CN111880045B - 基于行波全波形的高阻接地故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于行波全波形的高阻接地故障检测方法，其步骤包括：步骤S1：检测故障行波信号，对三相电压行波信号进行凯伦贝尔相模变换，得到线模电压和零模电压；步骤S2：对步骤S1得到的线模分量利用连续小波变换，绘制出故障行波的时‑频波形，即行波全波形；步骤S3：计算一个时间窗内的行波全波形能量E₁；当行波全波形能量E₁大于预设的启动阈值ε时，进入步骤S4；步骤S4：基于行波全波形变化规律构造高阻故障检测判据，判断配电网是否发生高阻接地故障。本发明具有原理简单、易实现、能够大幅提高检测精度等优点，可以灵敏检测高达5kΩ的配电网高阻接地故障。

Description

基于行波全波形的高阻接地故障检测方法

技术领域

本发明主要涉及到配电网故障检测技术领域，特指一种基于行波全波形的高阻接地故障检测方法。

背景技术

配电网大多采用中性点非有效接地方式，配电网故障多为单相接地(SLG)故障，没有故障电流回路，SLG故障电流幅值较小。当配电线路掉落接触到如碎石、沥青、树木、沙砾等高阻性表面时，此时发生的故障被称为高阻接地故障(High Impedance GroudingFault,HIGF)，是单相接地故障中一类常见的故障。高阻接地故障若不能及时切除，事故进一步扩大，危机人身安全，而且故障发生时伴随的电弧会引起火灾，烧毁设备。

目前已有大量研究关注高阻接地故障问题，对于中性点非有效接地系统，根据采用故障特征量的不同，现有的高阻接地故障检测方法分为稳态分量法、暂态分量法、行波法和人工智能法。由于中性点非有效系统稳态分量微弱，容易被噪声和系统不平衡的分量淹没，准确提取稳态分量的难度较大，容易造成误判。发生高阻接地故障时，暂态信号幅值远远大于稳态信号，基于暂态分量的高阻接地故障检测方法，主要通过一系列算法提取故障信号的谐波分量来实现高阻接地故障检测，对1kΩ以上的过渡电阻检测的正确率不高。基于故障瞬时突变的行波法，大多关注故障初始波头的特征，对后续波头的关注程度不够，且现有技术对于初始波头的准确识别存在一定困难。人工智能法对现场试验数据的选取要求较严格，而实际应用中高阻接地故障数据采集困难，该方法适用性有限。

综上所述，现有方法对于配电网的高阻接地故障检测存在一定的缺陷。现有的高阻接地故障检测方法大多针对过渡电阻为1kΩ以下的高阻接地故障，且没有分开构造故障启动判据和故障检测判据，容易造成误判。因此研究有效可行的方法实现过渡电阻为1kΩ以上的高阻接地故障检测十分必要。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、易实现、能够大幅提高检测精度的基于行波全波形的高阻接地故障检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于行波全波形的高阻接地故障检测方法，其步骤包括：

步骤S1：检测故障行波信号，采用凯伦贝尔相模变换对三相电压行波信号进行变换，得到线模电压和零模电压；

步骤S2：对步骤S1得到的线模分量利用连续小波变换，绘制出故障行波的时-频波形，即行波全波形；

步骤S3：计算一个时间窗内的行波全波形能量E₁；当行波全波形能量E₁大于预设的启动阈值ε时，进入步骤S4；

步骤S4：基于行波全波形变化规律构造高阻故障检测判据，判断配电网是否发生高阻接地故障。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤S1中，通过相模变换得到相互独立的模分量；当配电网线路上发生故障时，检测到电压行波信号，记为u_a，u_b，u_c，采用凯伦贝尔公式进行相模变换，得到线模电压和零模电压，公式如下：

式中，u₀表示零模电压行波分量，u_α和u_β表示线模电压行波分量。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤S2中，行波从故障点沿线路向两侧传播，并在波阻抗不连续处产生折射和反射；从故障初始行波到达检测点的时刻开始，截取一定时间窗T的波形，利用连续小波变换可绘制出在时间窗T内，故障行波时-频波形，定义该波形为行波全波形，所述行波全波形中蕴含有故障信息和故障特征。

