CN102944814A - 基于暂态信号的配电网单相接地故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种探测电缆、传输线或网络中的故障的方法，特别是一种基于暂态信号的配电网单相接地故障定位方法，首先根据检测点暂态电流的流向确定较大范围的故障区段，然后进一步根据相邻两检测点之间的零模电流波形相似性确定最终的故障区段。所述的电流波形相似性计算处理分别采用了一般的相关系数计算和最大相关系数计算方法。本发明所述技术方案为一种被动选线方式，定位成功率和效率高，不受不稳定电弧和间歇性电弧影响，无需附加高压一次设备，或需要其它一次设备动作配合，具有较高的安全性；且无需停电安装检测，所需安装空间也小。

Description

基于暂态信号的配电网单相接地故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种探测电缆、传输线或网络中的故障的方法，特别是一种基于暂态信号的配电网单相接地故障定位方法。

背景技术

单相接地是配电网的首要故障形式，占到故障总数的80%左右，如考虑发生频率更高、易被忽略的瞬时性接地故障，其所占的比例就更高。中压配电网发生故障时，需要进行的确定故障线路（故障选线）、确定故障位置（故障定位），故障区段的自动隔离（自适应跳闸），目的是切除故障，避免停电或减少停电次数与停电时间，提高供电可靠性。

配电网故障定位分为故障测距和故障区段定位。测距方法按原理大致可分为阻抗法、注入法和行波法；按测量端可分为单端法、双端法和多端法；按在线与否可分为在线测距法和离线测距法。

阻抗法由故障时刻测量到的电压和电流量计算出故障回路的阻抗，因为线路长度与阻抗成正比，便可求出故障距离。然而在多分支多的配电***中，难以准确分辨真、伪故障点。

注入法是通过故障后向存在故障的***注入某种信号定位具体的故障点，主要有端口故障诊断法、加信传递函数法和S注入法等。S注入法是利用故障时暂且闲置的电压互感器注入电流信号，在故障线路中寻找注入信号的路径进行选线和定位。

行波法是目前在输电线路上使用情况较好的测距方法，主要利用三相行波幅值和相位的信息确定故障相，通过测量电压、电流行波在故障点及母线之间的传播时间确定输电线路的故障距离。

但由于配电网结构复杂、分支多，现有的配电网测距方法都具有一定局限性，不能较好的应用于配电网的精确故障定位。

小电流接地故障定位是以沿线路安装的专用故障指示器或DOA***终端为基础，利用故障产生的电压电流信息或其它设备附加的电流信息，人工或***自动确定故障位于哪两个指示器或终端之间的区段。

从技术本身来看，对于不接地***利用工频零序电流的幅值和流向（极性）关系也可实现故障定位。目前有个别故障指示器采用了该原理。但由于经消弧线圈接地的方式越来越普遍，特别是实施DOA的配电网绝大多数都为经消弧线圈接地方式，这就严重限制了该原理的应用特别是在DOA***的应用。

目前小电流接地故障定位技术主要是利用一次设备动作产生较大的工频附加电流，或者向***中注入特定电流信号的主动式定位方法。然而，主动式定位技术在DOA***中还未见到应用报道，其应用目前主要集中在故障指示器中，定位成功率取决于附加电流信号的幅值及其与工频的特征差异，受不稳定电弧和间歇性电弧影响严重，不能检测瞬时性接地故障；需附加高压一次设备，或需要其它一次设备动作配合的方法，对***形成较大的安全隐患。如由于故障等原因，投入的电阻不能及时切除将被烧毁。增加了故障点的故障电流，最大可达数十安培，尽管增加电流的时间较短，但也背离了减小故障电流以利于自动熄弧的初衷，加大了故障点的破坏程度，特别是对于电缆故障可能引发两相短路等更为严重的故障，对一次***也有一定程度的影响；另外，调整或附加一次设备的方法必须停电安装，且变电站内所需的安装空间大。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种定位准确率高、成功率高、不受电弧影响、安全性高，可不停电安装检测的基于暂态信号的配电网单相接地故障定位方法。

本发明的目的是通过以下途径来实现的：

基于暂态信号的配电网单相接地故障定位方法，其要点在于，包括如下步骤：

提供一种数据采集单元，其采集设定区域电网中各个检测点的暂态零序电流i₀(t)和零序电压u₀(t)；

提供一种数据计算处理单元，其接收数据采集单元所采集的各个检测点的暂态零序电流i₀(t)和零序电压u₀(t)，并计算每个检测点暂态电流的方向系数D：

$D=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{i}_0\left(t\right)d{u}_0\left(t\right)$

如果D>0，则暂态电流流向线路，故障点位于检测点上游方向；如果D<0，则暂态电流流向母线，故障点位于检测点下游方向；选择最末一个D<0检测点和首个D>0检测点之间的区段为预处理故障区段，标记该预处理故障区段，并进行存储；

所标记的预处理故障区段中，数据采集单元进一步采集所有检测点的暂态零模电流；

数据计算处理单元计算相邻每两检测点之间暂态零模电流的相关系数ρ：

其中，i₀₁和i₀₂分别为相邻两个检测点的暂态零模电流；n为采样序列，采样起始点n=1为故障发生时刻；N为零模电流信号的数据长度；

设定相关系数阀值为θ，如果ρ>θ，说明该相邻两检测点之间的区段的两侧暂态零模电流波形相似，该区段为非故障区段；若ρ<θ，说明该相邻两检测点之间的区段的两侧暂态零模电流波形不相似，该区段为故障区段，标记故障区段并进行存储。

