CN113219307B - 一种基于电流行波的配电网弧光接地故障辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于电流行波的配电网弧光接地故障辨识方法，属于配电自动化技术领域，包括采集故障电流行波的故障波形数据处理得到故障发生后nT个周期的周期性特征集合，该周期性特征集合包括故障电流行波的行波触发序列，该序列包括多个行波触发时刻和多个相邻行波触发时刻的行波触发时间差。若行波触发时刻的个数大于触发次数阈值且行波触发时间差小于触发时间差阈值，则判断发生弧光接地故障。本发明利用电弧放电过程中故障电流行波的规律性放电特征，统计故障电流行波出现特定行波放电的频率，实现对弧光接地故障的精确识别。

Description

一种基于电流行波的配电网弧光接地故障辨识方法

技术领域

本发明涉及配电自动化技术领域，具体涉及一种基于电流行波的配电网弧光接地故障辨识方法。

背景技术

配电网处于整个电网的末端，具有分布广、供用电环境复杂、运行维护难度大等特点，长期以来缺乏智能高效的运行监测和运维管理手段。据统计，电力系统在运行过程中，其中70％的事故由单相接地故障引发，其中弧光接地一直是配网中的常见故障，持续发展性的弧光接地会导致弧光过电压，是电力电网安全运行的严重隐患。

因此，如何对电网弧光接地故障进行辨识，对提高配电网的运行可靠性具有十分重要的意义，其关系到后续是否能够快速准确地针对弧光接地故障高发区域进行线路维护和操作。

申请号为CN201710995870.0的专利公开了一种配网弧光接地故障辨识方法，包括获取故障的故障相电压及零序电流波形数据，判断故障发生时刻。统计故障发生时预设时间段内故障中零序电流电弧放电现象出现次数，判别故障类型。检测电弧放电过程产生特定的尖峰脉冲放电形式，统计故障出现电弧放电现象的频率，实现对故障类型的辨识。

文献《配电网单相电弧接地故障的辨识方法》公开了对故障相电流信号进行时频特性分析，以350Hz频率切片图在单相接地故障发生后20~40ms内的波峰波谷差、能量、方差为特征能准确地辨识出单相电弧接地故障。

文献《基于谐波能量和波形畸变的配电网弧光接地故障辨识》公开了基于三相电压和零序电流录波数据的弧光接地故障综合辨识算法，根据归一化谐波能量在时间尺度上的随机分布特性以及故障波形畸变特征，实现对弧光接地故障的准确辨识。

上述弧光接地故障的识别方法均采用低频率信号，通过统计故障发生时预设时间段内故障中零序电流电弧放电现象（即零序电流的尖峰脉冲放电现象）出现次数，实现对故障类型的辨识。由于零序电流尖峰脉冲属于低频率信号，其容易受到干扰，且特征不是很明显，不具有独一性。低频率信号中包含工频分量，受工频的影响大，阈值整定不好确定，且幅值受不稳定电弧的影响较大。另外，接地故障时，零序电流较小，又受不平衡电流、传感器的精度、传感器的一致性、大负荷下的微弱故障信号、谐波、电压波动、暂降、非线性负载导致的谐波污染，以及不平衡负荷投切导致的零序信号干扰、冲击负荷、励磁涌流等的影响，识别效果较差。

上述弧光接地故障的识别方法主要使用的是时域分析法，通常是通过分析弧光接地时三相电压的幅值，包括已产生弧光接地的不正常相波形、未发生弧光接地的另二相正常相和零序电流波形的幅值来确定故障类型。虽然能从一定程度上反映实际工况，但由于发生故障时，情况千变万化，造成的波形幅值也大相径庭，有时故障相波形幅值高于或接近正常相波形幅值，有时故障相波形幅值又可能小于正常相幅值。因此，在实际工作中，仅仅依靠时域分析方法是不充分的，准确性不高。

综上所述，需要对一种能够对配电网弧光接地故障进行精确识别的方法，以便于针对弧光接地故障高发区域进行线路维护和操作，提高配电网的运行稳定性。

发明内容

针对现有技术中存在的对弧光接地故障识别准确度不高的问题，本发明提供一种基于电流行波的配电网弧光接地故障辨识方法，适用于不同中性点接地类型的配电网，利用电弧放电过程中故障电流行波的规律性特征，统计故障电流行波出现特定行波放电形式的频率，实现对弧光接地故障的精确识别。

