CN113917276B - 中压侧小电流系统单相接地短路故障定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中压侧小电流系统单相接地短路故障定位方法及系统。本发明采用的技术方案为：通过配变终端量测数据，汇总全部测量数据得到全部低压台区配变终端某时段内零序电流数据，提取零序电流时间序列；计算全部低压台区配变终端某时段内零序电流时间序列的相关系数，确定故障线路位置；当中性点不接地系统发生单相接地短路时，通过对平均电压的分析，确定故障线路相位。本发明通过低压配网智能配变终端监测信号，通过数据挖掘技术对中压侧的故障信号进行提取并计算处理，通过多点监测信号对比，建立针对中压配网小电流接地系统故障选线方法判据体系。本发明定位故障点位置所需的成本低、准确性高、可操作性好。

Description

中压侧小电流系统单相接地短路故障定位方法及系统

技术领域

本发明属于用电信息采集数据分析、挖掘领域，涉及一种基于低压侧多点监测协同的中压侧小电流系统单相接地短路故障定位方法及系统。

背景技术

我国110kV及以上电网均采用中性点直接接地方式运行，而在3～10kV配电网中多采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，在这样的系统中，当系统发生单相接地故障时，由于系统中性点不接地不能构成短路回路，接地故障电流往往比负荷电流小得多，故称为小电流接地系统或小电流接地方式。单相接地短路故障是小电流接地系统中多发的故障类型。当小电流系统发生单相接地故障时，由于短时间内故障电流小，对电力设备、通信以及人身危害比较小，并且三相线电压基本保持不变，不影响对负荷的供电，因此允许在发生接地故障时运行一段时间(小于2小时)，避免由于供电突然中断而对用户产生不利影响。

但由于故障时不接地相对地电压显著增大，当突发接地时的接地电流超过某一个上限值时，非常容易产生间歇性电弧，从而会产生弧光过电压危及电网的绝缘及用电设备的安全使用。小电流接地故障尽管不影响电网的正常运行，但是由此引起的过电压会危害电网绝缘，可能导致短路故障，使事故升级扩大，因此需要在短时间内正确地选择出故障线路，以便运行人员及时采取有效措施妥善处理。在小电流接地系统广泛应用的现状下，对小电流接地系统的故障检测及故障线路的判别凸显重要。

小电流接地系统故障的快速检测和准确判断对提高电力系统运行的可靠性，有效地维护电网设备安全都有着重要的意义。但小电流接地系统单相接地短路故障特征不明显，因此接地故障检测仍是一项公认的世界难题。长期以来，诸多学者做了大量的研究工作，提出了很多关于小电流接地故障检测和判断故障线路的方法，研发很多相关装置，但是实际应用中表现并不理想。由于缺少可靠的选线手段，电力部门甚至被迫采用人工拉闸的方式寻找故障线路，这可能会造成非故障线路的供电中断，使一些敏感的用电设备工作异常。因此电力部门迫切希望能够找到提高小电流接地故障检测和识别的准确性方法，开发可靠性高、适用性好的检测装置，改善小电流接地系统运行的可靠性和安全性。

当前，国家电网配电物联网的快速建设特别是智能配变终端的大面积部署，将有效改善供电公司对低压配变台区的信息挖掘与电网资产管理能力，同时对于上级中压侧配电网的故障信号也提供了遍布系统的低压侧监测能力，为解决中压电网小电流接地故障选线难题带来新的契机。

因此，急需梳理比对中压侧故障时在低压侧所能检测到的故障信号特征，建立精准的选线判据方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于低压侧多点监测协同的中压侧小电流系统单相接地短路故障定位方法及系统，其通过低压配网智能配变终端监测信号，通过数据挖掘技术对中压侧的故障信号进行提取并计算处理，通过多点监测信号对比，建立针对中压配网小电流接地系统故障选线方法判据体系，以解决目前中压配网小电流接地故障定位问题。

