CN2724011Y - 小电流接地电网单相接地故障选线装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型小电流接地电网单相接地故障选线装置。解决其技术问题所采用的技术方案是：首先是建立了国内第一个小电流接地选线的10kV物理模拟实验室。这套实验系统深入揭示了小电流接地电网的运行规律和接地故障的本质，再现了弧光接地、间歇性弧光接地、大电阻接地、不稳定大电阻接地等故障现象，并在此基础上研究成功了适合于各种接地方式(中性点接地、中性点经消弧线圈接地)下的智能群体比幅比相方法、小波方法、样本建模方法、电流突变量法、网络化法；首次提出并应用了有效域分析和连续判断技术；首次提出并应用了证据理论、故障测度理论、粗糙集理论以及多种判据智能融合的思想。

Description

小电流接地电网单相接地故障选线装置

所属领域：

本实用新型涉及电网单相接地故障选线方法，特别是小电流接地电网单相接地故障选线装置，主要应用于66kV及以下电网中性点非直接接地方式运行系统中，当电网发生单相接地时，该装置可自动选出接地的线路。

技术背景：

小电流接地电网单相接地故障自动选线(以下简称小电流接地选线)是一个研究多年的老问题。早在上世纪50年代就开始有人研究，但是直到上世纪70年代，研究工作都没有取得大的进展。上世纪80年代，微机的出现给小电流接地选线提供了硬件条件，华北电力大学电控研究室抓住了这个机会，在杨以涵教授的带领下首次提出群体比幅比相方法，研制出小电流微机选线装置，在国内得到广泛应用，并在90年代掀起了“小电流接地选线技术”的应用高潮。但是之后的几年小电流接地选线技术的应用又陷入了低潮，约有80～90％的选线装置因选线效果不佳退出了运行，而选线失败的原因主要是：

(1)把局部经验当成普遍真理，用金属接地故障测试的选线结果，代替实际运行中所有故障条件下的选线结果，得到装置100％的选线正确率。而我们的实验证实，金属接地时，信号大，波形谐波和扰动小，非常容易判断，达到100％正确率并不难；实际上，纯金属接地的故障并不多，大多数故障是瞬间接地、电阻接地、电弧接地、不稳定电阻接地、不稳定电弧接地、间歇电弧接地以及这些故障的组合等等。

(2)装置选线方法单一。以前的研究者在找到一种方法后就声称已经对真理的认识达到终结。比如比幅比相法、五次谐波法、能量函数法、小波法，都曾有相关论文认为其达到了绝对高度，选线的研究工作可以到此终止。

(3)从想象出发，过分依靠数学模型，没有进行样本检验。根据数学模型设计的选线方法，又用相同的数学模型检验有效性，这样的检验没有意义，属于典型的纸上谈兵，脱离实际的技术路线。

(4)认识真理的手段。小电流接地选线的现场试验很难实现，即使现场单位同意做，也都限于非常简单的金属接地。但是没有实测样本检验选线方法的有效性，就不能检验选线原理的症结所在。现在我们的实验和故障录波已经证实，五次谐波方法在有过渡电阻的情况下往往是失效的；信号注入法和能量函数法都存在有效域和局限性；比幅比相方法也不是绝对有效的。可以这么说，以前的选线方法在原理上存在很多纰漏，而没有足够的故障样本检验，这些纰漏是无法暴露出来的。

(5)抗干扰的软措施，选线装置的适应能力较差。而现场这种干扰的存在是客观的和普遍的。

(6)用户在管理维护方面也存在一些问题选线装置安装到现场以后，常有极性接反、线路编号与名称不符的疏漏发生。有一个典型的例子，沈阳某变电所的选线仪从装上以后就从来没有正常工作过。原因是安装时线路还没有命名，采用了编号区分的办法。线路命名以后，又没有更改，导致选线装置一直不可用。

