CN114966326A - 基于电流负序故障的单相接地故障区段定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流负序故障的单相接地故障区段定位方法及系统，通过监测装置中的相电流互感器实时监测配电网各区段的三相电流，将三相电流合成零序电流；根据所得零序电流预测配电网可能发生单相接地故障的预判故障区段；对所有预判故障区段线路上的相电流信号进行信号提取，获取预判故障区段线路上的电流负序故障分量和零序故障分量，分别计算幅值及幅值比值；设置自适应阈值，将所得幅值比值与自适应阈值比对，完成对所有预判故障区段线路中故障区段的定位判断。采用相电流互感器来获取相电流信号进行故障判断，适用性更强，将幅值比值作为定位判定值与自适应阈值相比对，故障特征明显，保证了定位结果的准确性。

Description

基于电流负序故障的单相接地故障区段定位方法及系统

技术领域

本发明涉及配电网中单相接地故障技术领域，具体涉及一种基于电流负序故障的单相接地故障区段定位方法及系统。

背景技术

随着经济社会的不断发展，配电网拓扑结构随之不断复杂化，当其中发生单相接地故障时其故障特征亦会变化，使得传统定位技术可靠性受到影响。为了保证配电网的供电可靠性，确保电力用户的用电安全和产品质量，亟需提出适应配电网现状的故障定位技术。

目前，已提出的区段定位技术可根据定位所应用的信号分为主动型和被动型定位技术。主动型定位技术是指当单相接地故障发生后，定位技术通过特定的信号发生装置向系统中注入特定信号，并通过信号采集装置在电力系统中获取该信号从而判定信号流通路径，从而确定故障位置。为了保证主动型定位技术的可靠性，需要在系统各个分支中安装信号采集装置，但由于配电网的拓扑结构复杂，分支众多，使得定位技术所需的采集装置数量增加，这将极大影响定位技术的工程经济性。为了节省工程预算，在实际工程中往往采用被动型区段定位技术。被动型定位技术是指利用线路上的电流和电压信息分析故障特征，获取不同区段间特征差异，从而完成故障区段定位。该类定位技术只需利用已安装的电流或电压互感器采集信息进行故障判断，无需在系统中安装大量特定信号注入和采集装置，避免了大量的工程预算。但目前该类定位技术大多应用零序信号进行判断，而在配电网的部分区域未安装零序电流或电压互感器，无法获取定位技术所需的信号进行判断，无法保证可靠性。同时，主动型和被动型定位技术大多需要将判断结果或中间结果利用通信系统上传主站完成判断，当定位技术应用环境电磁干扰严重时，通信系统受到影响，定位技术可靠性将下降。

发明内容

为了提高对故障定位的高适应性和可靠性，同时减轻定位技术对通信系统的依赖，本发明提出了一种基于电流负序故障的单相接地故障区段定位方法及系统。

所采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种基于电流负序故障的单相接地故障区段定位方法，采用相电流互感器实时监测配电网各区段的三相电流，并将三相电流合成零序电流；根据所得零序电流预测配电网可能发生单相接地故障的预判故障区段；对所有预判故障区段线路上的相电流信号进行信号提取，获取预判故障区段线路上的电流负序故障分量和零序故障分量；根据负序故障分量和零序故障分量分别计算负序故障分量幅值和零序故障分量幅值，及负序故障分量幅值与零序故障分量幅值间的幅值比值；设置自适应阈值，并将所得幅值比值与自适应阈值比对，完成对所有预判故障区段线路中故障区段的定位判断。

优选地，所述的自适应阈值

设置为0.85-1.0。

优选地，当监测区段线路中合成的零序电流幅值大于所设定的零序电流启动值时，初步判断监测区段线路上可能发生单相接地故障，并通过录波装置向定位装置中传输故障波形信息，进行故障特征分析。

优选地，对上传至定位装置的波形信息进行故障特征分析，其具体方法是：根据故障波形信息得到小波模极大值，确定故障发生准确时刻t₀；将故障发生时刻前后相差整周期倍数的相电流相减，获取各相电流故障分量；对各相电流故障分量进行计算，获取负序故障分量、零序故障分量及对应的幅值。

