CN113552441A - 一种单相接地故障检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单相接地故障检测方法及装置，采用本线路的三相电流判断是否存在接地故障，在不具备零序电压和零序电流采集的场合具有普遍的适用性和经济性。本方法通过三相电流计算正序电流，通过正序电流实时计算频率和基波周期，利用小波包变换对三相电流进行变换分解，捕捉接地时电流的暂稳态突变量，然后采用方向和幅值结合积分算法，有效避免了非工频运行以及负荷扰动情况下的影响，提高单相接地故障检测准确率和配电网运行可靠性。

Description

一种单相接地故障检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统的配电技术领域，具体地,涉及一种在3～66kV配电网中发生单相接地故障时，基于三相电流的暂稳态特征完成单相接地故障检测的方法及装置。

背景技术

我国3～66kV配电网大多为小电流接地系统，少数为中性点经小电阻接地系统。对于小电流接地系统的单相接地故障和小电阻接地系统的高阻单相接地故障，故障线路的快速检测一直是困扰配电网稳定运行的技术难题。针对该技术难题，发生单相接地故障时，目前常用的方法主要有人工拉线法、信号注入法、基于电压和电流的暂态法，其中暂态法因为不需对一次系统进行改造、经济性好、快速性高而成为近年来的研究热点。

暂态法基本是利用故障时零序电压和零序电流暂态特征进行判断，但目前运行的配电线路还相当一部分没有零序电压或零序电流互感器。如现存大量环网柜内电压互感器是V-V接线，结构紧凑，受空间限制柜内很难加装零序互感器；架空线柱上开关一般是开关两侧各装一个单相PT分别采集两侧线电压，无法获取三相电压和零序电压，开关本体内则一般只安装了相电流互感器，若要增加零序采集，往往只能更换一次设备。由于零序分量信息无法采集，传统的暂态法无法判断。

基于现有大量配电线路还不具备采集三相电压、零序电压、零序电流的条件，如果能仅仅根据三相电流检测单相接地故障，则能极大增加单相接地故障检测的实用性。

少数文献提出了一些利用相电流检测单相接地故障的方法，如《基于相电流突变量固有模态能量的选线方法》(杨新伟，刘伟娜.电力科学与技术学报，2018，33(4):147-152)、《基于暂态相电流的小电流接地故障定位研究》(孙波,张承慧,孙同景，薛永端.电力系统保护与控制,2012(18):75-80)、《基于暂态相电流特征分析的故障选线新方法》(刘谋海，王媛媛等.电力系统及其自动化学报,2017(1):30-36)等。上述文献对数据采样率要求高(采样频率10kHz以上)，基本是在理想的工频仿真环境下选线。然而实际绝大多数配网装置采样频率在5kHz以下，同时线路实际运行频率在工频上下波动，并非稳定频率，另外，现有的相电流检测还没有提出有效的方法来解决负荷扰动下的准确选线问题。

因此，针对上述需求，目前公开资料中还没有一种高性价比解决方法。如果能够提出一种新型的基于三相电流的单相接地故障检测方法，并且可以在频率波动、负荷扰动下也具有很高的准确率，将具有良好的社会和经济效益。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种单相接地故障检测方法及装置，对现有的方法进行改进，不依赖零序电压和零序电流，不需要很高的采样频率，仅根据三相电流的暂稳态特征完成单相接地故障检测。该方法不用增设信号注入源、零序PT和零序CT，不受负荷电流扰动和系统频率波动的影响，解决零序分量无法采集时常规暂态选线法不适用或准确率较低问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种单相接地故障检测方法，包括如下步骤：

(1)实时采集线路三相电流；

(2)对所述三相电流进行数据处理：根据所述三相电流计算自产零序电流以及相电流的基波频率和基波周期；滤除三相电流中的负荷电流；

(3)当检测到自产零序电流发生突变时，提取经滤除负荷电流后的三相电流的突变分量；

(4)对各相电流的突变分量进行比较，当某相电流突变分量与其他两相电流突变分量方向相反，且其幅值比其他两相大时，则判定本线路为接地故障线路且该相为接地相，否则判定本线路为非故障线路。

