CN111769529A - 一种接地保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接地保护方法，包括以下步骤：S01、提取现有馈线故障特性信息，并将数据信息按照不同线路状态作为样本，构建历史数据样本集；S02、对故障特征信息构建的样本集进行规格化预处理；S03、通过模糊聚类算法计算出预处理数据后样本的聚类中心，划分故障数据样本类和非故障数据样本类。S04、基于样本数据的分类结果依据线路故障保护策略设定故障保护启动判定；S05、在对待测样本进行线路故障或非故障状态的正确辨识后，根据辨识结果将待测样本作为历史数据，归入相对应的类别并同步至数据库，实现了线路接地故障的无整定保护，提高了保护方法的精度、鲁棒性及自适应性，有效提高了现有配电网的故障诊断可靠性。

Description

一种接地保护方法

技术领域

本发明涉及移动变电站设备接地技术领域，具体涉及一种接地保护方法。

背景技术

随着我国城市化进程的迅速发展和美化城市环境的不断提高，地下电缆网正在逐步取代架空供电线路，已经成为城市配电网络建设的未来主要方向，地下电缆相比于架空线，它的优点是不再需要随线路架设杆塔，占地面小，因此也不易受到风雨雷电等天气因素的干扰和树木等外力的破坏，比架空线具有更高的供电可靠性，有利于人身的安全和环境的美观，但是，地下电缆铺设于地面以下，也容易受到地下环境的影响，容易发生例如局放，闪络等原因引起的永久性故障，特别是随着电缆运行时间的推移，由于运输、安装时发生的机械损伤、土壤腐蚀以及电解腐蚀等引发的故障则越发的显著，严重威胁到城市用电安全。

现有用于电缆线路接地故障检测的方法还存在以下缺点：

(1)现有的基于接地保护方法，由于电流大小及方向会随着运行方式而不断改变，因此，将其作为故障发生时，保护装置动作的单一判据，经常会出现误判的情况；

发明内容

为此，本发明提供一种接地保护方法，依据现有的线路特征提取多个故障特征量作为故障、非故障辨识的判别因子，进行故障线路、非故障线路的判定，实现线路接地故障的无整定保护，提高了保护方法的精度、鲁棒性及自适应性，有效提高了现有配电网的故障诊断可靠性，以解决现有技术中由于接地保护方法保护装置动作判据单一导致的误判现象以及故障位置标定难度大的问题。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

一种接地保护方法，包括以下步骤：

S01、提取现有馈线故障特性信息，并将数据信息按照不同线路状态作为样本，构建历史数据样本集；

S02、对故障特征信息构建的样本集进行规格化预处理；

S03、通过模糊聚类算法计算出预处理数据后样本的聚类中心，得到故障特征量的空间分布图，根据各样本间的空间距离及疏密程度进行分类，划分故障数据样本类和非故障数据样本类。

S04、基于样本数据的分类结果依据线路故障保护策略设定故障保护启动判定；

S05、在对待测样本进行线路故障或非故障状态的正确辨识后，根据辨识结果将待测样本作为历史数据，归入相对应的类别并同步至数据库。

作为本发明的一种优选方案，所述馈线故障特性信息由零序导纳接地继电器测量线路的相位差、负序电流以及零序电流信息，通过构建跟踪补偿模型实时跟踪线路信息。

作为本发明的一种优选方案，依据所述跟踪补偿模型对线路特征信息数据进行归一化处理得到聚类样本集。

作为本发明的一种优选方案，采用类间距计算法计算所述聚类样本集内的故障特征量与历史数据之间的空间相对距离，获得聚类样本集内数据差异较大的样本，划分故障数据样本类和非故障数据样本类。

