CN114755532A - 基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法及系统 - Google Patents

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CN114755532A CN202210444882.5A CN202210444882A CN114755532A CN 114755532 A CN114755532 A CN 114755532A CN 202210444882 A CN202210444882 A CN 202210444882A CN 114755532 A CN114755532 A CN 114755532A
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李琪林
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张杰夫
李金嵩
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Abstract

本发明公开了基于电能信息突变的配网单相接地故障辨识方法及系统，以配电网实时的电能信息为基础数据构建配电网的电能信息矩阵进行单相接地故障辨识，可以直接从配电网中固有采集装置中获取，无需安装其他监测设备，省去了另外单独增加选线基础数据采集设备，不会因选线基础数据采集设备的增加或故障导致单相接地故障辨识的可靠性降低问题，同时依据本方案的电能信息矩阵进行单相接地故障特征量计算判定，适用于多种结构的配电网，可以更好的实现营配系统融合和优势互补，充分发掘配网已有监测、计量装置的分布式、多测点信息，提高单相故障选线的正确率。

Description

基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法及系统
技术领域
本发明涉及电力系统故障辨识技术领域，具体涉及基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法及系统。
背景技术
配电网在电力系统中占据着重要的地位，作为各环节的末端与用户直接联系；一方面确保提供稳定的电能，同时确保居民使用到高质量的电能；由于配电网电压等级低，缺乏优化运行的有效手段，功耗一般很高，是电力系统经济运行的潜力户。根据电力系统运行部门对故障的分析，由于外部因素(如鸟、闪电、风等)的影响，我国城乡配电网系统中故障比例最高的是单相接地，占电气短路故障的80％以上。配电网分布范围广、运行环境复杂，故障发生几率高；中国、欧洲大陆、日本等国配电网广泛采用经消弧线圈的小电流接地方式。小电流接地配网的接地故障检测与选线保护是电力系统继电保护领域的世界性难题，主要困难包括：1)单相接地故障边界复杂、随机性强，难以用单一统一模型描述；2)故障稳态分量小，基于信号特征的被动式检测和选线判据构造困难，难以可靠区分瞬时性故障、间歇性故障和永久性故障，保护出口盲目；3)受配电网供电可靠性和电能质量问题的约束，主动式检测中扰动施加的频度和强度受限严重，难以确保高阻故障灵敏检测与可靠保护的选择性。
针对单相接地故障选线，现有选线方法主要分为三大类：基于稳态信息的故障选线方法、基于暂态信息的故障选线方法和基于选线算法的多判据融合选线方法；其中基于稳态信息的故障选线方法主要包括：零序电流群体比幅比相法、零序电流幅值法、负序电流法、五次谐波法、零序导纳法、残留增量法；基于暂态信息的故障选线方法主要包括：基于小波变换的方法、能量法、基于Hilbert-huang变换的方法；基于选线算法的多判据融合选线方法主要包括：神经网络选线法、D-S证据理论选线法、模糊理论选线法。根据不同选线方法研发推出了不同的选线设备产品；随着电网规模的扩大，电网的复杂程度越来越高，在以前能够解决小电流接地选线问题的装置目前己经不再适用。
综合现有的诸多单相接地故障选线方法，存在的主要问题：现有的单相接地故障选线方法对多种结构的配电网不能完全匹配适用，根据配电网结构的不同，一个配电网系统中使用多种故障选线方法，故障选线方法不能统一加重了配电网系统的人力物力投入，且故障选线系统的可靠性无法得到保障。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的单相接地故障选线方法对多种结构的配电网不能完全匹配适用，根据配电网结构的不同，一个配电网系统中使用多种故障选线方法，故障选线方法不能统一加重了配电网系统的人力物力投入，且故障选线系统的可靠性无法得到保障；本发明目的在于提供基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法，以配电网实时的电能信息为基础数据构建配电网的电能信息矩阵进行单相接地故障辨识，无需安装其他监测设备，不会因设备增加导致可靠性降低的问题，同时依据本方案的电能信息矩阵进行单相接地故障特征量计算判定，适用于多种结构的配电网，可以更好的实现营配系统融合和优势互补；本发明还提供基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识系统为所述方法的实现提供设备基础。
