CN117148041A - 基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知方法和系统，方法包括：在待故障感知山区配电网的三相线路的两端分别连接一个三相电压互感器；通过任意一端三相电压互感器持续输入异频恒幅的小电流特征信号；在另一端三相电压互感器持续测量接收得到电压信号；根据小电流特征信号及电压信号计算得到每个时刻的山区配电网等效对地参数；基于山区配电网等效对地参数得到待故障感知山区配电网的故障感知结果。结合正常和故障时的对地参数比值与比值阈值系数的比较，实现山区配电网复杂接地故障精准感知，将故障感知由被动式检测变为主动式检测，不会受电网系统不对称度的影响，能够有效地完成对单相接地故障的检测。
Description
技术领域
本发明属于山区配电网接地故障感知技术领域，尤其涉及基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知方法和系统。
背景技术
配电网作为电能输送的“最后一公里”，与电力用户紧密相连，随机故障频发，其中单相接地故障占比近八成。尤其是处于山区的配电网，山区配电网所处环境复杂，发生单相接地故障概率较大，故障发展趋势也难以预料。由于中性点非有效接地方式可使山区配电网在发生单相接地故障后，线电压依旧保持对称，短时间内不影响供电，故在中压山区配电网中应用广泛。然而，该接地方式的山区配电网在发生单相接地故障后，故障特征微弱，导致故障检测十分困难，威胁人身及设备安全。所以，故障检测作为故障处理的前提条件，对非有效接地山区配电网的安稳运行具有重要意义。
中性点的接地方式对单相接地故障的故障机理与故障特征影响显著，导致故障检测方法也不尽相同。传统的山区配电网单相接地故障检测方法主要以中性点零序电压作为判据，即当其大于相电压一定程度时(一般取15％)，认为单相接地故障发生，反之运行正常。然而，山区配电网通常处于不完全对称状态，严重时可能会使得相不平衡过电压过大，导致中性点零序电压过大。此外，对于谐振接地山区配电网，电感、电容的串联谐振会造成中性点零序电压升高，可能导致谐振电压大大超过15％相电压。
目前，山区配电网故障检测方法主要分为以下几类：基于稳态分量的故障检测方法、基于小波变换的故障检测方法、基于人工神经网络的故障检测方法、基于信号注入的故障检测方法。据部分稳态电气量(如零序电流、功率等)的变化情况来判别故障是否发生。该方法一般只对金属性接地故障有效，当山区配电网发生高阻接地故障时，因其过渡电阻大，导致故障电流小，引起的电气量变化不明显，会降低该方法的准确性。小波变换方法一定程度上提高了单相接地故障检测率，但仍存在检测死区问题，没有从根源上解决单相接地故障检测灵敏度低的难题。基于人工神经网络的故障检测方法虽也在一定程度上提高了故障检测率，但目前发展并不完善。基于信号注入的故障检测方法由于外加的注入信号需要通过电压互感器才可导入山区配电网，而电压互感器的内阻抗会导致山区配电网零序回路发生变化，并且内阻抗的分压作用也会衰减有效信号，因此，该方法在应对高阻接地故障时的检测精度并不突出。
综上，现有的大部分山区配电网单相接地故障检测方法存在检测结果不可靠、灵敏度较低、检测范围较小及无法有效检测高阻接地故障等缺憾。
发明内容
为了弥补现有技术的缺陷，本发明提供了基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知方法和系统。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
第一方面，提供了一种基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知方法，包括：
在待故障感知山区配电网的三相线路的两端分别连接一个三相电压互感器；
通过任意一端三相电压互感器持续输入异频恒幅的小电流特征信号；
在另一端三相电压互感器持续测量接收得到电压信号；
根据小电流特征信号及电压信号计算得到每个时刻的山区配电网等效对地参数；
基于山区配电网等效对地参数得到待故障感知山区配电网的故障感知结果。
进一步的，异频恒幅的小电流特征信号的特征频率与工频不同。
进一步的，根据小电流特征信号及电压信号计算得到每个时刻的山区配电网等效对地参数，包括：
获取两个三相电压互感器的预设变比值n1及n2、待故障感知山区配电网的三相对地泄漏电导和g0∑及三相对地电容和C0∑、预置中性点接地导纳YN；
确定小电流特征信号I0的电流频率f；
