CN113567810B - 一种配电网电弧接地故障区段定位方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网电弧接地故障区段定位方法、装置及系统，首先，利用零序电流突变量确定故障时刻，分别计算故障起始时刻后第2、3、4、5个工频周期零序电流信号与其基频正弦波的四个加权欧式距离，取其中的最大值记为故障信号的加权欧式距离；在某个时刻故障信号的加权欧式距离大于设定阈值时，判定为发生了电弧故障；然后，取全部区段在电弧故障起始时刻后一个工频周期的零序电流，利用S变换对该周期零序电流进行能量谱分析，确定各区段主谐振频率，继而确定特征频段；最后，比较各区段特征频段能量值，判定能量最大区段为故障区段。本发明解决了电弧接地故障区段定位问题，有效性不受配电网接地方式、故障初相角及故障位置的影响。

Description

一种配电网电弧接地故障区段定位方法、装置及系统

技术领域

本发明属于电网故障定位技术领域，具体涉及一种配电网电弧接地故障区段定位方法、装置及系统。

背景技术

据统计，我国80％以上的停电事故是由配电网故障造成的，配电网故障主要表现为单相接地故障，单相接地故障中又以电弧接地故障最为常见。随着城市配电网规模日益复杂，电缆线路得到广泛的应用，由于电缆线路较架空线分布电容大得多，使得系统对地电容电流逐渐增加。另外，电缆在结构上存在多层绝缘、屏蔽层及铠装层的保护，除外力破坏造成电缆硬性受损外，电缆线路故障通常表现为电弧故障，此时受电容电流的影响，电弧往往难以可靠熄灭。

实际配网运行环境较差，维护困难，各类故障的发生不可避免，尤其电弧接地故障发生时，弧光的过高温度会导致绝缘破损，电弧过电压又进一步加剧绝缘的击穿，若不及时处理，单相接地故障极易衍变为两相短路甚至更严重的事故，严重威胁配电网供电的安全性和可靠性。因此快速有效地进行电弧故障区段定位显得尤为重要。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种配电网电弧接地故障区段定位方法、装置及系统，放大了故障区段与非故障区段的差异，有效性不受配电网接地方式、故障初相角及故障位置的影响，仿真结果表明所得区段定位结果具有较高的准确度。

为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种配电网电弧接地故障区段定位方法，包括：

零序电流采集装置获取各线路的零序电流，利用零序电流突变量确定故障时刻，计算故障起始时刻后第2、3、4、5个工频周期零序电流信号与其基频正弦波的四个加权欧式距离，取其中的最大值记为故障信号的加权欧式距离；

在某个时刻故障信号的加权欧式距离大于设定阈值时，判定发生了电弧故障；

取电弧故障起始时刻后一个工频周期的零序电流，利用S变换对该周期零序电流进行能量谱分析，确定各区段主谐振频率，继而确定各区段的特征频段；

比较各区段特征频段能量值，判定能量最大区段为故障区段。

进一步的，

(一)对零序电流信号做差分运算，差分绝对值大于所设定阈值则判定发生故障；

电流差分ΔI(k)的计算公式为：

ΔI(k)＝I(k+1)-I(k)(k＝0,1,...,n)

式中，I(k)为各区段首端测得电流信号，k为采样点数；

故障发生的判据为：

|ΔI(k)|＞I_s

式中，|ΔI(k)|为计算的电流差分绝对值，I_s为设定的阈值；

阈值I_s的获取方法：

基于仿真系统，仿真发生故障和系统扰动的情况，获得每种情况下零序电流的最大差分绝对值，取最大差分绝对值中的最小值记为I_s。

(二)加权欧氏距离d_WE的计算公式为：

其中，N为欧几里得空间维数，X＝(x₁,x₂,...,x_n)、Y＝(y₁,y₂,...,y_n)为欧几里得空间的两个序列，ω_i为权值，ω为归一化因子，σ为调节因子，取值为1；

故障信号的加权欧式距离为：

d_WE＝max{d_WE2,d_WE3,d_WE4,d_WE5}

其中，d_WE2，d_WE3，d_WE4，d_WE5为第2、3、4、5周期零序电流信号与其基频正弦波的四个加权欧式距离。

(三)阈值d_set1和d_set2取值是依据不同故障接地方式、不同故障初相角、不同故障位置情况下多次实验总结得出，其中，d_set1取值为1，d_set2取值为2；当d_WE<d_set1时，判定为经过渡电阻接地故障；当d_set1<d_WE<d_set2时，判定为稳定性电弧接地故障；当d_WE>d_set2时，判定为间歇性电弧接地故障。

