CN112305374B - 一种配电网单相接地故障选线方法 - Google Patents

一种配电网单相接地故障选线方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种配电网单相接地故障选线方法，具体为：当母线零序电压幅值大于保护整定值时，确认为单相接地故障，设共有p条故障线路，取故障发生后1/4个工频周期内的各条线路的零序电流，进行滤波处理，得到各条线路的三次、五次、七次谐波电流；计算各条线路的三次、五次、七次谐波电流与其余线路的Hausdorff距离，得到每条线路的三次、五次、七次谐波电流Hausdorff距离之和，求和，得到各条线路的ZH；通过比较各线路的ZH值差异来判别母线故障和线路故障。利用Hausdorff距离算法大大增强了选线的准确度，并且可以判别出母线故障与馈线故障，有提升谐振接地系统故障选线的准确性。

Description

一种配电网单相接地故障选线方法
技术领域
本发明属于电网故障处理技术领域，具体涉及一种配电网单相接地故障选线方法。
背景技术
我国中压配电网广泛使用中性点非直接接地方式，系统发生单相接地故障的概率最大(约占所有故障80％)，故障发生后系统的线电压仍对称，不影响供电的连续性。发生单相接地故障时，健全线路电压突增，可能引发相间短路、电力中断等更为严重的故障。尤其是在经消弧线圈接地的配电网系统中，在消弧线圈的补偿作用下，较不接地系统其零序电流故障信息不够显著，选线更加困难。为了避免故障进一步扩大，造成更为严重的两相或者多点接地短路，必须尽快选出故障线路，排除故障。
对于单相接地故障选线的研究，国内外的研究学者提出的许多方法，常用的配电网单相接地故障选线方法可分为三类，即外施影响法、稳态量选线法及暂态量选线法。外施影响法包括S信号注入法、变频信号注入法等，该种方法的主要的思想是通过电流互感器等二次设备向系统注入一个信号，通过监测各条线路对该信号的响应来判别故障线路和健全线路。此类方法测量精度较差、操作较复杂。稳态量选线法包括零序电流相位法、谐波分量法、负序电流法等，利用了故障信号中的稳态分量特征进行选线，将故障线路与健全线路零序电流幅值、相位、方向特征作为选线判据，不适用于经消弧线圈接地系统。暂态量选线法具有故障分量易于检测、无需增加额外装置等优点，采用暂态能量的方法受暂态能量急剧降低影响大，波形比较法多以零序电流的极性与相位为判据，当故障初相角为零时易产生误判。
发明内容
本发明的目的是提供一种配电网单相接地故障选线方法，利用谐波电流的Hausdorff距离，实现谐振接地系统接地故障线路的可靠判别。
本发明所采用的技术方案是，一种配电网单相接地故障选线方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：实时监测各馈线的零序电流i0k以及母线零序电压U0，当母线零序电压U0小于保护整定阀值U0set时，则返回计算，当母线零序电压幅值U0大于保护整定值U0set时，确认为单相接地故障，启动选线装置；
步骤2：设共有p条故障线路，取故障发生后1/4个工频周期内的各条线路的零序电流i0n，将获取的零序电流i0n通过傅里叶算法进行滤波处理，得到各条线路的三次、五次、七次谐波电流i03n、i05n、i07n，其中，n＝1，2，…p，n为线路编号；
步骤3：按照设定的线路编号顺序依次计算各条线路的三次、五次、七次谐波电流与其余线路的Hausdorff距离，得到每条线路的三次谐波电流Hausdorff距离之和、五次谐波电流Hausdorff距离之和、七次谐波电流Hausdorff距离之和，记为SHn、WHn、QHn；
步骤4：将所得到的SHn、WHn、QHn进行求和计算，得到各条线路的ZH值，记为ZHn，依次比较所有的ZHn，最终确定出ZHn中最大的值ZHmax，确定其线路编号l；
步骤5：通过比较各线路的ZH值差异来判别母线故障和线路故障。
本发明的特点还在于，
步骤3中SHn的计算过程如下：首先，计算第n条线路三次谐波电流与第m条线路三次谐波电流Hausdorff距离，记为SHn-m；
先用第n条线路的三次谐波电流i03n(x)中的第一个元素i03n(1)依次减去第m条线路的i03m(x)中的所有元素，其中最小值作为点集N的第一个元素，依次计算，得到点集N的所有元素；
