CN112485713B - 一种基于接地故障电流零休特性的选线装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种基于接地故障电流零休特性的选线装置及方法，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，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，本发明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

一种基于接地故障电流零休特性的选线装置及方法
技术领域
本申请涉及故障诊断技术领域，尤其涉及一种基于接地故障电流零休特性的选线装置及方法。
背景技术
我国配电网广泛采用中性点非有效接地方式，中性点非有效接地方式有效的提高供电的可靠性。但当发生单相接地故障时，由于故障电流特征微弱，电弧不稳定等原因，一直存在选线问题。
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。
选线方法主要包括稳态信号法、注入法及暂态信号法。其中，稳态信号法主要困难是故障电流微弱，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；暂态信号法由于故障特征明显，且不受消弧线圈及电弧不稳定的影响；总的来说，目前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，在高阻接地、间歇性接地故障工况下易发生误判。
发明内容
本申请提供了一种基于接地故障电流零休特性的选线装置及方法，以解决在高阻接地、间歇性接地故障工况下易发生误判的问题。
一方面，本申请提供了一种基于接地故障的选线装置，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；所述高频电压监测传感器和高频零序电流传感器分别与所述选线模块连接；
所述选线模块包括高频电压检测模块、高频电流检测模块和信号处理模块；所述高频电压检测模块的输入端与所述高频电压监测传感器连接，所述高频电压检测模块的输出端与所述信号处理模块连接；所述高频电流检测模块的输入端与所述高频零序电流传感器连接，所述高频电流检测模块的输出端与所述信号处理模块连接。
可选的，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；所述低通滤波单元连接所述带通滤波单元；所述低通滤波单元和所述带通滤波单元分别连接所述判断单元；
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产生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。
可选的，所述带通滤波单元提取10kHz～300MHz频段的电压、电流波形。
可选的，所述高频电压监测传感器和所述高频零序电流传感器的工作频段为20Hz～300MHz。
可选的，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。
另一方面，本申请提供了一种基于接地故障的选线方法，包括以下步骤：
S1：获取电力系统中三相电压的高频噪声幅值、零序电压的高频噪声幅值和线路零序电流信号的高频噪声幅值；
S2：实时监测电力系统中的三相电压高频信号幅值，当所述三相电压高频信号幅值达到所述三相电压的高频噪声幅值2倍或以上，判定电力系统发生单相接地故障；
S3：判断所述三相电压中高频信号幅值最大相为接地故障相；
S4：获取零序电流，所述零序电流的零休结束时刻到所述零休时刻后工频电流达到首个峰值时刻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；
S5：以所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；
S6：在第二选线检测区段内，计算各线路零序高频功率特征值，如只存在一条线路的零序高频功率特征值为正，判定该线路为疑似故障线路；
S7：如连续2～5个第二选线检测区段判定的疑似故障线路为同一线路，判定该线路为故障线路，否则判定为母线接地。
可选的，所述线路零序高频功率特征值的计算公式为：
Figure BDA0002807866680000031
其中，Sn为第n条线路的零序高频功率特征值；T为所述时间段内高频信号值个数；ugk为故障相电压高频信号在所述时间内的第k个值；ink为线路n的零序电流导频信号在所述时间内的第k个值。
由以上技术方案可知，本申请提供了一种基于接地故障电流零休特性的选线装置及方法，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，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，本发明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。
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为一种基于接地故障的选线方法流程图；
图2为一种基于接地故障的选线装置结构示意图；
图3为本申请中信号处理模块结构示意图；
图4为一种基于接地故障的选线装置应用于电力系统的结构图；
图5为本申请故障相电压信号经过信号处理模块的波形图；
图6为本申请零序电流信号经过信号处理模块的波形图；
图7为本申请单相接地故障判别及故障判别波形示意图；
图8为本申请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。
参见图1，为一种基于接地故障的选线方法流程图；一种基于接地故障的选线方法，包括以下步骤：
S1：获取电力系统中三相电压的高频噪声幅值、零序电压的高频噪声幅值和线路零序电流信号的高频噪声幅值；
S2：实时监测电力系统中的三相电压高频信号幅值，当所述三相电压高频信号幅值达到所述三相电压的高频噪声幅值2倍或以上，判定电力系统发生单相接地故障；
S3：判断所述三相电压中高频信号幅值最大相为接地故障相；
S4：获取零序电流，选取任意一个所述零序电流的零休结束时刻到所述零休时刻后工频电流达到首个峰值时刻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；
S5：以所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；
S6：在第二选线检测区段内，计算各线路零序高频功率特征值，如只存在一条线路的零序高频功率特征值为正，判定该线路为疑似故障线路；
S7：如连续2～5个第二选线检测区段判定的疑似故障线路为同一线路，判定该线路为故障线路，否则判定为母线接地。
其中，所述线路零序高频功率特征值的计算公式为：
Figure BDA0002807866680000041
其中，Sn为第n条线路的零序高频功率特征值；T为所述时间段内高频信号值个数；ugk为故障相电压高频信号在所述时间内的第k个值；ink为线路n的零序电流导频信号在所述时间内的第k个值。
参见图2，为一种基于接地故障的选线装置结构示意图；一种基于接地故障的选线装置，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；所述高频电压监测传感器1和高频零序电流传感器2分别与所述选线模块3连接；进一步地，所述高频电压监测传感器1和所述高频零序电流传感器2的工作频段为20Hz～300MHz。所述选线模块3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。
所述选线模块3包括高频电压检测模块31、高频电流检测模块32和信号处理模块33；所述高频电压检测模块31的输入端与所述高频电压监测传感器1连接，所述高频电压检测模块31的输出端与所述信号处理模块33连接；所述高频电流检测模块32的输入端与所述高频零序电流传感器2连接，所述高频电流检测模块32的输出端与所述信号处理模块33连接。