(四)信号经S变换后，某一频率分量下的能量E_i计算公式为：

其中，S_i为矩阵，n为S_i矩阵的第n行，N为采样点数，k＝0,2,…,N-1，T是采样时间间隔。

(五)不计200Hz以下的低频分量，遍历S变换后得到的不同频率分量的能量，能量最大的点为各区段的主谐振频率点f_r；根据主谐振频率f_r前后100Hz频段能量最大，故将(f_r-100,f_r+100)确定为特征频段。

(六)比较各区段特征频段能量值，判定能量最大区段为故障区段。

(七)还包括在执行完成后的报警动作，包括发出报警信号以及将电弧故障区段信息上报。

一种配电网电弧接地故障区段定位装置，包括：

数据获取模块，电弧识别模块，故障区段定位模块，报警模块；

数据获取模块，用于获取各区段线路首端的零序电流数据；

电弧识别模块，用于运行(一)至(三)任一所述的一种配电网电弧接地故障区段定位方法，在识别出电弧故障后指示报警模块执行报警动作；

故障区段定位模块，用于运行(四)至(六)任一所述的一种配电网电弧接地故障区段定位方法，将故障区段信息上传给报警模块；

报警模块，在接收到所述电弧识别模块和所述故障区段定位模块发送的信息后执行报警动作。

一种配电网电弧接地故障区段定位系统，包括：零序电流采集装置、信息汇集装置、通信网络、故障定位主站；

所述零序电流采集装置安装在各区段线路首端，用于采集各区段首端零序电流；

所述信息汇集装置将其覆盖区域内的零序电流采集装置记录的数据进行汇集处理；

所述通信网络将所述零序电流采集装置、所述信息汇集装置与所述故障定位主站通信连接；

所述的定位主站集成上述配电网电弧接地故障定位装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

配电网发生电弧接地故障后，故障区段和非故障区段的零序电流能量在低频分段无规律性差异，在次谐振频率分段能量值很小且差异不明显，主谐振频率附近频段所含能量丰富且差异明显，适合作为故障区段定位的判据。通过特征频段能量谱法可以准确实现故障区段的准确定位，有效性不受配电网接地方式、故障初相角及故障位置的影响。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为搭建的10kV配电网仿真模型；

图2为一种配电网电弧接地故障区段定位的流程图。

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施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

实施例1

本发明实施例中提供了一种配电网电弧接地故障区段定位方法，包括以下步骤：

(1)零序电流采集装置获取各线路的零序电流；

(2)对零序电流信号做差分运算，差分绝对值大于所设定阈值则判定发生故障；

(3)计算故障后第2、3、4、5周期零序电流信号与其基频正弦波的四个加权欧式距离，取其中的最大值记为故障信号的加权欧式距离；

(4)在某个时刻故障信号的加权欧式距离大于设定阈值时，判定发生了电弧故障；

(5)取电弧故障起始时刻后一个工频周期的零序电流，利用S变换对该周期零序电流进行能量谱分析，确定各区段主谐振频率，继而确定各区段的特征频段；

(6)比较各区段特征频段能量值，判定能量最大区段为故障区段。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，电流差分ΔI(k)的计算公式为：

ΔI(k)＝I(k+1)-I(k)(k＝0,1,...,n)

其中，I(k)为各区段首端测得电流信号，k为采样点数。

故障发生的判据为：

|ΔI(k)|＞I_s

其中，|ΔI(k)|为计算的电流差分绝对值，I_s为设定的阈值。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，阈值I_s的获取方法：基于仿真系统，仿真发生故障和系统扰动的情况，获得每种情况下零序电流的最大差分绝对值，取最大差分绝对值中的最小值记为I_s。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，加权欧氏距离d_WE的计算公式为：

其中，N为欧几里得空间维数，X＝(x₁,x₂,...,x_n)、Y＝(y₁,y₂,...,y_n)为欧几里得空间的两个序列，ω_i为权值，ω为归一化因子，σ为调节因子，取值为1。

