CN115144696B - 一种小电流接地系统故障选线方法、装置、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小电流接地系统故障选线方法、装置、设备及介质，本发明提供的小电流接地系统故障选线方法，采用小电流接地系统接地过程中暂态零序电流信号作为故障选线特征参数，可适用于中性点不接地、中性点经消弧线圈接地系统、高阻接地等三种不同接地运行方式；采用路图拉普拉斯算子范数作为故障选线判别标准，故障线路与非故障线路的故障特征区别明显，提高了选线的成功率；将暂态零序电流信号变换成路图信号，将暂态零序电流信号从时域转移到图谱域进行分析计算，为小电流接地系统单相接地故障提供了新的选线方法。

Description

一种小电流接地系统故障选线方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明属于电力故障检测技术领域，具体涉及一种小电流接地系统故障选线方法、装置、设备及介质。

背景技术

配电网作为电力系统末端直接与用户相连起分配电能作用的网络，决定了供电的经济、安全及稳定。在我国6～66kV配电网广泛采用小电流接地运行方式，小电流接地运行方式是指中性点不接地或中性点经消弧线圈接地系统和高阻接地的三相系统，又称中性点非有效接地系统。单相接地故障是配电网最常见的故障，当配电网发生单相接地故障，由于故障电流很小，并且线电压依旧保持着三相对称平衡，故1～2小时内并不会影响系统正常运行。但随着配电网的迅速发展，缆线混合越来越多，使系统的对地电容电流增大；故障相对地电压降低，非故障相电压升高，长时间接地运行，极易发展成两相接地短路；接地点电容电流又可能引起故障处电弧飞跃，造成弧光过电压。这些不利因素影响将威胁到电力系统的安全稳定运行，因此，进一步研究如何快速并准确地识别故障线路，具有很强的理论和现实意义。

现有技术中，普遍采用外加信号注入法、零序电流比幅比相法、零序导纳法、谐波分量法、有功分量法、特征频带法、小波分析法等多种选线方法进行单相接地故障选线，但上述方法易受到接地电阻、不平衡电流、接地故障位置、提取故障特征量困难、电压初始角、不稳定的电弧等一种或多种因素影响，往往存在漏选、误选等情况，选线正确率有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小电流接地系统故障选线方法、装置、设备及介质，以解决现有技术中，单相接地故障选线存在漏选、误选等情况，选线正确率不高的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面，提供了一种小电流接地系统故障选线方法，包括如下步骤：

当发生单相接地故障时，记录发生单相接地故障时间节点后的零序电流数据；

从所述零序电流数据中采样，获得单相接地故障后的暂态零序电流数据；

将所述暂态零序电流数据作为路图信号的顶点值，构建各出线暂态零序电流路图信号；

计算各出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯矩阵；

基于所述各出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯矩阵，计算出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯算子范数；

比较拉普拉斯算子范数大小，将最大的拉普拉斯算子范数对应的线路作为故障线路。

作为本发明的可选方案，所述当发生单相接地故障时，记录发生单相接地故障时间节点后的零序电流数据的步骤中，判断是否单相接地故障的方法如下：

获取母线的零序电压数据；

依据所述零序电压数据判别是否发生单相接地故障。

作为本发明的可选方案，所述依据所述零序电压数据判别是否发生单相接地故障的步骤，具体包括：如果母线的零序电压U₀大于预设值0.3_N，则判定发生单相接地故障。

作为本发明的可选方案，所述获取母线的零序电压数据的步骤中，利用变电站端的微机保护、继保综信、智能测控终端，或线路的录波型故障指示器来获取母线的零序电压数据。

作为本发明的可选方案，所述将所述暂态零序电流数据作为路图信号的顶点值，构建各出线暂态零序电流路图信号的步骤，具体包括：以各采样点依次作为路图的顶点，并以对应时刻的采样值作为路图顶点值，路图顶点值记为f＝[f₁,f₂,…,f_N-1]^T,f_i∈R^N，分别得到各出线暂态零序电流路图信号。