再用第m条线路的三次谐波电流i03m(x)中的第一个元素i03m(1)依次减去第n条线路的i03n(x)中的所有元素，其中最小值作为点集M的第一个元素，依次计算，得到点集M的所有元素；设nmax为点集N中的最大值，设mmax为点集M中的最大值；
第n条线路的三次谐波电流i03n(x)与第m条线路的三次谐波电流i03m(x)的Hausdorff距离SHn-m值为nmax与mmax中值较大的一个；则第n条线路的三次谐波电流Hausdorff距离之和SHn为第n条线路的三次谐波电流i03n(x)与其余所有线路三次谐波电流i03m(x)(m＝1,2,…,p)的SHn-m之和。
步骤3中WHn的计算过程具体如下：
用第n条线路的五次谐波电流i05n(x)中的第一个元素i05n(1)依次减去第m条线路的五次谐波电流i05m(x)中的所有元素，其中最小值作为点集N′的第一个元素，依次计算，得到点集N′的所有元素，再用第m条线路五次谐波电流i05m(x)中的第一个元素i05m(1)依次减去第n条线路五次谐波电流i05n(x)中的所有元素，其中最小值作为点集M′的第一个元素，依次计算，得到点集M′的所有元素，设n′max为点集N′中的最大值，设m′max为点集M′中的最大值，第n条线路的i05n(x)与第m条线路的i05m(x)的Hausdorff距离WHn-m值为n′max与m′max中较大的一个，则第n条线路五次谐波电流Hausdorff距离之和WHn为第n条线路五次谐波电流i05n(x)与其余所有线路五次谐波电流i05m(x)(m＝1,2,…,p)的WHn-m之和。
步骤3中QHn的计算过程具体如下：
用第n条线路七次谐波电流i07n(x)中的第一个元素i07n(1)依次减去第m条线路七次谐波电流i07m(x)中的所有元素，其中最小值作为点集N″的第一个元素，依次计算，得到点集N″的所有元素，再用第m条线路七次谐波电流i07m(x)中的第一个元素i07m(1)依次减去第n条线路七次谐波电流i07n(x)中的所有元素，其中最小值作为点集M″的第一个元素，依次计算，得到点集M″的所有元素；
设n″max为点集N″中的最大值，设m″max为点集M″中的最大值，第n条线路七次谐波电流i07n(x)与第m条线路七次谐波电流i07m(x)的Hausdorff距离QHn-m值为n″max与m″max中较大的一个，则第n条线路的七次谐波电流Hausdorff距离之和QHn为第n条线路的七次谐波电流i07n(x)与其余所有线路七次谐波电流i07m(x)(m＝1,2,…,p)的QHn-m之和。
步骤5中，具体为：将每一个ZH值与其他所有的ZH值作差并取绝对值，确定出最大差值与次大差值，记为c1、c2，再计算c1与c2的商值，记为s，当s小于等于阈值K时，即为母线故障，反之，为线路故障。
本发明的有益效果在于：
本发明一种配电网单相接地故障选线方法，当发生单相接地故障时，系统中的谐波电流也会产生相应的响应，故障线路中的谐波电流比健全线路幅值大且方向相反的，且几乎不受消弧线圈的补偿效果影响，从而进行故障选线。该方法以线路谐波电流间的Hausdorff距离差异为判据，首先对线路各谐波电流间的Hausdorff距离进行计算，得到各条线路各次谐波电流的Hausdorff距离之和，进而计算出各条线路的总差异值，最后通过差异值商值以判别故障线路。因此，利用谐波电流的Hausdorff距离可以实现谐振接地系统接地故障线路的可靠判别。
附图说明
图1是本发明一种配电网单相接地故障选线方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种配电网单相接地故障选线方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1：实时监测各馈线的零序电流i0k以及母线零序电压U0，当母线零序电压U0小于保护整定阀值U0set时，则返回计算，当母线零序电压幅值U0大于保护整定值U0set时，确认为单相接地故障，启动选线装置；
其中，U0set为系统相电压幅值UN的10％～15％；
步骤2：设共有p条故障线路，取故障发生后1/4个工频周期内的各条线路的零序电流i0n，将获取的零序电流i0n通过傅里叶算法进行滤波处理，得到各条线路的三次、五次、七次谐波电流i03n、i05n、i07n，其中，n＝1，2，…p，n为线路编号；