作为本发明的进一步改进：所述故障信息包括时间、频率、幅值和极性中的一项或多项。。

作为本发明的进一步改进：所述故障特征包括网络拓扑结构、故障点位置、故障初相角、故障过渡电阻、故障类型中的一项或多项。。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S3中，通过以下公式得到行波全波形能量E₁：

式中，f₁和f_n为行波全波形的起始和结束频段，t₁和t_k为一定时间窗T₁的起始与结束采样点，u(f,t)为频段f、采样点t时的连续小波系数。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤S3中，当配电网中存在扰动时，行波全波形能量E₁明显发生突变，基于行波全波形能量突变构造高阻接地故障启动判据。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤S3中，考虑到保留安全性裕度，启动阈值ε取0.1；当E₁<0.1时，判断配电网处于正常运行状态，当E₁>0.1时，判断配电网有扰动发生，启动高阻接地故障检测装置，构造故障检测判据进一步判断扰动是否为高阻接地故障。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤S4中，高阻接地故障与正常暂态扰动状态在时频域分布上存在较大差异，由于行波全波形具有时-频域的变化特性，根据行波全波形变化规律构造高阻故障检测判据；

计算高阻故障检测装置启动后连续3个时间窗内的行波全波形能量E₂、E₃、E₄，若E₁与后续行波全波形能量E₂、E₃、E₄的比值的最小值小于阀值δ，即：

判定为高阻接地故障；否则判定为正常暂态扰动。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S4中，所述阀值δ取0.55。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的基于行波全波形的高阻接地故障检测方法，通过连续小波变换得到行波全波形，行波全波形具有时-频域的变化特性，可以更为准确的反映高阻接地故障和正常暂态扰动的区别，可靠识别高阻接地故障。该方法无需检测初始行波波头，有效解决了由于配电网网络结构以及不同故障条件导致行波波头变缓从而造成误判的问题。

2、本发明的基于行波全波形的高阻接地故障检测方法，根据行波全波形能量突变构造启动判据，根据行波全波形变化规律构造高阻接地故障检测判据。本发明原理简单，解决了现有技术判断高阻接地故障灵敏度低的问题，可以灵敏检测高达5kΩ的配电网高阻接地故障。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明在具体应用实例中于PSCAD搭建的配电网局部拓扑结构网络示意图。

图3是本发明在具体应用实例中在5种工况下在M端测得时域行波波形图；图中(a)为正常运行状态下的示意图；图中(b)为高阻接地故障的示意图；图中(c)为负荷投入的示意图；图中(d)为电容器投入的示意图；图(e)为空载线路投入的示意图。

图4是本发明在具体应用实例中各种工况下在M端测得故障行波全波形图；图中(a)为正常运行状态下的示意图；图中(b)为高阻接地故障的示意图；图中(c)为负荷投入的示意图；图中(d)为电容器投入的示意图；图(e)为空载线路投入的示意图。

图5是本发明在具体应用实例中4种工况下的频域分布图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的基于行波全波形的高阻接地故障检测方法，其步骤为：

