CN113484679A - 小电阻接地系统高阻接地故障检测方法、系统及存储介质 - Google Patents

小电阻接地系统高阻接地故障检测方法、系统及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了小电阻接地系统高阻接地故障检测方法、系统及存储介质，通过采集需检测的小电阻接地系统的中性点电阻电流，判断中性点电阻电流是否大于预设的整定值，并延时持续预设的时长；若中性点电阻电流大于预设的整定值且延时持续预设的时长，计算中性点电阻电流的第一偏度系数；判断第一偏度系数是否在预设的第一故障区间内，若在第一故障区间，则判断小电阻接地系统发生高阻接地故障，并根据馈线零序电流的绝对值的半工频周波偏度系数进行故障选线。相比现有技术，本发明利用中性点电阻电流的偏度系数特征进行高阻接地故障识别，能有效提高高阻接地故障识别的抗噪能力，提高高阻接地故障选线的准确性。

Description

小电阻接地系统高阻接地故障检测方法、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及接地系统故障诊断技术领域，尤其涉及小电阻接地系统高阻接地故障检测方法、系统及存储介质。
背景技术
近年来，城市配电网中电缆布线率不断增加，接地电容电流增大，采用小电流接地方式难以在发生接地故障时熄灭电弧，而间歇性电弧引起的谐振过电压可导致供配电线路及设备损坏。小电阻接地方式因其可以通过电流保护快速切断故障，降低工频过电压、抑制谐振过电压、降低设备绝缘水平，在配电网中得到广泛应用。但由于各种原因，当线路断线或坠落在柏油路、水泥地板、草坪、树枝等具有高阻抗的介质表面而发生单相高阻接地故障时，接地电阻较大，故障电流微弱，电流保护不能有效识别和切除故障，容易产生间歇性电弧引发火灾，对电力系统的稳定运行和人身安全造成严重威胁。因此，当发生高阻接地故障后，必须及时检测并切除故障。
国内外研究人员对高阻故障检测方法进行了大量的研究，但大部分是针对小电流接地(即中性点不接地或谐振接地)系统，针对小电阻接地系统的研究较少，且在故障过渡电阻过大，信噪比过低时效果不佳，或者实现较为复杂。
因此，如何实现小电阻接地系统的高阻接地故障检测已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了小电阻接地系统高阻接地故障检测方法、系统及存储介质，用于解决现有技术无法准确检测出小电阻接地系统的高阻接地故障的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种小电阻接地系统高阻接地故障检测方法，包括以下步骤：
采集需检测的小电阻接地系统的中性点电阻电流，判断中性点电阻电流是否大于预设的整定值，并延时持续预设的时长；
若中性点电阻电流大于预设的整定值且延时持续预设的时长，计算中性点电阻电流的第一偏度系数；
判断第一偏度系数是否在预设的第一故障区间内，若在第一故障区间，则判断小电阻接地系统发生高阻接地故障。
优选的，第一故障区间为(-∞,SK1)∪(SK2,∞)，其中，SK1为正常区间下限，SK2正常区间上限。
优选的，整定值为2A，预设的时长为10s，SK1为-0.7，SK2为-0.3。
优选的，第一偏度系数为中性点电阻电流的绝对值的全工频周期偏度系数。
优选的，在判断小电阻接地系统发生高阻接地故障后，还包括以下步骤：
对小电阻接地系统内的每一根馈线，均执行以下步骤：
对馈线的零序电流求绝对值后，计算馈线的零序电流在故障发生后、预设的连续周期的半工频周期偏度系数的第一平均值；
若馈线的第一平均值的绝对值在预设的第二故障区间内，则判断馈线为故障选线；
若小电阻接地系统每一根馈线均判断不为故障线路，则判断小电阻接地系统为母线接地故障。
优选的，第二故障区间为(-∞,SK0)，其中，SK0为0。
优选的，预设的连续周期为10个周期；