步骤3：按照设定的线路编号顺序依次计算各条线路的三次、五次、七次谐波电流与其余线路的Hausdorff距离，得到每条线路的三次谐波电流Hausdorff距离之和、五次谐波电流Hausdorff距离之和、七次谐波电流Hausdorff距离之和，记为SHn、WHn、QHn；
Hausdorff距离算法是计算一种图形间的相似程度的算法，主要考察两幅图像整体特性间的差异。线条作为一种特殊的图形，该方法同样适用于任意谐波电流之间的Hausdorff距离计算。
假设两个有限点集为A＝{a1,...ap}、B＝{b1,...bp}，首先用A中的第一个点减去B中的所有点，取绝对值，将所得值中的最小值确定出来，定义为n1，然后按照下标顺序对A中的所有点进行如上计算，得到新的点集N＝{n1,...np}，接着对B进行一样的计算，同样可以得到点集M＝{m1,...mp}，取N点集中最大的值记为nmax，M点集中最大的值记为mmax，比较nmax与mmax的大小，取其中较大的值为点集A与点集B的Hausdorff距离。
将Hausdorff距离算法应用于故障选线中，其具体方式如下：
计算第n条线路三次谐波电流与第m条线路三次谐波电流Hausdorff距离，记为SHn-m；
先用第n条线路的三次谐波电流i03n(x)中的第一个元素i03n(1)依次减去第m条线路的i03m(x)中的所有元素，其中最小值作为点集N的第一个元素，依次计算，得到点集N的所有元素，如式(1)所示；
再用第m条线路的三次谐波电流i03m(x)中的第一个元素i03m(1)依次减去第n条线路的i03n(x)中的所有元素，其中最小值作为点集M的第一个元素，依次计算，得到点集M的所有元素，如式(2)所示；
设nmax为点集N中的最大值，如式(3)所示；
nmax＝max(N) (3)；
设mmax为点集M中的最大值，如式(4)所示；
mmax＝max(M) (4)；
第n条线路的三次谐波电流i03n(x)与第m条线路的三次谐波电流i03m(x)的Hausdorff距离SHn-m值为nmax与mmax中值较大的一个，如式(5)所示；
SHn-m＝max(nmax,mmax) (5)；
则第n条线路的三次谐波电流Hausdorff距离之和SHn为第n条线路的三次谐波电流i03n(x)与其余所有线路三次谐波电流i03m(x)(m＝1,2,…,p)的SHn-m之和，计算公式如式(6)所示；
SHn＝SHn-1+SHn-2+…+SHn-p(n＝1,2,…,p) (6)；
同理，计算第n条线路五次谐波电流与第m条线路五次谐波电流的Hausdorff距离，记为WHn-m；具体如下：
用第n条线路的五次谐波电流i05n(x)中的第一个元素i05n(1)依次减去第m条线路的五次谐波电流i05m(x)中的所有元素，其中最小值作为点集N′的第一个元素，依次计算，得到点集N′的所有元素，如式(7)所示；
再用第m条线路五次谐波电流i05m(x)中的第一个元素i05m(1)依次减去第n条线路五次谐波电流i05n(x)中的所有元素，其中最小值作为点集M′的第一个元素，依次计算，得到点集M′的所有元素，如式(8)所示；
设n′max为点集N′中的最大值，如式(9)所示；
n′max＝max(N′) (9)；
设m′max为点集M′中的最大值，如式(10)所示；
m′max＝max(M′) (10)；
第n条线路的i05n(x)与第m条线路的i05m(x)的Hausdorff距离WHn-m值为n′max与m′max中较大的一个，如式(11)所示；
WHn-m＝max(n′max,m′max) (11)；
则第n条线路五次谐波电流Hausdorff距离之和WHn为第n条线路五次谐波电流i05n(x)与其余所有线路五次谐波电流i05m(x)(m＝1,2,…,p)的WHn-m之和，计算公式如式(12)所示；
WHn＝WHn-1+WHn-2+…+WHn-p(n＝1,2,…,p) (12)；
计算第n条线路七次谐波电流与第m条线路七次谐波电流Hausdorff距离，记为QHn-m；具体如下：