通过山区配电网等效对地参数计算公式：
其中，U0为电压信号，Re表示求取向量的实部，Im表示求取向量的虚部；
计算得到每个时刻的山区配电网等效对地参数d01。
进一步的，基于山区配电网等效对地参数得到待故障感知山区配电网的故障感知结果，包括：
计算当前时刻的山区配电网等效对地参数与上一时刻的山区配电网等效对地参数的比值，得到参数比值；
判断参数比值是否超过预设阈值；
若超过，则确定待故障感知山区配电网的故障感知结果为出现故障；
若未超过，则确定待故障感知山区配电网的故障感知结果为未出现故障。
进一步的，确定待故障感知山区配电网的故障感知结果为出现故障之后，还包括：
获取出现故障之后的故障对地参数d02；
通过过渡电阻计算公式计算得到过渡电阻Rf；
根据过渡电阻Rf的变化量得到接地故障的故障发展趋势信息。
第二方面，提供了一种基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知系统，包括：
配置模块，用于在待故障感知山区配电网的三相线路的两端分别连接一个三相电压互感器；
输入模块，用于通过任意一端三相电压互感器持续输入异频恒幅的小电流特征信号；
测量模块，用于在另一端三相电压互感器持续测量接收得到电压信号；
对地参数计算模块，用于根据小电流特征信号及电压信号计算得到每个时刻的山区配电网等效对地参数；
故障感知模块，用于基于山区配电网等效对地参数得到待故障感知山区配电网的故障感知结果。
进一步的，异频恒幅的小电流特征信号的特征频率与工频不同。
进一步的，对地参数计算模块，具体用于获取两个三相电压互感器的预设变比值n1及n2、待故障感知山区配电网的三相对地泄漏电导和g0∑及三相对地电容和C0∑、预置中性点接地导纳YN；确定小电流特征信号I0的电流频率f；通过山区配电网等效对地参数计算公式：
其中，U0为电压信号，Re表示求取向量的实部，Im表示求取向量的虚部；计算得到每个时刻的山区配电网等效对地参数d01。
进一步的，故障感知模块，具体用于计算当前时刻的山区配电网等效对地参数与上一时刻的山区配电网等效对地参数的比值，得到参数比值；判断参数比值是否超过预设阈值；若超过，则确定待故障感知山区配电网的故障感知结果为出现故障；若未超过，则确定待故障感知山区配电网的故障感知结果为未出现故障。
进一步的，故障感知模块，还用于获取出现故障之后的故障对地参数d02；通过过渡电阻计算公式计算得到过渡电阻Rf；根据过渡电阻Rf的变化量得到接地故障的故障发展趋势信息。
本发明所达到的有益效果：
在待故障感知山区配电网的三相线路的两端分别连接一个三相电压互感器；通过任意一端三相电压互感器持续输入异频恒幅的小电流特征信号；在另一端三相电压互感器持续测量接收得到电压信号；根据小电流特征信号及电压信号计算得到每个时刻的山区配电网等效对地参数；基于山区配电网等效对地参数得到待故障感知山区配电网的故障感知结果。结合正常和故障时的对地参数比值与比值阈值系数的比较，实现山区配电网复杂接地故障精准感知，将故障感知由被动式检测变为主动式检测，不会受电网系统不对称度的影响，能够有效地完成对单相接地故障的检测；通过过渡电阻实现故障发展趋势的感知，可靠性强。
附图说明
图1为本发明基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知的原理图；
图2为本发明基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知的等效电路图；
图3为本发明基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知的等效电路简化图；
图4为本发明基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知方法的流程图；
图5为本发明基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知系统的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明中基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知的原理图如图1所示。其中，EA、EB、EC为三相电源电势；N为待故障感知山区配电网的中性点；YN为中性点接地导纳，其不同取值表示中性点不同接地方式；n为待故障感知山区配电网线路总条数；giA、giB、giC为线路i(i＝1,2,…,n)的三相对地泄漏电导；CiA、CiB、CiC表示线路i的三相对地电容；三相电压互感器P与Q的一次侧均连接在中性点N，二次侧分别为异频恒幅的小电流特征信号的输入端与电压信号的测量端；Z0为电压互感器消谐电阻，其值通常取20～50Ω，作用是消耗谐振能量以抑制或消除铁磁谐振；Rf为单相接地故障的过渡电阻；
