检测点n所测的电流波形数据序列i₁(k)，i₂(k)，···，i_n(k)(k＝1，2，···，m)，m为数据序列长度；

步骤(2)：对不同检测点的故障零序电流波形数据进行聚类分析，根据聚类结果判断故障区段。

上述的步骤(2)所述对不同检测点的故障零序电流波形数据进行聚类分析，根据聚类结果判断故障区段，包括以下步骤：

步骤a：分别将电流波形数据序列等效为具有m维坐标的坐标点i_{p_1}，i_{p_2}，···，i_{p_n}；

步骤b：计算前i个点所组成的点群与后n-i个点所组成的点群中心点之间的距离，计算公式如下：

步骤c：寻找距离数组中的最大值dis(p)：

dis(p)＝max{dis}

将检测点p及其前面的检测点归为一类点群，将检测点p后面的检测点归为二类点群；

步骤f：设定距离的门槛值dis_set，若dis(p)>dis_set，则判断检测点p与检测点p+1之间的区段为故障区段，否则判断该线路最末区段为故障区段。

上述的步骤f所述门槛值dis_set的设定原则根据现场经验值选择。

本发明具有以下有益效果：

1.在谐振接地系统发生低阻接地故障时，大量选线方法利用了高频暂态分量的特征识别故障区段，但当故障接地电阻增大时，此类方法将无法保证区段定位的正确性。与之相比，本发明利用故障首工频半波零序电流波形聚类结果来确定故障区段的方法适用性较强，在故障接地电阻较高时仍然可以适用；

2.本发明与利用暂态电流极性的故障定位方法相比，后者利用的只是故障区段两端的终端所测电流的极性信息，本发明综合故障线路上所有检测点所测电流的极性与幅值信息进行定位，具有更高的可靠性与准确性；

3.只需将本发明所提选线方案转化为计算机的算法嵌入到馈线零序保护中，即可实现，具有很高的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明定位流程框图；

图2为本发明典型谐振接地系统仿真模型；

图3为型谐振接地系统中发生接地电阻为2000Ω的高阻接地故障时各候选检测点处所测到的电流波形对比。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

基于附图2所示谐振接地系统的混合线路模型，设置线路L5区段3发生2000Ω的单相高阻接地故障，验证本发明。

如图1、3所示，本发明的一种利用聚类的谐振接地系统高阻接地故障定位方法，根据母线零序电压和各条线路的零序电流信号判断线路中的高阻故障；提取不同检测点在故障后首个工频半波时间内的零序电流波形；对不同检测点的故障电流波形进行聚类分析，将故障线路所有检测点划分为两个检测点群；若两个点群中心坐标之间的距离小于门槛值，则选择最末区段为故障区段，否则选择两个点群之间的分界区段为故障区段。

具体包括以下步骤：

步骤1：选线装置检测母线零序电压和各条线路出口零序电流信号，并对检测信号进行采样；

步骤2：将母线零序电压的采样值与装置启动门槛值进行比较，判断线路中是否有高阻故障发生；当母线零序电压幅值处于高阻接地故障阈值范围Uthl<U0<UthZ时(一般的Uthl＝15V，UthZ＝70V)，则说明系统发生高阻接地故障，选线装置(变电所终端)选择故障线路，并将选线结果上报定位主站；

当零模电压或零模电流突变量超越预设门槛时，各馈线终端启动，将故障零序电流采集数据上报定位主站；

步骤3：定位主站接收馈线终端和选线装置上报的故障数据，并进行故障定位。

实施例中，母线出口处至线路末端的的检测点依次记为检测点1、检测点2、检测点3、检测点4；

步骤3所述定位主站接收馈线终端和选线装置上报的故障数据，并进行故障定位，包括以下步骤：

步骤(1)：定位主站接收馈线各检测点的零序电流采集数据，并分别提取其故障后半个工频周波时间内的数据，得到检测点1至检测点4所测的电流波形数据序列i₁(k)，i₂(k)，i₃(k)，i₄(k)(k＝1，2，···，m)，m为数据序列长度；

步骤(2)：对不同检测点的故障零序电流波形数据进行聚类分析，根据聚类结果判断故障区段，包括以下步骤：

步骤a：分别将电流波形数据序列等效为具有m维坐标的坐标点i_{p_1}，i_{p_2}，···，i_{p_4}；

步骤b：计算前i个点所组成的点群与后4-i个点所组成的点群中心点之间的距离，计算公式如下：

得到dis数组为dis＝{18.81 41.08 53.85}；

步骤c：寻找距离数组中的最大值dis(3)＝53.85，将检测点1、2、3归为一类点群，将检测点4归为二类点群；

步骤f：设定距离的门槛值dis_set＝10，因dis(3)＝53.85>dis_set，故判断图2中的区段3为故障区段。

实施例中，系统正常工作时，定位主站对馈线终端和选线装置进行状态查询，避免装置推出工作状态。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用聚类的谐振接地系统高阻接地故障定位方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：选线装置检测母线零序电压和各条线路出口零序电流信号，并对检测信号进行采样；

步骤2：将母线零序电压的采样值与装置启动门槛值进行比较，判断线路中是否有高阻故障发生；当母线零序电压幅值处于高阻接地故障阈值范围U_thl<U0<U_thZ时，则说明系统发生高阻接地故障，选线装置选择故障线路，并将选线结果上报定位主站；

当零模电压或零模电流突变量超越预设门槛时，各馈线终端启动，将故障零序电流采集数据上报定位主站；

步骤3：定位主站接收馈线终端和选线装置上报的故障数据，并进行故障定位。

2.根据权利要求1所述的一种利用聚类的谐振接地系统高阻接地故障定位方法，其特征在于：所述方法还包括：定位主站对馈线终端和选线装置进行状态查询，避免装置推出工作状态。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用聚类的谐振接地系统高阻接地故障定位方法，其特征在于：

步骤3所述定位主站接收馈线终端和选线装置上报的故障数据，并进行故障定位，包括以下步骤：

步骤(1)：定位主站接收馈线各检测点的零序电流采集数据，并分别提取其故障后半个工频周波时间内的数据，得到检测点1至检测点n所测的电流波形数据序列i₁(k)，i₂(k)，…，i_n(k)(k＝1，2，…，m)，m为数据序列长度；

步骤(2)：对不同检测点的故障零序电流波形数据进行聚类分析，根据聚类结果判断故障区段。

4.根据权利要求3所述的一种利用聚类的谐振接地系统高阻接地故障定位方法，其特征在于：

步骤(2)所述对不同检测点的故障零序电流波形数据进行聚类分析，根据聚类结果判断故障区段，包括以下步骤：

步骤a：分别将电流波形数据序列等效为具有m维坐标的坐标点i_{p_1}，i_{p_2}，…，i_{p_n}；

步骤b：计算前i个点所组成的点群与后n-i个点所组成的点群中心点之间的距离，计算公式如下：

步骤c：寻找距离数组中的最大值dis(p)：

dis(p)＝max{dis}

将检测点p及其前面的检测点归为一类点群，将检测点p后面的检测点归为二类点群；

步骤f：设定距离的门槛值dis_set，若dis(p)>dis_set，则判断检测点p与检测点p+1之间的区段为故障区段，否则判断该线路最末区段为故障区段。

5.根据权利要求4所述的一种利用聚类的谐振接地系统高阻接地故障定位方法，其特征在于：

步骤f所述门槛值dis_set的设定原则根据现场经验值选择。

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