作为本发明的可选方案，所述基于所述各出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯矩阵，计算出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯算子范数的步骤中，图拉普拉斯算子范数定义为：

其中，S₂(f)为图拉普拉斯二次型。

作为本发明的可选方案，图拉普拉斯二次型S₂(f)通过下式计算得到：

上式中，当p＝2时，S₂(f)为图拉普拉斯二次型。

本发明的第二方面，提供了一种小电流接地系统故障选线装置，包括：

记录模块，用于当发生单相接地故障时，记录发生单相接地故障时间节点后的零序电流数据；

采样模块，用于从所述零序电流数据中采样，获得单相接地故障后的暂态零序电流数据；

路图信号构建模块，用于将所述暂态零序电流数据作为路图信号的顶点值，构建各出线暂态零序电流路图信号；

第一计算模块，用于计算各出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯矩阵；

第二计算模块，用于基于所述各出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯矩阵，计算出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯算子范数；

比较模块，用于比较拉普拉斯算子范数大小，将最大的拉普拉斯算子范数对应的线路作为故障线路。

本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序以实现上述的小电流接地系统故障选线方法。

本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有至少一个指令，所述至少一个指令被处理器执行时实现上述的小电流接地系统故障选线方法。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的小电流接地系统故障选线方法，采用小电流接地系统接地过程中暂态零序电流信号作为故障选线特征参数，可适用于中性点不接地、中性点经消弧线圈接地系统、高阻接地等三种不同接地运行方式；采用路图拉普拉斯算子范数作为故障选线判别标准，故障线路与非故障线路的故障特征区别明显，提高了选线的成功率；将暂态零序电流信号变换成路图信号，将暂态零序电流信号从时域转移到图谱域进行分析计算，为小电流接地系统单相接地故障提供了新的选线方法。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的小电流接地系统故障选线方法流程图。

图2为本发明一种小电流接地系统故障选线装置的结构框图。

图3为本发明一种电子设备的结构框图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

实施例1

本发明实施例1提供了一种小电流接地系统故障选线方法，基于路图拉普拉斯算子范数的大小来实现，应用于电力系统配电网，所述配电网中包括多条配网线路。

如图1所示，一种小电流接地系统故障选线方法，包括如下步骤：

步骤S1：获取母线的零序电压数据。

具体来说，本步骤中，是利用变电站端的微机保护、继保综信、智能测控终端，或线路的录波型故障指示器等多种方式采集母线的零序电压数据。

步骤S2：通过母线的零序电压数据，判别是否发生单相接地故障。

具体来说，本步骤中，判别是否发生单相接地故障的方法如下：

获取母线零序电压之后，如果出现母线零序电压U₀大于0.3U_N，或者智能调度控制系统10kV/35kV母线接地告警信号动作，则判定为发生单相接地故障。U_N是额定线路电压。

步骤S3：如果没有发生单相接地故障，返回步骤S1；如果发生单相接地故障，此时启动故障零序电流录波，记录该发生单相接地故障的时间节点后零序电流数据。

步骤S4：从步骤S3所获得的零序电流数据中进行采样，获取单相接地故障后的暂态零序电流数据。

作为示例，本步骤中，对各出线零序电流数据以频率50kHZ进行采样。

步骤S5：基于步骤S4获得的暂态零序电流数据，以暂态零序电流数据为路图信号的顶点值，构建各出线暂态零序电流路图信号。具体来说，是以各采样点依次作为路图的顶点，并以对应时刻的采样值作为路图顶点值，记为f＝[f₁,f₂,…,f_N-1]^T,f_i∈R^N。

