CN111812451B - 一种基于相电流暂态故障分量的配电网分布式选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相电流暂态故障分量的配电网分布式选线方法，包括以下步骤：采用零序电压、零序电压变化量的或门启动，克服了高阻接地灵敏度不足问题；计算相电流采样值变化量，降低了三相负荷不平衡影响；缓存故障触发前、后设定时长数据，捕捉故障初始时刻，并截取故障初始时刻后设定数据窗长度内相电流采样值变化量；提出了故障特征频带内的相电流暂态故障分量提取，筛选出暂态故障分量最大相，通过对相电流暂态故障分量综合分析，确定母线故障、线路故障与故障相别，选线环节无需零序电压、零序电流量，不受零序CT极性接反、合成零序精度不足的影响；提出了自产、外接零序暂态故障分量波形相似度分析，在线校核外接零序CT极性。

Description

一种基于相电流暂态故障分量的配电网分布式选线方法

技术领域

本发明涉及一种基于相电流暂态故障分量的配电网分布式选线方法，属于电力系统配电网技术保护领域。

背景技术

我国中低压配电网系统普遍采用小电流接地(中性点不接地或经消弧线圈接地)方式，其发生单相接地故障时，由于不构成低阻抗的短路回路，接地故障稳态电流较小且相电压仍保持平衡，不影响用户供电，但若长时间带故障运行，易导致非故障相绝缘击穿，引发两相对地短路故障，为防止故障范围扩大进而引发人身安全事故，在系统发生单相接地故障时，应能够准确地选出故障线路或故障区段，并予以快速隔离。

配电网单相接地故障选线问题长期以来一直困扰着电网安全稳定运行，基于相关理论研究的选线装置在试验中也都达到了90％以上正确率，但大多数选线装置在实际使用中，应受现场条件或真实运行环境的影响，实际选线准确率往往不到70％。

目前小电流接地选线方法多样，但多依赖于线路零序电流，鉴于系统正常运行时零序电流很小的特点，往往无法通过装置实测信息准确判断零序CT极性是否正确，现场很多情况也不允许对开关柜停电进行零序CT极性一致性校核；另外，存在不少未配置专用零序CT或直接不具备安装零序CT条件的应用场合，若直接采用相电流合成零序电流，无法避免相电流CT特性不一以及系统三相负荷不平衡的影响，最终都将直接造成装置误报、误动。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于相电流暂态故障分量的配电网分布式选线方法，以解决现有技术中存在的选线准确率不高的问题。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

一种配电网分布式选线方法，包括以下步骤：

以故障初始时刻为起点采集设定长度的相电流采样值变化量；

对所述相电流采样值变化量进行滤波，得到相电流暂态故障分量；

根据所述相电流暂态故障分量计算得到相电流暂态故障分量能量；

根据所述相电流暂态故障分量能量筛选出最大相序相电流暂态故障分量；

根据所述最大相序暂态故障分量计算得到动态数据窗长度；

计算所述动态数据窗长度内最大相序与另外两相的电流能量相似性系数和故障分量波形相似性系数；

根据所述电流能量相似性系数和故障分量波形相似性系数判断最大相序对应的线路是否发生单相接地故障。

进一步的，所述相电流采样值变化量的计算公式如下：

Δi_x(t)＝i_x(t)-i_x(t-N×ΔT) (3)

式中，△T为采样间隔时间，N为一个工频周期内采样点数，i_x(t)为当前t时刻某相电流采样值，i_x(t-N×△T)为当前t时刻前一周波对应相电流采样值，△i_x(t)为当前t时刻对应相电流采样值变化量。

进一步的，所述相电流暂态故障分量的计算公式如下：

式中，

为滤波后的某相电流暂态故障分量，filter为滤波处理函数，△i_x(t)为当前t时刻对应相电流采样值变化量。

进一步的，所述相电流暂态故障分量能量的计算公式如下：

式中，E_x(t)为某相电流暂态故障分量能量，

为滤波后的某相电流暂态故障分量。

进一步的，所述动态数据窗长度的计算公式如下：

△T_D＝t_i2-t_i1 (6)

式中，△T_D为暂态故障分量综合分析动态数据窗长度，t_i1为最大相序暂态故障分量极值点前第一个过零点时刻，t_i2为最大相序暂态故障分量极值点后第一个过零点时刻。