本发明通过下述技术方案实现：
本方案提供基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法，包括：
步骤一：获取配电网实时电能信息，并构建配电网的电能信息矩阵；
步骤二：基于电能信息矩阵监测配电网总线端功率是否发生突变，当配电网总线端功率发生突变时，进行单相接地故障特征量计算判定是支线单相接地故障或总线单相接地故障；
步骤三：对故障支线或故障总线进行相电流幅值比较实现单相接地故障选线。
本方案工作原理：现有的单相接地故障选线方法对多种结构的配电网不能完全匹配适用，根据配电网结构的不同，一个配电网系统可能使用多种故障选线方法，故障选线方法不能统一加重了配电网系统的人力物力投入，且故障选线系统的可靠性无法得到保障；同时由于传统的故障选线方法其选线依据量不是配电网中已监测到的普通量，如零序电流群体比幅比相法和零序电流幅值法，其需要测量配电网中各个线路的零序电流，其在测量过程中存在很大的不准确性，当线路中某相电流被影响抵消情况下，虽然测得的零序电流无误，但是在进行选项时，到底是哪个单相发生故障就会无法准确判定。本发明目的在于提供基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法及系统，适用于10kV中性点接地、中性点不接地配电网的单相接地故障选线；以配电网实时的电能信息为基础数据构建配电网的电能信息矩阵进行单相接地故障辨识，电能信息的表征主要是电流和电压，而这两个量是配电网中都需要实时监控的量；目前配网中的用电信息采集系统对配电网线路及用户采集了大量数据，且线路和用户侧也装设有电能计量装置；当发生单相接地故障时，电能计量装置上的电压、电流和电能量信号表现不同，从采集系统中可以方便提取大量的电能信息数据因此在基础数据层面，可以直接从配电网中固有采集装置中获取，无需安装其他监测设备，省去了另外单独增加选线基础数据采集设备，不会因选线基础数据采集设备的增加或故障导致单相接地故障辨识的可靠性降低问题，同时依据本方案的电能信息矩阵进行单相接地故障特征量计算判定，适用于多种结构的配电网，可以更好的实现营配系统融合和优势互补，充分发掘配网已有监测、计量装置的分布式、多测点信息，提高单相故障选线的正确率。
进一步优化方案为，所述取配电网实时电能信息包括：总线端电压、总线电流、各支线首端电压、各支线首端电流、各支线负载端电压和各支线负载端电流。
进一步优化方案为，所述电能信息矩阵包括：总线特征矩阵、支线特征矩阵和配电网系统功率信息矩阵；
所述总线特征矩阵N总包含总线端电压U总和总线电流I总，N总＝[I总U总]；
所述支线特征矩阵N支包含各支线的首端电压Un1、首端电流In1、负载端电压Un2和负载端总线电流In2，
Figure BDA0003616284140000031
所述配电网系统功率信息矩阵P包含：总线功率P总、支线首端功率Pn1和支线负载端功率Pn2，
Figure BDA0003616284140000032
进一步优化方案为，步骤二包括以下子步骤：
S21、计算各线路功率跳动系数；
S22、在一个周期内，提取出各支线的功率跳动系数中的最大值Ki max，判断最大功率跳动系数Ki max是否大于预设系数阈值；若是则判定支线i单相接地故障线路；若所有支线的功率跳动系数Kmax均小于或等于预设系数阈值，则判定为总线单相接地故障。
进一步优化方案为，所述线路功率跳动系数通过下式计算：
Figure BDA0003616284140000033
进一步优化方案为，所述预设系数阈值基于对双回线配电网系统进行仿真获得。
进一步优化方案为，对于双回线配电网的中性点接地系统和中性点不接地系统，预设系数阈值为20。
进一步优化方案为，所述步骤三具体包括以下子步骤：
S31：获取一个周期内故障总线或故障支线的三相电流；
S32：判断三相电流中幅值最大的一相为故障相。
进一步优化方案为，还包括步骤四：输出故障总线选线结果或故障支线选线结果。
本方案中的功率跳动系数与故障相电流幅值具有信噪比高、抗干扰能力强的优势，能够对单相接地故障线路进行准确选线选相。
本方案还提供基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识系统，应用于上述的方法，包括：采集分析模块、单相接地故障特征量计算分析模块和选线模块；
所述采集分析模块用于获取配电网实时电能信息，并构建配电网的电能信息矩阵；
所述单相接地故障特征量计算分析基于电能信息矩阵监测配电网总线端功率是否发生突变，当配电网总线端功率发生突变时，进行单相接地故障特征量计算判定是支线单相接地故障或总线单相接地故障；