作为本发明的一种优选方案，依据所述故障数据样本类在线路端设置10％相电压作为故障保护策略的启动判据。

作为本发明的一种优选方案，所述启动判据流程如下：

S041、在线路端连续测量零序电压值，当测得的零序电压大于阈值时，保护启动；

S042、记录实际系统中线路发生故障前后各保护装置所测得的历史数据，从中提取所需的故障特征量建立原始样本集X，对原始数据进行规格化预处理，构成聚类样本集X′；

S043、将聚类样本集X′中各样本数据按空间距离进行反复计算、比较，不断将距离最近的两项进行合并，直至所有样本被划分为{X₁，X₂}两类，X₁，X₂分别表示为故障类和非故障类，计算出X₁，X₂的聚类中心X′₁，X′₂；

S044、当故障发生时，定义零序电压突变时刻为故障发生时刻，记录该时刻采集到的各故障特征量数据，将其作为待测样本T；

S045、分别计算待测样本T与聚类中心X′₁，X′₂的距离d₁、d₂，对d₁、d₂进行比较，最终将待测样本T归入较近的类别中；

作为本发明的一种优选方案，根据所述待测样本T归入的信息类别判定线路信息，若待测样本被归入非故障类，则判定线路正常，同时，将待测样本作为新的历史数据归入非故障样本数据库中，并重新计算非故障样本聚类中心；若待测样本被归入故障类，则判定线路故障，此时保护装置发出报警信号或动作于跳闸将故障线路隔离；经实证判断正确后，将待测样本作为新的历史数据归入故障样本数据库中，并重新计算故障样本聚类中心。

作为本发明的一种优选方案，所述故障类和非故障类判断依据主要通过计算模糊聚类的目标函数，判断目标函数是否大于设定的阈值，通过反复迭代计算形成新的隶属矩阵实现样本的分类。

作为本发明的一种优选方案，依据所述线路故障类别根据线路暂态重心频率定位故障区段，设定额定相电压最大值的15％为判断阈值。

作为本发明的一种优选方案，所述故障区段定位步骤如下：

首先，检测线路中性点电压瞬时值，当中性点电压瞬时值大于额定相电压最大值的15％时，立即启动保护判定，判定是否发生了接地故障；

其次，若判定系统发生了单相接地故障，用故障后一个周期的零模电流减去故障之前的零模电流，得到故障后一个周期的零模电流故障分量，通过对零模电流故障分量进行全周快速傅里叶变换频谱分析，提取暂态阶段幅值最大时对应的频率点。

最后，综合区段上传的线路区间重心频率，进行K-means聚类分析，得到分类序列，判断故障区段。

本发明具有如下优点：

本发明实质上是基于多判据融合线路接地故障聚类的接地保护方法，依据现有的线路特征提取多个故障特征量作为故障、非故障辨识的判别因子，对线路特征进行全方位的刻画，结合聚类算法对历史数据样本进行分类，通过计算样本与样本间的空间距离及类别隶属度，将相似的样本划分为一类，从而进行故障线路、非故障线路的判定，实现线路接地故障的无整定保护，提高了保护方法的精度、鲁棒性及自适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施方式中接地保护方法的流程图；

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种接地保护方法，采用基于多判据融合的线路接地故障聚类保护方法，依据现有的线路特征提取多个故障特征量作为故障、非故障辨识的判别因子，对线路特征进行全方位的刻画，结合聚类算法对历史数据样本进行分类，通过计算样本与样本间的空间距离及类别隶属度，将相似的样本划分为一类，从而进行故障线路、非故障线路的判定，实现线路接地故障的无整定保护，提高了保护方法的精度、鲁棒性及自适应性。

包括以下步骤：

S01、提取现有馈线故障特性信息，并将数据信息按照不同线路状态作为样本，构建历史数据样本集；

S02、对故障特征信息构建的样本集进行规格化预处理；

S03、通过模糊聚类算法计算出预处理数据后样本的聚类中心，得到故障特征量的空间分布图，根据各样本间的空间距离及疏密程度进行分类，划分故障数据样本类和非故障数据样本类。

S04、基于样本数据的分类结果依据线路故障保护策略设定故障保护启动判定；

S05、在对待测样本进行线路故障或非故障状态的正确辨识后，根据辨识结果将待测样本作为历史数据，归入相对应的类别并同步至数据库。

本实施例中，通过现有的零序电流法、小波分析法以及能量方向判别法等，融合各方法的故障特征信息，优化选取其中三种故障特征量，构建三个坐标轴分别对应选取的三个故障特征量，各点分别对应线路的不同状态，各点的坐标值反映了该种状态下的三种故障特征量。

