CN111381129A - 基于超低频信号的接地故障线路及类型识别方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超低频信号的接地故障线路及类型识别方法和装置，所述方法包括：获取各线路的零序电压超低频信号以及零序电流超低频信号；选取所述零序电流超低频信号峰值的绝对值作为对应线路的代表值，若所述代表值均小于电流阈值，则没有发生单相接地故障，否则，确定所述代表值最大的线路为故障线路；获取所述故障线路的零序电压工频信号，从而确定故障角；基于所述故障角自适应选取超低频特征频段；计算所述故障线路在所述特征频段内零序电压信号能量与零序电流信号能量的比值，作为估算过渡电阻的特征量，并基于所述特征量确定故障类型。通过本发明，能够准确地识别发生接地故障的线路并在准确选线的基础上识别故障类型。

Description

基于超低频信号的接地故障线路及类型识别方法和装置

技术领域

本发明属于电力故障检测技术领域，更具体地，涉及一种基于超低频信号的接地故障线路及类型识别方法和装置。

背景技术

据统计，单相接地故障占配电网短路故障的70％以上。我国配电网根据架空线和电缆线占比的不同采用不同的中性点接地方式，架空线为主的配电网主要采用小电流接地方式，包括中性点不接地和经消弧线圈接地两种，电缆线为主的配电网主要采用中性点经消弧线圈接地方式或经小电阻接地方式。发生单相接地故障时，故障点可能产生电弧，需要准确识别故障线路并及时切除故障，防止故障扩大化。

小电流接地系统中发生单相接地时，故障电流较小，三相线电压仍保持平衡，因此故障后能维持运行一段时间，但也加大了故障线路识别的难度。此外，中性点经小电阻接地系统在发生高阻接地故障时，故障电流随过渡电阻的增大而减小，也存在故障线路识别困难的问题。

传统的单相接地故障选线方法有幅值法、零序功率法、零序导纳法、谐波分析法、负序电流法、注入法、首半波法、S变换法、小波变换法等，上述方法的效果受到电网拓扑结构、故障发生时间、过渡电阻阻值、测量装置精度、算法用时等因素的影响，在实际运用中故障误判率和线路误选率较高，甚至可能完全失效。因此，目前生产中还是主要采用原始的人工拉闸的方式来选择和切除故障。此外，目前的诸多方法仅仅能够判断出发生单相接地故障的线路，不能识别单相接地故障的故障类型。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于超低频信号的接地故障线路及类型识别方法和装置，其目的在于解决现有的接地故障选线方法不准确且不能识别单相接地故障的故障类型的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于超低频信号的接地故障线路及类型识别方法，包括以下步骤：

S1：获取各线路的零序电压超低频信号以及零序电流超低频信号；

S2：选取所述零序电流超低频信号峰值的绝对值作为对应线路的代表值，若所述代表值均小于电流阈值，则没有发生单相接地故障，否则，确定所述代表值最大的线路为故障线路，并执行步骤S3；

S3：获取所述故障线路的零序电压工频信号，从而确定故障角；

S4：基于所述故障角自适应选取超低频特征频段；

S5：计算所述故障线路在所述特征频段内零序电压信号能量与零序电流信号能量的比值，作为估算过渡电阻的特征量，并基于所述特征量确定故障类型。

进一步地，所述步骤S3中，获取所述故障线路的零序电压工频信号后，通过信号处理得到所述零序电压工频信号的实时幅值与相位；其中，信号幅值突变最大时对应的相位为发生单相接地故障时的故障角。