优选地，当单相接地故障发生后，获取故障发生时刻前后各5周期的相电流做减法运算，得到各相电流故障分量。

进一步优选地，利用对称分量法逆变换对各相电流故障分量进行计算，得到各预判故障区段线路上电流的负序故障分量和零序故障分量，所采用的对称分量法逆变换公式：

其中，

为方向因子；

预判故障区段线路上的正序故障分量、负序故障分量和零序故障分量；

为预判故障区段线路上的各相电流故障分量；

根据各预判故障区段线路上的负序故障分量和零序故障分量获取负序故障分量幅值和零序故障分量幅值。

对所有预判故障区段进行故障定位判断的方法是，当所得预判故障区段线路上的负序故障分量幅值与零序故障分量幅值间的幅值比值大于自适应阈值时，判定对应预判故障区段线路为故障区段；当所得预判故障区段线路上的负序故障分量幅值与零序故障分量幅值间的幅值比值小于自适应阈值时，则判断对应预判故障区段线路为正常区段。

另一方面，本发明还提供了一种基于电流负序故障的单相接地故障区段定位系统，包括设置于配电网线路各区段中的监测装置、录波装置、定位装置、计算模块和判定模块，所述监测装置中设有相电流互感器，用于实时测量所在区段配电网的三相电流，并预测出可能发生单相接地故障的预判故障区段；

所述录波装置和定位装置分别与所述监测装置电性连接，当所述监测装置预测出可能发生单相接地故障的预判故障区段时，所述录波装置自动启动，并向所述定位装置传输故障波形信息；

所述计算模块对所有预判故障区段的故障波形信息进行提取，并经计算得到负序故障分量幅值和零序故障分量幅值及二者幅值比值；所述判定模块中设有自适应阈值，将所得幅值比值与自适应阈值进行比对，完成对所有预判故障区段中故障区段的定位判断。

所述判定模块中设置的自适应阈值

为0.85～1.0。

本发明技术方案具有如下优点：

A.本发明通过在系统中的监测装置中安装更为广泛的相电流互感器来获取相电流信号进行故障判断，相较于依靠零序电流判断的定位技术适用性更强，采用负序故障分量幅值和零序故障分量幅值间的幅值比值作为定位判定值，与所设置的自适应阈值相比对，故障特征明显，保证了定位结果的准确性。

B.本发明通过利用计算所得的负序故障分量幅值和零序故障分量幅值所形成的幅值比值与自适应阈值进行比对，根据二者关系完成就地故障定位，无需将判断结果上传主站综合判断，对通信系统依赖性较小，保证了定位技术在通信不佳情况下的定位可靠性。

C.本发明可适用于我国常用中性点接地方式，即中性点不接地和经消弧线圈接地方式，保证定位可靠性，且本发明方法定位逻辑简单，编程可复现性强，易于工程应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1是本发明所提供的单相接地故障区段定位方法流程图；

图2是本发明所提供的中性点不接地系统结构图；

图3是本发明所提供的负序序网图

图4是本发明所提供的中性点经消弧线圈接地系统结构图；

图5是本发明所提供的零序序网图；

图6是本发明所提供的定位方法流程图；

图7是本发明所提供的仿真实验系统结构图；

图8是本发明所提供的系统组成框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

如图1所示，本发明提供了一种基于电流负序故障分量的分布式单相接地故障区段定位方法，采用相电流互感器实时监测配电网各区段的三相电流，并将三相电流合成零序电流；根据所得零序电流预测配电网可能发生单相接地故障的预判故障区段；对所有预判故障区段线路上的相电流信号进行信号提取，获取预判故障区段线路上的电流负序故障分量和零序故障分量；根据负序故障分量和零序故障分量分别计算负序故障分量幅值和零序故障分量幅值，及负序故障分量幅值与零序故障分量的幅值比值；设置自适应阈值，并将所得幅值比值与自适应阈值比对，完成对所有预判故障区段线路中故障区段的定位判断。