进一步的，所述电流能量相似性系数的计算公式如下：

所述故障分量波形相似性系数的计算公式如下：

式中，E_x1(t)与E_x2(t)为某两相电流暂态故障分量能量，i_x1Filter、i_x2Filter为对应两相电流暂态故障分量，k_y为对应两相电流能量相似性系数，Coe_y为对应两相故障分量波形相似性系数。

进一步的，所述最大相序对应的线路发生单相接地故障满足的条件为：

所述最大相序对应的线路未发生单相接地故障满足的条件为：

式中，k_AB为AB两相电流能量相似性系数，k_BC为BC两相电流能量相似性系数，k_CA为CA两相电流能量相似性系数，Coe_AB为AB两相故障分量波形相似性系数，Coe_BC为BC两相故障分量波形相似性系数,Coe_CA为CA两相故障分量波形相似性系数,k_set可靠系数,Coe_setu为波形反相似上限，Coe_setl为波形正相似下限。

进一步的，所述故障初始时刻的获取方法如下：

获取单相接地故障时刻前1个周波、后2个周波长度内的零序电压；

将所述零序电压中的节点与变化系数比较，得到故障初始时刻。

进一步的，所述节点与变化系数的比较公式如下：

u_i+m>K_setu_i (2)

式中，u_i为本节点零序电压缓存数据内第i点采样值，u_i+m为本节点零序电压缓存数据内第(i+m)点采样值，K_set为变化系数，m为判定第i+1点为突变点所需连续变化点数。

进一步的，所述方法还包括：

若最大相序对应的线路发生单相接地故障则判断是否存在外接零序电流；

若存在外接零序电流则判断自产零序电流与外接零序电流大小是否匹配，若匹配则计算自产零序电流与外接零序电流的暂态故障分量波形相似度；

根据自产零序电流与外接零序电流的暂态故障分量波形相似度判断零序CT极性是否正确。

进一步的，所述自产零序电流与外接零序电流的匹配关系如下：

式中，i_0ZJ为外接零序电流幅值，R_L为匹配度下限，R_U为匹配度上限。

一种配电网分布式选线系统，所述系统包括：

采集模块：用于以故障初始时刻为起点采集设定长度的相电流采样值变化量；

滤波模块：用于对所述相电流采样值变化量进行滤波，得到相电流暂态故障分量；

第一计算模块：用于根据所述相电流暂态故障分量计算得到相电流暂态故障分量能量；

筛选模块：用于根据所述相电流暂态故障分量能量筛选出最大相序相电流暂态故障分量；

第二计算模块：用于根据所述最大相序暂态故障分量计算得到动态数据窗长度；

第三计算模块：用于计算所述动态数据窗长度内最大相序与另外两相的电流能量相似性系数和故障分量波形相似性系数；

判断模块：用于根据所述电流能量相似性系数和故障分量波形相似性系数判断最大相序对应的线路是否发生单相接地故障。

一种配电网分布式选线系统，所述系统包括处理器和存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行上述所述方法的步骤。

计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明显著效果包括如下几点：

本发明根据相电流暂态故障分量对单相接地故障进行判断，可用于未配置零序CT或不具备零序CT安装条件的配电网多应用场合，可有效避免系统中某条线路CT极性接反、合成零序精度不足以及三相负荷不平衡导致的误选情况，提高了故障相判别选线方法的准确可靠性，不再依赖于传统的相电压判据，无需根据中性点接地方式切换判断逻辑，具备自适应性；本发明不受谐振接地系统感性电流补偿的影响，自适应于中性点不接地系统、谐振接地系统、经高阻接地系统，不存在选线盲区，具有广泛的应用范围和应用前景。

附图说明

附图1是一种基于相电流暂态故障分量的配电网分布式选线方法逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于相电流暂态故障分量的配电网分布式选线方法，适用于配电网小电流接地系统，具体包括以下步骤：

步骤1：实时计算系统零序电压与零序电压变化量，当零序电压或零序电压变化量大于设定启动定值时，则认为发生单相接地故障，启动接地故障选线环节并执行步骤2；

根据采用零序电压或零序电压变化量启动单相接地故障选线方法如下：

当零序电压或零序电压变化量满足下式，则认为系统可能发生单相接地故障，启动单相接地故障选线环节：

U₀>U_0set或ΔU₀>ΔU_0set (1)

