CN113933647A - 一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法，属于配电网领域，包括：步骤S1，判断零序电压异动时，获取异动点前后的预设数量周波的第一零序电压、零序电流采样数据；步骤S2，判断零序电流异动时，将各配网线路上最早发生零序电流异动的节点作为故障发生点；步骤S3，获取故障发生点的首半波的第二零序电压、零序电流采样数据；步骤S4，分解并提取低频带分量特征；步骤S5，得到各首半波采样点的零序功率的极性方向；步骤S6，若极性方向为负极性所占比重大于第一预设值，则配网线路发生接地故障。本发明的有益效果在于：提高选线准确率，且抗干扰能力强，适用范围广。

Description

一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法
技术领域
本发明涉及配电网领域，尤其涉及一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法。
背景技术
小电流接地系统是指中性点不接地或中性点经过消弧线圈和高阻抗接地的三相系统，又称中性点间接接地系统。在我国，配网系统一般都采用小电流接地方式。单相接地故障是目前电网中最常见的故障，当电力系统发生单相接地故障时，由于不能构成短路回路，故障电流幅值较小，外加消弧线圈的补偿作用，导致故障特征微弱，无法准确识别故障信息，判定故障位置。
现有技术中，通常采用比幅比相法、五次谐波法、小波法、首半波法、有功分量法、能量法、零序导纳法等多种选线方法进行单相故障选线。由于小电流接地系统故障情况复杂多变、故障特征微弱，导致选线失败，并且单一选线方法的适用范围具有局限性，选线正确率非常低，无法满足工程需要。
首半波法是目前使用最广泛的方法之一，其主要特性是发生故障的首半波，故障线路零序电流一定与其他零序电流极性相反，但是如何准确的判定故障发生点，获取需要的首半波也是目前大家面临的难点之一，因此针对以上问题，迫切需要设计出一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法，以满足实际使用的需要。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：
本发明提供一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法，应用于电力系统配电网，所述配电网中包括多条配网线路以及位于所述配网线路上的多个节点；
所述方法包括：
步骤S1，于判断所述节点的零序电压发生异动时，获取异动点前后的预设数量的周波的第一零序电压采样数据和第一零序电流采样数据；
步骤S2，根据所述异动点的第一零序电流采样数据判断出零序电流发生异动时，将各所述配网线路上最早发生零序电流异动的节点作为每一所述配网线路的故障发生点；
步骤S3，获取所有所述配网线路的各所述故障发生点的首半波的第二零序电压采样数据和第二零序电流采样数据；
步骤S4，通过小波包对所述首半波的第二零序电压采样数据和第二零序电流采样数据进行分解，并提取分解后的低频带分量特征；
步骤S5，根据所述低频带分量特征的零序电压差分值和零序电流差分值，得到每一所述配网线路的各首半波采样点的零序功率的极性方向；
步骤S6，根据所述零序功率的极性方向进行分析，若每一所述配网线路上极性方向为负极性所占比重大于一第一预设值，则判定对应的所述配网线路发生接地故障。
优选地，所述步骤S6中，还包括：
若每一所述配网线路上极性方向为正极性所占比重大于一第二预设值，则判定母线发生接地短路故障。
优选地，于所述步骤S1之前，还包括：
步骤S0，同步实时采集所有所述节点的所述零序电压和所述零序电流。
优选地，所述步骤S0中，采用电压传感器采集各所述节点的所述零序电压；
采用电流传感器采集各所述节点的所述零序电流。
优选地，所述步骤S1中，包括：
步骤S11，将零序电压差分有效值与对应的第一阈值进行比较；
步骤S12，于所述零序电压差分有效值大于所述第一阈值时，将对应的节点作为所述异动点；
若所述零序电压差分有效值不大于所述第一阈值，则返回所述步骤S0。