本发明利用电流负序及零序故障分量幅值完成区段定位，具体如下：

下面将以中性点不接地配电网系统进行分析，该系统具有3条出线，各区段线路首端安装有相电流互感器，单相接地故障发生于第二条出线中段。系统结构如图2所示。

故障发生前系统相电流由负荷电流组成，故障发生后系统相电流由负荷电流和电流故障分量组成。而故障发生时刻前后，配电网电源电压及负荷波动极小，可认为负荷电流基本不变，而故障发生前负荷电流即为相电流，由此可通过故障发生时刻前后相差整周期的相电流相减获取电流故障分量：

其中，

为电流故障分量；

为故障后系统相电流；

为故障前系统相电流。

而电流故障分量是由电流正序、负序和零序分量组成，为了提取准确的故障特征，下面将分别对电流负序和零序故障分量进行故障分析。

由于消弧线圈存在与否不对系统负序序网图产生影响，故本发明利用中性点不接地系统负序序网图进行分析，序网图如图3所示。

由于负序序网图中，故障点下游负序阻抗包括故障点下游线路及负荷负序阻抗之和，其大小远大于故障点上游线路负序阻抗，故在故障点处负序电流发生分流后绝大多数流向故障点上游线路；同时，由于线路1和3等效负序阻抗中包含线路及所接负荷阻抗，其大小亦远大于变压器处负序阻抗，故流经故障点上游线路的负序电流在母线处发生分流，大部分负序电流流向电源。

综上，在中性点不接地及经消弧线圈接地系统中发生单相接地故障后，电流负序故障分量在电源及故障点间构成回路，在故障点下游线路及正常线路中负序电流含量极少。假设故障点处电流故障分量为，则故障路径上负序电流为：

而非故障路径上则为：

由于零序电流在各条线路对地电容与故障点间构成回路，本发明以较为复杂的经消弧线圈接地系统为例进行分析，中性点经消弧线圈接地系统结构图如图4所示.

由图中获取零序网图如图5所示：

零序电流在线路2中的故障点处发生分流，分别流向故障点上游线路和故障点下游线路，由此可得故障路径处零序电流为故障点处电流减去流向故障点下游的零序电流，可得故障路径上零序电流对应于故障点处零序电流的分流系数为：

其中，

为系统等效电容。

非故障路径中的零序电流则为各自对地电容上流过的电流，可得非故障路径中零序电流对应于故障点处零序电流的分流系数为：

其中，

为非故障路径上对地电容阻抗值，且满足

。

中性点不接地系统中零序电流特征与之类似，这里不再赘述。假设故障点处电流故障分量为，则由此可得系统故障路径中零序电流为：

非故障路径中零序电流为：

根据分析的故障路径及非故障路径中零序电流和负序电流的特征可得，零序电流在故障点分流后，分别流向系统中故障路径及非故障路径，并在对地电容间构成回路；而负序电流则集中于故障路径中，在非故障路径中几乎为零。但在实际工况中，由于测量误差的存在使得各监测点所得的电流特征无法满足理论分析结果，仅利用数值关系无法保证定位技术的可靠性。本发明利用负序电流和零序电流的幅值比值突出故障特征，使故障路径与非故障路径的差异增大。

在故障路径中，负序电流与零序电流的比值为：

在非故障路径中，负序电流和零序电流的比值为：

同时，考虑到零序电流分流系数大于0小于1，使得故障路径中的比值为

，而非故障路径中

。由此，本发明可通过设置自适应阈值

的方式，通过比较负序故障分量幅值与零序故障分量幅值的比值与所设置的自适应阈值

的大小关系可完成故障就地判断，无需将采集的信号结果上传主站完成判断。当负序故障分量的电流幅值与零序故障分量的电流幅值的幅值比值大于自适应阈值

时，将判断该路径为故障路径，即故障区段；而当幅值比值小于自适应阈值

时，则判断该路径为非故障路径，即非故障区段。经过现场大量数据测试，优选的自适应阈值

大小为0.85～1.0，可满足绝大多数情况。

本发明首先利用小波模极大值对由三相电流合成的零序电流进行处理，确定故障发生准确时刻。利用故障发生时刻前后相差整周期的相电流相减，获取各相电流故障分量。本发明利用对称分量逆变换求取各线路上的正序和零序电流：