在中性点非有效接地山区配电网的电压互感器P二次测注入异频恒幅的小电流特征信号I0，I1为其一次侧转化出的零序电流；在另一电压互感器Q的空载二次侧测量返回的电压信号U0。将小电流特征信号I0的特定频率设为非工频且非工频的整数倍，可避免I0产生的工频谐振或谐波分量影响山区配电网稳定运行；
基于图1绘制中性点非有效接地山区配电网接地故障感知与过渡电阻计算等效电路图如图2所示，其中，gi＝giA+giB+giC，Ci＝CiA+CiB+CiC，i＝1，2，…，n；I′0为I0转化到电压互感器P一次侧的电流值；U′0为U0转化到电压互感器Q一次侧的电压值；Rx1和Lx1分别是电压互感器x(x＝P,Q)一次侧的漏电阻和漏电感；R′x1和L′x1分别是电压互感器x二次侧归算到一次侧的漏电阻和漏电感；Zxm为电压互感器x的励磁阻抗。由于Zxm远大于电压互感器短路阻抗和线路对地阻抗，导致励磁电流几乎为零，励磁支路等效为开路。因此，在山区配电网对地参数的测量过程中，可以不用考虑电压互感器励磁支路的影响。
根据上述分析，不受山区配电网结构影响的实时故障感知及过渡电阻计算的等效电路图可简化为图3所示，C0∑为山区配电网总的接地电容：C0∑＝C1+C2+…+Cn；g0∑为山区配电网总的对地泄漏电导：g0∑＝g1+g2+…+gn。由于励磁支路等效为开路，即I1＝I′0，可有效避免电压互感器内阻抗及消谐电阻的分流效应。
基于以上图1-图3所示的原理，如图4所示，本发明实施例提供一种基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知方法，包括：
401，在待故障感知山区配电网的三相线路的两端分别连接一个三相电压互感器；
在需要进行故障监控的山区配电网的三相线路的两端分别连接一个三相电压互感器。
402，通过任意一端三相电压互感器持续输入异频恒幅的小电流特征信号；
403，在另一端三相电压互感器持续测量接收得到电压信号；
404，根据小电流特征信号及电压信号计算得到每个时刻的山区配电网等效对地参数；
获取两个三相电压互感器的预设变比值n1及n2、待故障感知山区配电网的三相对地泄漏电导和g0∑及三相对地电容和C0∑、预置中性点接地导纳YN；
基于图3所示的电路简化图，若电压传感器P、Q的变比分别为n1、n2，则小电流特征信号I0与其转化到一次侧的等效电流值I′0的关系式为：
在电压传感器Q的空载二次侧测量电压信号U0，由于测量端空载，可有效避免电压互感器内阻抗及消谐电阻的分压效应，此时U0与其转化到一次侧的等效电压值U′0的关系式为：U′0＝n2U0；山区配电网总的等效对地零序导纳为：
确定小电流特征信号I0的电流频率f；
通过山区配电网等效对地参数计算公式：
其中，U0为电压信号，Re表示求取向量的实部，Im表示求取向量的虚部；
计算得到每个时刻的山区配电网等效对地参数d01。
405，基于山区配电网等效对地参数得到待故障感知山区配电网的故障感知结果。
基于以上山区配电网等效对地参数计算公式，在发生单相接地故障时，故障对地参数d02的计算公式为：
山区配电网故障发生前后参数比值记为k，其表达式如下：
在中性点非有效接地山区配电网中，主要讨论中性点不接地和谐振接地两种方式；当中性点不接地时，中性点接地导纳YN＝0，此时Re(YN)＝0；当为谐振接地时，中性点接地导纳等效为YN＝1/jωLp(Lp为消弧线圈电感值)，此时Re(YN)＝0；得到参数比值
当山区配电网正常运行时，山区配电网对地参数数值保持不变，此时理论上k＝1；只要k>1，山区配电网就会被判定为发生故障。考虑山区配电网实际运行中存在许多干扰，例如电容器组投切、负载投切以及噪声干扰等，选取参数比值的阈值系数β＝1.5来感知故障，以避免系统干扰影响故障判据，进而降低故障感知的灵敏性。本方法故障感知判据公式为：
当发生了单相接地故障时，通过过渡电阻计算公式：
计算得到过渡电阻Rf；
根据过渡电阻Rf的变化量得到接地故障的故障发展趋势信息。
本发明实施例的实施原理为：