所述选线模块用于对故障支线或故障总线进行相电流幅值比较实现单相接地故障选线。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提供的基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法及系统，以配电网实时的电能信息为基础数据构建配电网的电能信息矩阵进行单相接地故障辨识，可以直接从配电网中固有采集装置中获取，无需安装其他监测设备，省去了另外单独增加选线基础数据采集设备，不会因选线基础数据采集设备的增加或故障导致单相接地故障辨识的可靠性降低问题，同时依据本方案的电能信息矩阵进行单相接地故障特征量计算判定，适用于多种结构的配电网，可以更好的实现营配系统融合和优势互补，充分发掘配网已有监测、计量装置的分布式、多测点信息，提高单相故障选线的正确率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法流程示意图；
图2为总线的电流波形示意图；
图3为支线1的首端电流波形示意图；
图4为支线1的负载端电流波形示意图；
图5为支线2的首端电流波形示意图；
图6为支线2的负载端电流波形示意图；
图7为总线的电压波形示意图；
图8为支线1的首端电压波形示意图；
图9为支线1的负载端电压波形示意图；
图10为支线2的首端电压波形示意图；
图11为支线2的负载端电压波形示意图；
图12为总线的功率波形示意图；
图13为支线1的首端功率波形示意图；
图14为支线1的负载端功率波形示意图；
图15为支线2的首端功率波形示意图；
图16为支线2的负载端功率波形示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供的基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法，如图1所示，包括步骤：
步骤一：获取配电网实时电能信息，并构建配电网的电能信息矩阵；
步骤二：基于电能信息矩阵监测配电网总线端功率是否发生突变，当配电网总线端功率发生突变时，进行单相接地故障特征量计算判定是支线单相接地故障或总线单相接地故障；
步骤三：对故障支线或故障总线进行相电流幅值比较实现单相接地故障选线。
所述取配电网实时电能信息包括：总线端电压、总线电流、各支线首端电压、各支线首端电流、各支线负载端电压和各支线负载端电流。
所述电能信息矩阵包括：总线特征矩阵、支线特征矩阵和配电网系统功率信息矩阵；
所述总线特征矩阵N总包含总线端电压U总和总线电流I总，N总＝[I总U总](1)；
所述支线特征矩阵N支包含各支线的首端电压Un1、首端电流In1、负载端电压Un2和负载端总线电流In2，
Figure BDA0003616284140000051
所述配电网系统功率信息矩阵P包含：总线功率P总、支线首端功率Pn1和支线负载端功率Pn2，
Figure BDA0003616284140000061
步骤二包括以下子步骤：
S21、计算各线路功率跳动系数；
S22、在一个周期内，提取出各支线的功率跳动系数中的最大值Ki max，判断最大功率跳动系数Ki max是否大于预设系数阈值；若是则判定支线i单相接地故障线路；若所有支线的功率跳动系数Kmax均小于或等于预设系数阈值，则判定为总线单相接地故障。
所述线路功率跳动系数通过下式计算：
Figure BDA0003616284140000062
Ki max＝[ki1 ki2 L kin]max (5)。
所述预设系数阈值基于对双回线配电网系统进行仿真获得。
对于双回线配电网的中性点接地系统和中性点不接地系统，预设系数阈值为20。
所述步骤三具体包括以下子步骤：
S31：获取一个周期内故障总线或故障支线的三相电流；
S32：判断三相电流中幅值最大的一相为故障相；I故障＝[IA IB IC]max (6)
还包括步骤四：输出故障总线选线结果或故障支线选线结果。
本方案根据不同线路功率跳动系数计算及故障相电流幅值检测，完成了对单相接地故障选线选相功能，通过对多节点电能信息变化分析，计算得到各节点功率跳动系数，判断出单相接地故障线路；进一步对故障线路三相电流进行幅值比较，判断出单相接地故障相，最终实现对单相接地故障的辨识。本专利具有可靠性高、成本低、选线特征量信噪比大、抗干扰能力强的优点，进一步提高了单相接地故障选线选相准确性，保障配电网安全稳定运行。
实施例2
本实施例提供基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识系统，应用于上一实施例所述的方法，包括：采集分析模块、单相接地故障特征量计算分析模块和选线模块；
所述采集分析模块用于获取配电网实时电能信息，并构建配电网的电能信息矩阵；
所述单相接地故障特征量计算分析基于电能信息矩阵监测配电网总线端功率是否发生突变，当配电网总线端功率发生突变时，进行单相接地故障特征量计算判定是支线单相接地故障或总线单相接地故障；
所述选线模块用于对故障支线或故障总线进行相电流幅值比较实现单相接地故障选线。
实施例3
本实施例基于上述实施例的方法或系统对某双回线配电网系统进行配网单相接地故障辨识，配电网系统中10kV双回线配网的总线、支线1和支线2上的电压、电流监测信息如图2-11所示，计算得到总线、支线1和支线2的功率信息如图12-图16所示。
在0.1s时刻，总线特征矩阵N总1，如式(7)所示，在0.115s时刻，总线特征矩阵N总2，如式(8)所示。
N总1＝[(-1.833,-3.696,5.340) (4337，-8279，3942)] (7)
N总2＝[(-58.66,2.412,3.580) (-5886，690.8，8204)] (8)