一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现上述方法中的步骤。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的小电阻接地系统高阻接地故障检测方法、系统及存储介质，通过采集需检测的小电阻接地系统的中性点电阻电流，判断中性点电阻电流是否大于预设的整定值，并延时持续预设的时长；若中性点电阻电流大于预设的整定值且延时持续预设的时长，计算中性点电阻电流的第一偏度系数；判断第一偏度系数是否在预设的第一故障区间内，若在第一故障区间，则判断小电阻接地系统发生高阻接地故障。相比现有技术，本发明利用中性点电阻电流的偏度系数特征进行高阻接地故障识别，能有效提高高阻接地故障识别的抗噪能力，提高高阻接地故障的准确性。
2、在优选方案中，本发明故障选线时充分利用小电阻接地系统单相高阻接地故障时故障线路和健全线路零序电流的偏度系数的特征差别进行选线，不受故障位置、过渡电阻与故障合闸角的影响。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例中的小电阻接地系统单相接地故障时的零序等效网络；
图2是本发明优选实施例中的高阻接地故障的故障线路的零序电流波形图；
图3是本发明优选实施例中的高阻接地故障的非故障线路零序电流图；
图4是本发明优选实施例中的故障检测流程图；
图5是本发明优选实施例中的配电网仿真模型的电路拓扑图；
图6是本发明优选实施例中的高阻故障的Emanuel模型电路图；
图7是本发明优选实施例中的线路参数不平衡时的中性点电阻电流的波形图；
图8是本发明优选实施例中的三相参数不平衡时中性点电阻电流的偏度系数图；
图9是本发明优选实施例中的单相高阻接地故障中性点电阻电流的偏度系数图；
图10是本发明优选实施例中的单相高阻接地故障各馈线零序电流的偏度系数图；
图11是本发明优选实施例中的小电阻接地系统高阻接地故障检测方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一：
如图11所示，本实施中公开了一种小电阻接地系统高阻接地故障检测方法，包括以下步骤：
采集需检测的小电阻接地系统的中性点电阻电流，判断中性点电阻电流是否大于预设的整定值，并延时持续预设的时长；
若中性点电阻电流大于预设的整定值且延时持续预设的时长，计算中性点电阻电流的第一偏度系数；
判断第一偏度系数是否在预设的第一故障区间内，若在第一故障区间，则判断小电阻接地系统发生高阻接地故障。
此外，在本实施例中，还公开了一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。
此外，在本实施例中，还一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现上述方法中的步骤。
本发明中的小电阻接地系统高阻接地故障检测方法、系统及存储介质，通过采集需检测的小电阻接地系统的中性点电阻电流，判断中性点电阻电流是否大于预设的整定值，并延时持续预设的时长；若中性点电阻电流大于预设的整定值且延时持续预设的时长，计算中性点电阻电流的第一偏度系数；判断第一偏度系数是否在预设的第一故障区间内，若在第一故障区间，则判断小电阻接地系统发生高阻接地故障。相比现有技术，本发明利用中性点电阻电流的偏度系数特征进行高阻接地故障识别，能有效提高高阻接地故障识别的抗噪能力，提高高阻接地故障选线的准确性。
实施例二：
实施例二是实施例一的优选实施例，其与实施例一的不同之处在于，对小电阻接地系统高阻接地故障检测方法的原理进行了说明，对小电阻接地系统高阻接地故障检测方法的具体步骤进行了细化：
在本实施例中，在分析发生单相高阻故障时流过中性点接地小电阻的电流(后文简称中性点电阻电流)及各馈线零序电流特征的基础上，公开了一种小电阻接地系统高阻接地故障检测方法，该方法计算中性点电阻电流绝对值的全工频周期的偏度系数及各馈线零序电流绝对值的半工频周期的偏度系数(后文均是对中性点电阻电流绝对值和各馈线零序电流的绝对值求偏度系数)，利用偏度系数的特征来检测单相高阻故障并对高阻接地故障选线。此方法实现简单，计算量小，具有较强的鲁棒性。仿真分析验证了该方法的可行性和有效性。