本实施例中，线路数据信息经过聚类分析后，各样本根据空间上的疏密程度，被划分为两类，即故障类和非故障类，坐标中呈现两类的聚类中心，将保护装置所采集到的故障后的数据作为待测样本，分别计算待测样本与故障类中心、非故障类中心之间的空间距离，并将其分别定义为距离1、距离2，通过比较二者的大小将待测样本进行归类，从而实现线路的故障/非故障状态辨识，并据此决定保护装置是否动作，其中待测样本与非故障样本聚类中心之间的距离比其与故障样本聚类中心之间的距离更短，据此判断待测样本属于非故障类数据，说明该条线路运行情况正常，保护装置不动作。

馈线故障特性信息由零序导纳接地继电器测量线路的相位差、负序电流以及零序电流信息，通过构建跟踪补偿模型实时跟踪线路信息。

本实施例中，采用相位差、负序电流以及零序电流信息，由故障相电压与故障电流之比计算出的接地故障电阻、故障电流经小波变换后模极大值、三次小波变换后模极大值以及故障起始后半个工频周波内的零序暂态能量值，根据线路特征值构建跟踪补偿模型实时跟踪线路信息，能够实时反映线路信息。

本实施例中，从小电流接地系统的等效跟踪补偿模型入手，分析故障区段上下游暂态频谱关系，利用故障后上下游区段零序电流暂态重心频率的特征，采用K-means聚类分析，解决了傅里叶变换提取线路重心频率误差的问题。

本实施例中，通过研究零序电压与积分电流的特征关系，定义了电压与积分电流的比例因子，该比例因子能够统一高阻故障和低阻故障工况中的故障判据阈值，有效实现中性点经消弧线圈接地和中性点不接地系统的故障选线。

步骤：通过构建跟踪补偿模型实时跟踪馈线故障特性信息，包括：依据跟踪补偿模型对线路特征信息数据进行归一化处理得到聚类样本集。

步骤：依据跟踪补偿模型对线路特征信息数据进行归一化处理得到聚类样本集，包括：采用类间距计算法计算聚类样本集内的故障特征量与历史数据之间的空间相对距离，获得聚类样本集内数据差异超过预设阈值的样本，划分故障数据样本类和非故障数据样本类。

依据故障数据样本类在线路端设置10％相电压作为故障保护策略的启动判据。

本实施例中，通过对样本集中不同样本间空间距离的计算及比较，最终将各样本严格的划分为故障类与非故障两类，并分别计算两类的聚类中心，当系统发生接地故障时，保护装置重新采集多源故障信息作为待测样本，通过比较待测样本与两聚类中心的距离，对待测样本进行划分，并依据类别划分结果决定保护装置的后续动作，从而实现高精度、高可靠性的接地故障保护。

启动判据流程如下：

S041、在线路端连续测量零序电压值，当测得的零序电压大于阈值时，保护启动；

S042、记录实际系统中线路发生故障前后各保护装置所测得的历史数据，从中提取所需的故障特征量建立原始样本集X，对原始数据进行规格化预处理，构成聚类样本集X′；

S043、将聚类样本集X′中各样本数据按空间距离进行反复计算、比较，不断将距离最近的两项进行合并，直至所有样本被划分为{X₁，X₂}两类，X₁，X₂分别表示为故障类和非故障类，计算出X₁，X₂的聚类中心X′₁，X′₂；

S044、当故障发生时，定义零序电压突变时刻为故障发生时刻，记录该时刻采集到的各故障特征量数据，将其作为待测样本T；

S045、分别计算待测样本T与聚类中心X′₁，X′₂的距离d₁、d₂，对d₁、d₂进行比较，最终将待测样本T归入较近的类别中；

根据待测样本T归入的信息类别判定线路信息，若待测样本被归入非故障类，则判定线路正常，同时，将待测样本作为新的历史数据归入非故障样本数据库中，并重新计算非故障样本聚类中心；若待测样本被归入故障类，则判定线路故障并获得线路故障类别，此时保护装置发出报警信号或动作于跳闸将故障线路隔离；经实证判断正确后，将待测样本作为新的历史数据归入故障样本数据库中，并重新计算故障样本聚类中心。