优选地，所述步骤S11中，对所述节点的零序电压进行傅里叶变换处理，并计算得到所述零序电压差分有效值。
优选地，所述步骤S2中，包括：
步骤S21，将零序电流差分瞬时值与对应的零序电流设定值进行比较；
步骤S22，于所述零序电流差分瞬时值大于所述零序电流设定值时，将对应的节点作为所述故障发生点；
若所述零序电流差分瞬时值不大于所述零序电流设定值，则返回所述步骤S0。
优选地，所述步骤S5中，采用下述公式计算得到各所述配网线路的所述零序功率的极性方向：
Figure BDA0003275415730000031
其中，
fn表示所述零序功率的极性方向；
n表示首半波采样点数；
Figure BDA0003275415730000032
表示所述低频带分量特征的所述零序电压的斜率；
I表示所述低频带分量特征的零序电流差分值。
优选地，所述低频带分量特征包括基波或3次谐波或5次谐波。
本发明的有益效果在于：
本发明首先根据零序电压异动获取故障发生点的大概位置，然后根据零序电流异动获取准确的故障发生点；结合首半波法和小波法获得低频带分量特征，根据线路功率的极性方向进行选线，得到故障线路，选线准确率高，且该方法抗干扰能力强，易于实现，适用范围广。
附图说明
参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明中，一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法的流程示意图；
图2为本发明中，步骤S1具体实施例的流程示意图；
图3为本发明中，步骤S2具体实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明提供一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法，属于配电网领域，应用于电力系统配电网，配电网中包括多条配网线路以及位于配网线路上的多个节点；
如图1所示，方法包括：
步骤S1，于判断节点的零序电压发生异动时，获取异动点前后的预设数量的周波的第一零序电压采样数据和第一零序电流采样数据；
步骤S2，根据异动点的第一零序电流采样数据判断出零序电流发生异动时，将各配网线路上最早发生零序电流异动的节点作为每一配网线路的故障发生点；
步骤S3，获取所有配网线路的各故障发生点的首半波的第二零序电压采样数据和第二零序电流采样数据；
步骤S4，通过小波包对首半波的第二零序电压采样数据和第二零序电流采样数据进行分解，并提取分解后的低频带分量特征；
步骤S5，根据低频带分量特征的零序电压差分值和零序电流差分值，得到每一配网线路的各首半波采样点的零序功率的极性方向；
步骤S6，根据零序功率的极性方向进行分析，若每一配网线路上极性方向为负极性所占比重大于一第一预设值，则判定对应的配网线路发生接地故障。
考虑到现有技术中采用首半波法原理进行选线时对于首半波提取困难以及故障特征微弱导致的选线失败的问题。由此，本发明提供一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法，结合首半波法和小波法获取需要的特征，将暂态的功率极性方向在时间跨度进行延生，最后经过稳态分析得到可靠的故障选线结果，其选线准确率高，抗干扰能力较强，且易于实现，。
具体地，由于小电流接地系统在发生单相接地故障时，首半波内故障线路的零序电流方向一定与非故障相的电流方向相反，即母线零序电压与故障线路的零序电流为感性无功，母线零序电压与非故障线路的零序电流为容性无功。据此，本发明首先根据零序电压异动获取故障发生点的大概位置，然后根据零序电流异动获取准确的故障发生点，获得故障发生后的首半波的采样数据；然后通过小波包分解，去除高频分量干扰，选取低频带分量特征；最后计算其功率极性方向，若某一配网线路的极性方向为负极性所占比重较多，则说明该配网线路发生接地故障；若配电网中配网线路的极性方向均为正极性所占比重较多，则说明母线发生接地短路故障。
作为优选的实施方式，如图1所示，步骤S6中，还包括：
若每一配网线路上极性方向为正极性所占比重大于一第二预设值，则判定母线发生接地短路故障。
