CN115327298A - 一种用于单相接地故障研判的检测波形生成方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于单相接地故障研判的检测波形生成方法及系统，该方法包括以下步骤：步骤S1：构建不同结构的配电网网架；步骤S2：基于构建的配电网网架，构建线路模型；步骤S3：基于构建的配电网网架和线路模型，进行波形生成与处理，得到检测波形；其中，波形生成与处理包括波形生成前的波形录制预设，以及波形生成后的波形数据、文件处理。该方法及系统有利于生成种类丰富、特征齐全的单相接地故障波形，为配电终端单相接地故障研判性能检测提供充足测试集，从而提高单相接地故障研判的准确率。
Description
技术领域
本发明属于配电设备检测技术领域，具体涉及一种用于单相接地故障研判的检测波形生成方法及系统。
背景技术
在配电线路中，单相接地故障是最常见的一类事故。如果发生单相接地故障后，短时间内没有隔离故障区段，一旦发展成相间短路故障，会产生更大损失。根据国家电网公司发布的《Q/GDW 10370-2016 配电网技术导则》中的相关要求，中压线路发生永久性单相接地故障后，宜按快速就近隔离故障原则进行处理，改变了长期以来单相接地故障下持续运行2小时的传统做法，有利于提高设备及人身安全。故此，利用配电终端对单相接地故障进行精准定位，对故障区段进行精准隔离十分有必要。
然而，尽管当下配电终端的投运量已逐年增加，但实用化程度不高，未能实现“规模化”效应，尤其在单相接地故障研判准确率方面还有待提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于单相接地故障研判的检测波形生成方法及系统，该方法及系统有利于生成种类丰富、特征齐全的单相接地故障波形，为配电终端单相接地故障研判性能检测提供充足测试集。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于单相接地故障研判的检测波形生成方法，包括以下步骤：
步骤S1：构建不同结构的配电网网架；
步骤S2：基于构建的配电网网架，构建线路模型；
步骤S3：基于构建的配电网网架和线路模型，进行波形生成与处理，得到单相接地故障研判的检测波形结果。
进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S1-1：确定系统接地方式为不接地、消弧线圈接地或直接接地；
步骤S1-2：确定线路类型为架空线路、电缆线路或缆线混合线路；
步骤S1-3：确定负载特点，包括负载大小，以及负载的性质为感性、容性或阻性；
步骤S1-4：确定故障点接地方式为阻性接地、金属性接地或弧光接地；
步骤S1-5：根据系统接地方式、线路类型、负载特点及故障点接地方式构建多个不同结构的配电网网架。
进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S2-1：进行系统组态建模，完成系统线路拓扑的构建；
步骤S2-2：进行模型参数设计，包括线路模型参数设计和系统仿真参数设计两部分；所述线路模型参数从其他系统移植或结合现场实际线路进行建模；所述系统仿真参数设计包括选取仿真求解器和确定仿真时长；
步骤S2-3：进行接地点与录波点规划，确定线路中接地点、录波点的位置；
步骤S2-4：进行波形筛选；录波点录制的波形包括：故障前波形、故障时波形、故障后波形；进行波形筛选的步骤包括：从故障前波形、故障时波形及故障后波形中，将故障时波形作为筛选出的波形；
步骤S2-5：基于构建的配电网网架，结合构建的系统线路拓扑、设计的模型参数、规划的接地点与录波点以及筛选出的波形，构建线路模型。
进一步地，接地点的位置选在主干线首端、主干线中部、大分支线路或线路末端，录波点的位置选在馈线出线处、主干线分段处、大分支首端或用户分界处；任一故障点发生接地时，至少有两个录波点进行录波，分别用于收集单相接地故障区内、区外的波形。
进一步地，所述馈线出线处为10kV线路首端，所述主干线分段处为主干线上安装开关的位置，用于将整条主干线分割成若干段，缩小故障停电范围，平均每5公里分段一次；所述大分支首端为主干线中带负载较多的分支线路首端；所述用户分界处为用户专变前。
