CN113419139A - 一种小电阻接地系统高阻接地故障定位方法及相关装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种小电阻接地系统高阻接地故障定位方法及相关装置，方法包括：利用最小二乘矩阵束算法从检测点的预置时域波形中分解出电压指数函数和电流指数函数；分别在电压指数函数和电流指数函数中提取出两个电压衰减直流分量幅值和两个电流衰减直流分量幅值；根据两个电压衰减直流分量幅值和电压衰减因子计算电压衰减幅值比值；根据两个电流衰减直流分量幅值计算电流衰减幅值比值；若电压衰减幅值比值与电流衰减幅值比值在预置规则内相等，则判定故障点位于检测点上游区域，否则，判定故障点位于检测点下游区域。本申请能够缓解现有技术的执行条件较多，操作较繁琐，无法保证故障定位方法的适用性和可靠性的技术问题。

Description

一种小电阻接地系统高阻接地故障定位方法及相关装置
技术领域
本申请涉及小电阻接地系统高阻选线技术领域，尤其涉及一种小电阻接地系统高阻接地故障定位方法及相关装置。
背景技术
近年来，城市配电网电缆化进程加快，系统对地电容不断增大，单相接地故障时接地电流过高。为了解决这些以上问题，中性点经小电阻接地方式已逐渐代替谐振接地方式，成为了一些城市配电网的主要中性点接地方式。小电阻接地系统具有过电压水平低、消除了谐振过电压等优点，针对该系统运用最多的是零序过电流保护。然而，该方法为了防止健全线路保护装置发生误动作，保护定值设置的较高，故无法满足高阻接地故障的保护要求。
目前，小电阻接地系统高阻接地故障定位或者检测的方法有人工智能法、电弧特性辨识法等。然而，人工智能法缺少大量现场数据用于训练，电弧特性辨识法对于故障条件的要求过高；还有一些现有技术要么较为复杂，要么受谐波影响较大，无法保证故障定位的可靠性。
发明内容
本申请提供了一种小电阻接地系统高阻接地故障定位方法及相关装置，用于缓解现有技术的执行条件较多，操作较繁琐，无法保证故障定位方法的适用性和可靠性的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种小电阻接地系统高阻接地故障定位方法，包括：
利用最小二乘矩阵束算法从检测点的预置时域波形中分解出电压指数函数和电流指数函数，所述预置时域波形包括零序电压时域波形和零序电流时域波形，所述电压指数函数包括电压衰减因子；
分别在所述电压指数函数和所述电流指数函数中提取出两个电压衰减直流分量幅值和两个电流衰减直流分量幅值；
根据两个所述电压衰减直流分量幅值和所述电压衰减因子计算电压衰减幅值比值；
根据两个所述电流衰减直流分量幅值计算电流衰减幅值比值；
若所述电压衰减幅值比值与所述电流衰减幅值比值在预置规则内相等，则判定故障点位于所述检测点上游区域，否则，判定故障点位于所述检测点下游区域。
可选的，所述利用最小二乘矩阵束算法从检测点的预置时域波形中分解出电压指数函数和电流指数函数，之前还包括：
利用零序电压互感器在目标线路的检测点处采集预置个工频周期内的零序电压时域波形；
利用零序电流互感器在目标线路的检测点处采集所述预置个工频周期内的零序电流时域波形。
可选的，所述根据两个所述电压衰减直流分量幅值和所述电压衰减因子计算电压衰减幅值比值，包括：
将两个所述电压衰减直流分量幅值分别与所述电压衰减因子相乘，得到两个电压衰减中间量；
根据两个所述电压衰减中间量进行比值计算，得到电压衰减幅值比值。
可选的，所述预置规则为：
若所述电压衰减幅值比值和所述电流衰减幅值比值中的较大值与较小值之比小于对比阈值，则判定所述电压衰减幅值比值和所述电流衰减幅值比值相等，否则，判定所述电压衰减幅值比值和所述电流衰减幅值比值不相等。
本申请第二方面提供了一种小电阻接地系统高阻接地故障定位装置，包括：
分解模块，用于利用最小二乘矩阵束算法从检测点的预置时域波形中分解出电压指数函数和电流指数函数，所述预置时域波形包括零序电压时域波形和零序电流时域波形，所述电压指数函数包括电压衰减因子；
提取模块，用于分别在所述电压指数函数和所述电流指数函数中提取出两个电压衰减直流分量幅值和两个电流衰减直流分量幅值；