具体地，考虑到故障特征微弱对选线准确率的影响，通过将零序功率的极性方向为负极性所占比重较多的配网线路选为故障线路；当配网线路的极性方向均为正极性所占比重较多时，将母线作为故障路线。采用功率极性方向放大故障特征的表现，并最大可能地减小干扰点对选线结果的影响。
于上述较佳的实施例中，还可以通过在一段时间内积累功率极性方向的数据，采用稳态的数据进行故障线路判断，基于此手段将暂态的功率极性方向在时间跨度进行延生，最后经过稳态分析得到可靠的故障选线结果，提高了小电流系统单相接地故障的选线准确率。
作为优选的实施方式，如图1所示，于步骤S1之前，还包括：
步骤S0，同步实时采集所有节点的零序电压和零序电流。
作为优选的实施方式，步骤S0中，采用电压传感器采集各节点的零序电压；
采用电流传感器采集各节点的零序电流。
具体的，采用高精度的电压传感器和电流传感器同步且实时采集所有配网线路上的所有节点的零序电压和零序电流，保证分析数据的准确性、实时性。
作为优选的实施方式，如图2所示，步骤S1中，包括：
步骤S11，将零序电压差分有效值与对应的第一阈值进行比较；
步骤S12，于零序电压差分有效值大于第一阈值时，将对应的节点作为异动点；
若零序电压差分有效值不大于第一阈值，则返回步骤S0。
作为优选的实施方式，步骤S11中，对节点的零序电压进行傅里叶变换处理，并计算得到零序电压差分有效值。
具体的，判断节点的零序电压是否发生异动的具体过程包括：采用稳态分析法，通过对零序电压进行傅里叶变换，实时计算零序电压差分有效值，将零序电压差分有效值与对应的第一阈值进行比较，并将零序电压差分有效值大于第一阈值时对应的节点作为异动点，即故障发生点的大概位置，获取得到故障发生点的大概位置前后的预设数量m的周波的第一零序电压采样数据和第一零序电流采样数据。
作为优选的实施方式，如图3所示，步骤S2中，包括：
步骤S21，将零序电流差分瞬时值与对应的零序电流设定值进行比较；
步骤S22，于零序电流差分瞬时值大于零序电流设定值时，将对应的节点作为故障发生点；
若零序电流差分瞬时值不大于零序电流设定值，则返回步骤S0。
具体的，判断出零序电流发生异动的具体过程包括：采用暂态分析法，将零序电流差分瞬时值与对应的零序电流设定值进行比较，寻找零序电流差分瞬时值的异动点，即零序电流差分瞬时值大于零序电流设定值时对应的节点，将各配网线路上最早发生零序电流异动的位置作为每一配网线路的故障发生点，获得故障发生点的准确位置，并提取准确的故障发生点的首半波采样数据，即第二零序电压采样数据和第二零序电流采样数据。
本发明通过采用稳态分析结合暂态分析，可适用于不同接地状态下的故障选线判断。
进一步的，步骤S1中的零序电压异动判断属于稳态分析，可用于在线分析；步骤S2中的零序电流异动判断属于暂态分析，可用于线下离线分析，对零序电流进行回放，可更加准确地获得故障发生点的准确位置。
作为优选的实施方式，步骤S5中，采用下述公式计算得到各配网线路的零序功率的极性方向：
Figure BDA0003275415730000081
其中，
fn表示零序功率的极性方向；
n表示首半波采样点数；
Figure BDA0003275415730000082
表示低频带分量特征的零序电压的斜率；
I表示低频带分量特征的零序电流差分值；
Sgn()表示阶跃函数。
具体的，根据低频带分量特征得到各首半波采样点的零序电压差分值和零序电流差分值，采用差分计算能够更好的提取出需要的特征量，然后对零序电压差分值求导得到该采样点的零序电压斜率，然后通过零序电压斜率与零序电流差分值的乘积获得该采样点的功率极性方向，采用极性功率方向放大故障特征的表现，减小干扰点对故障线路的选线结果的影响。
作为优选的实施方式，低频带分量特征包括基波或3次谐波或5次谐波。
具体的，为了避免高频暂态量对功率方向判断的影响，本发明通过小波包进行分解，去除高频分量干扰，获得零序电压、零序电流低频带分量特征，低频带大约为0～250Hz，可以是基波，也可以是3次谐波或5次谐波。