进一步地，为保证选择性，每一台配电终端有其管理范围，其管理范围内即为故障区内，管理范围以外即为故障区外；区内线路发生单相接地故障时，配电终端发出告警信号；区外线路发生故障，配电终端不动作；期望线路上任意一点发生单相接地故障时，有且仅有一台配电终端发出告警信号，而其他配电终端不动作。
进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S3-1：基于构建的配电网网架和线路模型，进行录波设计，包括确定接地相电压瞬时值、录波采样频率、录波采样点误差补偿、波形长度设计、通道设计；
步骤S3-2：对生成的波形进行一二次转换，得到单相接地故障研判的检测波形结果；
步骤S3-3：进行波形文件管理，统一波形文件的命名规范。
进一步地，采用每个采样点之间等时间间隔的波形测试配电终端性能，而在仿真过程中采用变步长仿真以保证仿真精度，再在进行录波设计时，进行录波采样点误差补偿；进行波形长度设计时，使仿真模型产生的单相接地故障波形长度大于等于配电终端进行故障研判需要的波形长度。
本发明还提供了一种用于单相接地故障研判的检测波形生成系统，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法步骤。
本发明又提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法步骤。
本发明另提供了一种用于单相接地故障研判的检测波形生成装置，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明针对配电网单相接地故障，考虑了影响线路零序电流波形的各类因素，包括网架结构、配电终端位置、接地相电压瞬时值等，完整的梳理出搭建配电网单相接地故障及录波模型的步骤和实现细节。通过本发明生成的波形库约能提供10000种单相接地故障波形，每一种波形都有其独特特征，能代表一类配电网单相接地故障情况。本发明弥补了从现场回收的单相接地故障波形数量不足、种类不全的缺陷，支撑对配电终端单相接地故障研判性能的全面测试，有助于提升入网配电终端的单相接地故障研判性能。
附图说明
图1是本发明实施例的方法实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种用于单相接地故障研判的检测波形生成方法，该方法根据配电网接地方式、线路特性、负载特性、故障点性质等特征，搭建不同的配电网仿真模型，利用仿真模型获取不同特点的单相接地故障波形，对获取的波形进行一定处理之后，得到适用于配电终端测试的波形。该方法具体包括以下步骤：
步骤S1：构建不同结构的配电网网架。线路的网架结构对单相接地故障波形的影响较大，因此，需综合考虑影响单相接地故障波形的各类因素，构建不同结构的配电网网架。
在本实施例中，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S1-1：确定系统接地方式。不同的接地方式对单相接地故障时的零序电流波形幅值、暂态特性有很大的影响，会影响配电终端的研判结果。构建配电网网架结构时，首先需要确定系统的接地方式，为不接地、消弧线圈接地或直接接地。
步骤S1-2：确定线路类型。同等长度的电缆线路和架空线路相比，能提供更大的电容电流。线路中电缆长度的占比不同，故障时的波形特征也有较大差异，对故障研判的影响较大。因此，需要确定线路的类型是架空线路、电缆线路还是缆线混合线路。
步骤S1-3：确定负载特点。包括负载大小，以及负载的性质为感性、容性或是阻性。
步骤S1-4：确定故障点接地方式。故障点接地方式主要有三种，即阻性接地、金属性接地、弧光接地。阻性接地的电阻值不同，故障时电流的波形也不同；发生金属性接地时，接地点对地电阻几乎为零，故障电流较大；弧光接地的故障点与大地之间间歇击穿，单相接地故障波形有其独特特征。
步骤S1-5：根据系统接地方式、线路类型、负载特点及故障点接地方式构建多个不同结构的配电网网架。
步骤S2：基于构建的配电网网架，构建线路模型。在确定网架结构后，需着手搭建线路模型。搭建线路模型过程可以细分为组态建模、参数设计、接地点与录波点规划、波形校验几部分。
在本实施例中，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S2-1：进行系统组态建模。选择合适的仿真软件、元器件完成系统线路拓扑的构建。