进一步地，所述步骤S4中，所述特征频段的下限取0，所述特征频段的上限与所述故障角对应的零序电流超低频信号的幅值的绝对值负相关。

进一步地，所述步骤S5中，

所述零序电压信号能量由以下公式计算：

所述零序电流信号能量由以下公式计算：

其中，f_m为所述特征频段的上限，U₀(ω)为零序电压的频域函数，I₀(ω)为零序电流的频域函数。

进一步地，所述故障类型包括：金属接地、低阻接地、中阻接地、高阻接地；其中，所述金属接地对应的特征量小于100，所述低阻接地对应的特征量大于或等于100且小于400，所述中阻接地对应的特征量大于或等于400且小于10000，所述高阻接地对应的特征量大于10000。

进一步地，所述电流阈值为10^-4A。

进一步地，所述超低频信号为频率不超过1Hz的信号。

本发明另一方面提供了一种基于超低频信号的接地故障线路及类型识别装置，包括以下模块：

超低频信号获取模块，用于获取各线路的零序电压超低频信号以及零序电流超低频信号；

接地故障判断模块，用于选取所述零序电流超低频信号峰值的绝对值作为对应线路的代表值，若所述代表值均小于电流阈值，则没有发生单相接地故障，否则，确定所述代表值最大的线路为故障线路；

故障角确定模块，用于获取所述故障线路的零序电压工频信号，从而确定故障角；

特征频段确定模块，用于基于所述故障角自适应选取超低频特征频段；

故障类型确定模块，用于计算所述故障线路在所述特征频段内零序电压信号能量与零序电流信号能量的比值，作为估算过渡电阻的特征量，并基于所述特征量确定故障类型。

进一步地，所述故障角确定模块，还用于获取所述故障线路的零序电压工频信号后，通过信号处理得到所述零序电压工频信号的实时幅值与相位；其中，信号幅值突变最大时对应的相位为发生单相接地故障时的故障角。

进一步地，所述特征频段的下限取0，所述特征频段的上限与所述故障角对应的零序电流超低频信号的幅值的绝对值负相关。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明将零序电流超低频信号作为单相接地故障选线的依据，是由于发明人发现在发生接地故障后的几个工频周期内，故障线路和非故障线路均有超低频分量通过，并且由于电容对超低频信号的阻隔作用，使得单相接地故障情况下，故障线路的零序电流超低频信号远大于非故障线路，从而通过选取零序电流超低频信号峰值的绝对值作为对应线路的代表值，与电流阈值进行比较，以此识别故障线路，无需复杂的算法，便可准确判断出故障线路，尤其适用于小电流接地系统。

(2)本发明通过获取故障线路的零序电压工频信号，确定故障角，并基于故障角自适应选取超低频特征频段，计算故障线路在特征频段内零序电压信号能量与零序电流信号能量的比值，作为估算过渡电阻的特征量，由此确定故障类型，为迅速恢复线路提供可靠依据。

(3)本发明无需在线路上接入滤波电路，对电网的正常运行几乎没有影响；此外，相比采用零序电流衰减直流分量作为选线依据，超低频信号具有更大的信号幅值，无需复杂算法的处理，可以直接测量。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于超低频信号的接地故障线路及类型识别方法的流程图；

图2为零序电流超低频信号幅值随零序电流初始相角变化图；

图3为本发明实施例的电力系统拓扑图；

图4为本发明实施例建立的配电网模型。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明一方面提供了一种基于超低频信号的接地故障线路及类型识别方法，以零序电流超低频信号作为单相接地故障选线的依据，在识别出故障线路的基础上，对应不同故障角选取不同超低频特征频段对零序电压电流信号进行处理，以协调信号频率与信号幅值间的关系，从而对单相接地故障类型进行判断。

图1为本发明提供的一种基于超低频信号的接地故障线路及类型识别方法的流程图，具体包括以下步骤：

S1：获取各线路的零序电压超低频信号以及零序电流超低频信号；

具体的，通过套装在各条被测线路首端的超低频测量模块获得被测线路零序电流信号和零序电压信号中的暂态超低频信号，超低频测量装置由磁屏蔽层、交流绕组与内部传感光纤等部分构成，装置套装在待测电缆上，外部磁屏蔽层与交流绕组通过电磁感应定理抵消电缆中的工频工作电流；而超低频信号穿透能力强，无法被补偿抵消，其产生的瞬时磁场使内部传感光纤中的偏振光发生偏转，因此测量装置通过传感光纤中的线偏振光旋转角度确定超低频信号瞬时值，从而可将超低频信号波形复现出来。