优选的方案中，所述步骤(1)中采样频率在4kHz～10kHz之间。

优选的方案中，所述步骤(2)中计算相电流的基波频率和基波周期的方法为：根据所述三相电流计算电流正序分量；对电流正序分量先进行离散傅里叶变换，再进行二次曲线拟合；根据拟合后的数据计算出基波频率和基波周期。

优选的方案中，所述步骤(2)中对自产零序电流进行差分滤波。

优选的方案中，所述步骤(2)中采用小波包变换分解和滤除负荷电流。

优选的方案中，所述步骤(3)中检测自产零序电流发生突变的方法是：检测自产零序电流突变值是否大于启动门槛值。

优选的方案中，所述步骤(3)中在检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时，提取前后半个基波周期内的滤除负荷电流后的三相电流突变量；

所述步骤(4)中对各相电流的突变分量进行比较的方法具体包括：

(41)按公式(1)和公式(2)求出Di_ab、Di_bc、Di_ca、Mi_a、Mi_b、Mi_c；

公式中△i_a、△i_b、△i_c分别为经小波包变换后滤除负荷电流的三相电流所对应的电流突变量；T为电流基波周期，-T/2为检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时的前半个周期时间，T/2为检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时的后半个周期；Di_ab表示△i_a和△i_b的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Di_bc表示△i_b和△i_c的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Di_ca分别表示△i_c和△i_a的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Mi_a为△i_a在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；Mi_b为△i_b在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；Mi_c表示△i_c在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；

(42)当Di_ab、Di_bc、Di_ca中两个为负值，一个为正值，且数值为正的方向积分值中不含的电流相其积分绝对值为三者中最大，则判定本线路是接地线路，积分绝对值最大的相为接地相。

本发明同时提出一种单相接地故障检测装置，包括：

采集单元：用于实时采集线路三相电流；

数据处理单元：对所述三相电流进行数据处理：根据所述三相电流计算自产零序电流以及相电流的基波频率和基波周期；滤除三相电流中的负荷电流；

启动单元：当检测到自产零序电流发生突变时，提取经滤除负荷电流后的三相电流的突变分量；

判定单元：各相电流的突变分量进行比较，当某相电流突变分量与其他两相电流突变分量方向相反，且其幅值比其他两相大时，则判定本线路为接地故障线路且该相为接地相，否则判定本线路为非故障线路。

优选的方案中，所述采集单元中采样频率在4kHz～10kHz之间。

优选的方案中，所述启动单元中，在检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时，提取前后半个基波周期内的滤除负荷电流后的三相电流突变量；

所述判定单元中，对各相电流的突变分量进行比较的方法具体包括：

(41)按公式(1)和公式(2)求出Di_ab、Di_bc、Di_ca、Mi_a、Mi_b、Mi_c；

公式中△i_a、△i_b、△i_c分别为经小波包变换后滤除负荷电流的三相电流所对应的电流突变量；T为电流基波周期，-T/2为检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时的前半个周期时间，T/2为检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时的后半个周期；Di_ab表示△i_a和△i_b的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Di_bc表示△i_b和△i_c的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Di_ca分别表示△i_c和△i_a的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Mi_a为△i_a在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；Mi_b为△i_b在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；Mi_c表示△i_c在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；

(42)当Di_ab、Di_bc、Di_ca中两个为负值，一个为正值，且数值为正的方向积分值中不含的电流相其积分绝对值为三者中最大，则判定本线路是接地线路，积分绝对值最大的相为接地相。

本发明的有益效果在于：采用上述方案后，仅采用本线路的三相电流判断是否存在接地故障，无需采集相(线)电压、零序电压和零序电流，接地故障检测装置的采样频率也不需要很高，在不具备零序电压和零序电流采集的场合具有普遍的适用性和经济性。同时，本方法利用正序电流实时计算频率和基波周期，利用小波包变换进行滤波分解，并采用方向和幅值积分结合算法，避免了非工频运行以及负荷扰动的影响，提高配电网单相接地故障检测准确率和配电网运行可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例三相电流互感器和接地故障检测装置接线示意图；