其中，

为方向因子，由此可根据各线路的电流故障分量获取电流负序故障分量幅值和零序故障分量幅值。

如图7所示，为了验证定位方法的可靠性，本发明利用ATP电力系统模拟仿真软件搭建配电网模型进行仿真测试，测试系统中包含3条出线，单相接地故障发生于第2条出线的中段，试验分别获取第1条出线、第2条出线故障点前和故障点后共三处相电流数据进行仿真测试。实验中设置自适应阈值

为0.95。

对于中性点经消弧线圈接地系统或中性点不接地系统单相接地故障可采用本发明公开的一种基于电流负序故障分量的分布式单相接地故障区段定位方法，在配电网系统各出线线路中安装定位装置后，通过监测装置中的相电流互感器获取线路上的相电流进行故障特征分析，最终可完成单相接地故障区段定位。具体实施步骤如图6所示。

步骤1：定位装置首先利用相电流互感器安装处获取的三相电流合成零序电流，并监测单相接地故障是否发生；

步骤2：当合成零序电流幅值I₀大于预先设定的阈值K₀后，判定配电网中可能发生了单相接地故障；

正常情况下三相电流平衡零序电流极小，而当故障发生后，单相接地故障使得零序电流增加并超过阈值

。系统根据现场实际工况设置零序电流阈值

，当监测零序电流幅值大小超过阈值

后，判断可能发生故障。

步骤3：当单相接地故障发生后，系统获取故障发生时刻前后各5周期的相电流，并通过故障发生时刻前后相差整周期倍数的相电流相减获取电流故障分量，提取其中负序故障分量和零序故障分量以及计算二者的幅值比值；

步骤4：利用负序故障分量幅值和零序故障分量幅值做除法运算，得到幅值比值，幅值比值与自适应阈值大小进行比较，判断定位装置所在点是否为故障区段，当比值大于自适应阈值时判断为故障区段，否则为非故障区段。

分别获取系统出线1、出线2故障点上游和下游三处监测点的相电流进行数据处理，提取电流负序和零序故障分量进行故障定位。各处电流幅值及比值结果如下表所示：

由步骤4结果可得，出线2故障点上游线路幅值比值大于自适应阈值，出线1和出线2故障点下游幅值比值小于自适应阈值阈值，可判断出出线2故障点上游线路为故障区段。实验结果验证了本发明理论分析的正确性和区段定位方法的可靠性。

另外，本发明还提供了一种基于电流负序故障分量的分布式单相接地故障区段定位系统，如图8所示，系统包括设置于配电网线路各区段中的监测装置、录波装置、定位装置、计算模块和判定模块，所述监测装置中设有相电流互感器，用于实时测量所在区段配电网的三相电流，并预测出可能发生单相接地故障的预判故障区段；

录波装置和定位装置分别与监测装置电性连接，当监测装置预测出可能发生单相接地故障的预判故障区段时，录波装置自动启动，并向定位装置传输故障波形信息；

计算模块对所有预判故障区段的故障波形信息进行提取，并经计算得到负序故障分量幅值和零序故障分量幅值及二者幅值比值；判定模块中设有自适应阈值，将所得幅值比值与自适应阈值进行比对，完成对所有预判故障区段中故障区段的定位判断。

上述所采用的监测装置、录波装置和定位装置均为现有技术。

本发明可适用于我国常用中性点接地方式，即中性点不接地和经消弧线圈接地方式，保证定位可靠性，且本发明方法定位逻辑简单，编程可复现性强，易于工程应用。本发明利用系统中安装更为广泛地相电流互感器获取判断信号，无需利用零序电流互感器，且故障特征明显，保证了定位技术的适应性和可靠性；同时本发明利用自适应阈值实现故障就地判断，减少对通信系统的依赖，提高了故障区段定位的可靠性，使定位系统适用于电磁环境复杂的工况。