其中，所述超低频信号为频率不超过1Hz的信号。

S2：选取所述零序电流超低频信号峰值的绝对值作为对应线路的代表值，若所述代表值均小于电流阈值，则没有发生单相接地故障，否则，确定所述代表值最大的线路为故障线路，并执行步骤S3；

其中，所述电流阈值可根据电力系统实际情况进行调整，优选为10^-4A。

S3：获取所述故障线路的零序电压工频信号，从而确定故障角；

具体的，获取所述故障线路的零序电压工频信号后，通过信号处理得到所述零序电压工频信号的实时幅值与相位；其中，信号幅值突变最大时对应的相位为发生单相接地故障时的故障角。

需要说明的是，实际应用过程中，各线路的零序电压工频信号是实时采集的，在通过上述方法确定了故障线路后，只需获取故障线路的零序电压工频信号即可确定故障角。

S4：基于所述故障角自适应选取超低频特征频段；

具体的，所述特征频段的下限取0，所述特征频段的上限与所述故障角对应的零序电流超低频信号的幅值的绝对值负相关，以协调信号频率与信号幅值间的关系。

S5：计算所述故障线路在所述特征频段内零序电压信号能量与零序电流信号能量的比值，作为估算过渡电阻的特征量，并基于所述特征量确定故障类型。

具体的，所述零序电压信号能量由以下公式计算：

所述零序电流信号能量由以下公式计算：

其中，f_m为所述特征频段的上限，U₀(ω)为零序电压的频域函数，I₀(ω)为零序电流的频域函数。

需要说明的是，特征量实际约为过渡电阻的平方。

下面进一步验证上述步骤的可行性。

故障前后的零序电流信号可以表示为零序电流信号本身乘上阶跃函数，即

其中，I₀(t)为接地故障点产生的零序电流，U为零序电流幅值，ω₀为零序电流角频率，

为故障发生时刻零序电流初始相角。

需要说明的是，初始相角即故障角。

记

f₂(t)＝ε(t)，则I₀(t)＝f₁(t)f₂(t)，傅里叶变换后得到频域函数为：

在超低频频段内，ω远小于ω₀，此时冲激函数幅值为0，上式可以简化为：

取ω₀＝50Hz，ω＝1Hz，基于MATLAB得到零序电流超低频信号幅值随零序电流初始相角变化图，如图2所示，可以看出在任何初始相角情况下均含有零序电流超低频分量。

通过分析可得，在发生接地故障后最初的几个工频周期内，故障线路和非故障线路均有超低频分量通过，故障线路中零序电流除了可以从电容通路流通以外，还可以从系统接地点流通，而在非故障线路中只能从电容处流通，由于电容对超低频信号的阻隔作用，使得在单相接地故障情况下，故障线路的零序电流超低频信号远大于非故障线路。从而可以将零序电流超低频信号作为识别故障线路的依据。

此外，从图2中可以看出，在一个周期内，当

或

时零序电流超低频分量幅值取最小值，当

时，零序超低频分量幅值取最大值，并且当

从0过渡到π/2时，零序电流超低频信号幅值逐渐上升；当

从π/2过渡到时，零序电流超低频信号幅值逐渐降低。因此，在不同故障角情况下应选取不同的特征频段对故障线路零序超低频信号进行处理，以协调信号频率与信号幅值间的关系。如当

