CN112485595A - 一种配电网接地故障选线保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种配电网接地故障选线保护方法及装置，所述装置包括高频电压监测传感器、高频零序电流传感器和选线模块，通过实时监测系统母线三相电压、零序电压及线路零序电流，以系统电压信号高频信号特征判定接地故障及接地故障相，并根据系统零序电流及故障相电压高频信号极性特征判断故障线路。一方面，本申请克服了以工频电压幅值、相位特征进行故障判别及判相的传统方法难以判别高阻接地故障的问题；另一方面，本申请解决了当前采用工频电压、工频电流进行选线时选线准确率低。本申请提供的故障判别及选线方法，在高阻接地故障、间歇性接地故障等情况下，仍能够准确选线。

Description

一种配电网接地故障选线保护方法及装置

技术领域

本申请涉及故障诊断技术领域，尤其涉及一种配电网接地故障选线保护方法及装置。

背景技术

国内的配电网通常采用中性点非有效接地的运行方式，配电网接地故障占总故障的80％以上，接地故障如不能及时处理，将引起相间故障，甚至引发多重故障。传统方法采用线路工频零序电压和零序电流相位及幅值特征存在选线误判的问题，尤其对于高阻接地故障，因故障电流小、电弧的直流分量易引起CT饱和等因素，现有技术应用在检测电阻较高的小电流接地故障时存在一定的误差。

申请号CN202010220325.6公开了一种基于梯度提升树算法的配电网单相接地故障选线方法，通过将故障后线路零序电流采样值进行数据处理，得到每条线路归一化后的零序电流采样值数据，然后将每条线路的电流数据分别作为梯度提升树模型的输入，将梯度提升树模型的输出最大值对应的线路选为故障线路，最终实现选线。该方法利用工频零序电流选线，但当零序电流中含有较强直流分量时由于电流互感器饱和引起波形畸变而容易带来选线失效问题。

申请号CN201910840780.3公开了一种小电流接地故障选线方法，采用小波包变换和傅里叶变换对零序电流信号进行特征参数提取，运用模糊自修正算法优化支持向量机模型，进行多判据融合，完成接地故障选线。但该方法利用小波分析进行选线，具有一定的适用性，但是容易受小波基函数及分解尺度等因素的影响。

文献《馈电开关用电弧性单相接地保护方法的研究》提出了一种基于稳态零序电压和暂态零序电流首半波积分的馈电开关用电弧性接地保护新方法，该方法用工频零序电压和暂态零序电流在暂态首半波是否为同向来判断故障线路，但实际工况下，高阻接地和间歇性接地等故障时工频零序电压存在变化很小而检测不到的情况。

对于配电网单相接地故障时，由于故障电流特征微弱，电弧不稳定等原因，选线问题一直是困扰电力工作者的难题。现有选线的方法主要包括稳态信号法、注入法及暂态信号法。但是，稳态信号法存在问题是故障电流微弱，容易受电弧不稳定性的影响，因此测得的信号可靠性不高，容易产生误判。人工注入法在现场实际应用中有一定的效果，但不能检测瞬时性和间歇性故障，且需要增加信号注入设备，投资大。暂态信号法，是从不同角度对暂态信号的幅值和相位进行比较来确定故障线路，很难解决经高阻接地及故障角较小时选线效果不佳的问题。

