CN114295935B - 基于低压量测的小电流系统中压单相接地故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低压量测的小电流系统中压单相接地故障定位方法，低压配电网系统的智能配变终端安装在配变低压侧出口处，馈线负序阻抗值远小于馈线下负荷的负序阻抗；小电流接地系统单相接地故障产生的负序电流，流至母线后大部分从母线处流向电源，流向非故障线路的负序电流极小；采用零序电压变化量作为启动判据，如果在中压侧检测到相邻两周波零序电压变化量大于整定电压，则取该时刻后若干周波的短时台区低压侧负序电流数据作为原始数据，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，进而根据故障线路下多个台区的负序与正序电流数据比值判断故障段。本发明方法成本低、准确性高、可操作性好。

Description

基于低压量测的小电流系统中压单相接地故障定位方法

技术领域

本发明属于用电信息采集数据分析、挖掘领域，具体涉及一种基于低压多点量测协同的小电流系统中压单相接地故障定位方法。

背景技术

我国3kV～10kV配电网中多采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，统称中性点非有效接地模式，当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，只能与大地构成回路，接地故障电流极小，故称为小电流接地系统，或小电流接地方式。单相接地故障占配电网故障的80％以上，如何准确地检测并隔离接地故障线路，成为供电公司的一个重要难题。

当小电流系统发生单相接地故障时，不接地相的对地电压增大，且接地瞬时或者连续闪接时的接地电流超过某一个阈值时，产生的间歇性电弧导致弧光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，甚至造成人员触电伤亡。配电网分布于人口密集与人们频繁活动的区域地区，据统计中国触电死亡事故超过85％的发生在中低压配电网中。因此，供电公司迫切需要快速、准确的故障定位方法，以便及时应对避免灾害发生。在配电网应用小电流接地方式运行的背景下，对小电流接地系统故障的快速精准定位尤为重要。

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、保障供电部门及电力用户财产安全，有效地维护电网设备安全都有着重要意义。但小电流接地系统单相接地故障的特征不明显，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，提出了很多小电流接地故障检测和故障线路确定(也称“故障选线”)方法，开发了很多相关装置，但是实际应用中的表现并不理想。由于缺少可靠的故障选线手段，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，使一些供电敏感的用电设备工作异常，给用户带来一定的经济损失和产生不良的社会影响。因此，电力部门迫切希望找到提高小电流接地故障检测和故障选线准确性的方法，开发可靠性高、适用性好的检测装置，从而改善小电流接地系统运行的可靠性和安全性。

近年来，智能电网配电物联网的快速建设，特别是智能配变终端的大规模部署，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显著提高。如此量级的低压实时数据，丰富了低压侧业务的同时，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，为解决小电流系统选线难题带来了新的思路。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提出了一种基于低压量测的小电流系统中压单相接地故障定位方法，在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的基础上，建立精准的小电流系统中压侧故障定位判据方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于低压量测的小电流系统中压单相接地故障定位方法，所针对的低压配电网系统的智能配变终端安装在配变低压侧出口处，低压配电网系统的馈线负序阻抗值通常远小于馈线下负荷的负序阻抗；小电流接地系统单相接地故障产生的负序电流，流至母线后大部分从母线处流向电源，流向非故障线路的负序电流极小；该方法步骤如下：

步骤1)采用零序电压变化量作为启动判据，判断中压测是否检测到相邻两周波零序电压变化量大于整定电压，如果不是，返回重新判断，如果是，此时记为时刻t，执行步骤2)；

步骤2)取t时刻后2周波的短时台区低压侧负序电流数据作为原始数据，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；

步骤3)计算t时刻后2周波的故障线路下n个台区的负序电流与正序电流数据比值P_i，i＝1,…,n；

步骤4)对所述的数据比值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；

步骤5)判断P_i1和P_i2所包含的各台区是否位于故障线路两侧，若是，执行步骤6)，否则，执行步骤7)；

步骤6)将连接P_i1和P_i2的线路记为故障段；

步骤7)计算t时刻后2周波的故障线路下n个台区的负序电压平均值，将该负序电压值平均值最大的台区侧记为故障段。

进一步讲，本发明所述的小电流系统中压单相接地故障定位方法，其特征在于，若故障点发生在馈线首端，则：

Z_2kf1＜＜Z_2kl2

I₂≈I_2k

其中，Z_2kf1为母线到故障点间故障线路的负序阻抗，Z_2kl2为故障线路k其他部分的负载的负序阻抗，I₂为故障点的负序电流，I_2k为故障线路的负序电流；此时，故障线路的大部分负序电流流至母线侧，流向线路末端一侧的负序电流极小。