在待故障感知山区配电网的三相线路的两端分别连接一个三相电压互感器；通过任意一端三相电压互感器持续输入异频恒幅的小电流特征信号；在另一端三相电压互感器持续测量接收得到电压信号；根据小电流特征信号及电压信号计算得到每个时刻的山区配电网等效对地参数；基于山区配电网等效对地参数得到待故障感知山区配电网的故障感知结果。结合正常和故障时的对地参数比值与比值阈值系数的比较，实现山区配电网复杂接地故障精准感知，将故障感知由被动式检测变为主动式检测，不会受电网系统不对称度的影响，能够有效地完成对单相接地故障的检测；通过过渡电阻实现故障发展趋势的感知，可靠性强。
如图5所示，本发明实施例提供一种基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知系统，包括：
配置模块501，用于在待故障感知山区配电网的三相线路的两端分别连接一个三相电压互感器；
输入模块502，用于通过任意一端三相电压互感器持续输入异频恒幅的小电流特征信号；
测量模块503，用于在另一端三相电压互感器持续测量接收得到电压信号；
对地参数计算模块504，用于根据小电流特征信号及电压信号计算得到每个时刻的山区配电网等效对地参数；
故障感知模块505，用于基于山区配电网等效对地参数得到待故障感知山区配电网的故障感知结果。
优选的，基于图5所示的实施例，异频恒幅的小电流特征信号的特征频率与工频不同。
优选的，基于图5所示的实施例，对地参数计算模块504，具体用于获取两个三相电压互感器的预设变比值n1及n2、待故障感知山区配电网的三相对地泄漏电导和g0∑及三相对地电容和C0∑、预置中性点接地导纳YN；确定小电流特征信号I0的电流频率f；通过山区配电网等效对地参数计算公式：
其中，U0为电压信号，Re表示求取向量的实部，Im表示求取向量的虚部；计算得到每个时刻的山区配电网等效对地参数d01。
优选的，基于图5所示的实施例，故障感知模块505，具体用于计算当前时刻的山区配电网等效对地参数与上一时刻的山区配电网等效对地参数的比值，得到参数比值；判断参数比值是否超过预设阈值；若超过，则确定待故障感知山区配电网的故障感知结果为出现故障；若未超过，则确定待故障感知山区配电网的故障感知结果为未出现故障。
优选的，基于图5所示的实施例，故障感知模块505，还用于获取出现故障之后的故障对地参数d02；通过过渡电阻计算公式计算得到过渡电阻Rf；根据过渡电阻Rf的变化量得到接地故障的故障发展趋势信息。
本发明实施例的实施原理为：
结合正常和故障时的对地参数比值与比值阈值系数的比较，实现山区配电网复杂接地故障精准感知，将故障感知由被动式检测变为主动式检测，不会受电网系统不对称度的影响，能够有效地完成对单相接地故障的检测；通过过渡电阻实现故障发展趋势的感知，可靠性强。
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。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，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，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知方法，其特征在于，包括：
在待故障感知山区配电网的三相线路的两端分别连接一个三相电压互感器；
通过任意一端所述三相电压互感器持续输入异频恒幅的小电流特征信号；
在另一端所述三相电压互感器持续测量接收得到电压信号；
根据所述小电流特征信号及所述电压信号计算得到每个时刻的山区配电网等效对地参数；
基于所述山区配电网等效对地参数得到所述待故障感知山区配电网的故障感知结果。
2.根据权利要求1所述的基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知方法，其特征在于，
所述异频恒幅的小电流特征信号的特征频率与工频不同。
3.根据权利要求2所述的基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知方法，其特征在于，所述根据所述小电流特征信号及所述电压信号计算得到每个时刻的山区配电网等效对地参数，包括：
获取两个所述三相电压互感器的预设变比值n1及n2、所述待故障感知山区配电网的三相对地泄漏电导和g0∑及三相对地电容和C0∑、预置中性点接地导纳YN；
确定所述小电流特征信号I0的电流频率f；
通过山区配电网等效对地参数计算公式：
其中，所述U0为所述电压信号，所述Re表示求取向量的实部，所述Im表示求取向量的虚部；
计算得到每个时刻的山区配电网等效对地参数d01。