现在配电网单相接地故障选线结果的准确性始终不高，现有选线方法在高阻接地、间歇性接地故障工况下易发生误判。

发明内容

本申请提供了一种配电网接地故障选线保护方法，以解决现在配电网单相接地故障选线结果的准确性始终不高，现有选线方法在高阻接地、间歇性接地故障工况下易发生误判的问题。

一方面，本申请提供一种配电网接地故障选线保护方法，包括：

实时检测系统的三相电压、零序电压的高频信号幅值；

将三相电压高频信号幅值以及零序电压高频信号幅值与预设阈值进行比较，判断系统是否发生单相接地故障；其中，预设阈值包括第一预设阈值以及第二预设阈值；

如果系统发生接地故障，当三相电压的某一相电压高频信号与零序电压高频信号同相位，三相电压其余两相电压高频信号同相位，且与零序电压高频信号相差在

内，判定电压高频信号与零序电压高频信号同相位的一相为接地故障相；

确定第一选线检测区段，查找第一选线检测区段内任意线路的零序电流高频信号绝对值最大值；

根据所述零序电流高频信号绝对值最大值确定第二选线检测区段；

根据电网系统在第二选线检测区段的线路个数，计算各线路零序电流高频信号极性特征值，并根据所述极性特征值判断线路为母线接地或接地线路。

可选的，将三相电压、零序电压高频噪声幅值与预设值进行比较，判断系统是否发生单相接地故障的步骤包括：

测量系统三相电压、零序电压以及线路零序电流信号的高频噪声幅值；

当系统的三相电压的高频信号幅值≥第一预设阈值且系统的零序电压高频信号幅值≥第二预设阈值，判断系统发生单相接地故障。

可选的，所述第一预设阈值为2倍的三相电压高频噪声幅值；所述第二预设阈值为2倍的零序电压高频噪声幅值。

可选的，确定第一选线检测区段的步骤为将故障相电压高频信号幅值达到故障相高频噪声幅值2倍为起始时刻，持续2～3ms的时间段作为第一选线检测区段。

可选的，确定第二选线检测区段的步骤包括：

以所述第一选线检测区段内的线路零序电流高频信号绝对值最大值之前首个零序电流高频信号过零时刻为起始时刻，以第一选线检测区段内线路零序电流高频信号绝对值最大值对应时刻为第二选线检测区段终点时刻；

根据所述起始时刻以及所述终点时刻确定该时间区段为第二选线检测区段。

可选的，所述极性特征值由下式计算：

其中P_n为暂态极性特征值；T为所述时间内的信号采样值个数；

为信号在所述时间内的第k个信号值。

可选的，根据电网系统在第二选线检测区段的线路个数，计算各线路零序电流高频信号极性特征值，并根据所述极性特征值判断线路为母线接地或接地线路包括：

如果所述电网系统含有3条或以上线路，在第二选线检测区段内，计算各线路零序电流高频信号极性特征值，如m条线路中存在m-1条线路的零序电流高频信号极性特征值同为正值或同为负值；

剩余1条线路的零序电流高频信号极性特征值与m-1条线路的零序电流高频信号极性特征值符号相反，判定该条线路为接地线路；否则判定为母线接地。

可选的，根据电网系统在第二选线检测区段的线路个数，计算各线路零序电流高频信号极性特征值，并根据所述极性特征值判断线路为母线接地或接地线路还包括：

如所述电网系统含有2条线路，在第二选线检测区段内，如两条线路的零序电流高频信号极性特征值同为正值或同为负值，判定为母线接地；

否则，各线路中，零序电流高频信号极性特征值与故障相电压高频信号特征值符号相同(同正或同负)的线路为接地线路。

另一方面，本申请提供一种配电网接地故障选线装置，所述装置包括：高频电压监测传感器、高频零序电流传感器、选线模块和电流监测模块；

所述选线模块由高频电压检测模块、高频电流检测模块和信号处理模块组成；

所述信号处理模块包括低通滤波单元、带通滤波单元和判断单元；

所述低通滤波单元和带通滤波单元对所述高频电压检测模块和高频电流检测模块的检测数据进行处理，分别提取电压和电流的工频分量和高频分量波形；

所述判断单元对比分析所述故障相电压和零序电流高频分量波形，判定接地故障及接地故障相。

可选的，所述低通滤波单元提取20Hz～60Hz频段的电压、电流波形；

所述带通滤波单元提取10kHz～300MHz频段的电压、电流波形；

所述高频电压监测传感器和高频零序电流传感器工作频段：20Hz～300MHz；

所述选线模块应至少保存和处理5个工频周期的相对地电压和零序电流信号。

由以上技术方案可知本申请公开了一种配电网接地故障选线保护方法及装置，所述装置包括高频电压监测传感器、高频零序电流传感器和选线模块，通过实时监测系统母线三相电压、零序电压及线路零序电流，以系统电压信号高频信号特征判定接地故障及接地故障相，并根据系统零序电流及故障相电压高频信号极性特征判断故障线路。一方面，本申请克服了以工频电压幅值、相位特征进行故障判别及判相的传统方法难以判别高阻接地故障的问题；另一方面，本申请解决了当前采用工频电压、工频电流进行选线时选线准确率低。本申请提供的故障判别及选线方法，在高阻接地故障、间歇性接地故障等情况下，仍能够准确选线。