若故障点发生在馈线中间位置，则：

其中，I_2k为故障线路的负序电流，I_2kl为故障点流向负载侧的负序电流，Z_2kl1为故障线路k故障点到母线的负载的负序阻抗，Z_2kl2为故障线路k其他部分的负载的负序阻抗；此时，故障点负序电流流向线路两侧的大小近似等于故障点两侧负荷负序阻抗值的反比，一侧负荷负序阻抗值越大，则流经此侧的负序电流越小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明分析的数据来源是仿真软件计算数据。通过仿真研究小电流接地系统中压侧发生单相接地短路故障时，在配变低压侧所能监测的故障信号特征，并且考虑了低压侧三相不平衡的影响。通过故障馈线上下游与非故障馈线以及系统各点配变低压侧监测信号的对比分析，确定中压侧单相接地故障在系统低压侧不同点位的表征特性。引入低压侧负序电流与正序电流比值来消除量纲影响，结合负序电压值多点协同精准定位中压侧单相接地故障位置，且考虑了线路故障位置在线路首末端的特殊情况。这种方法所需的物资和人力成本低、准确性高、可操作性好。

附图说明

图1为配变终端架构图；

图2为正序等值电路图；

图3为负序等值电路图；

图4为零序等值电路图；

图5为单相接地故障负序电流分布图；

图6为仿真系统拓扑结构图；

图7为实现本发明故障线路选线方法判据图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

国内低压配电网系统广泛采用典型的三相四线制辐射型拓扑结构，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、边缘计算于一体，通过宽带载波、微功率无线等通讯方式采集、分析、存储低压配网数据信息，并将必要的结果上送至主站，充分发挥自身计算功能和本地就近处理的优势。

在小电流接地系统中发生单相接地故障时，根据相序特性分析方法可以做出对应的正序、负序和零序等值电路，如图2至图4所示。

图2至图4中：

U_A1、U_A2、U_A0分别表示故障线路故障点处正序、负序和零序电压；

分别表示故障线路故障点处正序、负序和零序电流；

分别为故障线路首端正序、负序和零序电流；

分别表示所有非故障线路正序、负序和零序电流总和；

分别为故障线路负载端正序和负序电流；

X_CA1、X_CA2、X_CA0分别为故障线路对地正序、负序和零序容抗值；

X_Cx1、X_Cx2、X_Cx0分别为所有非故障线路对地正序、负序和零序容抗值；

X_s1、X_s2分别为系统电源侧电抗值；

Z'_A1、Z'_A2分别为故障线路负载正序和负序阻抗；

Z_x1、Z_x2分别为所有非故障线路负载正序和负序阻抗；

为电源电动势。

对比图3-图5所示的正序、负序和零序等值电路图可知，在小电流接地系统中，根据零序量的特征可知，零序等值电路阻抗支路Z根据中性点接地方式的不同而不同，因此求得的零序电流会受系统中性点运行方式的变化而改变，而负序等值电路则完全相同，因此负序电流不受中性点运行方式的影响。

单相接地故障负序电流分布如图5所示，Z_2s为系统负序阻抗，Z_2if为正常线路i的负序阻抗；Z_2kf1为母线到故障点间故障线路的负序阻抗；Z_2kf2为故障线路其他部分的负序阻抗；Z_2il为正常线路负载的负序阻抗；Z_2kl1为故障线路k故障点到母线的负载的负序阻抗；Z_2kl2为故障线路k其他部分的负载的负序阻抗。