实用新型内容：

66kV及以下电网按中性点非直接接地方式运行，其主要优点是当系统发生单相瞬间接地故障时，可以自行熄灭电弧；发生单相永久接地时，负荷可以不必立即停电，因此国内66kV及以下电网大部分都采用这种接地方式。但它的缺点是发生单相永久接地故障时，很难确认是哪一条线路故障。因故障会引起非接地相电压的升高，而且间歇性弧光接地可能引起电弧过电压，对系统绝缘有威胁，较长时间运行可能会引起接地绝缘击穿发生相间故障。因此需尽快确定故障线路，排除故障。本实用新型的目的就是解决小电流接地系统发生单相接地故障时自动选线问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：首先是建立了国内第一个小电流接地选线的10kV物理模拟实验室。这套实验系统深入揭示了小电流接地电网的运行规律和接地故障的本质，再现了弧光接地、间歇性弧光接地、大电阻接地、不稳定大电阻接地等故障现象。并在此基础上研究成功了适合于各种接地方式(中性点接地、中性点经消弧线圈接地)下的智能群体比幅比相方法、小波方法、样本建模方法、电流突变量法、网络化法；首次提出并应用了有效域分析和连续判断技术；首次提出并应用了证据理论、故障测度理论、粗糙集理论以及多种判据智能融合的思想。小电流接地电网单相接地故障选线方法，采用高性能工控机，运行于Win98平台上，采用高精度传感器和软硬件抗干扰措施，保证采集信号的可靠性；在程序设计中采用了多线程结构，运用了Win32的消息处理机制，这样在算法判断的同时能够同时对信号进行采样，保证采样信号的连续性和实时性；在选线算法上，用多种算法进行智能综合判断，克服了以前单一选线算法的不足；当装置启动检测后，启动采样线程，当零序电压超过门槛值的数目达到一定数目后，判断系统发生了单相接地故障，存储暂态数据和稳态数据，进行故障处理，提取故障特征，利用稳态量判据、暂态量判据、奇异量判据等进行多判据融合，对各种判据进行智能决策综合判定接地线路，实现了选线判据的充要性目标；采用连续判断，提出了可信度概念，克服了误判和漏判现象；进行故障录波，建立管理信息系统，远程监视装置的运行，保证装置运行的长期可靠；远程搜集故障样本，充实样本库，为改进和完善选线能力积累资料。

小电流接地电网单相接地故障选线装置，包括主板、滤波器卡、数据采集卡、开关量卡、故态继电器、PT/CT版、交直流电源、液晶大屏幕、外置调制解调器、金属机箱，其特征是：工控机采用PC/AT总线结构，各种采用信号经过低通滤波器电路和A/D转换电路以后，连接到PC/AT总线上，工控机主板采用PCA-6153，它负责从PC/AT总线上调用实时数据并进行各种算法的处理，综合给出故障线路信息，一方面直接通过液晶屏幕显示，另一方面通过PC/AT总线传送给开关量板，开关量板再通过光电隔离后传送给远动。

本实用新型通过1∶1高压物理模拟实验室系统、电网实际接地模拟实验和实际挂网运行证明其选线正确率为100％。该项发明应用于电网后，以丹东供电公司电网规模为例每年为企业可节约数百万元，推广应用后将形成规模效益。对于某些重要用户，可节约数百万甚至数千万元的损失。减少误操作次数。全国约有中压变电所十多万座，如果有一半安装小电流接地选线装置，创造利润可超过上亿元，必将给国家和企业带来可观的经济效益！

附图说明：

附图1为小电流接地电网单相故障选线方法与装置程序流程图；附图2为2KA2000小电流接地电网单相故障选线装置原理图；附图3为大屏幕液晶显示主界面。

系统的母线零序电压以及各条线路的零序电流经过PT和CT变换后输入本实用新型开发出的装置，电压和电流信号经过高精度PT和CT进一步变换，所有信号变换为电压信号；电压信号输入低通滤波器去除干扰，输出波形平滑的电压模拟信号；装置采用AC1820A数据采集卡对电压信号进行/D采样，采样数据通过PC/在总线存入寄存器；工控机主板采用PCA-6153，它负责从PC/在总线上调用实时数据并进行算法的处理，给出故障线路信息；故障信息一方面直接通过液晶屏幕显示，另一方面通过PC/在总线传送给PCL-734开关量卡，开关量卡经过光电隔离后通过后面板上的开关量输出端子传送给远动。本装置还装有防死机看门狗电路，有效地克服了工控机运行中的死机问题；装置采用调制解调器与其它计算机进行串口通信，实现了装置远程管理。见附图2。

在本实用新型的程序设计中采用了多线程结构，当装置启动检测后，启动采样线程，当零序电压超过门槛值的数目达到一定数目后，存储暂态数据，并发送消息(1)，然后存储稳态数据，并发送消息(2)，主线程收到消息(1)、(2)后进行故障处理，提取故障特征，利用稳态量判据、暂态量判据、奇异量判据等进行多判据融合，对各种判据进行智能决策，得到选线结果，显示选线结果，并进行故障录波；如果一段时间后零序电压小于门槛值的数目达到一定数目后，发送消息(3)，主线程收到消息(3)，则认为故障消失，自动复位。见附图1。

算法中采用了窗口多线程的概念，分为主线程和采样线程，运用了Win32的消息处理机制。这样在算法判断的同时能够同时对信号进行采样，保证采样信号的连续性和实时性。在选线算法上，用多种算法进行智能综合判断，克服了以前单一选线算法的不足。