图2是本发明实施例单相接地故障检测逻辑流程图；

图3是本发明单相接地故障检测装置示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的实施例进行详细说明。

本发明提供一种单相接地故障检测方法，其针对的对象为3kV-66kV配电网系统。图2所示为本申请实施例的流程示意图。如图2所示，单相接地故障检测方法包括：

S10:实时采集线路三相电流；

S20:对所述三相电流进行数据处理：根据所述三相电流计算自产零序电流以及相电流的基波频率和基波周期；滤除三相电流中的负荷电流；

S30:当检测到自产零序电流发生突变时，提取经滤除负荷电流后的三相电流的突变分量；

S40:对各相电流的突变分量进行比较，当某相电流突变分量与其他两相电流突变分量方向相反，且其幅值比其他两相大时，则判定本线路为接地故障线路且该相为接地相，否则判定本线路为非故障线路。

在S10中对线路三相电流进行采集，图1中示出了对线路三相电流进行采样的示意图，系统包括母线、线路、开关、三相电流互感器，接地故障检测装置。三相电流互感器采集本线路的三相电流，互感器输出的A、B、C三相电流信号接入至接地故障检测装置。三相电流互感器可以独立安装，也可以内置于开关等设备内部。

实施例中，为达到更好的检测效果，三相电流互感器的变比选型根据线路正常负荷大小进行选择，变比不宜超过150。具体地，当线路正常负荷不超过100A时，典型变比可取100A/1A或100/5A或300A/5A；当正常负荷不超过300A时，典型变比可取300A/5A或600A/5A，当正常负荷超过300A时，变比可取600A/5A。考虑到配网线路正常负荷很少超过600A,若实际正常负荷超600A，可根据实际负荷情况选择适当选择变比更大的CT。若CT变比超过150，为保证单相接地故障检测准确率，接地故障检测装置的采样精度适当提高。

为保证数据采集准确性和完整性，提高检测的准确度和识别更高过渡电阻单相接地故障，接地故障检测装置的电流采样误差宜不大于千分之五,装置采样频率宜高于4kHz，典型的采样频率在4kHz～10kHz之间。

在S20中，对三相电流进行数据处理。根据三相电流信息实时计算正序电流和自产零序电流，然后对正序电流进行离散傅里叶变换(DFT)变换，计算出向量实部和虚部，再使用最小二乘法二次曲线拟合，根据拟合后的实部或虚部过零点计算线路电流基波频率f和基波周期T。

单相接地故障时，三相电流中含有正常负荷电流、消弧线圈补偿电路、对地电容电流及故障点对地电流。理想情况下，小电流接地系统中负荷电流一般为正序电流及部分负序电流，零序电流几乎为0，但实际由于负荷扰动和CT特性及采样影响，会有不平衡电流和谐波电流存在，从而影响接地故障的判断。

故障发生初期，由于消弧线圈电流不能突变，故障线路的故障相暂态特征分量中有对地电容电流及故障点对地电流，故障线路的非故障相及非故障线路的三相暂态特征电流中仅有对地电容电流。

由于负荷电流主要是基波电流和低次谐波电流，滤除负荷电流可以避免负荷扰动的影响。优选的实施例中，使用小波包变换分解和滤除负荷电流。采用紧支集正交小波基DB10小波包变换滤除负荷电流，设滤波后的三相电流分别为i_a、i_b、i_c。预先设置好自产零序电流启动门槛值，该值可根据线路参数和CT变比参数进行调整。由于自产零序电流启动门槛值较小，为减小不平衡电流的影响，一些实施例中先对自产零序电流进行差分滤波，典型差分周期取T的倍数。

在S30中，检测自产零序电流发生突变的方法是：检测自产零序电流突变值是否大于启动门槛值，当检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时，记录i_a、i_b、i_c的突变分量△i_a、△i_b、△i_c。