为达到以上目的，采取的技术方案是：一种基于电流行波的配电网弧光接地故障辨识方法，包括：

步骤S1、采集故障电流行波的故障波形数据；

步骤S2、根据故障波形数据进行处理，得到故障发生后nT个周期的周期性特征集合，该周期性特征集合包括故障电流行波的行波触发序列，该序列包括多个行波触发时刻和多个个行波触发时间差；n为大于1的自然数，T为一个工频周期；

步骤S3、将行波触发序列中的行波触发时刻的个数与触发次数阈值进行比对、以及将行波触发序列中的每一个行波触发时间差分别与触发时间差阈值进行比对，判断故障电流行波对应的故障类型；

所述步骤S3包括：

将行波触发序列中的行波触发时刻的个数与触发次数阈值进行比对、以及将行波触发序列中的每一个行波触发时间差分别与触发时间差阈值进行比对，判断行波触发时刻的个数是否大于触发次数阈值且行波触发时间差是否小于触发时间差阈值：

若是，判断配电网发生弧光接地故障；

若否，判断配电网发生其他故障。

优选的，配电网包括配网线路和配网设备，配网设备设置在配网线路上，配网线路包括多个线路节点；

通过在配电网上设置终端监测设备采集故障电流行波数据。

优选的，在变电站、环网柜、柱上开关和电源管理单元上安装终端监测装置。

优选的，所述步骤S2中，根据故障波形数据判断故障发生时间，随后截取故障发生后nT个周期的故障波形数据进行处理，得到故障发生后nT个周期的周期性特征集合。

优选的，所述步骤S2中，根据故障发生后nT个周期的故障波形数据进行处理，得到电流行波特征序列，根据电流行波特征序列进行处理，得到故障发生后nT个周期的周期性特征集合。

优选的，所述步骤S3中，所述故障类型包括弧光接地故障和其他故障。

优选的，行波触发时刻的个数为m，触发次数阈值为

，n为大于1的自然数，z为预设个数裕度。

优选的，行波触发时间差为

为行波触发时刻，i=（1,2，……m），m为行波触发时刻的个数，触发时间差阈值为

，T为一个工频周期，δ为预设差值裕度。

本发明的有益效果：采用电流行波判断配电网是否出现弧光接地故障，电流行波频率高达几百kHz，信号具有唯一性，由于故障时暂态行波不受系统运行方式变化、线路不对称和不稳定电弧的影响，因此本方法受外部干扰小，准确度高。

根据熄弧理论，可知每半个工频周期将会至少产生一次高频行波信号，特征明显且具有唯一性，放电现象的频率较稳定，阈值容易整定，因此，采集故障发生后的出现电弧放电过程中的电流行波触发波形进行分析处理，通过一定周期内行波信号的触发时刻、触发时刻的次数、以及相邻两次触发时刻的时间间隔的关系，实现对弧光接地故障的快速有效辨识，容错率高，实现简单，方便有效，具有较高的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例中，一种基于电流行波的配电网弧光接地故障辨识方法的流程图。

图2为现有技术中，采用零序电流识别弧光接地故障时的波形图。

图3为本发明实施例中，故障电流行波的行波触发序列示意图。

图4为本发明实施例中，一次行波触发时刻的故障电流行波示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。此外，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

传统配电网弧光接地故障辨识方法是统计故障发生时预设时间段内故障中零序电流电弧放电现象出现次数，实现对故障类型的辨识，采用统计零序电流的尖峰脉冲放电现象，由于零序电流尖峰脉冲属于低频率，容易受到干扰，且特征不是很明显，不具有独一性。另外，零序电流包含工频分量且幅值较小，零序电流尖峰脉冲受工频的影响大，阈值整定不好确定，且幅值受不稳定电弧的影响较大，因此准确率不高。

如图2所示为现有技术中采用零序电流识别弧光接地故障时的波形图，横坐标为时间[s]，纵坐标为零序电流的电流幅值。由图3可知，零序电流尖峰脉冲具有上述缺陷，利用零序电流检测电弧放电过程产生特定尖峰脉冲放电现象，统计故障时出现电弧放电现象的频率，实现对故障类型识别的方案会失败。