式中，U₀为母线零序电压基波幅值，U_0set为母线零序电压启动门槛值，ΔU₀为母线零序电压采样值变化量幅值，ΔU_0set为母线零序电压变化量门槛值。

步骤2：开启零序电压、相电流采样值记录，缓存故障触发时刻前1个周波、后2个周波长度数据后，执行步骤3；

步骤3：捕捉缓存数据中零序电压突变点，确定故障初始时刻，执行步骤4；

根据缓存数据中零序电压突变点判别故障初始时刻方法如下：

当节点i后连续m个点采样值满足下式，则认为第i+1点为突变点，即为故障初始时刻t0：

u_i+m>K_setu_i (2)

式中，u_i为本节点零序电压缓存数据内第i点采样值，u_i+m为本节点零序电压缓存数据内第(i+m)点采样值，K_set为变化系数，m为判定第i+1点为突变点所需连续变化点数。

步骤4：以步骤3)中确定的故障初始时刻为起点，对设定长度的相电流采样值变化量进行滤波，滤除其工频分量，得到滤波后保留特征频带内分量的相电流暂态故障分量，执行步骤5；

相电流采样值变化量计算方法如下式：

Δi_x(t)＝i_x(t)-i_x(t-N×ΔT) (3)

式中△T为采样间隔时间，N为一个工频周期内采样点数，i_x(t)为当前t时刻某相电流采样值，i_x(t-N×△T)为当前t时刻前一周波对应相电流采样值，△i_x(t)为当前t时刻对应相电流采样值变化量。

暂态故障分量提取方法如下式：

式中，

为滤波后的某相电流暂态故障分量，filter为滤波处理函数。

步骤5：计算步骤4)中得到的相电流暂态故障分量能量，筛选出暂态故障分量最大相序，执行步骤6；

相电流暂态故障分量能量计算如下：

式中，E_x(t)为某相电流暂态故障分量能量。

步骤6：根据步骤5)中筛选出的最大相序暂态故障分量进行能量与波形特性分析动态数据窗长度计算，执行步骤7；

最大相序暂态故障分量的能量与波形特性分析动态数据窗长度计算方法如下：

△T_D＝t_i2-t_i1 (6)

式中，△T_D暂态故障分量综合分析动态数据窗长度，t_i1为最大相序暂态故障分量极值点前第一个过零点时刻，t_i2为最大相序暂态故障分量极值点后第一个过零点时刻。

步骤7：对动态数据窗内的相电流暂态故障分量进行能量与波形特性分析，如果满足最大相序能量明显大于其它两相，且波形均成反相似性，则本线路发生单相接地故障，且暂态故障分量最大相序为故障相，执行步骤9，否则执行步骤8；

动态数据窗内的相电流暂态故障分量进行能量与波形特性分析方法如下：

式中，E_x1(t)与E_x2(t)为某两相电流暂态故障分量能量，i_x1Filter、i_x2Filter为对应两相电流暂态故障分量，k_y为对应两相电流能量相似性系数，Coe_y为对应两相故障分量波形相似性系数。

以线路A相单相接地为例，应满足下式：

式中，k_AB为AB两相电流能量相似性系数，k_BC为BC两相电流能量相似性系数，k_CA为CA两相电流能量相似性系数，Coe_AB为AB两相故障分量波形相似性系数，Coe_BC为BC两相故障分量波形相似性系数,Coe_CA为CA两相故障分量波形相似性系数,k_set可靠系数,Coe_setu为波形反相似上限，Coe_setl为波形正相似下限。

步骤8：如果最大相与其它两相幅值大小近似相等，且波形均成正相似性，则认为本线路为非故障线路，否则相电流采集异常，结束零序CT极性判别；

非单相接地故障线路满足下式：

如果系统内所有线路均为非故障线路，则认为母线发生接地故障。

步骤9：判断故障线路是否采集外接零序电流，若是，则执行步骤10，否则结束零序CT极性判别；

步骤10：判断自产零序电流与外接零序电流大小是否匹配，若是，则执行步骤11，否则零序电流采集异常，结束零序CT极性判别；

自产外接零序电流与自产零序电流幅值匹配关系如下：

式中，i_0ZJ为外接零序电流幅值，R_L为匹配度下限，R_U为匹配度上限。

步骤11：按照步骤4中方法分别提取自产、外接零序电流暂态故障分量，并执行步骤12；

步骤12：对步骤11)得到的自产、外接零序电流暂态故障分量进行波形相似性分析，如果相似度接近于1，则零序CT极性正确；如果相似度接近于-1，则外接零序CT极性错误。