第一计算模块，用于根据两个所述电压衰减直流分量幅值和所述电压衰减因子计算电压衰减幅值比值；
第二计算模块，用于根据两个所述电流衰减直流分量幅值计算电流衰减幅值比值；
判断模块，用于若所述电压衰减幅值比值与所述电流衰减幅值比值在预置规则内相等，则判定故障点位于所述检测点上游区域，否则，判定故障点位于所述检测点下游区域。
可选的，还包括：
第一采集模块，用于利用零序电压互感器在目标线路的检测点处采集预置个工频周期内的零序电压时域波形；
第二采集模块，用于利用零序电流互感器在目标线路的检测点处采集所述预置个工频周期内的零序电流时域波形。
可选的，所述第一计算模块具体用于：
将两个所述电压衰减直流分量幅值分别与所述电压衰减因子相乘，得到两个电压衰减中间量；
根据两个所述电压衰减中间量进行比值计算，得到电压衰减幅值比值。
可选的，所述预置规则为：
若所述电压衰减幅值比值和所述电流衰减幅值比值中的较大值与较小值之比小于对比阈值，则判定所述电压衰减幅值比值和所述电流衰减幅值比值相等，否则，判定所述电压衰减幅值比值和所述电流衰减幅值比值不相等。
本申请第三方面提供了一种小电阻接地系统高阻接地故障定位设备，所述设备包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行第一方面所述的小电阻接地系统高阻接地故障定位方法。
本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行第一方面所述的小电阻接地系统高阻接地故障定位方法。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请中，提供了一种小电阻接地系统高阻接地故障定位方法，包括：利用最小二乘矩阵束算法从检测点的预置时域波形中分解出电压指数函数和电流指数函数，预置时域波形包括零序电压时域波形和零序电流时域波形，电压指数函数包括电压衰减因子；分别在电压指数函数和电流指数函数中提取出两个电压衰减直流分量幅值和两个电流衰减直流分量幅值；根据两个电压衰减直流分量幅值和电压衰减因子计算电压衰减幅值比值；根据两个电流衰减直流分量幅值计算电流衰减幅值比值；若电压衰减幅值比值与电流衰减幅值比值在预置规则内相等，则判定故障点位于检测点上游区域，否则，判定故障点位于检测点下游区域。
本申请提供的小电阻接地系统高阻接地故障定位方法，在检测点处采集预置时域波形既可进行故障定位分析操作，不需要获取其他数据信息；而故障定位分析过程中主要是比值计算，以及最后的比较判定，操作简单，易实现，不依赖复杂的操作过程，且不会受互感器采集数据信息的极性影响，能够较为准确的反映故障情况。因此，本申请能够缓解现有技术的执行条件较多，操作较繁琐，无法保证故障定位方法的适用性和可靠性的技术问题。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种小电阻接地系统高阻接地故障定位方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的一种小电阻接地系统高阻接地故障定位装置的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的小电阻接地系统单相接地故障的零序网络结构图；
图4为本申请仿真案例提供的小电阻接地系统高阻接地故障仿真示意图；
图5为本申请仿真案例提供的Q1和Q2的零序电压和电流暂态分量的波形图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种小电阻接地系统高阻接地故障定位方法的实施例，包括：
步骤101、利用最小二乘矩阵束算法从检测点的预置时域波形中分解出电压指数函数和电流指数函数，预置时域波形包括零序电压时域波形和零序电流时域波形，电压指数函数包括电压衰减因子。
预置时域波形中包括了电压波形和电流波形，且电压和电流在时域上具有相对应的变化趋势。采用最小二乘矩阵束算法的分解过程，实质是分别从零序电压时域波形和零序电流时域波形中分别出对应的电压指数函数和电流指数函数。该指数函数是一系列具有任意幅值、衰减因子、相位和频率的表达式；且电压与电流的衰减因子在时域上具有一致性。