用第n条线路七次谐波电流i07n(x)中的第一个元素i07n(1)依次减去第m条线路七次谐波电流i07m(x)中的所有元素，其中最小值作为点集N″的第一个元素，依次计算，得到点集N″的所有元素，如式(13)所示；
再用第m条线路七次谐波电流i07m(x)中的第一个元素i07m(1)依次减去第n条线路七次谐波电流i07n(x)中的所有元素，其中最小值作为点集M″的第一个元素，依次计算，得到点集M″的所有元素，如式(14)所示；
设n″max为点集N″中的最大值，如式(15)所示；
n″max＝max(N″) (15)；
设m″max为点集M″中的最大值，如式(16)所示；
m″max＝max(M″) (16)；
第n条线路七次谐波电流i07n(x)与第m条线路七次谐波电流i07m(x)的Hausdorff距离QHn-m值为n″max与m″max中较大的一个，如式(17)所示；
QHn-m＝max(n″max,m″max) (17)；
则第n条线路的七次谐波电流Hausdorff距离之和QHn为第n条线路的七次谐波电流i07n(x)与其余所有线路七次谐波电流i07m(x)(m＝1,2,…,p)的QHn-m之和，计算公式如式(18)所示；
QHn＝QHn-1+QHn-2+…+QHn-p(n＝1,2,…,p) (18)；
步骤4：将所得到的SHn、WHn、QHn进行求和计算，最终得到各条线路的ZH值，记为ZHn，如式(19)所示；依次比较所有的ZHn值，最终确定出ZHn值中最大的值ZHmax，确定其线路编号l，如式(20)所示；
ZHn＝SHn+WHn+QHn (19)；
ZHmax＝max(ZHn)＝ZHl (20)；
步骤5：通过比较各线路的ZH值差异来判别母线故障和线路故障。将每一个ZH值与其他所有的ZH值作差并取绝对值，确定出最大差值与次大差值，记为c1、c2，再计算c1与c2的商值，记为s，当s小于等于阈值K时，即为母线故障，反之，为线路故障。
本发明针对谐振接地系统零序电流故障信息不明显以至于选线困难的问题，提出了一种利用谐波电流Hausdorff距离的配电网单相接地故障选线方法。该方法利用Hausdorff距离算法对系统线路中的三次、五次以及七次谐波电流进行故障选线。该方法以线路谐波电流波形的差异程度为判据，解决了谐振接地系统中由于消弧线圈对零序电流的补偿作用导致零序电流故障信息不明显的问题。其次利用Hausdorff距离算法大大增强了选线的准确度，并且可以很好地判别出母线故障与馈线故障，有助于提升谐振接地系统故障选线的准确性，可以更加有效地进行故障处理。
当母线发生接地故障时，各条线路的谐波电流变化几乎一致，即s≈1，考虑到实际中各条线路的长度不同，以及不平衡电流的影响，将乘以一个可靠系数，即K＝K1×1(K1＝1.1～1.3)。
利用Matlab中的Simulink系统搭建了一个110kV/10kV的缆线混合小电流接地统，线路参数见表1，取消弧线圈的补偿度为10％；
表1缆线混合小电流接地统的线路参数
第一条线：架空线，5km；第二条线：架空线，16km；第三条线：架空线，10km；第四条线：电缆线，5km；第五条线：电缆架空混合线，2+8km；
设置线路2为故障线路，在中点8km处发生单相接地故障，然后进行仿真验证，结果见表2。由表中可得ZHn中的最大差值
c1＝ZH2-ZH4＝0.4832-0.3299＝0.1533；
次大差值c2＝ZH4-ZH1＝0.3299-0.3020＝0.0279；
则由此证明本方法具有可行度。
表2仿真数据
本发明方法利用在单相接地故障发生时，系统中的谐波电流也会发生相应的响应，形成故障线路与健全线路的差异，提出一种利用谐波电流Hausdorff距离的配电网单相接地故障选线方法。该方法通过Hausdorff距离算法清晰的判别出线路的故障特征，改善了谐振接地系统零序电流故障特征不明显的问题。同时该方法不受过渡电阻、故障位置等因素的影响，可以快速准确地判别出故障线路，提高了配电网高阻接地故障选线准确率。

Claims (2)

1.一种配电网单相接地故障选线方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：实时监测各馈线的零序电流i0k以及母线零序电压U0，当母线零序电压U0小于保护整定阀值U0set时，则返回计算，当母线零序电压幅值U0大于保护整定值U0set时，确认为单相接地故障，启动选线装置；