为此，本发明采用如下的技术方案：中压侧小电流系统单相接地短路故障定位方法，其包括步骤：

1)通过配变终端量测数据，汇总全部测量数据得到全部低压台区配变终端某时段内零序电流数据，提取零序电流时间序列，即取t时刻后2周波的短时台区低压侧零序电流数据作为原始数据；

2)将提取的零序电流时间序列去均值后计算数据绝对值的平均值，将平均值最大的台区所在线路记为故障线路；

3)考虑受配变容量以及低压负荷影响，各个配变下的电流值大小互不相同，为消除量纲的影响，引入零序电流与正序电流的比值判断故障线路位置，计算t时刻后2周波的故障线路下n个台区的零序电流与正序电流数据比值P_i，i＝1,…,n；

4)同一线路上故障点同侧的台区故障特征量值应相同，而不同侧不同，对P_i进行聚类计算，目标分为P_i1和P_i2两类，并使类间方差最大，类内方差最小；

5)对聚类后的P_i1和P_i2两类数据进行相关系数的计算，若P_i1和P_i2的相关系数计算结果大于0，则认为故障选线合理，进入下一步骤；若小于零，回到步骤1)重新开始计算；

6)将连接P_i1和P_i2的线路记为故障段。

由于所有正常线路的零序电流同相位，超前零序电压90度，故障线路上的零序电流等于所有正常线路上的零序电流之和，滞后零序电压90度；故障线路零序电流与非故障线路零序电流应呈现反向趋势，通过聚类方法比较能够确故障线路位置。

对于中性点不接地系统发生单相接地短路故障后，其非故障线路流过的零序电流为本身对地电容电流，故障线路流过的零序电流数值等于全系统非故障线路的对地电容之和，通过故障线路零序电流的幅值大于非故障线路的特点进行选线。

本发明采用的另一种技术方案为：中压侧小电流系统单相接地短路故障定位系统，其特包括：

零序电流时间序列提取单元：通过配变终端量测数据，汇总全部测量数据得到全部低压台区配变终端某时段内零序电流数据，提取零序电流时间序列，即取t时刻后2周波的短时台区低压侧零序电流数据作为原始数据；

故障线路位置确定单元：将提取的零序电流时间序列去均值后计算数据绝对值的平均值，将平均值最大的台区所在线路记为故障线路；考虑受配变容量以及低压负荷影响，各个配变下的电流值大小互不相同，为消除量纲的影响，引入零序电流与正序电流的比值判断故障线路位置，计算t时刻后2周波的故障线路下n个台区的零序电流与正序电流数据比值P_i，i＝1,…,n；同一线路上故障点同侧的台区故障特征量值应相同，而不同侧不同，对P_i进行聚类计算，目标分为P_i1和P_i2两类，并使类间方差最大，类内方差最小；

故障区段位置确定单元：对聚类后的P_i1和P_i2两类数据进行相关系数的计算，若P_i1和P_i2的相关系数计算结果大于0，则认为故障选线合理，将连接P_i1和P_i2的线路记为故障段。

本发明具有的有益效果如下：本发明通过提取全部低压台区配变终端某时段内零序电流时间序列，去均值后计算数据绝对值的平均值，将平均值最大的台区所在线路记为故障线路；故障线路零序电流与非故障线路零序电流应呈现反向趋势，通过对故障线路的零序电流与正序电流时间序列数据比值的聚类计算，从而确定故障线路位置；考虑中性点不接地系统发生单相接地短路时，同一线路上故障点同侧的台区故障特征量值应相同，而不同侧不同，通过对故障点两侧零序电流与正序电流时间序列比值的相关系数计算，确定故障线路区段，进而定位故障点位置。本发明定位故障点位置所需的成本低、准确性高、可操作性好。