本申请的有益效果为：依据电弧电流的零休特征以及故障相电压和零序电流高频脉冲信号幅值极性特征判断故障线路，尤其适用于高阻接地、间歇性接地等小电流接地故障的选线。本申请克服了传统方法采用线路工频零序电压和零序电流相位及幅值特征选线准确性较低的问题，有效的提高了单相接地故障选线结果的准确性，避免现有选线方法在高阻接地、间歇性接地故障工况下易发生误判的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请的一种配电网接地故障选线保护方法流程图；

图2为本申请实施例提供的一种配电网接地故障选线装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的所述信号处理模块的结构及功能示意图；

图4为本申请一种配电网接地故障选线装置应用于系统的结构图；

图5为本申请提供的故障相电压信号经过所述处理模块的波形图；

图6为本申请提供的零序电流信号经过所述处理模块的波形图；

图7为本申请提供的单相接地故障判别及故障判别波形示意图；

图8为本申请提供的确定低频检测区段并查找零序电流高频信号最大值的波形示意图；

图9为本申请提供的选定疑似故障线路波形示意图。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

一方面，本申请提供的一种配电网接地故障选线保护方法，包括：

在系统正常运行时，分别测量系统三相电压、零序电压、线路零序电流信号的高频噪声幅值并记录；

实时监测系统三相电压、零序电压高频信号幅值，当系统三相电压、零序电压高频信号幅值均达到各自的高频噪声幅值2倍或以上，认为系统发生单相接地故障；

当三相电压的某相电压高频信号与零序电压高频信号同相位，其余两相电压高频信号同相位，且与零序电压高频信号相差在

范围内，判定电压高频信号与零序电压高频信号同相位的一相为接地故障相；

以故障相电压高频信号幅值达到故障相高频噪声幅值2倍为起始时刻，持续2～3ms的时间段作为第一选线检测区段，查找第一选线检测区段内任意线路零序电流高频信号绝对值最大值；

以上述第一选线检测区段内线路零序电流高频信号绝对值最大值之前首个零序电流高频信号过零时刻为起始时刻，以第一选线检测区段内线路零序电流高频信号绝对值最大值对应时刻为第二选线检测区段终点时刻；确定该时间区段为第二选线检测区段；

如所述电网系统含有3条或以上线路，在第二选线检测区段内，计算各线路零序电流高频信号极性特征值，如m条线路中存在m-1条线路的零序电流高频信号极性特征值同为正值或同为负值；剩余1条线路的零序电流高频信号极性特征值与m-1条线路的零序电流高频信号极性特征值符号相反，判定该条线路为接地线路；否则判定为母线接地；

如所述电网系统含有2条线路，在第二选线检测区段内，如两条线路的零序电流高频信号极性特征值同为正值或同为负值，判定为母线接地；否则，两条线路中，零序电流高频信号极性特征值与故障相电压高频信号特征值符号相同(同正或同负)的线路为接地线路。