本发明的有益效果在于：首先根据零序电压异动获取故障发生点的大概位置，然后根据零序电流异动获取准确的故障发生点；结合首半波法和小波法获得低频带分量特征，根据线路功率的极性方向进行选线，得到故障线路，选线准确率高，且该方法抗干扰能力强，易于实现，适用范围广。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法，应用于电力系统配电网，其特征在于，所述配电网中包括多条配网线路以及位于所述配网线路上的多个节点；
所述方法包括：
步骤S1，于判断所述节点的零序电压发生异动时，获取异动点前后的预设数量的周波的第一零序电压采样数据和第一零序电流采样数据；
步骤S2，根据所述异动点的第一零序电流采样数据判断出零序电流发生异动时，将各所述配网线路上最早发生零序电流异动的节点作为每一所述配网线路的故障发生点；
步骤S3，获取所有所述配网线路的各所述故障发生点的首半波的第二零序电压采样数据和第二零序电流采样数据；
步骤S4，通过小波包对所述首半波的第二零序电压采样数据和第二零序电流采样数据进行分解，并提取分解后的低频带分量特征；
步骤S5，根据所述低频带分量特征的零序电压差分值和零序电流差分值，得到每一所述配网线路的各首半波采样点的零序功率的极性方向；
步骤S6，根据所述零序功率的极性方向进行分析，若每一所述配网线路上极性方向为负极性所占比重大于一第一预设值，则判定对应的所述配网线路发生接地故障。
2.根据权利要求1所述的一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法，其特征在于，所述步骤S6中，还包括：
若每一所述配网线路上极性方向为正极性所占比重大于一第二预设值，则判定母线发生接地短路故障。
3.根据权利要求1所述的一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法，其特征在于，于所述步骤S1之前，还包括：
步骤S0，同步实时采集所有所述节点的所述零序电压和所述零序电流。
4.根据权利要求3所述的一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法，其特征在于，所述步骤S0中，采用电压传感器采集各所述节点的所述零序电压；
采用电流传感器采集各所述节点的所述零序电流。
5.根据权利要求3所述的一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法，其特征在于，所述步骤S1中，包括：
步骤S11，将零序电压差分有效值与对应的第一阈值进行比较；
步骤S12，于所述零序电压差分有效值大于所述第一阈值时，将对应的节点作为所述异动点；
若所述零序电压差分有效值不大于所述第一阈值，则返回所述步骤S0。
6.根据权利要求5所述的一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法，其特征在于，所述步骤S11中，对所述节点的零序电压进行傅里叶变换处理，并计算得到所述零序电压差分有效值。
7.根据权利要求3所述的一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法，其特征在于，所述步骤S2中，包括：
步骤S21，将零序电流差分瞬时值与对应的零序电流设定值进行比较；
步骤S22，于所述零序电流差分瞬时值大于所述零序电流设定值时，将对应的节点作为所述故障发生点；
若所述零序电流差分瞬时值不大于所述零序电流设定值，则返回所述步骤S0。
8.根据权利要求1所述的一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法，其特征在于，所述步骤S5中，采用下述公式计算得到各所述配网线路的所述零序功率的极性方向：
Figure FDA0003275415720000021
其中，
fn表示所述零序功率的极性方向；
n表示首半波采样点数；
Figure FDA0003275415720000022
表示所述低频带分量特征的所述零序电压的斜率；
I表示所述低频带分量特征的零序电流差分值。
9.根据权利要求1所述的一种基于首半波功率方向的小电流接地系统故障选线方法，其特征在于，所述低频带分量特征包括基波或3次谐波或5次谐波。
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