附图说明

图1是本发明实施例1中的配变终端架构图；

图2是本发明实施例1中的中性点不接地系统单相接地故障图；

图3是本发明实施例1中的中性点不接地系统单相接地故障相量图；

图4是本发明应用例中仿真系统拓扑结构图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

实施例1

国内低压配电网系统因考虑经济性或便于扩建与改造，多采用典型的三相四线制辐射型拓扑结构，配变一端连接中压网，另一端连接用户负荷。智能配变终端安装在配变低压侧出口处，如图1为配变终端结构示意图。配变终端集成数据采集、传输、计算于一体，采集的电气量包括配变低压出口处的三相电压、三相电流、零序电压、零序电流以及各个用户的智能电表数据。

在中性点不接地系统中，发生单相接地故障后，故障相电压降低，其他两相电压升高，系统出现零序电压。图2为中性点不接地系统，当线路K点发生A相接地，此时中性点电压等于A相电压，即U_N＝-E_A，各相对地电压为：

U_AK＝0

K处零序电压为：

非故障相电容电流为：

故障相电容电流为：

I_K＝I_B+I_C＝(U_BK+U_CK)jωc₀＝-3jωc₀E_A

参考故障后零序电压和零序电流的相量图如图3所示，非故障线路的零序电流数值为本条线路对地电容电流，方向从由母线流向线路；在故障线路上，零序电流为所有非故障元件零序电流的和，幅值最大，方向是由线路流向母线，系统零序回路呈纯容性，所有正常线路的零序电流同相位，超前零序电压90度，故障线路上的零序电流等于所有正常线路上的零序电流之和，滞后零序电压90度。对于中性点不接地系统发生单相接地短路故障后其非故障线路流过的零序电流为本身对地电容电流，故障线路流过的零序电流数值等于全系统非故障线路的对地电容之和，通过故障线路零序电流的幅值大于非故障线路的特点进行选线。

为此，本发明采用的技术方案为：

1)通过配变终端量测数据，汇总全部测量数据得到全部低压台区配变终端某时段内零序电流数据，提取零序电流时间序列，即取t时刻后2周波的短时台区低压侧零序电流数据作为原始数据。

2)将提取的零序电流时间序列去均值后计算数据绝对值的平均值，将平均值最大的台区所在线路记为故障线路。

3)考虑受配变容量以及低压负荷影响，各个配变下的电流值大小互不相同，为消除量纲的影响，引入零序电流与正序电流的比值判断故障线路位置，计算t时刻后2周波的故障线路下n个台区的零序电流与正序电流数据比值P_i(i＝1,…,n)。

4)同一线路上故障点同侧的台区故障特征量值应相同，而不同侧不同。对P_i进行聚类计算，目标分为P_i1和P_i2两类，并使类间方差最大，类内方差最小。

5)对聚类后的P_i1和P_i2两类数据进行相关系数的计算，若P_i1和P_i2的相关系数计算结果大于0，则认为故障选线合理，进入下一步骤；若小于零，回到步骤1)重新开始计算。

6)将连接P_i1和P_i2的线路记为故障段。

实施例2

本实施例提供一种中压侧小电流系统单相接地短路故障定位系统，其包括零序电流时间序列提取单元、故障线路位置确定单元和故障区段位置确定单元。

零序电流时间序列提取单元：通过配变终端量测数据，汇总全部测量数据得到全部低压台区配变终端某时段内零序电流数据，提取零序电流时间序列，即取t时刻后2周波的短时台区低压侧零序电流数据作为原始数据。

故障线路位置确定单元：将提取后的零序电流时间序列去均值后计算数据绝对值的平均值，将平均值最大的台区所在线路记为故障线路；考虑受配变容量以及低压负荷影响，各个配变下的电流值大小互不相同，为消除量纲的影响，引入零序电流与正序电流的比值判断故障线路位置，计算t时刻后2周波的故障线路下n个台区的零序电流与正序电流数据比值P_i(i＝1,…,n)；同一线路上故障点同侧的台区故障特征量值应相同，而不同侧不同，对P_i进行聚类计算，目标分为P_i1和P_i2两类，并使类间方差最大，类内方差最小。