所述极性特征值由下式计算：

其中P_n为暂态极性特征值；T为所述时间内的信号采样值个数；

为信号在所述时间内的第k个信号值。

另一方面，本申请提供一种配电网接地故障选线装置，所述装置包括：高频电压监测传感器、高频零序电流传感器、选线模块和电流监测模块；

所述选线模块由高频电压检测模块、高频电流检测模块和信号处理模块组成；

所述信号处理模块包括低通滤波单元、带通滤波单元和判断单元；

所述低通滤波单元和带通滤波单元对所述高频电压检测模块和高频电流检测模块的检测数据进行处理，分别提取电压和电流的工频分量和高频分量波形；

所述判断单元对比分析所述故障相电压和零序电流高频分量波形，判定接地故障及接地故障相。

进一步地，所述低通滤波单元提取20Hz～60Hz频段的电压、电流波形；

所述带通滤波单元提取10kHz～300MHz频段的电压、电流波形；

所述高频电压监测传感器和高频零序电流传感器工作频段：20Hz～300MHz；

所述选线模块应至少保存和处理5个工频周期的相对地电压和零序电流信号。

参见图1，为本申请的一种配电网接地故障选线保护方法流程图。

参见图2，为本申请实施例提供的一种配电网接地故障选线装置的结构示意图。

所述选线装置包括高频电压监测传感器1、高频零序电流传感器2和选线模块3；所述选线模块3由高频电压检测模块31、高频电流检测模块32和信号处理模块33组成；

参见图3，为本申请实施例提供的所述信号处理模块的结构及功能示意图。

所述信号处理模块33包括低通滤波单元331、带通滤波单元332和判断单元333。

所述低通滤波单元331和带通滤波单元332对所述高频电压检测模块31和高频电流检测模块32的检测数据进行处理，分别提取电压和电流的工频分量和高频分量波形。所述判断单元333对比分析所述故障相电压零序电流高频分量波形，判定接地故障及接地故障相。

所述低通滤波单元331提取20Hz～60Hz频段的电压、电流波形。

所述带通滤波单元332提取10kHz～300MHz频段的电压、电流波形。

参见图4，为本申请一种配电网接地故障选线装置应用于系统的结构图。

高频电压监测传感器1一端与母线A、B、C三相连接，另一端接地，用于实时监测电力设备电压信号；

高频零序电流传感器2一次侧串联在电力线路中，二次侧与选线模块3相连，用于测量线路零序电流；

选线模块3获取高频电压监测传感器1和高频零序电流传感器2采集的电压和电流信号，根据选线方法，判断发生接地故障线路。

若此条母线下设有n条配电线路，零序电流分别为i01、i02、……、i0n，C相线路1发生接地故障，C相电压为uc，根据本申请所述方法，依据零序电流突变量超过预设值后故障相电压和零序电流的高频信号极性一致性完成选线。

参见图5，为本申请提供的故障相电压信号经过所述处理模块的波形图。

参见图6，为本申请提供的零序电流信号经过所述处理模块的波形图。

参见图7，为本申请提供的单相接地故障判别及故障判别波形示意图。三相电压、零序电压高频信号幅值均超过各自的高频噪声幅值的2倍，判定发生单相接地故障；A相电压高频信号与零序电压高频信号同相；B、C相电压高频信号同相且与A项电压高频信号相位差为π/2，判定A相为接地故障相。

参见图8，为本申请提供的确定低频检测区段并查找零序电流高频信号最大值的波形示意图。

参见图9，为本申请提供的选定疑似故障线路波形示意图。

所述故障相电压信号和线路零序电流信号通过处理模块33后，分别得到图5、图6所示波形。图8是图5、图6中波形的片段。如图8，以故障相电压高频信号幅值达到故障相高频噪声幅值2倍为起始时刻，持续2～3ms的时间段作为第一选线检测区段，查找第一选线检测区段内任意线路零序电流高频信号绝对值最大值；

图9为三条线路零序电流高频信号波形，其中线路2和线路3在第二选线检测区段内的零序电流高频信号极性特征值均为正值，线路1的零序电流高频信号极性特征值为负值，判定线路1为故障线路。

由以上技术方案可知本申请公开了一种配电网接地故障选线保护方法及装置，所述装置包括高频电压监测传感器、高频零序电流传感器和选线模块，通过实时监测系统母线三相电压、零序电压及线路零序电流，以系统电压信号高频信号特征判定接地故障及接地故障相，并根据系统零序电流及故障相电压高频信号极性特征判断故障线路。一方面，本申请克服了以工频电压幅值、相位特征进行故障判别及判相的传统方法难以判别高阻接地故障的问题；另一方面，本申请解决了当前采用工频电压、工频电流进行选线时选线准确率低。本申请提供的故障判别及选线方法，在高阻接地故障、间歇性接地故障等情况下，仍能够准确选线。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种配电网接地故障选线保护方法，其特征在于，包括：