参见图3，为本申请中信号处理模块结构示意图；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连接所述带通滤波单元332；所述低通滤波单元331和所述带通滤波单元332分别连接所述判断单元333；其中，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产生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被配置为对比分析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，为一种基于接地故障的选线装置应用于电力系统的结构图；其中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。进一步地，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，根据本申请提供的方法，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和图6，分别为本申请故障相电压信号经过信号处理模块的波形图以及零序电流信号经过信号处理模块的波形图；当故障相电压信号和线路零序电流信号通过处理模块33后，即可分别得到图5和图6所示波形。当三相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；参见图7，为本申请单相接地故障判别及故障判别波形示意图；A、B、C三相电压高频信号幅值分别为1.7kV，0.34kV和0.2kV，判定接地故障相位A相。
参见图8和图9，分别为本申请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以及选定疑似故障线路波形示意图。图8是图5、图6中波形的片段。图8中，获取零序电流，所述零序电流的零休结束时刻到所述零休时刻后工频电流达到首个峰值时刻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为图8的波形片段。在图9中，以线路零序电流高频信号幅值绝对值最大值之前的过零时刻至最大值对应时刻为第二选线检测区段。在所述第二选线检测区段内，判断所述零序电流高频信号和故障电压高频信号均为负极性。判断该线路为疑似故障线路。
本申请提供了一种基于接地故障电流零休特性的选线装置及方法，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，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。获取电力系统中三相电压的高频噪声幅值、零序电压的高频噪声幅值和线路零序电流信号的高频噪声幅值；方法包括实时监测电力系统中的三相电压高频信号幅值，当所述三相电压高频信号幅值达到所述三相电压的高频噪声幅值2倍或以上，判定电力系统发生单相接地故障；接着判断所述三相电压中高频信号幅值最大相为接地故障相；获取零序电流，选取任意一个所述零序电流的零休结束时刻到所述零休时刻后工频电流达到首个峰值时刻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；以所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；在第二选线检测区段内，计算各线路零序高频功率特征值，如只存在一条线路的零序高频功率特征值为正，判定该线路为疑似故障线路；如连续2～5个第二选线检测区段判定的疑似故障线路为同一线路，判定该线路为故障线路，否则判定为母线接地。一方面，本发明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 (8)

1.一种基于接地故障电流零休特性的选线方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取电力系统中三相电压的高频噪声幅值、零序电压的高频噪声幅值和线路零序电流信号的高频噪声幅值；
S2：实时监测电力系统中的三相电压高频信号幅值，当所述三相电压高频信号幅值达到所述三相电压的高频噪声幅值2倍或以上，判定电力系统发生单相接地故障；
S3：判断所述三相电压中高频信号幅值最大相为接地故障相；
S4：获取零序电流，所述零序电流的零休结束时刻到所述零休结束时刻后工频电流达到首个峰值时刻的时间段作为第一选线检测区段，查找所述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；
S5：以所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终点时刻；根据所述起始时刻和所述终点时刻的时间区段确定为第二选线检测区段；
S6：在第二选线检测区段内，计算各线路零序高频功率特征值，如只存在一条线路的零序高频功率特征值为正，判定该线路为疑似故障线路；
S7：如连续2～5个第二选线检测区段判定的疑似故障线路为同一线路，判定该线路为故障线路，否则判定为母线接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于接地故障电流零休特性的选线方法，其特征在于，所述线路零序高频功率特征值的计算公式为：
Figure FDA0003619135230000011
其中，Sn为第n条线路的零序高频功率特征值；T为所述第二选线检测区段高频信号值个数；ugk为线路g的故障相电压高频信号在所述第二选线检测区段内的第k个值；ink为线路n的零序电流导频信号在所述第二选线检测区段内的第k个值。
3.一种基于接地故障电流零休特性的选线装置，应用于权利要求1或2所述的方法，其特征在于，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)；所述高频电压监测传感器(1)和高频零序电流传感器(2)分别与所述选线模块(3)连接；
所述选线模块(3)包括高频电压检测模块(31)、高频电流检测模块(32)和信号处理模块(33)；所述高频电压检测模块(31)的输入端与所述高频电压监测传感器(1)连接，所述高频电压检测模块(31)的输出端与所述信号处理模块(33)连接；所述高频电流检测模块(32)的输入端与所述高频零序电流传感器(2)连接，所述高频电流检测模块(32)的输出端与所述信号处理模块(33)连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于接地故障电流零休特性的选线装置，其特征在于，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)连接所述带通滤波单元(332)；所述低通滤波单元(331)和所述带通滤波单元(332)分别连接所述判断单元(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)产生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。
5.根据权利要求4所述的一种基于接地故障电流零休特性的选线装置，其特征在于，所述低通滤波单元(331)提取20Hz～60Hz频段的电压、电流波形。
6.根据权利要求4所述的一种基于接地故障电流零休特性的选线装置，其特征在于，所述带通滤波单元(332)提取10kHz～300MHz频段的电压、电流波形。
7.根据权利要求3所述的一种基于接地故障电流零休特性的选线装置，其特征在于，所述高频电压监测传感器(1)和所述高频零序电流传感器(2)的工作频段为20Hz～300MHz。
8.根据权利要求3所述的一种基于接地故障电流零休特性的选线装置，其特征在于，所述选线模块(3)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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