本实用新型开发出的装置的前面板为人机对话部分，有大屏幕液晶和电源开关、功能按键，显示内容丰富，参数配置方便，其基本操作键只需要上、下、左、右和确认四个键，主界面提供“启动监测”、“停止检测”、“参数设置”、“故障记录”、“高级功能”、“关机退出”等六个选项，按照提示可以进行各种操作，后面板为接线板和开关量输出端子。见附图3。

该实用新型还内附管理信息系统，附加有故障录波程序模块和通讯程序模块：通过故障录波程序模块记录的数据，可以对故障情况进行事后分析和故障再现，对于分析系统结构及状态具有重大意义。本录波程序模块可以提供故障后一次判断的波形，包括故障发生时的两个周期的暂态波形和故障发生后四个周期的稳态波形；本录波程序还可以提供以每秒钟四个周期稳态波形的录波频率进行连续录波。通讯程序模块在应用软件PCANYWHERE平台上进行的开发。可应用于三种通讯模式：并口电缆直接连接，通过调制解调器进行网络连接，通过网卡进行网络连接。通过通讯程序模块，可以实现子站和主站之间的数据回收，可以使用两种模式：子站发送和主站召唤；目前采用的是主站召唤模式；通过通讯程序模块，还可以实现子站和主站之间的通讯，及时了解设备的运行情况，对设备进行远程维护，满足异地用户的要求。

具体实施方式：

提出并采用了智能比幅比相法，该算法在比幅比相算法的基础上采用积分算法、Butterworth数字滤波器、恒以零序电压作为参考正方向等算法，辅以连续判断等抗干扰措施、有效域约束、综合判据，从根本上提高了选线准确度；与新型PT接线方法相结合，排除了铁磁谐振带来的误判问题。

提出并小波方法小波选线方法利用单相接地故障产生的暂态电流和谐波电流作为选线判断的依据。由于小电流接地电网单相接地故障等值电路是一个容性通路，故障的突然作用在电路中产生的暂态电流通常很大；特别是发生弧光接地故障或间歇性接地故障情况下，暂态电流含量更丰富，持续时间更长。暂态电流满足在故障线路上的数值等于在非故障线路上数值之和且方向相反的关系，可以用来选线。由于电网中的暂态信号呈随机性、局部性和非平稳性特点，因此利用暂态信息选线的主要困难是，如何准确地提取有用的暂态信号、如何合理地表示信号并构造出能适应信号特点的选线判据。我们提出的小波选线方法很好地解决了这些问题，使暂态信号得到了充分利用。

提出并采用了网络化选线方法；网络化选线方法需要输入与选线相关的电网运行状态遥信量，如一条线路的投入与退出、线路上各分段开关的开合状态等信息，来掌握电网的拓扑结构和各线路的参数；当电网发生单相接地故障时，根据获得的网络状态参数与故障电压参数来估算各线路对地充电电流，将各线路实测电流值与期望值(估算值)进行对比；非故障线路上实测电流值与期望值相差比较小，而故障线路上实测电流值与期望值相差很大，网络化技术还可以用于自动调节消弧线圈的补偿度。

提出并采用了电流突变量法；对于中性点经消弧线圈接地电网单相接地故障的选线问题，过去一直采用5次谐波比幅比相方法。实践证明对于非金属性接地故障，该方法的选线正确率极低。电流突变量方法是我们针对消弧线圈接地电网的故障选线问题而专门设计的。该方法在电网发生单相接地故障后，通过自动装置自动地改变消弧线圈参数，使各线路故障电流产生一个突变，利用故障线路和非故障线路电流突变特征的差异选出故障线路。该方法同小波选线方法和其它智能技术相结合，彻底地解决了消弧线圈接地电网的单相接地故障选线问题。

提出并采用了样本建模(特征指纹)选线方法：样本建模选线方法又称特征指纹选线方法。在选线装置运行过程中，当发现某些极其特殊类型的故障样本，用正规的选线方法很难做出可靠的选线判断时，则提取这类故障样本的个性特征(即指纹特征)，并将该次故障的指纹特征及故障信息保存下来，作为一个参考样本。当再一次出现类似的故障时，通过与保存过的样本指纹特征进行匹配，就可以推断出新故障样本的故障线路。不断地收集和充实样本库，就可以处理各类特殊样本的选线问题。

提出并采用连续判断技术；连续判断技术是针对小电流接地系统单相接地故障中故障信号微弱、容易受干扰的特点而采取的技术措施；该技术不完全依赖于一次判断的结果，而是综合考虑全过程的情况，连续判断技术可以有效地排除随机大干扰(主要指开关操作)的影响，提高了选线的正确性。