步骤S1：在配电网首端安装行波传感器和嵌入式行波采集模块，检测故障行波信号，采用凯伦贝尔相模变换对三相电压行波信号进行变换，得到线模电压和零模电压；

步骤S2：对上述线模分量利用连续小波变换，绘制出故障行波的时-频波形，即行波全波形；

步骤S3：计算一定时间窗内(如100us)的行波全波形能量E₁；当行波全波形能量E₁大于预设的启动阈值ε时，高阻故障检测装置启动；

步骤S4：基于行波全波形变化规律构造高阻故障检测判据，判断配电网是否发生高阻接地故障。

在具体应用实例中，在步骤S1中，采用凯伦贝尔相模变换对三相电压行波信号进行变换，得到线模电压和零模电压：

实际的线路中在三相间总是存在电磁耦合，因此行波在三相系统中的传播过程中不是相互独立的，可以通过相模变换得到相互独立的模分量。

当配电网线路上发生故障时，在行波采集模块上，检测到电压行波信号，记为u_a，u_b，u_c，采用凯伦贝尔公式进行相模变换，得到线模电压和零模电压，公式如下：

式中，u₀表示零模电压行波分量，u_α和u_β表示线模电压行波分量

在具体应用实例中，在步骤S2中，对线模电压分量利用连续小波变换，绘制出故障行波的时-频波形：

行波从故障点沿线路向两侧传播，并在波阻抗不连续处产生折射和反射。从故障初始行波到达检测点的时刻开始，截取一定时间窗T的波形，利用连续小波变换可绘制出在时间窗T内，故障行波时-频波形，定义该波形为行波全波形，所述行波全波形中蕴含有时间、频率、幅值和极性等丰富的故障信息，可挖掘网络拓扑结构、故障点位置、故障初相角、故障过渡电阻、故障类型等在内的丰富故障特征。

在具体应用实例中，本实例的步骤S3中，计算100us时间窗内的行波全波形能量E₁：

式中，f₁和f_n为行波全波形的起始和结束频段，t₁和t_k为一定时间窗T₁的起始与结束采样点，u(f,t)为频段f、采样点t时的连续小波系数。

在具体应用实例中，在步骤S3中，当行波全波形能量大于预设的启动阈值ε时，高阻故障检测装置启动：

根据求取的行波全波形能量E₁设定启动阈值ε。当配电系统中有扰动发生时，行波全波形能量E₁明显发生突变，基于行波全波形能量突变构造高阻接地故障启动判据，考虑到保留一定的安全性裕度，启动阈值ε取0.1。当E₁<0.1时，判定配电网处于正常运行状态，当E₁>0.1时，判断配电系统有扰动发生，启动高阻接地故障检测装置，构造故障检测判据进一步判断扰动是否为高阻接地故障。

在具体应用实例中，在步骤S4中，基于行波全波形变化规律构造高阻故障检测判据，判断配电网是否发生高阻接地故障：

配电网还有存在与高阻接地故障相同的扰动状况，比如负荷投入和并联电容器投入等，所以要构造检测判据将高阻接地故障和正常暂态扰动进行区分。

高阻接地故障与正常暂态扰动状态在时频域分布上存在较大差异，行波全波形具有时-频域的变化特性，根据行波全波形变化规律构造高阻故障检测判据。

计算高阻故障检测装置启动后连续3个100us时间窗内的行波全波形能量E2、E3、E4，若E₁与后续行波全波形能量E₂、E₃、E₄的比值的最小值小于阀值δ，即：

则判定为高阻接地故障；否则则判定为正常暂态扰动。

在具体应用实例中，本实例的步骤S4中，根据大量仿真分析，阀值δ取0.55。

如图2所示，为本发明在具体应用实例中于PSCAD搭建的配电网局部拓扑结构网络示意图。

在配电网M端安装行波采集模块，在M端检测到行波信号后采用凯伦贝尔公式进行相模变换，得到线模电压和零模电压，对于5种工况下的线模电压时域行波波形如图3所示，再对线模电压信号进行连续小波变换得到行波全波形，5种工况下的行波全波形如图4所示。

对以上5种工况求取故障后100us时间窗内的行波全波形能量E₁，当配电系统有扰动发生时，行波全波形能量明显发生突变，当E₁>0.1时，高阻故障检测装置启动。高阻接地故障与正常暂态扰动状态在时频域分布上存在较大差异，如图5所示，由于行波全波形具有时-频域的变化特性，因此根据行波全波形变化规律构造高阻故障检测判据，求取高阻接地故障检测装置启动后连续3个100us时间窗内的行波全波形能量E₂、E₃、E₄，当E₁与E₂、E₃、E₄比值的最小值小于0.55时，则判断配电系统发生高阻接地故障。故障检测结果如表1所示。