优选的实施例中，自产零序电流经差分处理后，在检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时(令此时刻为0时刻)，记录并缓存前后半个周波的经滤波后的三相电流突变量，即记录缓存[-T/2,T/2]时间区间i_a、i_b、i_c的突变分量△i_a、△i_b、△i_c。

在S40中，对各相电流的突变分量进行比较的方法具体包括：

S41按公式(1)和公式(2)求出Di_ab、Di_bc、Di_ca、Mi_a、Mi_b、Mi_c；

公式中△i_a、△i_b、△i_c分别为经小波包变换后滤除负荷电流的三相电流所对应的电流突变量；T为电流基波周期，-T/2为检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时的前半个周期时间，T/2为检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时的后半个周期；Di_ab表示△i_a和△i_b的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Di_bc表示△i_b和△i_c的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Di_ca分别表示△i_c和△i_a的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Mi_a为△i_a在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；Mi_b为△i_b在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；Mi_c表示△i_c在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；

S42:当Di_ab、Di_bc、Di_ca中两个为负值，一个为正值，且数值为正的方向积分值中不含的电流相其积分绝对值为三者中最大，则判定本线路是接地线路，积分绝对值最大的相为接地相。

以A相为例，假设满足式(3)和式(4)，认为本线路发生A相单相接地故障：

公式(4)中k为大于1的比例系数。k的取值范围为1.2～6。

表1中是列出的本线路是接地线路的三种情况，不满足表1中故障判断条件时，则说明本线路不是接地线路。

表1本线路是接地线路的故障判定表(k>1)

表1中k为接地相突变分量的积分绝对值比上非接地相突变分量积分绝对值的比例系数，为大于1比例系数，k典型值取1.2～6。

在检测到本线路单相接地故障发生后，接地故障检测装置可选择立即或延时告警或跳闸。

另外，根据本申请另一方面的实施例，还提供如图3所示的一种单相接地故障检测装置，包括：采集单元、数据处理单元、启动单元、判定单元，其中：

采集单元：用于实时采集线路三相电流；

数据处理单元：对所述三相电流进行数据处理：根据所述三相电流计算自产零序电流以及相电流的基波频率和基波周期；滤除三相电流中的负荷电流；

启动单元：当检测到自产零序电流发生突变时，提取经滤除负荷电流后的三相电流的突变分量；

判定单元：各相电流的突变分量进行比较，当某相电流突变分量与其他两相电流突变分量方向相反，且其幅值比其他两相大时，则判定本线路为接地故障线路且该相为接地相，否则判定本线路为非故障线路。

优选的实施例中，采集单元中采样频率在4kHz～10kHz之间。

优选的实施例中，启动单元中，在检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时，提取前后半个基波周期内的滤除负荷电流后的三相电流突变量；

判定单元中，对各相电流的突变分量进行比较的方法具体包括：

(41)按公式(1)和公式(2)求出Di_ab、Di_bc、Di_ca、Mi_a、Mi_b、Mi_c；

公式中△i_a、△i_b、△i_c分别为经小波包变换后滤除负荷电流的三相电流所对应的电流突变量；T为电流基波周期，-T/2为检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时的前半个周期时间，T/2为检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时的后半个周期；Di_ab表示△i_a和△i_b的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Di_bc表示△i_b和△i_c的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Di_ca分别表示△i_c和△i_a的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Mi_a为△i_a在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；Mi_b为△i_b在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；Mi_c表示△i_c在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；

(42)当Di_ab、Di_bc、Di_ca中两个为负值，一个为正值，且数值为正的方向积分值中不含的电流相其积分绝对值为三者中最大，则判定本线路是接地线路，积分绝对值最大的相为接地相。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单相接地故障检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)实时采集线路三相电流；

(2)对所述三相电流进行数据处理：根据所述三相电流计算自产零序电流以及相电流的基波频率和基波周期；滤除三相电流中的负荷电流；

(3)当检测到自产零序电流发生突变时，提取经滤除负荷电流后的三相电流的突变分量；

(4)对各相电流的突变分量进行比较，当某相电流突变分量与其他两相电流突变分量方向相反，且其幅值比其他两相大时，则判定本线路为接地故障线路且该相为接地相，否则判定本线路为非故障线路。