时，零序超低频分量幅值取最大值，特征频段的上限频率可以减小，从而保证超低频零序信号近似于直流信号；当故障角向

或

过渡时，零序超低频分量幅值逐渐降低，此时适当增大特征频段的上限频率，从而获得足够的超低频信号幅值。

在合适的超低频频段内，消弧线圈在超低频情况下阻抗极小可视为短路，线路电容阻抗极大可视为开路，超低频零序信号相当于仅流通中性线与短路故障线路接地点形成的通路，其阻抗主要受单相接地故障过渡电阻阻值影响。零序电压信号能量与零序电流信号能量的比值能够反映出信号通路阻抗大小，因此选其作为估算过渡电阻的特征量。取特征频段上限为f_m，则信号能量根据下式计算：

根据特征量可以识别出接地故障的故障类型。

综上，通过前述步骤可以实现单相接地选线与故障类型识别。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。由于无法人为产生实际的可控架空线单相接地故障，本实施例采用建模的方式模拟电力系统，并通过仿真得到的数据对本发明进行说明。具体步骤如下：

步骤1：建立配点网传输模型。

以图3所示的电力系统拓扑图为例，建立配电网传输模型以便于解释本发明具体实施方式。

所搭建的模型如图4所示，按照电力系统一般规律设定参数为：1)电缆线参数分别为：正序阻抗0.45×10^-3Ω/m，正序感抗0.37×10^-3Ω/m，正序容抗10.44MΩ/m，零序电阻0.7×10^-3Ω/m，零序电感1.22×10^-3Ω/m，零序电容16.76MΩ/m；2)消弧线圈电感大小设置为1.07H；3)线电压有效值设定为10.5kV；4)负荷为三相对称的RL元件，电阻设置为90Ω，电感设置为0.12H。

步骤2：仿真获取各线路代表值。

以设置线路4发生过渡电阻为2kΩ，故障角约为0度的单相接地故障为例进行仿真。仿真总时长为5s，故障在1s处发生。记录下各线路零序电流暂态超低频信号峰值的绝对值作为代表值，如表1所示。

表1各条线路零序电流暂态超低频信号峰值

	线路4零序电流	线路1/2/3零序电流
			代表值	0.1743A	14.23×10<sup>-5</sup>A

步骤3：比较各线路代表值

比较各线路的代表值，可以4条线路代表值均大于10^-4A，且故障线路代表值远大于非故障线路，代表值比较得出的故障识别结果与实际故障设置一致。

步骤4：自适应选取特征频段

特征频段下限为0，特征频段上限按表2自适应选取。

表2故障角与特征频段上限对应关系

步骤5：识别故障类型

在选取的特征频段内，计算零序电压信号能量与零序电流信号能量的比值，将其作为估算过渡电阻的特征量，从而识别故障类型。本实施例计算得到的零序电压信号能量、零序电流信号能量、特征量如表3所示。

表3特征量计算结果

零序电压信号能量	零序电流信号能量	特征量
			4591.4121	0.0011	4.174×10<sup>6</sup>

通过特征量估算得到的过渡电阻为2.04kΩ，与实际值2kΩ接近，进一步验证本发明的实用性。

此外，故障类型与特征量对应关系如表4所示。

表4故障类型与特征量对应关系

故障类型	金属接地	低阻接地	中阻接地	高阻接地
					特征量	<100	≥100且<400	≥400且<10000	≥10000

因此，确定故障类型为高阻接地。

本发明实施例另一方面提供了一种基于超低频信号的接地故障线路及类型识别装置，包括以下模块：

超低频信号获取模块，用于获取各线路的零序电压超低频信号以及零序电流超低频信号；

接地故障判断模块，用于选取所述零序电流超低频信号峰值的绝对值作为对应线路的代表值，若所述代表值均小于电流阈值，则没有发生单相接地故障，否则，确定所述代表值最大的线路为故障线路；