故障点产生的负序电流流向电源和负载，由图5可知：

式(1)中，为流向非故障线路的负序电流与流向电源的负序电流之比，I_2s为流向电源侧的负序电流，I_2i为非故障线路的负序电流。

由于系统高压侧负序阻抗折算到低压侧时负序阻抗值很小，且折算后的负序阻抗值随着高压侧电网的增大而减小。而配网负荷的阻抗值很大，通常为系统负序阻抗的几十至几百倍大小，故：

Z_2s＜＜Z_2il,Z_2s＜＜Z_2if (2)

此外，因为城市中配网馈线长度通常为2～10km，馈线负序阻抗值远小于馈线下负荷的负序阻抗，故：

Z_2if＜＜Z_2il,Z_2kf1＜＜Z_2kl1,Z_2kf2＜＜Z_2kl2 (3)

因此一般认为K₂<0.01，由此得知：

I_2i＜＜I_2s,I_2i＜＜I_2k

I_2k≈I_2s (4)

本发明提出的基于低压多点协同法的小电流系统单相接地故障定位方法，所针对的低压配电网系统的智能配变终端安装在配变低压侧出口处，低压配电网系统的配网馈线长度为2～10km，馈线负序阻抗值远小于馈线下负荷的负序阻抗；综上可知，小电流接地系统单相接地故障产生的负序电流，流至母线后大部分从母线处流向电源，流向非故障线路的负序电流极小；分析故障线路故障点两侧的负序电流，若故障点发生在馈线首端，则：

Z_2kf1＜＜Z_2kl2

I₂≈I_2k (5)

式(5)中，Z_2kf1为母线到故障点间故障线路的负序阻抗，Z_2kl2为故障线路k其他部分的负载的负序阻抗，I₂为故障点的负序电流，I_2k为故障线路的负序电流。

此时小电流接地系统单相接地故障产生的负序电流，故障线路的大部分负序电流流至母线侧，流向线路末端一侧的负序电流极小。

若当故障点发生在馈线中间位置时，则：

式(6)中，I_2k为故障线路的负序电流，I_2kl为故障点流向负载侧的负序电流，Z_2kl1为故障线路k故障点到母线的负载的负序阻抗，Z_2kl2为故障线路k其他部分的负载的负序阻抗。需要强调的是，如何得到各负序阻抗和负序电流是业内公知常识，在此不再赘述。

可知故障点负序电流流向线路两侧的大小近似等于故障点两侧负荷负序阻抗值的反比，一侧负荷负序阻抗值越大，则流经此侧的负序电流越小。

本发明所述的基于低压多点协同法的小电流系统单相接地故障定位方法所采用的技术路线如图7所示，步骤如下：

步骤1)采用零序电压变化量作为启动判据，判断中压测是否检测到相邻两周波零序电压变化量大于整定电压(一般取10％相电压)，如果不是，返回重新判断，如果是，认为此时可能发生单相接地故障，记为时刻t，执行步骤2)；

步骤2)考虑低压单相负荷情况，由于用户配电变压器高压侧中性点不接地，而低压侧中性点直接接地，使低压侧的不对称负荷及单相冲击负荷在低压侧和高压侧都会产生负序电流。为消除不对称负荷及单相冲击负荷的影响，这里认为特殊工况持续时间要远长于故障发生的时间，取t时刻后2周波的短时台区低压侧负序电流数据作为原始数据，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；

步骤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。为了消除量纲的影响，引入负序电流与正序电流的比值来判断故障线路位置。计算t时刻后2周波的故障线路下n个台区的负序电流与正序电流数据比值P_i，i＝1,…,n；

步骤4)由上述公式(6)推导可知，同一线路上故障点同侧的台区负序特征量值应相同，而不同侧不同。对所述的数据比值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；

步骤5)当故障点发生在线路首端或者末端位置时，线路上各个台区的负序特征量值相同，因此需要考虑这种特殊情况下其余的负序量特征。判断P_i1和P_i2所包含的各台区是否位于故障线路两侧，若是，执行步骤6)，否则，执行步骤7)；