本实施例中，启动保护策略打破了将故障特征量与预设的整定值进行比较的传统判据模式，该保护方法基于谱系聚类分析理论，将采集到的故障特征量与历史数据进行空间相对距离的划分比较，无需设置各故障特征量的整定值，且通过对多种故障特征量的融合处理，有效降低了干扰信号对原有单一保护方法的影响，有效的提高了保护的精度及鲁棒性。

故障类和非故障类判断依据主要通过计算模糊聚类的目标函数，判断目标函数是否大于设定的阈值，通过反复迭代计算形成新的隶属矩阵实现样本的分类。

步骤：若待测样本被归入故障类，则判定线路故障并获得线路故障类别，此时保护装置发出报警信号或动作于跳闸将故障线路隔离之后，还包括：依据线路故障类别根据线路暂态重心频率定位故障区段，设定额定相电压最大值的15％为判断阈值。

本实施例中，利用小波变换在信号时频域具有表征局部特征的能力，可以识别暂态信号的突变点与对应的故障时刻和位置，有利于检测信号的瞬态检测，将仿真得到的高阻故障波形进行小波变换可以得不同时间序列和尺度下的高阻故障电流分解图，当采用故障后每半个周期的数据进行分析，可见高阻数据和实测各介质的故障数据会持续较高的故障暂态能量，不同的模型下暂态能量存在差异。

故障区段定位步骤如下：

首先，检测线路中性点电压瞬时值，当中性点电压瞬时值大于额定相电压最大值的15％时，立即启动保护判定，判定是否发生了接地故障；

其次，若判定系统发生了单相接地故障，用故障后一个周期的零模电流减去故障之前的零模电流，得到故障后一个周期的零模电流故障分量，通过对零模电流故障分量进行全周快速傅里叶变换频谱分析，提取暂态阶段幅值最大时对应的频率点。

最后，综合区段上传的线路区间重心频率，进行K-means聚类分析，得到分类序列，判断故障区段。

本实施例中，进行K-means聚类分析，得到分类序列为1类和2类，当聚类分为1类时，提取各区段重心频率的幅值，选择幅值最大的两个测量点为故障区间；将分类序列与拓扑结构向量结合，判断突变的区间点，得到故障区段。

该基于多判据融合线路接地故障聚类的接地保护方法，依据现有的线路特征提取多个故障特征量作为故障、非故障辨识的判别因子，对线路特征进行全方位的刻画，结合聚类算法对历史数据样本进行分类，通过计算样本与样本间的空间距离及类别隶属度，将相似的样本划分为一类，从而进行故障线路、非故障线路的判定，实现线路接地故障的无整定保护，提高了保护方法的精度、鲁棒性及自适应性，同时利用故障区段定位算法定位线路故障点，且选择线路相频特性中的最后一区段的容性频带作为特征频带，可以避免由于消弧线圈引入后对故障故障馈线相频特性的影响，同时也避免了由于多条不同结构馈线的叠加作用导致的频带混叠现象，有效提高了现有配电网的故障诊断可靠性。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种接地保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01、提取现有馈线故障特性信息，并将数据信息按照不同线路状态作为样本，构建历史数据样本集；

S02、对故障特征信息构建的样本集进行规格化预处理；

S03、通过模糊聚类算法计算出预处理数据后样本的聚类中心，得到故障特征量的空间分布图，根据各样本间的空间距离及疏密程度进行分类，划分故障数据样本类和非故障数据样本类；

