CN1657959A - 小电流接地系统输电线路单相接地故障的测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小电流接地系统输电线路单相接地故障的测距方法，属于电力系统输电线路故障测距技术。采用包括上位机和下位机，及上位机和下位机之间通讯接口连接构成的系统，故障的测距过程包括：由数据采集器采集到的零序信号大于门槛值时，启动故障测距算法；对采集到的故障电压数据或故障电流数据进行高通滤波处理，滤除工频及以下低频谐波分量；计算经过滤波处理后的故障信号的周期指数，根据故障信号的周期指数确定线路故障点的距离。本发明的优点在于，能有效的排除负荷扰动对故障测距精度的影响，克服弧光非线性过渡电阻对故障测距准确度的影响，对扰动和噪声有较强的抑制能力；该故障测距算法易于应用到小电流接地系统故障测距中。

Description

小电流接地系统输电线路单相接地故障的测距方法

技术领域

本发明涉及一种小电流接地系统输电线路单相接地故障的测距方法，属于电力系统输电线路故障测距技术。

背景技术

中性点不接地或经消弧线圈接地的电网称为非直接接地电网或称小电流接地系统。在35kV及以下的配电系统和供电系统中常采用这种运行方式。当小电流接地系统发生单相接地故障时，由于接地点的故障电流相对较小，而且，三相之间的线电压仍然对称，所以不影响电网中电气设备的继续运行和对负载的连续供电。只要流过接地点的故障电流不太大，仍允许电网在单相接地故障状态下继续运行1～2h。这也是小电流接地系统运行方式的主要优点。因此在35kV及以下的配电系统和供电系统中得到了广泛采用。在小电流接地系统发生单相接地故障时，在接地点要流过全系统的对地电容电流，如果此电流比较大，就会在接地点燃起电弧，引起弧光过电压。这可能造成非故障相的绝缘破坏，使单相接地故障发展为相间短路或多点接地故障。使事故扩大，从而造成停电事故。

目前，在小电流接地系统中，处理这类故障一般仍采用逐路试停的方法寻找接地线路，采用逐段查找的方式确定故障点。这种方法不但增加了运行人员操作负担，而且延误了处理故障的时间。此外，电力系统的运行经验表明，在各种类型的故障中，单相接地故障占大多数，而且其它类型的故障也往往是由单相接地故障引发而成的。

小电流接地系统发生单相接地故障时，接地电流比较小。这是小电流接地系统运行方式的特点。接地电流小，故障信息弱，不利于故障检测。特别是中性点经消弧线圈接地系统，消弧线圈的补偿作用使接地电流变得更小，给故障检测工作带来了更大的难度。目前对小电流接地系统单相接地故障的测距还没有完善的方法。在大电流系统中常用的阻抗法和行波法，都不能有效估计小电流接地系统的故障距离。行波法是根据故障点与监测点之间故障波头一次往返时间估计故障距离的。由于在故障点、母线监测点和远端母线之间的故障波头可以存在多次反射和透射，所以在故障波形中故障波头的判别常常很困难，尤其是在小电流系统中，故障信号非常弱，故障波头更难判别。由于故障信息弱的特点，电力系统干扰噪声的影响和数据采样系统传感器误差的存在，使这些在大电流系统中行之有效的测距方法在小电流系统故障测距中失败。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小电流接地系统输电线路单相接地故障的测距方法，该方法能有效准确检测输电线路单相接地故障距离。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，该方法采用包括上位机工业控制机，下位机单板机，及上位机和下位机之间通讯接口连接构成的系统，所述的下位机包括故障报警功能，数据采集装置，设置灯光闪烁报警，音响报警和数码显示报警，数据装置的前置端装有较高精度的PT和CT，其特征在于包括以下过程：

1)采用至少100kHz的数据采样频率，由数据采集器采集到的零序信号等于或大于门槛值5A时，启动故障测距算法；

2)对采集到的故障电压数据或故障电流数据进行高通滤波处理，滤波器为一个4阶Butterworth(巴特沃斯)高通滤波器，在滤波器中，系统采样频率f_s＝100kHz，模拟量3dB截止频率f_c＝350Hz，数字量3dB截止频率ω_c＝2πf_c/f_s，预校畸变模拟滤波器截止频率

${\mathrm{\Ω}}_c=\frac{2}{T}\tan \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{2}\right);$

3)计算高通滤波处理过的故障信号的高频周期指数：

经过滤波处理后的故障信号z(t)的高频周期指数按下列步骤进行计算：

首先，由公式(1)计算故障信号z(t)，(t＝1，2，3…，n)的均值序列E(i)，(i＝1，2，3…n)：

$E\left(i\right)=\frac{1}{i}\underset{t=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}z\left(t\right),i\∈[1,n]---\left(1\right)$

式中，i为一时间间隔，在采样时间1到n之间取值，对于每一个不同的i可以得到信号z(t)的一个均值E(i)，i从1变到n，就得到一个序列E(1)，E(2)...E(i)...E(n)；