需要说明的是，一个无向、连通、加权图可表示为G＝{V，E，W}，其中，V为顶点的有限集合(集合中元素个数为N)；E为边的集合；W为加权邻接矩阵，表示图中连接边的权重，如果顶点i与顶点j有边e_ij连接，则用W_ij表示连接边e_ij的权重，若无边连接，则W_ij＝0。本实施例采用的路图表示的是顶点与顶点顺次由边连接构成的一类无向图，可以广泛表示一类基本信号，如时间序列信号。时间序列信号与路图有如下的对应关系：时间序列的依次性对应了路图的内部结构，即时间序列信号的采样点对应路图的顶点；时间序列信号的函数值对应了路图信号的函数值，并且边的连接是按照采样点组成的顶点序列顺次连接的。

步骤S6：计算各出线暂态零序电流路图信号的度矩阵、权重矩阵，得到各路图信号的拉普拉斯矩阵，具体计算方式如下：

路图拉普拉斯矩阵建立在邻接矩阵的基础上，具有邻接矩阵不包含的顶点度信息，能更好地反映路图中蕴含在顶点之间的关系。路图信号的拉普拉斯矩阵定义为：

L＝D-W (1)

其中，D为路图信号的度对角矩阵，其对角元素d_ii＝∑_jw_ij，为对应顶点度数，表示路图中与顶点i有边连接的个数。W为路图信号的权重矩阵，是一个用二维数组存放顶点间关系的矩阵。本发明采用各顶点之间以边权重W_ij＝1连接，以权值都等于1来定义，可忽略顶点之间边权重的差异。

对路图拉普拉斯矩阵进行标准正交分解，得到的拉普拉斯特征值λ_l和拉普拉斯特征向量x_l满足：

Lx_l＝λ_lx_l (2)

其中l＝0,1,…N-1。从其定义可知，路图拉普拉斯矩阵L是实对称矩阵，具有一组完全正交的特征向量x_l，其中，阶次l＝0,1,…N-1。同时，定义相应拉普拉斯矩阵的非负实特征值0＝λ₀<λ1≤λ₂…≤λ_N-1＝λ_max，记σ(L)＝{λ₀,λ₁,λ₂,…,λ_N-1}为路图的拉普拉斯特征值谱，记X＝{x₀,x₁,x₂,…,x_N-1}为路图的拉普拉斯特征向量矩阵。

步骤S7：计算各路图信号的拉普拉斯算子范数，比较范数特征大小，将拉普拉斯算子范数最大的线路作为故障线路。具体方法如下：

对于图信号f，对应顶点i、j(i,j＝1,2,…,N)的顶点值为f_i和f_j，对连接边e_ij求偏导，并对顶点i取值：

而图信号在顶点i的梯度是包含顶点i处所有边的N维向量：

需要说明的是，节点i的梯度向量中的非零元素的数量是连接到该节点的节点数。

图信号f在节点i的局部方差表示为节点i处的梯度向量的l₂范数：

该范数只考虑了对顶点i的取值，称之图信号的局部平滑度，反映图信号内部结构与顶点i的平滑关系。如果分别对顶点i、j取值，则可得到图信号的全局平滑度。对于图信号的全局平滑度，定义图信号f的离散p-Dirichlet形式S_p(f)为：

当p＝2时，S₂(f)为图拉普拉斯二次型。

图拉普拉斯算子范数定义为：

‖f‖_L为一个由图信号f和图拉普拉斯矩阵L决定的值。如果路图信号f为一定值的向量，则‖f‖_L＝0。一般地，对于一个路图信号f，如果路图信号f波动较小，则‖f‖_L较小；反之，‖f‖_L较大。图拉普拉斯算子范数的大小能直接反映图信号内部结构的平滑特性，是表征图信号全局平滑的具体指标，反映了数据内部结构特征，并具有特征单一、计算简单的特点。

由于在单相接地故障发生的初始阶段，接地电流的暂态分量较其稳态值大很多倍，含有丰富的特征量，而暂态零序电流特性主要由暂态电容特性所决定，故不论中性点接地与否，故障点的暂态零序电流特性总是相同的。即在故障初始阶段，流过故障线路的暂态零序电流幅值最大且等于流过所有健全线路的暂态零序电流幅值之和，电流方向与健全线路相反。因此利用暂态零序电流这一特点，通过计算各出线暂态零序电流路图的拉普拉斯算子范数，通过比较分析其范数特征参数大小，达到判别故障线路的目的。