故障信号的加权欧式距离为：

d_WE＝max{d_WE2,d_WE3,d_WE4,d_WE5}

其中，d_WE2，d_WE3，d_WE4，d_WE5为第2、3、4、5周期零序电流信号与其基频正弦波的四个加权欧式距离。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，阈值d_set1和d_set2取值是依据不同故障接地方式、不同故障初相角、不同故障位置情况下多次实验总结得出，其中，d_set1取值为1，d_set2取值为2。当d_WE<d_set1时，判定为经过渡电阻接地故障；当d_set1<d_WE<d_set2时，判定为稳定性电弧接地故障；当d_WE>d_set2时，判定为间歇性电弧接地故障。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，信号经S变换后，某一频率分量下的能量E_i计算公式为：

其中，S_i为矩阵，n为S_i矩阵的第n行，N为采样点数，k＝0,2,…,N-1，T是采样时间间隔。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，不计低频分量(200Hz以下)，遍历S变换后得到的不同频率分量的能量，能量最大的点为区段的主谐振频率点f_r。主谐振频率f_r前后100Hz频段能量最大，故将(f_r-100,f_r+100)确定特征频段，

在本发明实施例的一种具体实施方式中，比较各区段特征频段能量值，判定能量最大区段为故障区段。

实施例2

基于与实施例1相同的发明构思，本发明实施例中提供了一种配电网电弧接地故障区段定位装置，包括：

数据获取模块，电弧识别模块，故障区段定位模块，报警模块；

数据获取模块，用于获取各区段线路首端的零序电流数据；

电弧识别模块，用于在识别出电弧故障后指示报警模块执行报警动作；

故障区段定位模块，用于将故障区段信息上传给报警模块；

报警模块，在接收到所述电弧识别模块和所述故障区段定位模块发送的信息后执行报警动作。

其余部分均与实施例1相同。

实施例3

基于与实施例1相同的发明构思，本发明实施例中提供了一种配电网电弧接地故障区段定位系统，包括：零序电流采集装置、信息汇集装置、通信网络、故障定位主站；

所述零序电流采集装置安装在各区段线路首端，用于采集各区段首端零序电流；

所述信息汇集装置将其覆盖区域内的零序电流采集装置记录的数据进行汇集处理；

所述通信网络将所述零序电流采集装置、所述信息汇集装置与所述故障定位主站通信连接；

所述的定位主站集成有实施例2中配电网电弧接地故障区段定位装置。

一种典型配电网仿真模型图如图1所示，一种配电网电弧接地故障区段定位流程图如图2所示，本发明的一种配电网电弧接地故障区段定位方法、装置及系统，包括如下步骤：

(1)零序电流采集装置获取各线路的零序电流；

(2)对零序电流信号做差分运算，差分绝对值大于所设定阈值则判定发生故障；

(3)计算故障后第2、3、4、5周期零序电流信号与其基频正弦波的四个加权欧式距离，取其中的最大值记为故障信号的加权欧式距离；

(4)在某个时刻故障信号的加权欧式距离大于设定阈值时，判定发生了电弧故障；

(5)取电弧故障起始时刻后一个工频周期的零序电流，利用S变换对该周期零序电流进行能量谱分析，确定各区段主谐振频率，继而确定各区段的特征频段；

(6)比较各区段特征频段能量值，判定能量最大区段为故障区段。

仿真验证

为了验证本发明的可靠性和有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建如图1所示的典型配电网仿真模型，三芯电缆模型按照YJV22-8.7/10-3×70mm²型进行参数设置，采样频率为10kHz，故障设置在L5、L7、L10区段，故障点距离首端分别为0.5km、1km、1.5km等不同故障距离，故障初相角分别为60°、90°等不同角度情况下设置A相接地故障，以谐振接地系统和中性点不接地系统两组算例进行分析。

表1谐振接地系统不同故障条件下的故障区段判定结果

表2不接地系统中不同故障条件下的故障区段判定结果

由表1和表2可以看出在不同接地方式、不同故障初相角和不同故障位置下，本发明所提的一种配电网电弧接地故障区段定位方法均能准确的辨识出故障区段，具有较高的准确性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种配电网电弧接地故障区段定位方法，其特征在于，包括：

零序电流采集装置获取各线路的零序电流，利用零序电流突变量确定故障时刻，计算故障起始时刻后第2、3、4、5个工频周期零序电流信号与其基频正弦波的四个加权欧式距离，取其中的最大值记为故障信号的加权欧式距离；