步骤S2-2：进行模型参数设计。模型参数设计包括线路模型参数设计、系统仿真参数设计两部分。线路模型参数可从其他系统移植，或是结合现场实际线路进行建模。系统仿真参数设计包括选取仿真求解器、确定仿真时长等。
步骤S2-3：进行接地点与录波点规划，确定线路中接地点、录波点的位置。接地点可位于线路的任意位置。录波点一般位于配电线路上配电终端的位置。
仿真模型产生的波形会被用于配电终端的测试中，模型中录波点的位置应选在配电线路中配电终端的安装位置。接地点的位置选在主干线首端、主干线中部、大分支线路或线路末端。录波点一般位于馈线出线处、主干线分段处、大分支首端、用户分界处。任一故障点发生接地时，应至少有两个录波点进行录波，分别用于收集单相接地故障区内、区外的波形。
其中，所述馈线出线处、主干线分段处、大分支首端、用户分界处分别指：馈线出线处指10kV线路首端；主干线分段处指主干线上安装开关的位置，用于将整条主干线分割成若干段，缩小故障停电范围，分段预设长度可以是1公里、2公里、…、5公里，本实施例中优选5公里作为预设长度；大分支首端指主干线中带负载较多的分支线路首端；用户分界处指用户专变前，该用户专变为用户专用变压器。
所述故障区内、区外分别指：为保证选择性，每一台配电终端有其管理范围，其管理范围称为“区内”，管理范围以外称为“区外”。区内线路发生单相接地故障时，配电终端发出告警信号；区外线路发生故障，配电终端不动作。理想情况下，期望线路上任意一点发生单相接地故障时，有且仅有一台配电终端发出告警信号，而其他配电终端不动作。
步骤S2-4：进行波形筛选。录波点录制的波形包括三大类：故障前波形、故障时波形、故障后波形。故障前波形是系统稳态运行时的波形；故障后波形是指系统故障后，经过暂态过渡过程之后的稳态波形。进行波形筛选的步骤包括：从故障前波形、故障时波形及故障后波形中，将故障时波形作为筛选出的波形。由于现有配电终端一般采用故障暂态波形进行研判，因此，故障前波形、故障后波形均不足以用于配电终端单相接地研判性能检测，需要被剔除，仅保留故障时波形。
步骤S2-5：基于构建的配电网网架，结合构建的系统线路拓扑、设计的模型参数、规划的接地点与录波点以及筛选出的波形，构建线路模型。
步骤S3：基于构建的配电网网架和线路模型，进行波形生成与处理，得到单相接地故障研判的检测波形结果。
在本实施例中，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S3-1：基于构建的配电网网架和线路模型，进行录波设计，包括确定接地相电压瞬时值、录波采样频率、录波采样点误差补偿、波形长度设计、通道设计。
所述接地相电压瞬时值指：线路发生单相接地故障的瞬间，故障相的电压幅值。故障瞬间的电压幅值不同，产生的零序电流波形也不相同，会影响配电终端对单相接地故障的研判结果。所以，生成的波形中需要包含各种有代表性的接地相电压瞬时值。
所述录波采样点误差补偿指：用于测试配电终端性能的波形必须是每个周波等采样点，每个采样点之间等时间间隔的波形；而仿真实验中，为保证仿真精度，常采用变步长仿真，即每个采样点之间的时间间隔有所不同。这就造成了仿真模型采样点与配电终端所需波形的采样点有所不同，进而造成了两种波形的电气量有所差异，需要进行补偿。
所述波形长度设计指：配电终端连续多个周期的波形进行故障研判。仿真模型产生的单相接地故障波形长度需要大于等于配电终端进行故障研判需要的波形长度。
所述通道设计指：故障研判需要三相电压、三相电流、零序电压、零序电流四种波形。其中，零序电压、零序电流的获取方式有两种，一种是在模型中直接通过三相信号进行合成，另一种是系统模型只采集三相信号，零序波形信号由其他软件或配电终端自行合成。
步骤S3-2：进行波形数据处理；通过仿真模型产生的波形均为电气一次值，而配电终端进行故障研判时需要使用的是电气二次值，因此对生成的波形进行一二次转换，得到单相接地故障研判的检测波形结果。
其中，不同厂家生产的配电终端的一二次电气量的变比不同，因此在对波形进行处理时需要根据配电终端的实际情况，确定电气量的一二次变比。
步骤S3-3：进行波形文件管理，统一波形文件的命名规范。
本实施例还提供了一种用于单相接地故障研判的检测波形生成系统，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法步骤。
本实施例又提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法步骤。