表1

由上可知，本发明是利用配电网任一点发生故障具有时–频域唯一性的特点构造行波全波形，提出了基于行波全波形的高阻接地故障检测方法，利用启动判据能灵敏启动高阻故障检测装置，利用检测判据能准确判断高阻接地故障和正常暂态扰动。为此，无需检测初始波头，克服了现有技术基于局部故障信息量而导致检测装置的正确率不高的缺点，具有较高的可靠性。

实际配电网中分支较多，拓扑结构复杂，因此在整个配电网中利用全网优化布点原则安装行波采集装置，对于任一点发生故障利用该方法都能检测得到。不同过渡电阻下的行波全波形能量及其比值如表2所示，通过大量仿真分析，基于行波全波形的高阻接地故障检测方法能够准确识别过渡电阻为5kΩ以下的高阻接地故障。

表2

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 (9)

1.一种基于行波全波形的高阻接地故障检测方法，其特征在于，步骤包括：

步骤S1：检测故障行波信号，对三相电压行波信号进行凯伦贝尔相模变换，得到线模电压和零模电压；

步骤S2：对步骤S1得到的线模分量利用连续小波变换，绘制出故障行波的时-频波形，即行波全波形；

步骤S3：计算一个时间窗内的行波全波形能量E₁；当行波全波形能量E₁大于预设的启动阈值ε时，进入步骤S4；

步骤S4：基于行波全波形变化规律构造高阻故障检测判据，判断配电网是否发生高阻接地故障；在所述步骤S4中，高阻接地故障与正常暂态扰动状态在时频域分布上存在较大差异，由于行波全波形具有时-频域的变化特性，根据行波全波形变化规律构造高阻故障检测判据；

计算高阻故障检测装置启动后连续3个时间窗内的行波全波形能量E₂、E₃、E₄，若E₁与后续行波全波形能量E₂、E₃、E₄的比值的最小值小于阀值δ，即：

判定为高阻接地故障；否则判定为正常暂态扰动。

2.根据权利要求1所述的基于行波全波形的高阻接地故障检测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，通过相模变换得到相互独立的模分量；当配电线路发生故障时，检测到电压行波信号，记为u_a，u_b，u_c，采用凯伦贝尔公式进行相模变换，得到线模电压和零模电压，公式如下：

式中，u₀表示零模电压行波分量，u_α和u_β表示线模电压行波分量。

3.根据权利要求1所述的基于行波全波形的高阻接地故障检测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，行波从故障点沿线路向两侧传播，并在波阻抗不连续处产生折射和反射；从故障初始行波到达检测点的时刻开始，截取一定时间窗T的波形，利用连续小波变换绘制出在时间窗T内，故障行波时-频波形，定义该波形为行波全波形，所述行波全波形中蕴含有故障信息和故障特征。

4.根据权利要求3所述的基于行波全波形的高阻接地故障检测方法，其特征在于，所述故障信息包括时间、频率、幅值和极性中的一项或多项。

5.根据权利要求3所述的基于行波全波形的高阻接地故障检测方法，其特征在于，所述故障特征包括网络拓扑结构、故障点位置、故障初相角、故障过渡电阻、故障类型中的一项或多项。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的基于行波全波形的高阻接地故障检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过以下公式得到行波全波形能量E₁：

式中，f₁和f_n为行波全波形的起始和结束频段，t₁和t_k为一定时间窗T₁的起始与结束采样点，u(f,t)为频段f、采样点t时的连续小波系数。

7.根据权利要求6所述的基于行波全波形的高阻接地故障检测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，当配电网络发生扰动时，行波全波形能量E₁明显发生突变，基于行波全波形能量突变构造高阻接地故障启动判据。

8.根据权利要求7所述的基于行波全波形的高阻接地故障检测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，考虑到保留安全性裕度，启动阈值ε取0.1；当E₁<0.1时，判断配电网处于正常运行状态，当E₁>0.1时，判断配电网有扰动发生，启动高阻接地故障检测装置，构造故障检测判据进一步判断扰动是否为高阻接地故障。

9.根据权利要求1所述的基于行波全波形的高阻接地故障检测方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述阀值δ取0.55。

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