步骤2：设共有p条故障线路，取故障发生后1/4个工频周期内的各条线路的零序电流i0n，将获取的零序电流i0n通过傅里叶算法进行滤波处理，得到各条线路的三次、五次、七次谐波电流i03n、i05n、i07n，其中，n＝1，2，…p，n为线路编号；
步骤3：按照设定的线路编号顺序依次计算各条线路的三次、五次、七次谐波电流与其余线路的Hausdorff距离，得到每条线路的三次谐波电流Hausdorff距离之和、五次谐波电流Hausdorff距离之和、七次谐波电流Hausdorff距离之和，记为SHn、WHn、QHn；
SHn的计算过程如下：首先，计算第n条线路三次谐波电流与第m条线路三次谐波电流Hausdorff距离，记为SHn-m；
先用第n条线路的三次谐波电流i03n(x)中的第一个元素i03n(1)依次减去第m条线路的i03m(x)中的所有元素，其中最小值作为点集N的第一个元素，依次计算，得到点集N的所有元素；
再用第m条线路的三次谐波电流i03m(x)中的第一个元素i03m(1)依次减去第n条线路的i03n(x)中的所有元素，其中最小值作为点集M的第一个元素，依次计算，得到点集M的所有元素；设nmax为点集N中的最大值，设mmax为点集M中的最大值；
第n条线路的三次谐波电流i03n(x)与第m条线路的三次谐波电流i03m(x)的Hausdorff距离SHn-m值为nmax与mmax中值较大的一个；则第n条线路的三次谐波电流Hausdorff距离之和SHn为第n条线路的三次谐波电流i03n(x)与其余所有线路三次谐波电流i03m(x)(m＝1,2,…,p)的SHn-m之和；
WHn的计算过程具体如下：
用第n条线路的五次谐波电流i05n(x)中的第一个元素i05n(1)依次减去第m条线路的五次谐波电流i05m(x)中的所有元素，其中最小值作为点集N′的第一个元素，依次计算，得到点集N′的所有元素，再用第m条线路五次谐波电流i05m(x)中的第一个元素i05m(1)依次减去第n条线路五次谐波电流i05n(x)中的所有元素，其中最小值作为点集M′的第一个元素，依次计算，得到点集M′的所有元素，设n′max为点集N′中的最大值，设m′max为点集M′中的最大值，第n条线路的i05n(x)与第m条线路的i05m(x)的Hausdorff距离WHn-m值为n′max与m′max中较大的一个，则第n条线路五次谐波电流Hausdorff距离之和WHn为第n条线路五次谐波电流i05n(x)与其余所有线路五次谐波电流i05m(x)(m＝1,2,…,p)的WHn-m之和；
QHn的计算过程具体如下：
用第n条线路七次谐波电流i07n(x)中的第一个元素i07n(1)依次减去第m条线路七次谐波电流i07m(x)中的所有元素，其中最小值作为点集N″的第一个元素，依次计算，得到点集N″的所有元素，再用第m条线路七次谐波电流i07m(x)中的第一个元素i07m(1)依次减去第n条线路七次谐波电流i07n(x)中的所有元素，其中最小值作为点集M″的第一个元素，依次计算，得到点集M″的所有元素；
设n″max为点集N″中的最大值，设m″max为点集M″中的最大值，第n条线路七次谐波电流i07n(x)与第m条线路七次谐波电流i07m(x)的Hausdorff距离QHn-m值为n″max与m″max中较大的一个，则第n条线路的七次谐波电流Hausdorff距离之和QHn为第n条线路的七次谐波电流i07n(x)与其余所有线路七次谐波电流i07m(x)(m＝1,2,…,p)的QHn-m之和；
步骤4：将所得到的SHn、WHn、QHn进行求和计算，得到各条线路的ZH值，记为ZHn，依次比较所有的ZHn，最终确定出ZHn中最大的值ZHmax，确定其线路编号l；
步骤5：通过比较各线路的ZH值差异来判别母线故障和线路故障。
2.根据权利要求1所述的一种配电网单相接地故障选线方法，其特征在于，所述步骤5中，具体为：将每一个ZH值与其他所有的ZH值作差并取绝对值，确定出最大差值与次大差值，记为c1、c2，再计算c1与c2的商值，记为s，当s小于等于阈值K时，即为母线故障，反之，为线路故障。
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