2.如权利要求1所述的单相接地故障检测方法，其特征在于：所述步骤(1)中采样频率在4kHz～10kHz之间。

3.如权利要求1所述的单相接地故障检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中计算相电流的基波频率和基波周期的方法为：

根据所述三相电流计算电流正序分量；对电流正序分量先进行离散傅里叶变换，再进行二次曲线拟合；

根据拟合后的数据计算出基波频率和基波周期。

4.如权利要求1所述的单相接地故障检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中对自产零序电流进行差分滤波。

5.如权利要求1所述的单相接地故障检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中采用小波包变换分解和滤除负荷电流。

6.如权利要求1所述的单相接地故障检测方法，其特征在于：所述步骤(3)中检测自产零序电流发生突变的方法是：检测自产零序电流突变值是否大于启动门槛值。

7.如权利要求1所述的单相接地故障检测方法，其特征在于：

所述步骤(3)中在检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时，提取前后半个基波周期内的滤除负荷电流后的三相电流突变量；

所述步骤(4)中对各相电流的突变分量进行比较的方法具体包括：

(41)按公式(1)和公式(2)求出Di_ab、Di_bc、Di_ca、Mi_a、Mi_b、Mi_c；

公式中△i_a、△i_b、△i_c分别为经小波包变换后滤除负荷电流的三相电流所对应的电流突变量；T为电流基波周期，-T/2为检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时的前半个周期时间，T/2为检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时的后半个周期；Di_ab表示△i_a和△i_b的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Di_bc表示△i_b和△i_c的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Di_ca分别表示△i_c和△i_a的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Mi_a为△i_a在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；Mi_b为△i_b在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；Mi_c表示△i_c在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；

(42)当Di_ab、Di_bc、Di_ca中两个为负值，一个为正值，且数值为正的方向积分值中不含的电流相其积分绝对值为三者中最大，则判定本线路是接地线路，积分绝对值最大的相为接地相。

8.一种单相接地故障检测装置，其特征在于，包括：

采集单元：用于实时采集线路三相电流；

数据处理单元：对所述三相电流进行数据处理：根据所述三相电流计算自产零序电流以及相电流的基波频率和基波周期；滤除三相电流中的负荷电流；

启动单元：当检测到自产零序电流发生突变时，提取经滤除负荷电流后的三相电流的突变分量；

判定单元：各相电流的突变分量进行比较，当某相电流突变分量与其他两相电流突变分量方向相反，且其幅值比其他两相大时，则判定本线路为接地故障线路且该相为接地相，否则判定本线路为非故障线路。

9.如权利要求8所述的单相接地故障检测装置，其特征在于：所述采集单元中采样频率在4kHz～10kHz之间。

10.如权利要求8所述的单相接地故障检测装置，其特征在于：

所述启动单元中，在检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时，提取前后半个基波周期内的滤除负荷电流后的三相电流突变量；

所述判定单元中，对各相电流的突变分量进行比较的方法具体包括：

(41)按公式(1)和公式(2)求出Di_ab、Di_bc、Di_ca、Mi_a、Mi_b、Mi_c；

公式中△i_a、△i_b、△i_c分别为经小波包变换后滤除负荷电流的三相电流所对应的电流突变量；T为电流基波周期，-T/2为检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时的前半个周期时间，T/2为检测到自产零序电流突变值大于启动门槛时的后半个周期；Di_ab表示△i_a和△i_b的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Di_bc表示△i_b和△i_c的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Di_ca分别表示△i_c和△i_a的向量乘积在[-T/2,T/2]时间内的方向积分值；Mi_a为△i_a在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；Mi_b为△i_b在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；Mi_c表示△i_c在[-T/2,T/2]时间内的积分绝对值；

(42)当Di_ab、Di_bc、Di_ca中两个为负值，一个为正值，且数值为正的方向积分值中不含的电流相其积分绝对值为三者中最大，则判定本线路是接地线路，积分绝对值最大的相为接地相。

Images