行波的相关定义和解释如下：

导线上的行波是指沿线路传播的电压、电流波；沿导线传播的电压、电流信号，是一种电磁波。波过程指在分布参数电路的暂态过程中所产生的电压、电流波以及相应的电磁波传波过程；沿线路行进的电压或电流信号浪涌；线路上某点测量到的行波是多个行波浪涌的叠加。

行波频率高达几百kHz以上，具有唯一性。在系统运行过程中突然出现的行波由接地故障、短路故障、断线、开关操作、雷击等引起的。例如，弧光接地产生行波是由接地故障时线路分布电容的充放电电流产生的电磁波，指相电流行波，弧光接地过程中，在每个工频电流周期T内电弧电流出现两次过零现象，电流过零电弧熄灭至弧隙重新引燃，则会不断产生熄弧和燃弧的过程，熄弧后接地点断开，燃弧后接地点连接形成接地故障产生行波，熄弧和燃弧的过程中会不断的形成接地产生行波，只与接地点的是否连接有关，不受系统运行方式的影响。

本发明根据故障发生时的故障电流行波得到一定时间段内行波信号的触发时刻、触发时刻的次数、以及相邻两次触发时刻的时间间隔的关系判断是否为弧光接地故障。采用电流行波判断配电网是否出现弧光接地故障，电流行波频率高达几百kHz，信号具有唯一性，由于故障时暂态行波不受系统运行方式变化、线路不对称和不稳定电弧的影响，因此本方法受外部干扰小，准确度高。

根据熄弧理论，可知每半个工频周期将会至少产生一次高频行波信号，特征明显且具有唯一性，放电现象的频率较稳定，阈值容易整定，因此，通过一定时间段内行波信号的触发时刻、触发时刻的次数、以及相邻两次触发时刻的时间间隔的关系判断是否为弧光接地故障，能够快速有效地对弧光接地故障进行识别，容错率高，实现简单，方便有效，具有较高的工程应用价值。

如图1所示，一种基于电流行波的配电网弧光接地故障辨识方法，包括：

步骤S1、采集故障电流行波的故障波形数据。

步骤S2、根据故障波形数据进行处理，得到故障发生后nT个周期的周期性特征集合，该周期性特征集合包括故障电流行波的行波触发序列，该序列包括多个行波触发时刻和多个相邻行波触发时刻的行波触发时间差；n为大于1的自然数，T为一个工频周期。

步骤S3、将行波触发序列中的行波触发时刻的个数与触发次数阈值进行比对、以及将行波触发序列中的每一个行波触发时间差分别与触发时间差阈值进行比对，判断故障电流行波对应的故障类型。

其中，配电网包括配网线路和配网设备，配网设备设置在配网线路上，配网线路包括多个线路节点。通过在配电网的变电站、环网柜、柱上开关和电源管理单元等上设置终端监测设备采集故障电流行波数据。终端监测设备上设有用于行波采集模块。

接地故障时，线路将产生故障电流行波信号，根据熄弧理论，弧光接地故障在电流过零点熄弧，因此将会间断产生接地故障。每半个工频周期，产生一次及以上高频行波信号，频率高达几百kHz，信号具有唯一性，通过一定周期内产生的电流行波幅值突变及周期性放电频率，即可判断出系统是否发生了弧光接地故障。试验的采样频率为1MHz。

在较佳的实施例中，所述步骤S2中，根据故障波形数据判断故障发生时间，随后截取故障发生后nT个周期的故障波形数据进行处理，得到故障发生后nT个周期的周期性特征集合。

在较佳的实施例中，所述步骤S2中，根据故障发生后nT个周期的故障波形数据进行处理，得到电流行波特征序列，根据电流行波特征序列进行处理，得到故障发生后nT个周期的周期性特征集合。

电流行波特征序列的计算包括当线路电荷不断积累，电压上升击穿空气形成弧光放电通道，构建故障后的nT个周期内预设时间段内电流行波特征序列，进而得到故障发生后nT个周期的周期性特征集合。