本发明未述及之处均适用于现有技术。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种基于电流负序故障的单相接地故障区段定位方法，其特征在于，采用相电流互感器实时监测配电网各区段的三相电流，并将三相电流合成零序电流；根据所得零序电流预测配电网可能发生单相接地故障的预判故障区段；对所有预判故障区段线路上的相电流信号进行信号提取，获取预判故障区段线路上的电流负序故障分量和零序故障分量；根据负序故障分量和零序故障分量分别计算负序故障分量幅值和零序故障分量幅值，及负序故障分量幅值与零序故障分量幅值间的幅值比值；设置自适应阈值，并将所得幅值比值与自适应阈值比对，完成对所有预判故障区段线路中故障区段的定位判断。

2.根据权利要求1所述的基于电流负序故障的单相接地故障区段定位方法，其特征在于，所述的自适应阈值

设置为0.85～1.0。

3.根据权利要求1所述的基于电流负序故障的单相接地故障区段定位方法，其特征在于，当监测区段线路中合成的零序电流幅值大于所设定的零序电流启动值时，初步判断监测区段线路上可能发生单相接地故障，并通过录波装置向定位装置中传输故障波形信息，进行故障特征分析。

4.根据权利要求3所述的基于电流负序故障的单相接地故障区段定位方法，其特征在于，对上传至定位装置的波形信息进行故障特征分析，其具体方法是：根据故障波形信息得到小波模极大值，确定故障发生准确时刻t₀；将故障发生时刻前后相差整周期倍数的相电流相减，获取各相电流故障分量；对各相电流故障分量进行计算，获取负序故障分量、零序故障分量及对应的幅值。

5.根据权利要求4所述的基于电流负序故障的单相接地故障区段定位方法，其特征在于，当单相接地故障发生后，获取故障发生时刻前后各5周期的相电流做减法运算，得到各相电流故障分量。

6.根据权利要求1所述的基于电流负序故障的单相接地故障区段定位方法，其特征在于，利用对称分量法逆变换对各相电流故障分量进行计算，得到各预判故障区段线路上电流的负序故障分量和零序故障分量，所采用的对称分量法逆变换公式：

其中，

为方向因子；

预判故障区段线路上的正序故障分量、负序故障分量和零序故障分量；

为预判故障区段线路上的各相电流故障分量；

根据各预判故障区段线路上的负序故障分量和零序故障分量获取负序故障分量幅值和零序故障分量幅值。

7.根据权利要求1-6任一所述的基于电流负序故障的单相接地故障区段定位方法，其特征在于，对所有预判故障区段进行故障定位判断的方法是，当所得预判故障区段线路上的负序故障分量幅值与零序故障分量幅值间的幅值比值大于自适应阈值时，判定对应预判故障区段线路为故障区段；当所得预判故障区段线路上的负序故障分量幅值与零序故障分量幅值间的幅值比值小于自适应阈值时，则判断对应预判故障区段线路为正常区段。

8.一种基于电流负序故障的单相接地故障区段定位系统，其特征在于，包括设置于配电网线路各区段中的监测装置、录波装置、定位装置、计算模块和判定模块，所述监测装置中设有相电流互感器，用于实时测量所在区段配电网的三相电流，并预测出可能发生单相接地故障的预判故障区段；

所述录波装置和定位装置分别与所述监测装置电性连接，当所述监测装置预测出可能发生单相接地故障的预判故障区段时，所述录波装置自动启动，并向所述定位装置传输故障波形信息；

所述计算模块对所有预判故障区段的故障波形信息进行提取，并经计算得到负序故障分量幅值和零序故障分量幅值及二者幅值比值；

所述判定模块中设有自适应阈值，将所得幅值比值与自适应阈值进行比对，完成对所有预判故障区段中故障区段的定位判断。

9.根据权利要求8所述的基于电流负序故障的单相接地故障区段定位系统其特征在于，所述判定模块中设置的自适应阈值

为0.85～1.0。

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