S04、基于样本数据的分类结果依据线路故障保护策略设定故障保护启动判定；

S05、在对待测样本进行线路故障或非故障状态的正确辨识后，根据辨识结果将待测样本作为历史数据，归入相对应的类别并同步至数据库。

2.根据权利要求1所述的一种接地保护方法，其特征在于，所述馈线故障特性信息包括零序导纳接地继电器测量线路的相位差、负序电流以及零序电流信息，通过构建跟踪补偿模型实时跟踪所述馈线故障特性信息。

3.根据权利要求2所述的一种接地保护方法，其特征在于，所述步骤：通过构建跟踪补偿模型实时跟踪所述馈线故障特性信息，包括：

依据所述跟踪补偿模型对线路特征信息数据进行归一化处理得到聚类样本集。

4.根据权利要求3所述的一种接地保护方法，其特征在于，所述步骤：依据所述跟踪补偿模型对线路特征信息数据进行归一化处理得到聚类样本集，包括：

采用类间距计算法计算所述聚类样本集内的故障特征量与历史数据之间的空间相对距离，获得聚类样本集内数据差异超过预设阈值的样本，划分故障数据样本类和非故障数据样本类。

5.根据权利要求4所述的一种接地保护方法，其特征在于，依据所述故障数据样本类在线路端设置10％相电压作为故障保护策略的启动判据。

6.根据权利要求5所述的一种接地保护方法，其特征在于，所述启动判据流程如下：

S041、在线路端连续测量零序电压值，当测得的零序电压大于阈值时，保护启动；

S042、记录实际系统中线路发生故障前后各保护装置所测得的历史数据，从中提取所需的故障特征量建立原始样本集X，对原始数据进行规格化预处理，构成聚类样本集X′；

S043、将聚类样本集X′中各样本数据按空间距离进行反复计算、比较，不断将距离最近的两项进行合并，直至所有样本被划分为{X₁，X₂}两类，X₁，X₂分别表示为故障类和非故障类，计算出X₁，X₂的聚类中心X₁′，X₂′；

S044、当故障发生时，定义零序电压突变时刻为故障发生时刻，记录该时刻采集到的各故障特征量数据，将其作为待测样本T；

S045、分别计算待测样本T与聚类中心X₁′，X₂′的距离d₁、d₂，对d₁、d₂进行比较，最终将待测样本T归入较近的类别中。

7.根据权利要求6所述的一种接地保护方法，其特征在于，根据所述待测样本T归入的信息类别判定线路信息，若待测样本被归入非故障类，则判定线路正常，同时，将待测样本作为新的历史数据归入非故障样本数据库中，并重新计算非故障样本聚类中心；若待测样本被归入故障类，则判定线路故障并获得线路故障类别，此时保护装置发出报警信号或动作于跳闸将故障线路隔离；经实证判断正确后，将待测样本作为新的历史数据归入故障样本数据库中，并重新计算故障样本聚类中心。

8.根据权利要求6所述的一种接地保护方法，其特征在于，所述故障类和非故障类判断依据通过计算模糊聚类的目标函数，判断目标函数是否大于设定的阈值，通过反复迭代计算形成新的隶属矩阵实现样本的分类。

9.根据权利要求7所述的一种接地保护方法，其特征在于，所述步骤：若待测样本被归入故障类，则判定线路故障并获得线路故障类别，此时保护装置发出报警信号或动作于跳闸将故障线路隔离之后，还包括：

依据所述线路故障类别根据线路暂态重心频率定位故障区段，设定额定相电压最大值的15％为判断阈值。

10.根据权利要求9所述的一种接地保护方法，其特征在于，所述故障区段定位步骤如下：

首先，检测线路中性点电压瞬时值，当中性点电压瞬时值大于额定相电压最大值的15％时，立即启动保护判定，判定是否发生了接地故障；

其次，若判定系统发生了单相接地故障，用故障后一个周期的零模电流减去故障之前的零模电流，得到故障后一个周期的零模电流故障分量，通过对零模电流故障分量进行全周快速傅里叶变换频谱分析，提取暂态阶段幅值最大时对应的频率点；

最后，综合区段上传的线路区间重心频率，进行K-means聚类分析，得到分类序列，判断故障区段。

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