其次，由公式(2)计算信号z(t)与均值序列E(i)的偏差和F(i，j)：

$F(i,j)=\underset{t=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}(z\left(t\right)-E\left(i\right)),j\∈[1,i]----\left(2\right)$

式中，j在时间间隔[1，i]内变化，偏差和F(i，j)是一个二元函数，因此序列F(i，j)组成一个i×j阶方阵；

然后，由公式(3)计算故障信号的高频周期因子序列G(i)，(i＝1，2，3…n)：

$G\left(i\right)=\underset{j\∈[1,i]}{\max }F(i,j)-\underset{j\∈[1,i]}{\min }F(i,j),i\∈[1,n]----\left(3\right)$

式中，时间间隔i在[1，n]内取值，而变量j在[1，i]内变化，最后，高频周期指数k由公式(4)定义，利用最小二乘法确定，

                         y＝kx                                      (4)

式中，

                         y＝lgG(i))    i∈[1，n]                    (5)

                         x＝lg(i)      i∈[1，n]                    (6)

4)由高频周期指数k计算故障的距离，计算式为：

$l=a\sqrt{k^3}----\left(7\right)$

式中，l为输电线路的故障距离，单位是km，a为距离系数，对于架空线a＝512。

本发明的优点在于，能有效的排除负荷扰动对故障测距精度的影响，克服弧光非线性过渡电阻对故障测距准确度的影响，对电力系统中存在的扰动和噪声有较强的抑制能力；由于故障信号的高频周期指数仅与线路的故障距离相关，与系统的电压等级和线路的参数无关，因此故障测距算法能容易的应用到小电流系统故障测距中。

附图说明

图1是故障测距装置硬件框图。

图2是一个4阶Butterworth高通滤波器幅频特性图。

图3是故障测距算法的流程框图。

图4是故障电压信号波形；在图4中，(a)是电压等级为10kV的电力系统故障信号波形，(b)是电压等级为35kV的电力系统故障信号波形。

图5是故障电压信号经高通滤波处理后的幅频特性曲线；在图5中，(a)是电压等级为10kV的电力系统故障信号波形的幅频特性曲线，(b)是电压等级为35kV的电力系统故障信号波形的幅频特性曲线。

具体实施方式

结合硬件，说明本发明具体实施方式。

上位机采用工业控制机，下位机采用单板机。上位机主要用于日常管理和数据处理，下位机主要用于数据采集和故障测距算法的实现。上位机和下位机之间用通讯接口连接。下位机采用目前主流微处理芯片和具有较高的性能价格比的A/D芯片，并兼顾到转换精度和转换速度指标。数据采集装置可采用插板形式，每一插槽插一块数据采集板，每一采集板可采集一至三条出线的电压和电流数据。整个数据采集装置可插装5至7块数据采集板和一块控制板。控制板用于时钟控制，数据通讯和少量的0，1信号的采集，比如：断路器和继电器的动作信号。

下位机有独立于上位机的故障报警功能，设置灯光闪烁报警，音响报警和数码显示报警。报警装置可人工置位。数据装置的前置端装有较高精度的PT和CT，以便将变电站的表用电压电流信号变换为单板机所用的5V或10V的输入信号。数据采集装置和上下位机的通讯具有高抗干扰能力和高可靠性，采用电磁屏蔽，光电隔离等措施。下位机用于在线监测，采集的数据存储在下位机中，每间隔一段时间将数据送到上位机。上位机的功能是日常管理和数据处理。上位机的主要工作是开发管理软件。下位机主要是硬件的研制，其软件包括，采集数据的软件，与上位机的通讯软件，故障判别，故障测距和报警软件等。上位机软件在WINDOWS 2000平台上开发，选用C++算法语言。下位机软件用相应的汇编语言开发。

本发明利用安装在变电站中的数据采集器或故障录波器(下位机)采集的零序信号作为故障算法的启动信号，零序信号可以是数据采集器采集到的零序电压信号或零序电流信号。启动信号的门槛值，可以根据不同的电压等级或相应零序保护的整定值设定，比如对10kV系统零序电流启动信号的门槛值可以选择在5A。为了有效的计算故障信号的高频周期指数，本发明推荐采用100kHz或以上的数据采样频率，这一采样频率在目前的技术条件下是一个容易实现的指标。计算故障信号高频周期指数所用的数据窗为一个周波，在工频50Hz的情况下，在一个周波0.02s内，需要采集2000个数据。用于计算故障距离的故障信号可以采用电压信号，也可以采用电流信号。当发生了单相接地故障以后，在计算故障信号的高频周期指数之前，首先要对采集到的故障信号进行高通数字滤波处理，以滤除掉故障信号中的基波及以下低频分量。工频分量(基波分量)也从一个侧面反应了故障距离的不同，但是，当工频与高次谐波混在一起时，故障信号的高频周期指数与故障距离不再是简单的单值函数关系，因此，在计算故障信号的高频周期指数之前，需要用高通滤波器将工频分量滤除掉。为了滤除信号中的基波及以下低频分量，本发明给出了一个4阶Butterworth高通滤波器，其幅频特性见附图2。在滤波器中，系统采样频率f_s＝100kHz，模拟量3dB截止频率f_c＝350Hz，数字量3dB截止频率ω_c＝2πf_c/f_s，预校畸变模拟滤波器截止频率 ${\mathrm{\Ω}}_c=\frac{2}{T}\tan \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{2}\right).$ 该滤波器可以滤除工频分量