实时检测系统的三相电压、零序电压的高频信号幅值；

将三相电压高频信号幅值以及零序电压高频信号幅值与预设阈值进行比较，判断系统是否发生单相接地故障；其中，预设阈值包括第一预设阈值以及第二预设阈值；

如果系统发生接地故障，当三相电压的某一相电压高频信号与零序电压高频信号同相位，三相电压其余两相电压高频信号同相位，且与零序电压高频信号相差在

内，判定电压高频信号与零序电压高频信号同相位的一相为接地故障相；

确定第一选线检测区段，查找第一选线检测区段内任意线路的零序电流高频信号绝对值最大值；

根据所述零序电流高频信号绝对值最大值确定第二选线检测区段；

根据系统在第二选线检测区段的线路个数，计算各线路零序电流高频信号极性特征值，并根据所述极性特征值判断线路为母线接地或接地线路。

2.根据权利要求1所述的一种配电网接地故障选线保护方法，其特征在于，将三相电压、零序电压高频噪声幅值与预设值进行比较，判断系统是否发生单相接地故障的步骤包括：

测量系统三相电压、零序电压以及线路零序电流信号的高频噪声幅值；

当系统的三相电压的高频信号幅值≥第一预设阈值且系统的零序电压高频信号幅值≥第二预设阈值，判断系统发生单相接地故障。

3.根据权利要求2所述的一种配电网接地故障选线保护方法，其特征在于，所述第一预设阈值为2倍的三相电压高频噪声幅值；所述第二预设阈值为2倍的零序电压高频噪声幅值。

4.根据权利要求1所述的一种配电网接地故障选线保护方法，其特征在于，确定第一选线检测区段的步骤为将故障相电压高频信号幅值达到故障相高频噪声幅值2倍为起始时刻，持续2～3ms的时间段作为第一选线检测区段。

5.根据权利要求1所述的一种配电网接地故障选线保护方法，其特征在于，确定第二选线检测区段的步骤包括：

以所述第一选线检测区段内的线路零序电流高频信号绝对值最大值之前首个零序电流高频信号过零时刻为起始时刻，以第一选线检测区段内线路零序电流高频信号绝对值最大值对应时刻为第二选线检测区段终点时刻；

根据所述起始时刻以及所述终点时刻确定该时间区段为第二选线检测区段。

6.根据权利要求1所述的一种配电网接地故障选线保护方法，其特征在于，所述极性特征值由下式计算：

其中P_n为暂态极性特征值；T为所述时间内的信号采样值个数；

为信号在所述时间内的第k个信号值。

7.根据权利要求1所述的一种配电网接地故障选线保护方法，其特征在于，根据电网系统在第二选线检测区段的线路个数，计算各线路零序电流高频信号极性特征值，并根据所述极性特征值判断线路为母线接地或接地线路包括：

如果所述电网系统含有3条或以上线路，在第二选线检测区段内，计算各线路零序电流高频信号极性特征值，如m条线路中存在m-1条线路的零序电流高频信号极性特征值同为正值或同为负值；

剩余1条线路的零序电流高频信号极性特征值与m-1条线路的零序电流高频信号极性特征值符号相反，判定该条线路为接地线路；否则判定为母线接地。

8.根据权利要求1所述的一种配电网接地故障选线保护方法，其特征在于，根据电网系统在第二选线检测区段的线路个数，计算各线路零序电流高频信号极性特征值，并根据所述极性特征值判断线路为母线接地或接地线路还包括：

如果所述电网系统含有2条线路，在第二选线检测区段内，如两条线路的零序电流高频信号极性特征值同为正值或同为负值，判定为母线接地；

否则，各线路中，零序电流高频信号极性特征值与故障相电压高频信号特征值符号相同的线路为接地线路。

9.一种配电网接地故障选线装置，其特征在于，所述装置包括：高频电压监测传感器、高频零序电流传感器、选线模块和电流监测模块；

所述选线模块由高频电压检测模块、高频电流检测模块和信号处理模块组成；

所述信号处理模块包括低通滤波单元、带通滤波单元和判断单元；

所述低通滤波单元和带通滤波单元对所述高频电压检测模块和高频电流检测模块的检测数据进行处理，分别提取电压和电流的工频分量和高频分量波形；

所述判断单元对比分析所述故障相电压和零序电流高频分量波形，判定接地故障及接地故障相。

10.根据权利要求9所述的一种配电网接地故障选线装置，其特征在于，所述低通滤波单元提取20Hz～60Hz频段的电压、电流波形；

所述带通滤波单元提取10kHz～300MHz频段的电压、电流波形；

所述高频电压监测传感器和高频零序电流传感器工作频段：20Hz～300MHz；

所述选线模块应至少保存和处理5个工频周期的相对地电压和零序电流信号。

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