本发明采用一定的频率对各出线暂态零序电流采样，将各个出线暂态零序电流采样数据表示成顶点与顶点顺次由边连接构成的路图。通过分析比较各出线暂态零序电流路图拉普拉斯算子范数，实现小电流接地系统单相接地故障选线；具体采用一定频率采样各出线暂态零序电流数据，将采集到的各出线暂态零序电流数据变换为各出线暂态零序电流路图信号，再经过各个暂态零序电流路图信号进行拉普拉斯矩阵分析，利用拉普拉斯矩阵对各个暂态零序电流路图信号进行计算比较拉普拉斯算子范数，最终选出故障线路。

本发明改善了小电流接地系统单相接地故障选线条件，提供了一种新的故障选线方法，即采用基于路图拉普拉斯方法，本发明规避小电流接地系统过程中可能存在的干扰噪声信号、不确定扰动信号、接地方式及过渡电阻对选线过程的影响，对故障后暂态零序电流进行一定频率采样，利用采样后的各出线暂态零序电流数据变换为路图信号，通过拉普拉斯分析方法得到各个出线路图信号的拉普拉斯算子范数，将故障线路与非故障线路分别划分为不同类别，本发明能够有效检测复杂场景下的故障线路，能够适应不同消弧线圈补偿度、故障点位置、负荷大小、过渡电阻变化等不同接地条件。

实施例2

如图2所示，本发明实施例2提供了一种小电流接地系统故障选线装置，包括：

记录模块，用于当发生单相接地故障时，记录发生单相接地故障时间节点后的零序电流数据。判断是否单相接地故障的方法为：获取母线的零序电压数据；如果母线的零序电压U₀大于预设值0.3_N，则判定发生单相接地故障。

采样模块，用于从所述零序电流数据中采样，获得单相接地故障后的暂态零序电流数据。

路图信号构建模块，用于将所述暂态零序电流数据作为路图信号的顶点值，构建各出线暂态零序电流路图信号。

第一计算模块，用于计算各出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯矩阵。

第二计算模块，用于基于所述各出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯矩阵，计算出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯算子范数。

图拉普拉斯算子范数定义为：

其中，S₂(f)为图拉普拉斯二次型，通过下式计算得到：

上式中，当p＝2时，S₂(f)为图拉普拉斯二次型。

比较模块，用于比较拉普拉斯算子范数大小，将最大的拉普拉斯算子范数对应的线路作为故障线路。

实施例3

如图3所示，本发明还提供一种用于实现实施例1一种小电流接地系统故障选线方法的电子设备100；电子设备100包括存储器101、至少一个处理器102、存储在存储器101中并可在至少一个处理器102上运行的计算机程序103及至少一条通讯总线104。存储器101可用于存储计算机程序103，处理器102通过运行或执行存储在存储器101内的计算机程序，以及调用存储在存储器101内的数据，实现实施例11一种小电流接地系统故障选线方法的步骤。存储器101可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据电子设备100的使用所创建的数据(比如音频数据)等。此外，存储器101可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。

至少一个处理器102可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。处理器102可以是微处理器或者该处理器102也可以是任何常规的处理器等，处理器102是电子设备100的控制中心，利用各种接口和线路连接整个电子设备100的各个部分。电子设备100中的存储器101存储多个指令以实现一种小电流接地系统故障选线方法，处理器102可执行多个指令从而实现：

当发生单相接地故障时，记录发生单相接地故障时间节点后的零序电流数据；

从所述零序电流数据中采样，获得单相接地故障后的暂态零序电流数据；

将所述暂态零序电流数据作为路图信号的顶点值，构建各出线暂态零序电流路图信号；

计算各出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯矩阵；

基于所述各出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯矩阵，计算出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯算子范数；