进一步地，步骤101，之前还包括：
利用零序电压互感器在目标线路的检测点处采集预置个工频周期内的零序电压时域波形；
利用零序电流互感器在目标线路的检测点处采集预置个工频周期内的零序电流时域波形。
检测点可以根据实际需要在目标线路上选取，具体位置和数量不作限定。为了保证采集波形包含整个暂态过程，减小误差，所以设置预置个工频周期，本实施例中具体设置采样时间延长为5个工频周期，也就是t∈[0,5T]，其中，0时刻为故障发生时刻，T表示一个工频周期。
步骤102、分别在电压指数函数和电流指数函数中提取出两个电压衰减直流分量幅值和两个电流衰减直流分量幅值。
记两个电压衰减直流分量分别为U'0和U″0，记两个电流衰减直流分量幅值分别为I'0和I″0；幅值U'0和I'0对应的衰减因子为λ1；幅值U″0和I″0对应的衰减因子为λ2；电压衰减因子与电流衰减因子具有时序一致性。
步骤103、根据两个电压衰减直流分量幅值和电压衰减因子计算电压衰减幅值比值。
进一步地，步骤103，包括：
将两个电压衰减直流分量幅值分别与电压衰减因子相乘，得到两个电压衰减中间量；
根据两个电压衰减中间量进行比值计算，得到电压衰减幅值比值。
具体的计算是首先计算两个电压衰减中间量：
M1＝U'0·λ1
M2＝U″0·λ2
然后根据将两个电压衰减中间量进行比值计算，得到电压衰减幅值比值：
Figure BDA0003189555150000061
步骤104、根据两个电流衰减直流分量幅值计算电流衰减幅值比值。
电流衰减幅值比值的计算过程为：
Figure BDA0003189555150000062
步骤105、若电压衰减幅值比值与电流衰减幅值比值在预置规则内相等，则判定故障点位于检测点上游区域，否则，判定故障点位于检测点下游区域。
进一步地，预置规则为：
若电压衰减幅值比值和电流衰减幅值比值中的较大值与较小值之比小于对比阈值，则判定电压衰减幅值比值和电流衰减幅值比值相等，否则，判定电压衰减幅值比值和电流衰减幅值比值不相等。
预置规则可以用公式表达为：
Figure BDA0003189555150000063
其中，γ为对比阈值，可以根据实际情况设置，本申请实施例中需要考虑互感器传变误差和数值计算误差的影响，因此设置γ＝1.1。若是满足以上不等式关系，则认为P＝N，否则认为P≠N。
至于根据电压衰减幅值比值与电流衰减幅值比值是否在预置规则内相等判定故障点的位置的原理可以作如下分析：
小电阻接地系统单相接地故障的零序网络可以参阅图3。整个系统一共中设置n条线路，C0_j(j＝1,2..n-1)分别表示健全线路对地等效电容，RN表示中性点接地电阻，Rg表示过渡电阻，C0_n_up表示故障点与母线之间的对地等效电容，C0_n_down表示故障点与负载之间的对地等效电容，任意一条线路上任意一点发生单相接地故障。母线零序电压暂态分量为：
Figure BDA0003189555150000071
其中，t为时间，A1和A2为计算所得系数。故障点下游任意一点的零序电流暂态分量为：
Figure BDA0003189555150000072
其中，Cfdown为该点与负荷之间的对地等效电容。故障点与母线之间任意一点的零序电流暂态分量为：
Figure BDA0003189555150000073
其中，C为系统对地等效电容，RN是中心点接地电阻。
那么母线的两个零序电压衰减直流分量幅值与对应的电压衰减因子之间的乘积之比X为：
Figure BDA0003189555150000074
故障点下游任意一点的两个零序电流衰减直流分量的幅值之比Y为：
Figure BDA0003189555150000075
故障点与母线之间任意一点的两个零序电流衰减直流分量的幅值之比Z为：
Figure BDA0003189555150000076
由以上公式可以看出，X＝Y≠Z。
因此，可以根据电压衰减幅值比值与电流衰减幅值比值是否在预置规则内相等判定故障点的位置，即故障点具体是在检测点的上游，还是在检测点的下游，在上游则可以认为是区外故障，在下游则可以认为是区内故障。