在较佳的实施例中，所述步骤S3中，所述故障类型包括弧光接地故障和其他故障。所述步骤S3包括：

将行波触发序列中的行波触发时刻的个数与触发次数阈值进行比对、以及将行波触发序列中的每一个行波触发时间差分别与触发时间差阈值进行比对，判断行波触发时刻的个数是否大于触发次数阈值且行波触发时间差是否小于触发时间差阈值：

若是，判断配电网发生弧光接地故障。

若否，判断配电网发生其他故障。

在较佳的实施例中，行波触发时刻的个数为m，触发次数阈值为

，n为大于1的自然数，z为预设个数裕度。

在较佳的实施例中，行波触发时间差为

为行波触发时刻，i=（1,2，……m），m为行波触发时刻的个数，触发时间差阈值为

，T为一个工频周期，δ为预设差值裕度。

如图3所示为本发明实施例中故障电流行波的行波触发序列示意图，横坐标为时间（us），纵坐标为故障电流行波幅值（A）。由图3可知，试验的采样频率为1MHz，根据本发明的识别方法，故障电流行波的幅值突变明显，每半个工频周期至少产生一次明显幅值突变，计算故障后nT个周期的周期性特征集合，计算行波触发序列，实现对弧光接地故障类型的识别判断。如图4所示为一次行波触发时刻的故障电流行波示意图。

利用本发明的方法对所述配网线路进行2次故障试验，通过对比所述配网线路故障实际电弧放电次数与计算得到的电弧放电次数，可以得出，利用本发明的方法计算得到的电弧放电次数与配网线路实际电弧放电次数完全相同。经过大量真值试验证明，本发明的方法能够通过快速有效对弧光接地故障进行识别。

本发明不局限于上述实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种基于电流行波的配电网弧光接地故障辨识方法，其特征在于，包括：

步骤S1、采集故障电流行波的故障波形数据；

步骤S2、根据故障波形数据进行处理，得到故障发生后nT个周期的周期性特征集合，该周期性特征集合包括故障电流行波的行波触发序列，该序列包括多个行波触发时刻和多个相邻行波触发时刻的行波触发时间差；n为大于1的自然数，T为一个工频周期；

步骤S3、将行波触发序列中的行波触发时刻的个数与触发次数阈值进行比对、以及将行波触发序列中的每一个行波触发时间差分别与触发时间差阈值进行比对，判断故障电流行波对应的故障类型；

所述步骤S3包括：

将行波触发序列中的行波触发时刻的个数与触发次数阈值进行比对、以及将行波触发序列中的每一个行波触发时间差分别与触发时间差阈值进行比对，判断行波触发时刻的个数是否大于触发次数阈值且行波触发时间差是否小于触发时间差阈值：

若是，判断配电网发生弧光接地故障；

若否，判断配电网发生其他故障。

2.如权利要求1所述的基于电流行波的配电网弧光接地故障辨识方法，其特征在于，配电网包括配网线路和配网设备，配网设备设置在配网线路上，配网线路包括多个线路节点；

通过在配电网上设置终端监测设备采集故障电流行波数据。

3.如权利要求2所述的基于电流行波的配电网弧光接地故障辨识方法，其特征在于，在变电站、环网柜、柱上开关和电源管理单元上安装终端监测装置。

4.如权利要求1所述的基于电流行波的配电网弧光接地故障辨识方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据故障波形数据判断故障发生时间，随后截取故障发生后nT个周期的故障波形数据进行处理，得到故障发生后nT个周期的周期性特征集合。

5.如权利要求1所述的基于电流行波的配电网弧光接地故障辨识方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据故障发生后nT个周期的故障波形数据进行处理，得到电流行波特征序列，根据电流行波特征序列进行处理，得到故障发生后nT个周期的周期性特征集合。

6.如权利要求1所述的基于电流行波的配电网弧光接地故障辨识方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述故障类型包括弧光接地故障和其他故障。

7.如权利要求1所述的基于电流行波的配电网弧光接地故障辨识方法，其特征在于，行波触发时刻的个数为m，触发次数阈值为

，n为大于1的自然数，z为预设个数裕度。

8.如权利要求1所述的基于电流行波的配电网弧光接地故障辨识方法，其特征在于，行波触发时间差为

为行波触发时刻，i=（1,2，……m），m为行波触发时刻的个数，触发时间差阈值为

，T为一个工频周期，δ为预设差值裕度。

Images