比较拉普拉斯算子范数大小，将最大的拉普拉斯算子范数对应的线路作为故障线路。

实施例4

电子设备100集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器及只读存储器(ROM，Read-Only Memory)。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小电流接地系统故障选线方法，其特征在于，包括如下步骤：

当发生单相接地故障时，记录发生单相接地故障时间节点后的零序电流数据；

从所述零序电流数据中采样，获得单相接地故障后的暂态零序电流数据；

将所述暂态零序电流数据作为路图信号的顶点值，构建各出线暂态零序电流路图信号；

计算各出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯矩阵；

基于所述各出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯矩阵，计算出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯算子范数；图拉普拉斯算子范数定义为：

其中，S₂(f)为图拉普拉斯二次型；图拉普拉斯二次型S₂(f)通过下式计算得到：

式中，p表示图拉普拉斯算子范数的次数，j表示顶点序号，v表示顶点集合，表示图信号f在节点i的局部方差，v_i表示第i个顶点，w_ij表示顶点i和顶点j之间边的权重，f_i表示顶点i的值，f_j表示顶点j的值；当p＝2时，/>S₂(f)为图拉普拉斯二次型；

比较拉普拉斯算子范数大小，将最大的拉普拉斯算子范数对应的线路作为故障线路。

2.根据权利要求1所述的小电流接地系统故障选线方法，其特征在于，所述当发生单相接地故障时，记录发生单相接地故障时间节点后的零序电流数据的步骤中，判断是否单相接地故障的方法如下：

获取母线的零序电压数据；

依据所述零序电压数据判别是否发生单相接地故障。

3.根据权利要求2所述的小电流接地系统故障选线方法，其特征在于，所述依据所述零序电压数据判别是否发生单相接地故障的步骤，具体包括：如果母线的零序电压U₀大于预设值0.3U_N，则判定发生单相接地故障。

4.根据权利要求2所述的小电流接地系统故障选线方法，其特征在于，所述获取母线的零序电压数据的步骤中，利用变电站端的微机保护、继保综信、智能测控终端，或线路的录波型故障指示器来获取母线的零序电压数据。

5.根据权利要求1所述的小电流接地系统故障选线方法，其特征在于，所述将所述暂态零序电流数据作为路图信号的顶点值，构建各出线暂态零序电流路图信号的步骤，具体包括：以各采样点依次作为路图的顶点，并以对应时刻的采样值作为路图顶点值，路图顶点值记为f＝[f₁,f₂,…,f_N-1]^T,f_i∈R^N，分别得到各出线暂态零序电流路图信号。

6.一种小电流接地系统故障选线装置，其特征在于，包括：

记录模块，用于当发生单相接地故障时，记录发生单相接地故障时间节点后的零序电流数据；

采样模块，用于从所述零序电流数据中采样，获得单相接地故障后的暂态零序电流数据；

路图信号构建模块，用于将所述暂态零序电流数据作为路图信号的顶点值，构建各出线暂态零序电流路图信号；

第一计算模块，用于计算各出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯矩阵；

第二计算模块，用于基于所述各出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯矩阵，计算出线暂态零序电流路图信号的拉普拉斯算子范数；

图拉普拉斯算子范数定义为：

其中，S₂(f)为图拉普拉斯二次型；图拉普拉斯二次型S₂(f)通过下式计算得到：

式中，p表示图拉普拉斯算子范数的次数，j表示顶点序号，v表示顶点集合，表示图信号f在节点i的局部方差，v_i表示第i个顶点，w_ij表示顶点i和顶点j之间边的权重，f_i表示顶点i的值，f_j表示顶点j的值；当p＝2时，/>S₂(f)为图拉普拉斯二次型；

比较模块，用于比较拉普拉斯算子范数大小，将最大的拉普拉斯算子范数对应的线路作为故障线路。

7.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序以实现如权利要求1至5中任意一项所述的小电流接地系统故障选线方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有至少一个指令，所述至少一个指令被处理器执行时实现如权利要求1至5中任意一项所述的小电流接地系统故障选线方法。