自产、外接零序电流暂态故障分量进行波形相似性分析方法如下：

式中，Coe_Polar为自产、外接零序电流暂态故障分量波形相似度，

为自产零序暂态故障分量，

为外接零序暂态故障分量。

本发明所述的方法实时计算系统零序电压与零序电压变化量，当零序电压或零序电压变化量大于设定启动定值时，则认为发生单相接地故障，启动接地故障选线环节；记录零序电压、相电流采样值，确保缓存故障触发时刻前1个周波、后2个周波长度数据；捕捉缓存数据中零序电压突变点，确定故障初始时刻；以故障初始时刻为基准，对设定长度的相电流采样值变化量进行滤波，滤除其工频分量，得到滤波后保留特征频带内分量的相电流暂态故障分量；分别计算相电流暂态故障分量能量，筛选出暂态故障分量最大相序；提取最大相序暂态故障分量极值点，推导极值点前、后第一个过零点时刻，计算出能量与波形特性分析动态数据窗长度；对动态数据窗内的相电流暂态故障分量进行能量与波形特性分析，根据最大相序与其它两相的能量大小关系、波形相似性确定本线路是否发生单相接地故障以及相电流采集是否异常，当确定为故障线路时，暂态故障分量能量最大相即为故障相；为防止零序电流过小精度不足导致误判，在进行极性校核前需对零序电流大小进行判别，只有当零序电流大于门槛值时才进行极性校核，根据自产零序电流与外接零序电流大小匹配关系与暂态故障分量波形相似性，确定零序CT极性是否正确，以及零序电流采集是否异常。

本发明采用相电流模拟量采集，可有效避免系统中某条线路CT极性接反、合成零序精度不足导致的误选情况；暂态故障分量提取环节采用了特征频带内采样值变化量滤波，解决了三相负荷不平衡以及消弧线圈工频补偿量对选线准确性的影响；故障线路判别过程无需零序电压量，克服了传统零序电压求导带来的零序电压与零序电流时序不同步的影响；同时，故障相判别也不再依赖于相电压，解决了中性点接地方式判断逻辑不一致的问题；同时该方法故障选线过程中实时对零序CT极性、相电流与外接零序电流采集精度进行在线校核，避免因零序CT极性错误及采样异常而导致的误报、误动，并能及时给出告警信息，避免对开关柜停电校验及现场提取故障录波数据分析带来的麻烦，方便现场运维检修，降低运维成本。本发明不受谐振接地系统感性电流补偿的影响，自适应于小电流接地配电网系统，具有广泛的应用范围和应用前景。

本发明所述方法无需添加额外一次设备、也无需其他一次设备动作配合；本发明不受谐振接地系统感性电流补偿的影响，自适应于中性点不接地系统、谐振接地系统、经高阻接地系统，不存在选线盲区，具有广泛的应用范围和应用前景。本发明所述方法可准确区分母线接地故障或线路接地故障，对于线路接地故障可准确判别接地线路，从而为进一步对接地故障进行有效处理提供依据；本发明能够在线校核外接零序CT极性，并发出告警信号，无需故障后提取现场故障录波数据以综合分析线路零序CT极性正确性，无需对开关柜停电校验互感器及二次回路，降低运维成本，避免因零序CT极性错误而导致的误报、误动。本发明能够在对相电流与外接零序电流采集精度进行在线校核，及时给出告警信息，方便现场运维检修；

一种配电网分布式选线系统，所述系统包括：

采集模块：用于以故障初始时刻为起点采集设定长度的相电流采样值变化量；

滤波模块：用于对所述相电流采样值变化量进行滤波，得到相电流暂态故障分量；

第一计算模块：用于根据所述相电流暂态故障分量计算得到相电流暂态故障分量能量；

筛选模块：用于根据所述相电流暂态故障分量能量筛选出最大相序相电流暂态故障分量；

第二计算模块：用于根据所述最大相序暂态故障分量计算得到动态数据窗长度；

第三计算模块：用于计算所述动态数据窗长度内最大相序与另外两相的电流能量相似性系数和故障分量波形相似性系数；

判断模块：用于根据所述电流能量相似性系数和故障分量波形相似性系数判断最大相序对应的线路是否发生单相接地故障。

一种配电网分布式选线系统，所述系统包括处理器和存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行上述所述方法的步骤。