故障角确定模块，用于获取所述故障线路的零序电压工频信号，从而确定故障角；

特征频段确定模块，用于基于所述故障角自适应选取超低频特征频段；

故障类型确定模块，用于计算所述故障线路在所述特征频段内零序电压信号能量与零序电流信号能量的比值，作为估算过渡电阻的特征量，并基于所述特征量确定故障类型。

具体的，所述故障角确定模块，还用于获取所述故障线路的零序电压工频信号后，通过信号处理得到所述零序电压工频信号的实时幅值与相位；其中，信号幅值突变最大时对应的相位为发生单相接地故障时的故障角。

具体的，所述特征频段的下限取0，所述特征频段的上限与所述故障角对应的零序电流超低频信号的幅值的绝对值负相关。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超低频信号的接地故障线路及类型识别方法，其特征在于，包括以下步骤；

S1：获取各线路的零序电压超低频信号以及零序电流超低频信号；

S2：选取所述零序电流超低频信号峰值的绝对值作为对应线路的代表值，若所述代表值均小于电流阈值，则没有发生单相接地故障，否则，确定所述代表值最大的线路为故障线路，并执行步骤S3；

S3：获取所述故障线路的零序电压工频信号，从而确定故障角；

S4：基于所述故障角自适应选取超低频特征频段；

S5：计算所述故障线路在所述特征频段内零序电压信号能量与零序电流信号能量的比值，作为估算过渡电阻的特征量，并基于所述特征量确定故障类型。

2.如权利要求1所述的识别方法，其特征在于，所述步骤S3中，获取所述故障线路的零序电压工频信号后，通过信号处理得到所述零序电压工频信号的实时幅值与相位；其中，信号幅值突变最大时对应的相位为发生单相接地故障时的故障角。

3.如权利要求2所述的识别方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述特征频段的下限取0，所述特征频段的上限与所述故障角对应的零序电流超低频信号的幅值的绝对值负相关。

4.如权利要求3所述的识别方法，其特征在于，所述步骤S5中，

所述零序电压信号能量由以下公式计算：

所述零序电流信号能量由以下公式计算：

其中，f_m为所述特征频段的上限，U₀(ω)为零序电压的频域函数，I₀(ω)为零序电流的频域函数。

5.如权利要求4所述的识别方法，其特征在于，所述故障类型包括：金属接地、低阻接地、中阻接地、高阻接地；

其中，所述金属接地对应的特征量小于100，所述低阻接地对应的特征量大于或等于100且小于400，所述中阻接地对应的特征量大于或等于400且小于10000，所述高阻接地对应的特征量大于10000。

6.如权利要求1至5任一项所述的识别方法，其特征在于，所述电流阈值为10^-4A。

7.如权利要求1至5任一项所述的识别方法，其特征在于，所述超低频信号为频率不超过1Hz的信号。

8.一种基于超低频信号的接地故障线路及类型识别装置，其特征在于，包括以下模块：

超低频信号获取模块，用于获取各线路的零序电压超低频信号以及零序电流超低频信号；

接地故障判断模块，用于选取所述零序电流超低频信号峰值的绝对值作为对应线路的代表值，若所述代表值均小于电流阈值，则没有发生单相接地故障，否则，确定所述代表值最大的线路为故障线路；

故障角确定模块，用于获取所述故障线路的零序电压工频信号，从而确定故障角；

特征频段确定模块，用于基于所述故障角自适应选取超低频特征频段；

故障类型确定模块，用于计算所述故障线路在所述特征频段内零序电压信号能量与零序电流信号能量的比值，作为估算过渡电阻的特征量，并基于所述特征量确定故障类型。

9.如权利要求8所述的识别装置，其特征在于，所述故障角确定模块，还用于获取所述故障线路的零序电压工频信号后，通过信号处理得到所述零序电压工频信号的实时幅值与相位；其中，信号幅值突变最大时对应的相位为发生单相接地故障时的故障角。

10.如权利要求9所述的识别装置，其特征在于，所述特征频段的下限取0，所述特征频段的上限与所述故障角对应的零序电流超低频信号的幅值的绝对值负相关。

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