首先以一个电压等级为10kV，中性点经消弧线圈接地的电力系统为例，说明本发明算法的应用。

被模拟的电力系统实际故障发生在距离监测点20.2km处的线路上。当监测点处采集的零序信号大于某一门槛值时启动测距算法，本例中，采集的零序信号为零序电流，门槛值设为5A。监测点处数据采集器采集到的故障相电压信号波形如图4(a)所示，图中所示的故障起始时间为0.105s。应用本发明介绍的算法，首先利用过程2)给出的4阶Butterworth高通滤波器及相应滤波器参数，对故障相电压信号进行高通滤波处理，其幅频特性如图5(a)所示，由图可以看到在2635Hz，7000Hz，20000Hz，30000Hz和40000Hz等频率上出现了尖峰；然后利用过程3)中的公式(1)～(6)，计算经高通滤波处理过的故障相电压信号的高频周期指数，经计算故障相电压信号所对应的高频周期指数k＝0.119；最后利用过程4)中的公式(7)计算出故障距离l＝21.02km。

第二个例子为一个中性点不接地的35kV电力系统。

实际故障距离是64.1km，监测点处数据采集器采集到的故障相电压信号波形如图4(b)所示，利用4阶Butterworth高通滤波器及相应滤波器参数，对故障相电压信号进行高通滤波处理，其幅频特性如图5(b)所示；然后利用过程3)中的公式(1)～(6)，计算故障相电压信号的高频周期指数，计算所得的高频周期指数k＝0.253；利用过程4)中的公式(7)计算出故障距离l＝65.16km。

Claims (1)

1.一种小电流接地系统输电线路单相接地故障的测距方法，该方法采用包括上位机工业控制机，下位机单板机，及上位机和下位机之间通讯接口连接构成的系统，所述的下位机包括故障报警功能，数据采集装置，设置灯光闪烁报警，音响报警和数码显示报警，数据装置的前置端装有较高精度的PT和CT，其特征在于包括以下过程：

1)采用至少100kHz的数据采样频率，由数据采集器采集到的零序信号等于或大于门槛值5A时，启动故障测距算法；

2)对采集到的故障电压数据或故障电流数据进行高通滤波处理，滤波器为一个4阶巴特沃斯高通滤波器，在滤波器中，系统采样频率f_s＝100kHz，模拟量3dB截止频率f_c＝350Hz，数字量3dB截止频率ω_c＝2πf_c/f_s，预校畸变模拟滤波器截止频率 ${\mathrm{\Ω}}_c=\frac{2}{T}\tan \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{2}\right);$

3)计算高通滤波处理过的故障信号的高频周期指数：

经过滤波处理后的故障信号z(t)的高频周期指数按下列步骤进行计算：

首先，由公式(1)计算故障信号z(t)，(t＝1，2，3…，n)的均值序列E(i)，(i＝1，2，3…n)：

$E\left(i\right)=\frac{1}{i}\underset{t=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}z\left(t\right),i\∈[1,n]---\left(1\right)$

式中，i为一时间间隔，在采样时间1到n之间取值，对于每一个不同的i可以得到信号z(t)的一个均值E(i)，i从1变到n，就得到一个序列E(1)，E(2)...E(i)...E(n)；

其次，由公式(2)计算信号z(t)与均值序列E(i)的偏差和F(i，j)：

$F(i,j)=\underset{t=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}(z\left(t\right)-E\left(i\right)),j\∈[1,i]---\left(2\right)$

式中，j在时间间隔[1，i]内变化，偏差和F(i，j)是一个二元函数，因此序列F(i，j)组成一个i×j阶方阵；

然后，由公式(3)计算故障信号的高频周期因子序列G(i)，(i＝1，2，3…n)：

$G\left(i\right)=\underset{j\∈[1,i]}{\max }F(i,j)-\underset{j\∈[1,i]}{\min }F(i,j),i\∈[1,n]---\left(3\right)$

式中，时间间隔i在[1，n]内取值，而变量j在[1，i]内变化，最后，高频周期指数k由公式(4)定义，利用最小二乘法确定，

                         y＝kx                                 (4)

式中，

                 y＝lgG(i))      i∈[1，n]                     (5)

                 x＝lg(i)        i∈[1，n]                     (6)

4)由高频周期指数k计算故障的距离，计算式为：

$l=a\sqrt{k^3}---\left(7\right)$

式中，l为输电线路的故障距离，单位是km，a为距离系数，对于架空线a＝512。

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