提出并采用选线方法的有效域技术；理论和实践表明，没有一种选线方法能够保证对所有故障类型都有效，每种选线方法都有一定的适用条件；当适用条件满足时，该选线方法选线结果一定正确，否则，选线结果可能正确，也可能不正确。我们称选线方法能够可靠选线的适用条件为该方法的充分性条件。满足充分性条件的故障在空间构成的区域，称为该选线方法的有效域。通过对每一种选线方法界定有效域，当一个故障落在某方法的有效域内时，该方法对该故障的选线结果一定是正确的。

提出并采用故障测度理论：故障测度是定义在非负实数域上的一组变量，用来度量一个故障中每条线路具有故障征兆的程度。一条线路的故障测度越大，表明该线路越可能是故障线路。在这一理论指导下，我们构造的每一种选线方法在给出选线结果的同时，还能够计算出各条线路的故障测度值。

提出并采用了证据理论选线方法：每一种选线方法对一个故障计算出的选线结果(以故障测度形式表示)相当于一条证据，用证据来表示哪些线路可能是故障线路、哪些线路不大可能是故障线路、可能与不可能的信任程度有多大等，应用证据理论把这些信息组合起来，使最终选线结果反映了各种方法共同的支持点，选线结果非常可靠。

提出并采用了粗糙集理论选线方法：选线装置在选线实验和现场运行过程中收集了大量故障数据，这些故障数据对完善选线很有价值。特征指纹选线方法中特殊样本的发现、指纹特征的提取，以及其它选线方法中参数和有效域的确定等，都需要结合实测故障数据来实现。为实现这些目的而进行的故障数据处理并不是简单的数据整理，而是需要一种系统的处理手段，主动地从故障数据中挖掘并发现有价值的知识和规律，来指导我们完善选线方法。我们采用粗糙集数据处理技术解决了这一问题。

具有故障录波程序模块和通讯程序模块，故障录波程序模块可以对故障情况进行事后分析和故障再现；通讯程序模块通讯程序模块在应用软件PCANYWHERE平台上进行的开发，可以实现子站和主站之间的通讯，可应用于三种通讯模式：并口电缆直接连接，通过调制解调器进行网络连接，通过网卡进行网络连接。并安装有稳定、可靠的modem实现信息管理系统功能，实现了电力系统的IP到设备。

采用高性能前置滤波器，滤除各种干扰波形。采用大容量、高可靠性的开关继电器实现信号的远动传输。

以一次具体的接地故障为例进行分析：

以发生1号线路故障为例详细说明选线过程，程序的采样子线程创建5000×32的二维数组，将数据进行准实时存储，存满之后从数组始端覆盖原有数据。发生故障后(大于启动电压6个点)将故障点前100个点和后100个点作为暂态数据，再将后400个点作为稳态数据，把这600个点提交主线程进行故障选线。一秒钟之后，如果故障没有消失，继续提取400个点作为稳态数据提交主线程进行连续选线。然后进行特征提取，得到选线结果。以群体比幅比相为例说明选线具体方法，提取电流幅值最大的3条线路，并设初始累加值sum(1)sum(2)sum(3)和sum(母线)。将这3个电流数组与此电压数组进行逐点比较：①与电压符号相反，则sum直接累加绝对值；②与电压符号相同，则sum累加绝对值；③3条线路电流与电压符号都相同，则sum(母线)设成一个较大值。将sum(1)sum(2)sum(3)和sum(母线)进行比较，值最大的就是故障线路。装置在前台显示1号线路为故障线路，同时通过开关量卡闭合继电器给远动发送命令，指示故障线路。在故障排除后，装置检测到零序电压低于启动阀值，继电器恢复正常状态(处于打开状态)，程序跳出选线流程，回到监测状态。

Claims (3)

1.小电流接地电网单相接地故障选线装置，包括主板、滤波器卡、数据采集卡、开关量卡、故态继电器、PT/CT版、交直流电源、液晶大屏幕、外置调制解调器、金属机箱，其特征是：工控机采用PC/AT总线结构；对各种采用信号传送到PC/AT总线上的低通滤波器电路和A/D转换电路；负责从PC/AT总线上调用实时数据并进行各种算法的处理，综合给出故障线路信息，传送到液晶屏幕显示和通过PC/AT总线传送给开关量板，开关量板再通过光电隔离后传送给远动的工控机主板采用PCA-6153。

2.根据权利要求1所述的小电流接地电网单相接地故障选线装置，其特征是：系统的母线零序电压以及各条线路的零序电流经过PT和CT变换后输入到工控机，电压和电流信号经过高精度PT和CT进一步变换，所有信号变换为电压信号；对输入电压信号去除干扰，输出波形平滑的电压模拟信号的低通滤波器；对电压信号进行A/D采样的AC1820A数据采集卡；对采样数据通过PC/AT总线存入的寄存器。

3.根据权利要求1所述的小电流接地电网单相接地故障选线装置，其特征是：滤除各种干扰波形的前置滤波器；实现信号的远动传输的开关继电器。

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