步骤6)将连接P_i1和P_i2的线路记为故障段；

步骤7)计算t时刻后2周波的故障线路下n个台区的负序电压平均值，将该负序电压值平均值最大的台区侧记为故障段。

单相接地故障产生的负序电流在系统中的分配不受中性点接地方式的影响，负序量特征分析可以适合各种中性点接地方式，且负序电流接地保护具有较强的抗弧光接地能力。

研究材料

图6所示的仿真系统拓扑结构，示出了系统中性点采用不接地方式，包含3条10kV线路L1，L2和L3，13个低压台区，台区变压器均采用△/Y型接线。假设13台配变终端安装在配变低压出口位置负责数据采集。选择L2线路为故障线路，0.2s时刻发生单相接地故障，0.25s故障恢复，故障位置为10kV线路电源侧首端，接地故障电阻值100Ω，量测得到各个低压负序电流数据x_i，i＝1,2,…,13。

按照本发明所述的方法进行故障定位，取0.2s时刻后2周波的短时台区低压侧负序电流数据作为原始数据，去均值后计算数据绝对值的平均值，L2线路上5-9号台区出现平均值，故障线路记为L2；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。为了消除量纲的影响，引入负序电流与正序电流的比值来判断故障线路位置。计算t时刻后2周波的故障线路L2下5个台区的负序电流与正序电流数据比值P_i，i＝1,2,…,5；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，但不满足有效连接结果，考虑故障位置可能出现在L2线路两端。计算t时刻后2周波的故障线路L2下5个台区的负序电压平均值，将负序电压值平均值最大的5号台区侧记为故障段。

本发明提出的一种基于低压量测的小电流系统中压单相接地故障定位方法，通过故障馈线上下游与非故障馈线以及系统各点配变低压侧监测信号的对比分析，确定中压侧单相接地故障在系统低压侧不同点位的表征特性(参见步骤2)。本发明方法在中引入低压侧负序电流与正序电流比值来消除量纲影响(参见步骤3)，结合负序电压值多点协同精准定位中压侧单相接地故障位置(参见步骤4)，且考虑了线路故障位置在线路首末端的特殊情况(参见步骤5)。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种基于低压量测的小电流系统中压单相接地故障定位方法，所针对的低压配电网系统的智能配变终端安装在配变低压侧出口处，低压配电网系统的馈线负序阻抗值远小于馈线下负荷的负序阻抗；小电流系统单相接地故障产生的负序电流，流至母线后大部分从母线处流向电源，流向非故障线路的负序电流极小；其特征在于，方法步骤如下：

步骤1)采用零序电压变化量作为启动判据，判断中压侧是否检测到相邻两周波零序电压变化量大于整定电压，如果不是，返回重新判断，如果是，此时记为时刻t，执行步骤2)；

步骤2)取t时刻后2周波的短时台区低压侧负序电流数据作为原始数据，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；

步骤3)计算t时刻后2周波的故障线路下n个台区的负序电流与正序电流数据比值P_i，i＝1,…,n；

步骤4)对所述的数据比值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；

步骤5)判断P_i1和P_i2所包含的各台区是否位于故障线路两侧，若是，执行步骤6)，否则，执行步骤7)；

步骤6)将连接P_i1和P_i2的线路记为故障段；

步骤7)计算t时刻后2周波的故障线路下n个台区的负序电压平均值，将该负序电压平均值最大的台区侧记为故障段。

2.根据权利要求1所述的小电流系统中压单相接地故障定位方法，其特征在于，若故障点发生在馈线首端，则：

Z_2kf1＜＜Z_2kl2

I₂≈I_2k

其中，Z_2kf1为母线到故障点间故障线路的负序阻抗，Z_2kl2为故障线路k其他部分的负载的负序阻抗，I₂为故障点的负序电流，I_2k为故障线路的负序电流；

此时，故障线路的大部分负序电流流至母线侧，流向线路末端一侧的负序电流极小。

3.根据权利要求1所述的小电流系统中压单相接地故障定位方法，其特征在于，若故障点发生在馈线中间位置，则：

其中，I_2k为故障线路的负序电流，I_2kl为故障点流向负载侧的负序电流，Z_2kl1为故障线路k故障点到母线的负载的负序阻抗，Z_2kl2为故障线路k其他部分的负载的负序阻抗；

此时，故障点负序电流流向线路两侧的大小近似等于故障点两侧负荷负序阻抗值的反比，一侧负荷负序阻抗值越大，则流经此侧的负序电流越小。