根据计算得到0.1s时刻总线功率为43690W，0.115s时刻总线功率为376300W，总线功率增大约9倍，总线功率发生突变。
构建0.115s时刻的支线特征矩阵N支，如式(9)所示。
Figure BDA0003616284140000071
根据支线特征矩阵N支计算得到功率信息矩阵P，如式(10)所示，结合公式(4)计算得到各线路功率跳动系数kn如式(11)、(12)所示，结合公式(5)计算得到各线路功率跳动系数最大值为k1，且k1大于20，所以根据数据所得结果为支路1发生单相接地故障。
Figure BDA0003616284140000072
Figure BDA0003616284140000073
Figure BDA0003616284140000074
利用公式(6)对支路1的三相电流幅值进行比较，如式13所示，根据结果可知，故障线路发生单相接地故障相为A相，输出最终结果为：支路1发生A相单相接地故障。
I故障＝[63.93 3.295 3.565]max＝63.93 (13)
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法，其特征在于，包括：
步骤一：获取配电网实时电能信息，并构建配电网的电能信息矩阵；
步骤二：基于电能信息矩阵监测配电网总线端功率是否发生突变，当配电网总线端功率发生突变时，进行单相接地故障特征量计算判定是支线单相接地故障或总线单相接地故障；
步骤三：对故障支线或故障总线进行相电流幅值比较实现单相接地故障选线。
2.根据权利要求1所述的基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法，其特征在于，
所述取配电网实时电能信息包括：总线端电压、总线电流、各支线首端电压、各支线首端电流、各支线负载端电压和各支线负载端电流。
3.根据权利要求2所述的基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法，其特征在于，所述电能信息矩阵包括：总线特征矩阵、支线特征矩阵和配电网系统功率信息矩阵；
所述总线特征矩阵N总包含总线端电压U总和总线电流I总，N总＝[I总 U总]；
所述支线特征矩阵N支包含各支线的首端电压Un1、首端电流In1、负载端电压Un2和负载端电流In2，
Figure FDA0003616284130000011
所述配电网系统功率信息矩阵P包含：总线功率P总、支线首端功率Pn1和支线负载端功率Pn2，
Figure FDA0003616284130000012
4.根据权利要求3所述的基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法，其特征在于，步骤二包括以下子步骤：
S21、计算各线路功率跳动系数；
S22、在一个周期内，提取出各支线的功率跳动系数中的最大值Ki max，判断最大功率跳动系数Ki max是否大于预设系数阈值；若是则判定支线i单相接地故障线路；若所有支线的功率跳动系数Kmax均小于或等于预设系数阈值，则判定为总线单相接地故障。
5.根据权利要求4所述的基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法，其特征在于，所述线路功率跳动系数通过下式计算：
Figure FDA0003616284130000021
6.根据权利要求4所述的基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法，其特征在于，所述预设系数阈值基于对双回线配电网系统进行仿真获得。
7.根据权利要求1所述的基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法，其特征在于，对于双回线配电网的中性点接地系统和中性点不接地系统，预设系数阈值为20。
8.根据权利要求1所述的基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法，其特征在于，所述步骤三具体包括以下子步骤：
S31：获取一个周期内故障总线或故障支线的三相电流；
S32：判断出三相电流中幅值最大的一相为故障相。
9.根据权利要求1所述的基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识方法，其特征在于，还包括步骤四：输出故障总线选线结果或故障支线选线结果。
10.基于电能多维信息融合的单相接地故障辨识系统，应用于权利要求1-9任意一项所述的方法，其特征在于，包括：采集分析模块、单相接地故障特征量计算分析模块和选线模块；
所述采集分析模块用于获取配电网实时电能信息，并构建配电网的电能信息矩阵；
所述单相接地故障特征量计算分析基于电能信息矩阵监测配电网总线端功率是否发生突变，当配电网总线端功率发生突变时，进行单相接地故障特征量计算判定是支线单相接地故障或总线单相接地故障；
所述选线模块用于对故障支线或故障总线进行相电流幅值比较实现单相接地故障选线。
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