故障区段位置确定单元：对聚类后的P_i1和P_i2两类数据进行相关系数的计算，若P_i1和P_i2的相关系数计算结果大于0，则认为故障选线合理，将连接P_i1和P_i2的线路记为故障段。

应用例

将本发明应用于图4所示的配电系统中，具体内容如下：

(1)图4所示配电系统包括4条10kV线路L1-L4，每条线路连接3个低压台区，假设12台配变终端安装在配变低压出口位置负责数据采集。L2线路A相发生金属性单相接地短路故障，量测得到各个低压零序电流数据x_i(i＝1…12)。

(2)计算全部零序电流数据的去均值后的绝对值的平均值，即共计12个计算结果，将平均值最大的台区所在线路记为故障线路。计算故障线路上全部台区的零序电流与正序电流的比值，聚类后可以得到故障区段线路位置。

(3)计算故障区段两侧台区的零序电流与正序电流时间序列比值的相关系数，由于故障区段两侧的故障特征呈现变化相反的趋势，通过对相关系数的比较从而能够确定该故障发生的线路位置。

通过上述优选实施例已经对本发明的技术方案做了进一步的详细介绍，但应该强调的是，以上所述具体实施方式不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，在不脱离本发明的技术方案的思想前提下，对于本发明做出的多种修改、替换、润饰都将是显而易见的，都应视为本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (2)

1.中压侧小电流系统单相接地短路故障定位方法，其特征在于，包括步骤：

1)通过配变终端量测数据，汇总全部测量数据得到全部低压台区配变终端某时段内零序电流数据，提取零序电流时间序列，即取t时刻后2周波的短时台区低压侧零序电流数据作为原始数据；

2)将提取的零序电流时间序列去均值后计算数据绝对值的平均值，将平均值最大的台区所在线路记为故障线路；

3)考虑受配变容量以及低压负荷影响，各个配变下的电流值大小互不相同，为消除量纲的影响，引入零序电流与正序电流的比值判断故障线路位置，计算t时刻后2周波的故障线路下n个台区的零序电流与正序电流数据比值P_i，i＝1,…,n；

4)同一线路上故障点同侧的台区故障特征量值应相同，而不同侧不同，对P_i进行聚类计算，目标分为P_i1和P_i2两类，并使类间方差最大，类内方差最小；

5)对聚类后的P_i1和P_i2两类数据进行相关系数的计算，若P_i1和P_i2的相关系数计算结果大于0，则认为故障选线合理，进入下一步骤；若小于零，回到步骤1)重新开始计算；

6)将连接P_i1和P_i2的线路记为故障段。

2.中压侧小电流系统单相接地短路故障定位系统，其特征在于，包括：

零序电流时间序列提取单元：通过配变终端量测数据，汇总全部测量数据得到全部低压台区配变终端某时段内零序电流数据，提取零序电流时间序列，即取t时刻后2周波的短时台区低压侧零序电流数据作为原始数据；

故障线路位置确定单元：将提取的零序电流时间序列去均值后计算数据绝对值的平均值，将平均值最大的台区所在线路记为故障线路；考虑受配变容量以及低压负荷影响，各个配变下的电流值大小互不相同，为消除量纲的影响，引入零序电流与正序电流的比值判断故障线路位置，计算t时刻后2周波的故障线路下n个台区的零序电流与正序电流数据比值P_i，i＝1,…,n；同一线路上故障点同侧的台区故障特征量值应相同，而不同侧不同，对P_i进行聚类计算，目标分为P_i1和P_i2两类，并使类间方差最大，类内方差最小；

故障区段位置确定单元：对聚类后的P_i1和P_i2两类数据进行相关系数的计算，若P_i1和P_i2的相关系数计算结果大于0，则认为故障选线合理，将连接P_i1和P_i2的线路记为故障段。