1小电阻接地系统高阻接地故障检测方法的基本原理
1.1单相接地故障时中性点电阻电流分析
小电阻接地系统发生单相接地故障的零序等效网络如图1所示，由于线路阻抗远远小于线路接地零序电容的阻抗，对各馈线零序电流和中性点电阻电流影响小，分析时忽略线路阻抗。图中，
Figure BDA0003156495770000041
为母线零序电压，
Figure BDA0003156495770000042
为故障点虚拟电源电压，Rf为故障过渡电阻,RN为中性点接地电阻，Cn(n＝1,2,……K)为各馈线对地电容，
Figure BDA0003156495770000043
为故障线路零序电流，
Figure BDA0003156495770000044
为非故障线路零序电流，
Figure BDA0003156495770000045
为中性点电阻电流。设故障相为A相，故障前相电压为
Figure BDA0003156495770000046
虚拟电源电压
Figure BDA0003156495770000047
由图1分析可得中性点电阻电流为：
Figure BDA0003156495770000048
式中，
Figure BDA0003156495770000049
为所有线路对地电容之和，ω为工频角频率。
故障馈线首端检测的零序电流为：
Figure BDA00031564957700000410
其中
Figure BDA0003156495770000051
为所有非故障馈线对地零序电容。
系统无故障时，中性点电阻电流几乎为0；当发生单相低阻接地时，接地电阻Rf较小，中性点电阻电流较大，故障线路零序电流大于保护整定值，保护动作切除故障线路；当发生单相高阻接地故障时，接地电阻Rf大，中性点电阻电流比较小，故障线路零序电流也比较小，保护不会动作，需要及时识别高阻故障。
1.2高阻故障电流特征分析
配电网运行环境复杂，常发生经非理想导体的单相高阻接地故障，如导线跌落在混凝土地面、草地、沙地、湿地等，接地介质不同，可能产生间歇性电弧，也可能产生稳定电弧，故障具有随机性，故障特征丰富。
但无论是何种类型的接地介质(固体、液体、气体介质或其组合介质)，根据电介质击穿理论，其接地电阻均具有非线性变化特性。当电压较小，施加于电介质的电场较弱时，过渡电阻较大；而当电压升高，施加于电介质的电场增大到相当强时，电介质在强电场下电导随电场强度增加而增加，过渡电阻迅速变小；当电场进一步增强到某个临界值时，电介质由绝缘状态变为导电状态。
高阻故障时，交流电压施加于电介质，在电压过零点附近过渡电阻大，然后随着电压的升高过渡电阻逐渐减小，导致流过中性点电阻的故障电流在过零点附近较小且变化缓慢，波形发生明显的畸变。
故障电流流过故障线路，引起故障线路零序电流在过零点附近亦发生畸变。非故障线路与故障线路的基波相位差约为90度～108度，所以非故障线路在峰值附近发生畸变。
配电网三相参数不对称等非故障原因也会引起中性点电压偏移，导致有电流流过中性点电阻，但其波形按照正弦规律变化，不会发生畸变。
因此，根据中性点电阻电流的大小和波形以及各馈线零序电流的分布可确定是否发生高阻接地故障并选出故障线路。
1.3基于偏度系数的高阻故障检测机理
偏度(Skewness，SK)是研究数据分布偏斜方向和程度的度量，它是表征概率分布密度曲线相对于平均值不对称程度的特征数。
偏度的离散计算公式为：
Figure BDA0003156495770000052
式中，N为数据组点的个数；xi为采样信号点的取值；
Figure BDA0003156495770000053
为信号均值；σ为信号标准偏差，其计算式如式(4)所示。
Figure BDA0003156495770000061
偏度的衡量是相对于正态分布来说，正态分布的偏度为0。
对正弦波求绝对值，然后计算其在1个工频周期和半个工频周期内的偏度系数，由于正弦波求绝对值之后具有周期性，其偏度值都约为-0.5。