在某个时刻故障信号的加权欧式距离大于设定阈值时，判定发生了电弧故障；

取电弧故障起始时刻后一个工频周期的零序电流，利用S变换对该周期零序电流进行能量谱分析，确定各区段主谐振频率，继而确定各区段的特征频段；

比较各区段特征频段能量值，判定能量最大区段为故障区段。

2.根据权利要求1所述的一种配电网电弧接地故障区段定位方法，其特征在于：对零序电流信号做差分运算，差分绝对值大于所设定阈值则判定发生故障；

电流差分ΔI(k)的计算公式为：

ΔI(k)＝I(k+1)-I(k)(k＝0,1,...,n)

式中，I(k)为各区段首端测得电流信号，k为采样点数；

故障发生的判据为：

|ΔI(k)|＞I_s

式中，|ΔI(k)|为计算的电流差分绝对值，I_s为设定的阈值；

阈值I_s的获取方法：

基于仿真系统，仿真发生故障和系统扰动的情况，获得每种情况下零序电流的最大差分绝对值，取最大差分绝对值中的最小值记为I_s。

3.根据权利要求1所述的一种配电网电弧接地故障区段定位方法，其特征在于：加权欧氏距离d_WE的计算公式为：

其中，N为欧几里得空间维数，X＝(x₁,x₂,...,x_n)、Y＝(y₁,y₂,...,y_n)为欧几里得空间的两个序列，ω_i为权值，ω为归一化因子，σ为调节因子，取值为1；

故障信号的加权欧式距离为：

d_WE＝max{d_WE2,d_WE3,d_WE4,d_WE5}

其中，d_WE2，d_WE3，d_WE4，d_WE5为第2、3、4、5周期零序电流信号与其基频正弦波的四个加权欧式距离。

4.根据权利要求1所述的一种配电网电弧接地故障区段定位方法，其特征在于：阈值d_set1和d_set2取值是依据不同故障接地方式、不同故障初相角、不同故障位置情况下多次实验总结得出，其中，d_set1取值为1，d_set2取值为2；当d_WE<d_set1时，判定为经过渡电阻接地故障；当d_set1<d_WE<d_set2时，判定为稳定性电弧接地故障；当d_WE>d_set2时，判定为间歇性电弧接地故障。

5.根据权利要求1所述的一种配电网电弧接地故障区段定位方法，其特征在于：信号经S变换后，某一频率分量下的能量E_i计算公式为：

其中，S_i为矩阵，n为S_i矩阵的第n行，N为采样点数，k＝0,2,…,N-1，T是采样时间间隔。

6.根据权利要求1所述的一种配电网电弧接地故障区段定位方法，其特征在于：不计200Hz以下的低频分量，遍历S变换后得到的不同频率分量的能量，能量最大的点为各区段的主谐振频率点f_r；根据主谐振频率f_r前后100Hz频段能量最大，故将(f_r-100,f_r+100)确定为特征频段。

7.根据权利要求1所述的一种配电网电弧接地故障区段定位方法，其特征在于：比较各区段特征频段能量值，判定能量最大区段为故障区段。

8.根据权利要求1至7任一所述的配电网电弧接地故障区段定位方法，其特征在于：还包括在执行完成后的报警动作，包括发出报警信号以及将电弧故障区段信息上报。

9.一种配电网电弧接地故障区段定位装置，其特征在于，包括：

数据获取模块，电弧识别模块，故障区段定位模块，报警模块；

数据获取模块，用于获取各区段线路首端的零序电流数据；

电弧识别模块，用于运行权利要求2至4任一所述的一种配电网电弧接地故障区段定位方法，在识别出电弧故障后指示报警模块执行报警动作；

故障区段定位模块，用于运行权利要求5至7任一所述的一种配电网电弧接地故障区段定位方法，将故障区段信息上传给报警模块；

报警模块，在接收到所述电弧识别模块和所述故障区段定位模块发送的信息后执行报警动作。

10.一种配电网电弧接地故障区段定位系统，其特征在于，包括：零序电流采集装置、信息汇集装置、通信网络、故障定位主站；

所述零序电流采集装置安装在各区段线路首端，用于采集各区段首端零序电流；

所述信息汇集装置将其覆盖区域内的零序电流采集装置记录的数据进行汇集处理；

所述通信网络将所述零序电流采集装置、所述信息汇集装置与所述故障定位主站通信连接；

所述的定位主站集成有权利要求9所述的配电网电弧接地故障定位装置。

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