本发明另提供了一种用于单相接地故障研判的检测波形生成装置，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法步骤。
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附表，作详细说明如下：
步骤S1：构建不同结构的配电网网架，获得不同的零序电流波形，实现对配电网典型单相接地故障的覆盖。
步骤S1-1：确定系统接地方式。当下配电网的接地方式主要有不接地、消弧线圈接地、直接接地三种方式。构建的网架需要包括以上三种接地方式。
步骤S1-2：确定线路类型。配电网线路类型主要有架空线路、电缆线路、缆线混合线路三种。架空线大约每30km提供1A的对地电容电流；电缆每1km提供1A的对电电容电流。配电网典型长度约为15km，所以考虑以0.5A作为典型纯架空线型出线电容电流值，以5A作为典型架空电缆混合型出线电容电流值，以15A作为典型纯电缆出线电容电流值。
步骤S1-3：确定负载特点。以50A，100A和200A分别作为一般分支、大分支和整条出线的典型负荷值。
步骤S1-4：确定故障点性质。故障点接地方式主要有三种，即阻性接地、金属性接地、弧光接地。阻性接地考虑0～3000欧故障接地过渡电阻；金属性接地将电阻视为0欧；弧光接地考虑过渡电阻1000欧，接地时长200ms。
步骤S2：构建线路模型。在确定网架结构后，需着手搭建线路模型。搭建线路模型过程可以细分为组态建模、参数设计、接地点与录波点规划、波形校验几部分。
步骤S2-1：系统组态建模。选择合适的软件、元器件完成系统线路拓扑的构建。
步骤S2-2：模型参数设计。结合现场实际线路进行建模；综合考虑仿真的精度、仿真时长选取合适的仿真求解器；将仿真时长选定为0.5s，单相接地故障发生在0.2s。
步骤S2-3：接地点与录波点规划。接地点选为主干线首端、主干线中部、大分支线路、线路末端；录波点选为主干线分段处、大分支首端、用户分界处。
步骤S2-4：波形筛选。挑选完整记录到故障发生前稳态情况、故障发生后暂态情况、稳态情况的波形。故障前的稳态持续时间不得少于0.15s，故障后的波形持续时间不得少于0.25s。
步骤S3：波形生成与处理。包括波形生成前的波形录制预设，以及波形生成后的波形数据、文件处理。
步骤S3-1：录波设计。接地相电压瞬时值选为0%、0.25%、0.5%、0.75%、100%峰值电压；录波采样频率选为128点/周波；录波采样点误差补偿，利用插值法对仿真模型采样点与实际录波需求采样点的电气量采样值进行补偿；波形长度选定为12个周波，包括故障前4个周波，故障后8个周波；零序电压、零序电流在仿真模型中由三相电压、三相电流直接合成得到。
步骤S3-2：波形数据处理。根据配电终端PT、CT变比确定波形数据一二次转换的变比。
步骤S3-3：波形文件管理。将波形分为区内故障波形、区外故障波形两大类，再根据接地方式、线路类型、负荷特点、故障点性质等特征分成若干子类；规范波形文件的命名格式，对波形文件进行统一管理。
为便于理解，将步骤S1-步骤S3生成的波形按照特征进行分类，整理至表1中。生成的波形库需包括表1中所列的各类特征的全部组合，即至少生成3*3*3*5*4*3*5=8100种波形，从而实现波形库对配电网单相接地故障波形的典型特征的全覆盖。
表1 波形生成方案独立条件列表
由此可见，本方法能生成规模庞大的单相接地故障波形库，并且每一种波形都有其独特特征，能代表一类配电网单相接地故障情况。基于此波形库能够对配电终端的单相接地故障研判性能进行全面的测试，有助于提高终端配电终端的研判水平，配合现有配电终端的数量，有望实现配电自动化设备“规模化”效应。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (13)
1.一种用于单相接地故障研判的检测波形生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：构建不同结构的配电网网架；
步骤S2：基于构建的配电网网架，构建线路模型；
步骤S3：基于构建的配电网网架和线路模型，进行波形生成与处理，得到单相接地故障研判的检测波形结果。
2.根据权利要求1所述的一种用于单相接地故障研判的检测波形生成方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S1-1：确定系统接地方式为不接地、消弧线圈接地或直接接地；