计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述所述方法的步骤。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种配电网分布式选线方法，其特征在于，包括以下步骤：

以故障初始时刻为起点采集设定长度的相电流采样值变化量；

对所述相电流采样值变化量进行滤波，得到相电流暂态故障分量；

根据所述相电流暂态故障分量计算得到相电流暂态故障分量能量；

根据所述相电流暂态故障分量能量筛选出最大相序相电流暂态故障分量；

根据所述最大相序相电流暂态故障分量计算得到动态数据窗长度；

计算所述动态数据窗长度内最大相序与另外两相的电流能量相似性系数和故障分量波形相似性系数；

根据所述电流能量相似性系数和故障分量波形相似性系数判断最大相序对应的线路是否发生单相接地故障；

所述电流能量相似性系数的计算公式如下：

所述故障分量波形相似性系数的计算公式如下：

式中，E_x1(t)与E_x2(t)为某两相电流暂态故障分量能量，i_x1Filter、i_x2Filter为对应两相电流暂态故障分量，k_y为对应两相电流能量相似性系数，Coe_y为对应两相故障分量波形相似性系数；ΔT_D为暂态故障分量综合分析动态数据窗长度，t_i1为最大相序暂态故障分量极值点前第一个过零点时刻，t_i2为最大相序暂态故障分量极值点后第一个过零点时刻；

所述最大相序对应的线路发生单相接地故障满足的条件为：

所述最大相序对应的线路未发生单相接地故障满足的条件为：

式中，k_AB为AB两相电流能量相似性系数，k_BC为BC两相电流能量相似性系数，k_CA为CA两相电流能量相似性系数，Coe_AB为AB两相故障分量波形相似性系数，Coe_BC为BC两相故障分量波形相似性系数,Coe_CA为CA两相故障分量波形相似性系数,k_set可靠系数,Coe_setu为波形反相似上限，Coe_setl为波形正相似下限。

2.根据权利要求1所述的一种配电网分布式选线方法，其特征在于，所述相电流采样值变化量的计算公式如下：

Δi_x(t)＝i_x(t)-i_x(t-N×ΔT) (3)

式中，ΔT为采样间隔时间，N为一个工频周期内采样点数，i_x(t)为当前t时刻某相电流采样值，i_x(t-N×ΔT)为当前t时刻前一周波对应相电流采样值，Δi_x(t)为当前t时刻对应相电流采样值变化量。

3.根据权利要求1所述的一种配电网分布式选线方法，其特征在于，所述相电流暂态故障分量的计算公式如下：

式中，

为滤波后的某相电流暂态故障分量，filter为滤波处理函数，Δi_x(t)为当前t时刻对应相电流采样值变化量。

4.根据权利要求1所述的一种配电网分布式选线方法，其特征在于，所述相电流暂态故障分量能量的计算公式如下：

式中，E_x(t)为某相电流暂态故障分量能量，i_xFilter(t)为滤波后的某相电流暂态故障分量；ΔT为采样间隔时间。

5.根据权利要求1所述的一种配电网分布式选线方法，其特征在于，所述动态数据窗长度的计算公式如下：

ΔT_D＝t_i2-t_i1 (6)

式中，ΔT_D为暂态故障分量综合分析动态数据窗长度，t_i1为最大相序暂态故障分量极值点前第一个过零点时刻，t_i2为最大相序暂态故障分量极值点后第一个过零点时刻。

6.根据权利要求1所述的一种配电网分布式选线方法，其特征在于，所述故障初始时刻的获取方法如下：

获取单相接地故障时刻前1个周波、后2个周波长度内的零序电压；

将所述零序电压中的节点与变化系数比较，得到故障初始时刻；

所述节点与变化系数的比较公式如下：

u_i+m>K_setu_i (2)

式中，u_i为本节点零序电压缓存数据内第i点采样值，u_i+m为本节点零序电压缓存数据内第(i+m)点采样值，K_set为变化系数，m为判定第i+1点为突变点所需连续变化点数。

7.根据权利要求1所述的一种配电网分布式选线方法，其特征在于，所述方法还包括：

若最大相序对应的线路发生单相接地故障则判断是否存在外接零序电流；

若存在外接零序电流则判断自产零序电流与外接零序电流大小是否匹配，若匹配则计算自产零序电流与外接零序电流的暂态故障分量波形相似度；

根据自产零序电流与外接零序电流的暂态故障分量波形相似度判断零序CT极性是否正确。

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