4.根据权利要求3所述的基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知方法，其特征在于，所述基于所述山区配电网等效对地参数得到所述待故障感知山区配电网的故障感知结果，包括：
计算当前时刻的所述山区配电网等效对地参数与上一时刻的所述山区配电网等效对地参数的比值，得到参数比值；
判断所述参数比值是否超过预设阈值；
若超过，则确定所述待故障感知山区配电网的故障感知结果为出现故障；
若未超过，则确定所述待故障感知山区配电网的故障感知结果为未出现故障。
5.根据权利要求4所述的基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知方法，其特征在于，所述确定所述待故障感知山区配电网的故障感知结果为出现故障之后，还包括：
获取出现故障之后的故障对地参数d02；
通过过渡电阻计算公式计算得到过渡电阻Rf；
根据所述过渡电阻Rf的变化量得到接地故障的故障发展趋势信息。
6.一种基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知系统，其特征在于，包括：
配置模块，用于在待故障感知山区配电网的三相线路的两端分别连接一个三相电压互感器；
输入模块，用于通过任意一端所述三相电压互感器持续输入异频恒幅的小电流特征信号；
测量模块，用于在另一端所述三相电压互感器持续测量接收得到电压信号；
对地参数计算模块，用于根据所述小电流特征信号及所述电压信号计算得到每个时刻的山区配电网等效对地参数；
故障感知模块，用于基于所述山区配电网等效对地参数得到所述待故障感知山区配电网的故障感知结果。
7.根据权利要求6所述的基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知系统，其特征在于，
所述异频恒幅的小电流特征信号的特征频率与工频不同。
8.根据权利要求7所述的基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知系统，其特征在于，
所述对地参数计算模块，具体用于获取两个所述三相电压互感器的预设变比值n1及n2、所述待故障感知山区配电网的三相对地泄漏电导和g0∑及三相对地电容和C0∑、预置中性点接地导纳YN；确定所述小电流特征信号I0的电流频率f；通过山区配电网等效对地参数计算公式：
其中，所述U0为所述电压信号，所述Re表示求取向量的实部，所述Im表示求取向量的虚部；计算得到每个时刻的山区配电网等效对地参数d01。
9.根据权利要求8所述的基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知系统，其特征在于，
所述故障感知模块，具体用于计算当前时刻的所述山区配电网等效对地参数与上一时刻的所述山区配电网等效对地参数的比值，得到参数比值；判断所述参数比值是否超过预设阈值；若超过，则确定所述待故障感知山区配电网的故障感知结果为出现故障；若未超过，则确定所述待故障感知山区配电网的故障感知结果为未出现故障。
10.根据权利要求9所述的基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知系统，其特征在于，
所述故障感知模块，还用于获取出现故障之后的故障对地参数d02；通过过渡电阻计算公式计算得到过渡电阻Rf；根据所述过渡电阻Rf的变化量得到接地故障的故障发展趋势信息。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311143440.8A CN117148041A (zh) | 2023-09-06 | 2023-09-06 | 基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知方法和系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311143440.8A CN117148041A (zh) | 2023-09-06 | 2023-09-06 | 基于对地参数谐振测量的山区配电网故障感知方法和系统 |
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Family Applications (1)
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