为了便于理解，本申请利用MATLAB软件搭建小电阻接地系统高阻接地故障仿真模型，请参阅图4。仿真系统中变压器变比为110kV/10.5kV，中性点接地电阻为10Ω。系统共六条线路(L1-L6)，各条线路末端统一采用1MW恒阻抗负载。分别在f1、f2和f3处设置接地故障，在Q1、Q2和Q3处设置检测点。其中，Q1、Q2和Q3分别距母线0km、5km和10km，f1、f2和f3分别距母线2.5km、7.5km和12.5km。线路模型的具体参数请参阅表1。
表1线路模型参数
Figure BDA0003189555150000081
表2则记录了在不同位置、过度电阻下，各个检测点的衰减因子、两个零序电压衰减直流分量和两个零序电流衰减直流分量的幅值。
表2零序电压衰减直流分量和零序电流衰减直流分量的幅值变化表
Figure BDA0003189555150000082
Figure BDA0003189555150000091
表3记录了各个监测点的P、N以及故障定位结果。
表3故障点位结果列表
Figure BDA0003189555150000092
Figure BDA0003189555150000101
请参阅图5，图5是在过渡电阻为800Ω、f2处发生故障时，检测点Q1和Q2零序电压与零序电流暂态分量波形图。
本申请实施例提供的小电阻接地系统高阻接地故障定位方法，在检测点处采集预置时域波形既可进行故障定位分析操作，不需要获取其他数据信息；而故障定位分析过程中主要是比值计算，以及最后的比较判定，操作简单，易实现，不依赖复杂的操作过程，且不会受互感器采集数据信息的极性影响，能够较为准确的反映故障情况。因此，本申请实施例能够缓解现有技术的执行条件较多，操作较繁琐，无法保证故障定位方法的适用性和可靠性的技术问题。
为了便于理解，请参阅图2，本申请提供了一种小电阻接地系统高阻接地故障定位装置的实施例，包括：
分解模块201，用于利用最小二乘矩阵束算法从检测点的预置时域波形中分解出电压指数函数和电流指数函数，预置时域波形包括零序电压时域波形和零序电流时域波形，电压指数函数包括电压衰减因子；
提取模块202，用于分别在电压指数函数和电流指数函数中提取出两个电压衰减直流分量幅值和两个电流衰减直流分量幅值；
第一计算模块203，用于根据两个电压衰减直流分量幅值和电压衰减因子计算电压衰减幅值比值；
第二计算模块204，用于根据两个电流衰减直流分量幅值计算电流衰减幅值比值；
判断模块205，用于若电压衰减幅值比值与电流衰减幅值比值在预置规则内相等，则判定故障点位于检测点上游区域，否则，判定故障点位于检测点下游区域。
进一步地，还包括：
第一采集模块206，用于利用零序电压互感器在目标线路的检测点处采集预置个工频周期内的零序电压时域波形；
第二采集模块207，用于利用零序电流互感器在目标线路的检测点处采集预置个工频周期内的零序电流时域波形。
进一步地，第一计算模块203具体用于：
将两个电压衰减直流分量幅值分别与电压衰减因子相乘，得到两个电压衰减中间量；
根据两个电压衰减中间量进行比值计算，得到电压衰减幅值比值。
进一步地，预置规则为：
若电压衰减幅值比值和电流衰减幅值比值中的较大值与较小值之比小于对比阈值，则判定电压衰减幅值比值和电流衰减幅值比值相等，否则，判定电压衰减幅值比值和电流衰减幅值比值不相等。
本申请还提供了一种小电阻接地系统高阻接地故障定位设备，设备包括处理器以及存储器；
存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；
处理器用于根据程序代码中的指令执行上述方法实施例中的小电阻接地系统高阻接地故障定位方法
本申请还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储程序代码，程序代码用于执行上述方法实施例中的小电阻接地系统高阻接地故障定位方法。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种小电阻接地系统高阻接地故障定位方法，其特征在于，包括：