步骤S1-2：确定线路类型为架空线路、电缆线路或缆线混合线路；
步骤S1-3：确定负载特点，包括负载大小，以及负载的性质为感性、容性或阻性；
步骤S1-4：确定故障点接地方式为阻性接地、金属性接地或弧光接地；
步骤S1-5：根据系统接地方式、线路类型、负载特点及故障点接地方式构建多个不同结构的配电网网架。
3.根据权利要求1所述的一种用于单相接地故障研判的检测波形生成方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S2-1：进行系统组态建模，完成系统线路拓扑的构建；
步骤S2-2：进行模型参数设计，包括线路模型参数设计和系统仿真参数设计两部分；
步骤S2-3：进行接地点与录波点规划，确定线路中接地点、录波点的位置；
步骤S2-4：进行波形筛选；
步骤S2-5：基于构建的配电网网架，结合构建的系统线路拓扑、设计的模型参数、规划的接地点与录波点以及筛选出的波形，构建线路模型。
4.根据权利要求3所述的一种用于单相接地故障研判的检测波形生成方法，其特征在于，所述线路模型参数从其他系统移植或结合现场实际线路进行建模；所述系统仿真参数设计包括选取仿真求解器和确定仿真时长。
5.根据权利要求3所述的一种用于单相接地故障研判的检测波形生成方法，其特征在于，录波点录制的波形包括：故障前波形、故障时波形、故障后波形；进行波形筛选的步骤包括：
从故障前波形、故障时波形及故障后波形中，将故障时波形作为筛选出的波形。
6.根据权利要求3所述的一种用于单相接地故障研判的检测波形生成方法，其特征在于，接地点的位置选在主干线首端、主干线中部、大分支线路或线路末端，录波点的位置选在馈线出线处、主干线分段处、大分支首端或用户分界处；任一故障点发生接地时，至少有两个录波点进行录波，分别用于收集单相接地故障区内、区外的波形。
7.根据权利要求6所述的一种用于单相接地故障研判的检测波形生成方法，其特征在于，所述馈线出线处为10kV线路首端，所述主干线分段处为主干线上安装开关的位置，用于将整条主干线分割成若干段，缩小故障停电范围；所述大分支首端为主干线中带负载较多的分支线路首端；所述用户分界处为用户专变前。
8.根据权利要求6所述的一种用于单相接地故障研判的检测波形生成方法，其特征在于，为保证选择性，每一台配电终端有其管理范围，其管理范围内即为故障区内，管理范围以外即为故障区外；区内线路发生单相接地故障时，配电终端发出告警信号；区外线路发生故障，配电终端不动作；期望线路上任意一点发生单相接地故障时，有且仅有一台配电终端发出告警信号，而其他配电终端不动作。
9.根据权利要求1所述的一种用于单相接地故障研判的检测波形生成方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S3-1：基于构建的配电网网架和线路模型，确定接地相电压瞬时值和录波采样频率，进行录波采样点误差补偿、波形长度设计以及通道设计；
步骤S3-2：对生成的波形进行一二次转换，得到单相接地故障研判的检测波形结果；
步骤S3-3：进行波形文件管理，统一波形文件的命名规范。
10.根据权利要求9所述的一种用于单相接地故障研判的检测波形生成方法，其特征在于，采用每个采样点之间等时间间隔的波形测试配电终端性能，而在仿真过程中采用变步长仿真以保证仿真精度，再在进行录波设计时，进行录波采样点误差补偿；进行波形长度设计时，使仿真模型产生的单相接地故障波形长度大于等于配电终端进行故障研判需要的波形长度。
11.一种用于单相接地故障研判的检测波形生成系统，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现如权利要求1-10任一项所述的方法步骤。
12.一种计算机可读存储介质，其上存储有能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现如权利要求1-10任一项所述的方法步骤。
13.一种用于单相接地故障研判的检测波形生成装置，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现如权利要求1-10任一项所述的方法步骤。
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