高阻故障时，中性点电阻电流波形在过零点畸变，其绝对值的全工频周期的偏度系数不为-0.5，且与-0.5有较大差别。根据此特征，利用中性点电阻电流的偏度值可以检测是否发生高阻接地故障。
高阻接地故障时，故障线路零序电流绝对值的半工频周期偏度系数较小，而非故障线路零序电流绝对值的半工频周期偏度系数均较大，根据此特征可进行高阻接地故障的选线。
2高阻故障检测与选线方法
2.1高阻故障检测判据
发生接地故障时，中性点电阻电流会增加。
如果中性点电阻电流的有效值为
Figure BDA0003156495770000062
满足式(5)，启动故障检测程序。
Figure BDA0003156495770000063
式中，设置Iset＝2A。
对于低阻接地故障，故障线路零序电流保护切除故障后，
Figure BDA0003156495770000064
值恢复为正常的很小的值。
延时10秒，如果式(5)依然成立，则判定为疑似高阻接地故障。此时，有2种情况可能发生：其一，确实发生了单相高阻接地故障；其二，由于系统参数不对称、电容器补偿不平衡等原因引起中性点电压偏移，使得中性点电阻电流增大。
对于第2种情况，电流仍为正弦波，其绝对值的偏度系数为-0.5。考虑到噪声和衰减直流分量的影响，其偏度系数会稍微偏离-0.5，保留一定的裕度，取阈值SK1＝-0.7和SK2＝-0.3，则其在未发生单相高阻接地故障是的正常偏度系数应在[SK1，SK2]区间内。
否则，若中性点电阻电流的偏度系数满足
SK＜SK1或SK＞SK2 (6)
则判定故障为单相高阻接地故障。
2.2高阻故障选线判据
高阻接地故障的故障线路零序电流如图2所示，故障线路的概率密度曲线相对于其平均值偏斜程度小，对其求绝对值后的半工频周期偏度系数较小。
非故障线路零序电流(如图3所示)在峰值附件发生畸变，畸变不确定性较大，导致其偏斜程度较大，对其求绝对值后的半周期偏度系数较大。
对各馈线零序电流求绝对值后，求取各馈线故障后的10个周期的半工频周期偏度系数SKT/2，若某馈线的零序电流满足
SKT/2<0 (7)
则判定该线路为故障线路，否则为母线故障。后面的仿真结果表明这样取值是合理的，保证了高阻接地故障检测和选线的准确性。
3故障故障检测与选线步骤
基于上述分析，高阻故障检测步骤如图4所示：
(1)中性点电阻电流大于启动算法整定值Iset，启动保护，转步骤(2)；否则转步骤(6)；
(2)延时等待10秒，在等待时间内如果有馈线零序电流保护动作并隔离故障，中性点电阻电流减小到小于Iset，则转(6)；否则转步骤(3)；
(3)计算中性点电阻电流的绝对值的全工频周期偏度系数，判别是否为单相高阻故障；如为单相高阻故障，转步骤(4)；否则转步骤(6)；
(4)计算各馈线零序电流的绝对值的半工频周期偏度系数，进行故障选线；
(5)延时切除发生高阻故障的馈线；
(6)结束。
4仿真验证
在MATLAB/SIMULINK中搭建如图5所示的中性点经小电阻接地配电网模型。该系统有2条电缆线路和3条架空线路以及1条电缆-架空线混合线路，线路参数如表1所示。故障时间设置为0.04s，通过改变故障线路、故障电阻以及故障合闸角等，仿真不同情况下的高阻接地故障。
表1仿真模型线路参数
Figure BDA0003156495770000071
高阻故障模型采用参数容易调整和能反应配电网高阻故障的特征的Emanuel模型。如图6所示，该模型由两个二极管分别连接两个电阻(可以是线性电阻或时变电阻，一般不等)和两个直流电源并联而成，两个直流电源Vp和Vn表示高阻故障弧光放电时导线与介质之间的电弧电压，一般不等；两个电阻Rp和Rn表示故障时的接地电阻，两个电阻选择不同的值来模拟高阻故障的不对称性。当线电压大于直流电压Vn时，故障电流流向大地。当线电压小于负直流电压Vp时，故障电流反向流动。当线电压的值介于Vp和Vn之间时，没有故障电流流过。
系统参数不平衡引起的中性点电阻电流大小和高阻接地故障相当，为了仿真此种情况，改变线路参数，线路参数不对称主要是对地电容不同，线路1参数设置如下：CA＝0.3μF、CB＝0.31μF；CC＝0.32μF。
4.1故障检测