利用最小二乘矩阵束算法从检测点的预置时域波形中分解出电压指数函数和电流指数函数，所述预置时域波形包括零序电压时域波形和零序电流时域波形，所述电压指数函数包括电压衰减因子；
分别在所述电压指数函数和所述电流指数函数中提取出两个电压衰减直流分量幅值和两个电流衰减直流分量幅值；
根据两个所述电压衰减直流分量幅值和所述电压衰减因子计算电压衰减幅值比值；
根据两个所述电流衰减直流分量幅值计算电流衰减幅值比值；
若所述电压衰减幅值比值与所述电流衰减幅值比值在预置规则内相等，则判定故障点位于所述检测点上游区域，否则，判定故障点位于所述检测点下游区域。
2.根据权利要求1所述的小电阻接地系统高阻接地故障定位方法，其特征在于，所述利用最小二乘矩阵束算法从检测点的预置时域波形中分解出电压指数函数和电流指数函数，之前还包括：
利用零序电压互感器在目标线路的检测点处采集预置个工频周期内的零序电压时域波形；
利用零序电流互感器在目标线路的检测点处采集所述预置个工频周期内的零序电流时域波形。
3.根据权利要求1所述的小电阻接地系统高阻接地故障定位方法，其特征在于，所述根据两个所述电压衰减直流分量幅值和所述电压衰减因子计算电压衰减幅值比值，包括：
将两个所述电压衰减直流分量幅值分别与所述电压衰减因子相乘，得到两个电压衰减中间量；
根据两个所述电压衰减中间量进行比值计算，得到电压衰减幅值比值。
4.根据权利要求1所述的小电阻接地系统高阻接地故障定位方法，其特征在于，所述预置规则为：
若所述电压衰减幅值比值和所述电流衰减幅值比值中的较大值与较小值之比小于对比阈值，则判定所述电压衰减幅值比值和所述电流衰减幅值比值相等，否则，判定所述电压衰减幅值比值和所述电流衰减幅值比值不相等。
5.一种小电阻接地系统高阻接地故障定位装置，其特征在于，包括：
分解模块，用于利用最小二乘矩阵束算法从检测点的预置时域波形中分解出电压指数函数和电流指数函数，所述预置时域波形包括零序电压时域波形和零序电流时域波形，所述电压指数函数包括电压衰减因子；
提取模块，用于分别在所述电压指数函数和所述电流指数函数中提取出两个电压衰减直流分量幅值和两个电流衰减直流分量幅值；
第一计算模块，用于根据两个所述电压衰减直流分量幅值和所述电压衰减因子计算电压衰减幅值比值；
第二计算模块，用于根据两个所述电流衰减直流分量幅值计算电流衰减幅值比值；
判断模块，用于若所述电压衰减幅值比值与所述电流衰减幅值比值在预置规则内相等，则判定故障点位于所述检测点上游区域，否则，判定故障点位于所述检测点下游区域。
6.根据权利要求5所述的小电阻接地系统高阻接地故障定位装置，其特征在于，还包括：
第一采集模块，用于利用零序电压互感器在目标线路的检测点处采集预置个工频周期内的零序电压时域波形；
第二采集模块，用于利用零序电流互感器在目标线路的检测点处采集所述预置个工频周期内的零序电流时域波形。
7.根据权利要求5所述的小电阻接地系统高阻接地故障定位装置，其特征在于，所述第一计算模块具体用于：
将两个所述电压衰减直流分量幅值分别与所述电压衰减因子相乘，得到两个电压衰减中间量；
根据两个所述电压衰减中间量进行比值计算，得到电压衰减幅值比值。
8.根据权利要求5所述的小电阻接地系统高阻接地故障定位装置，其特征在于，所述预置规则为：
若所述电压衰减幅值比值和所述电流衰减幅值比值中的较大值与较小值之比小于对比阈值，则判定所述电压衰减幅值比值和所述电流衰减幅值比值相等，否则，判定所述电压衰减幅值比值和所述电流衰减幅值比值不相等。
9.一种小电阻接地系统高阻接地故障定位设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1-4任一项所述的小电阻接地系统高阻接地故障定位方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行权利要求1-4任一项所述的小电阻接地系统高阻接地故障定位方法。
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