系统参数不平衡引起的中性点电阻电流如图7所示。波形仍为正弦波，幅值大小在设定的阈值以内。对该电流求绝对值后，其全工频周期偏度系数如图8所示；
馈线L6在0.04s时距离母线6km处发生单相高阻接地故障，故障合闸角为0度。中性点电阻电流的绝对值的全工频周期偏度系数如图9所示。
高阻接地故障时，各馈线零序电流绝对值的半工频周期偏度系数如图10所示；其半周期偏度系数的平均值为：SKT/2＝[0.5008,0.2927,0.4704,0.4026,0.3565,-0.0373]。
从仿真结果可以看出系统参数不平衡时，中性点电阻电流的绝对值的全工频周期偏度系数不满足式(6)；高阻接地故障时中性点电阻电流的绝对值的全工频周期偏度系数都满足式(6)，检测正确。对于高阻接地故障，线路L6的零序电流绝对值的半工频周期偏度系数较小，小于设定的阈值0，选线结果与实际相符，选线正确。
综上所述，本发明中的小电阻接地系统高阻接地故障检测方法、系统及存储介质，通过采集需检测的小电阻接地系统的中性点电阻电流，判断中性点电阻电流是否大于预设的整定值，并延时持续预设的时长；若中性点电阻电流大于预设的整定值且延时持续预设的时长，计算中性点电阻电流的第一偏度系数；判断第一偏度系数是否在预设的第一故障区间内，若在第一故障区间，则判断小电阻接地系统发生高阻接地故障。相比现有技术，本发明利用中性点电阻电流的偏度系数特征进行高阻接地故障识别，能有效提高高阻接地故障识别的抗噪能力，提高高阻接地故障选线的准确性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种小电阻接地系统高阻接地故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集需检测的小电阻接地系统的中性点电阻电流，判断所述中性点电阻电流是否大于预设的整定值，并延时持续预设的时长；
若所述中性点电阻电流大于预设的整定值且延时持续预设的时长，计算所述中性点电阻电流的第一偏度系数；
判断所述第一偏度系数是否在预设的第一故障区间内，若在所述第一故障区间，则判断所述小电阻接地系统发生高阻接地故障。
2.根据权利要求1所述的小电阻接地系统高阻接地故障检测方法，其特征在于，所述第一故障区间为(-∞，SK1)∪(SK2，∞)，其中，SK1为正常区间下限，SK2正常区间上限。
3.根据权利要求2所述的小电阻接地系统高阻接地故障检测方法，其特征在于，所述整定值为2A，所述预设的时长为10s，所述SK1为-0.7，所述SK2为-0.3。
4.根据权利要求1所述的小电阻接地系统高阻接地故障检测方法，其特征在于，所述第一偏度系数为中性点电阻电流的绝对值的全工频周期偏度系数。
5.根据权利要求1所述的小电阻接地系统高阻接地故障检测方法，其特征在于，在判断所述小电阻接地系统发生高阻接地故障后，还包括以下步骤：
对所述小电阻接地系统内的每一根馈线，均执行以下步骤：
对所述馈线的零序电流求绝对值后，计算所述馈线的零序电流的绝对值在故障发生后、预设的连续周期的半工频周期偏度系数的第一平均值；
若所述馈线的第一平均值在预设的第二故障区间内，则判断所述馈线为故障线路；
若所述小电阻接地系统每一根馈线均判断不为故障线路，则判断所述小电阻接地系统为母线故障。
6.根据权利要求5所述的小电阻接地系统高阻接地故障检测方法，其特征在于，所述第二故障区间为(-∞，SK0)，其中，所述SK0为0。
7.根据权利要求5所述的小电阻接地系统高阻接地故障检测方法，其特征在于，所述预设的连续周期为10个周期。
8.一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行计算机程序时实现上述权利要求1至7任一方法的步骤。
9.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，程序被处理器执行时实现上述权利要求1至7任一项方法中的步骤。
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