本发明首先根据检测点暂态电流的流向确定较大范围的故障区段，然后进一步根据相邻两检测点之间的零模电流波形相似性确定最终的故障区段。这是一种被动选线方式，由于经过两次梯度筛选，其定位精度极高，能够达到接地电阻1000欧以下精度，且定位成功率和效率高，不受不稳定电弧和间歇性电弧影响，无需附加高压一次设备，或需要其它一次设备动作配合，具有较高的安全性；且无需停电安装检测，所需安装空间也小。

所述的相邻两检测点之间的零模电流波形相似性原理具体如下：

相关系数ρ反应了两个固定波形i₀₁(n)和i₀₂(n)的相似程度。两个个信号一致（相等）时，ρ取得最大值1；两个信号完全无关时，ρ为0。对于故障点前非故障区段两侧FTU检测到的暂态零模电流,相似程度高,相关系数趋近于1；对于故障区段两侧FTU检测到的暂态零模电流，波形差异较大，相关系数接近0。接地线路中某一区段两侧FTU所检测到的暂态零模电流的相关系数ρ，可以用来判断该区段是否是故障区段：如果ρ>θ（θ为阈值，取值在0.5到0.8之间），说明该区段两侧暂态零模电流波形相似，该区段为非故障区段；若ρ<θ，说明该区段两侧暂态零模电流波形不相似，该区段为故障区段。具体应用中，首先比较出线口处与第1个FTU检测到的暂态零模电流，若ρ<θ则确定为故障区段，若ρ>θ，则为非故障区段；继续比较第1个和第2个FTU所检测的暂态零模电流，如此类推，直至找到故障区段为止。

本发明还可以通过以下途径来实现：

基于暂态信号的配电网单相接地故障定位方法，其要点在于，包括如下步骤：

提供一种数据采集单元，其采集设定区域电网中各个检测点的暂态零序电流i₀(t)和零序电压u₀(t)；

提供一种数据计算处理单元，其接收数据采集单元所采集的各个检测点的暂态零序电流i₀(t)和零序电压u₀(t)，并计算每个检测点暂态电流的方向系数D：

$D=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{i}_0\left(t\right)d{u}_0\left(t\right)$

如果D>0，则暂态电流流向线路，故障点位于检测点上游方向；如果D<0，则暂态电流流向母线，故障点位于检测点下游方向；选择最末一个D<0检测点和首个D>0检测点之间的区段为预处理故障区段，标记该预处理故障区段，并进行存储；

所标记的预处理故障区段中，数据采集单元进一步采集所有检测点的暂态零模电流；

数据计算处理单元计算相邻每两检测点之间暂态零模电流的相关系数μ_max：

${\mathrm{\&rho;}}_{\max }=\max \left[\mathrm{\&rho;}\left(m\right)\right]=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i}_{01}\left(n\right)i_{02}(n+m)}{\sqrt{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i_{01}}^2\left(n\right)\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i_{02}}^2(n+m)}}$

式中：i₀₁和i₀₂分别为相邻两个检测点的暂态零模电流；n为采样序列，采样起始点n=1为故障发生时刻；N为零模电流信号的数据长度；m为零模电流信号的平移点数，m=1,2,3，……，M；M为最大平移长度；

设定相关系数阀值为θ，如果ρ_max>θ，说明该相邻两检测点之间的区段的两侧暂态零模电流波形相似，该区段为非故障区段；若ρ_max<θ，说明该相邻两检测点之间的区段的两侧暂态零模电流波形不相似，该区段为故障区段，标记故障区段并进行存储。

本发明的技术方案采用了最大相关系数法进行处理和计算。相关系数计算所用数据为区段两端FTU（检测点）采集的暂态零模电流信号。计算信号相关系数时要求两个FTU采集上报的信号保持同步。FA***中一般通过主站实现各FTU的同步对时，对时误差有几毫秒，对相关系数计算会产生影响，引起误判。在现有设备无法实现更精确对时的情况下，可以通过数学方法减少不同步造成的误差，以满足相关系数的计算要求。实现信号同步的关键问题就是令各FTU采集的暂态零模电流信号的故障起始时刻一致。对两个波形相似的信号，当信号起始时刻不同步时，首先固定其中一个信号作为基准信号，将另外一个信号的数据窗前后平移，同时求取相关系数，重叠性最好的点的相关系数也最大，起始时刻相差最小，此时可以近似看做同步。因此，可以采用求取最大相关系数的方法避免故障起始时刻不同步带来的误差问题，保证计算的可靠性。

由于对时误差有几毫秒，因此，一般根据现场主站对时精度设置M的长度为1ms~3ms。对于故障区段两侧的暂态零模电流信号，二者几乎不相关，即使求取最大相关系数，所得相关系数也接近于0，仍然满足相关定位原理。

数据采集单元的采样频率在8kHz以上，采样长度为四分之一周期。

由于配电***主谐振频率一般在2kHz左右，并且暂态信号的能量主要集中在前四分之一周期，因此，采样频率选取在8kHz以上，采样长度选取为四分之一周期，既能满足采样定理要求,又能保证计算所需的信息量。

综上所述，本发明提供了两种基于暂态信号的配电网单相接地故障定位方法，首先根据检测点暂态电流的流向确定较大范围的故障区段，然后进一步根据相邻两检测点之间的零模电流波形相似性确定最终的故障区段。所述的电流波形相似性计算处理分别采用了一般的相关系数计算和最大相关系数计算方法。本发明所述技术方案为一种被动选线方式，定位成功率和效率高，不受不稳定电弧和间歇性电弧影响，无需附加高压一次设备，或需要其它一次设备动作配合，具有较高的安全性；且无需停电安装检测，所需安装空间也小。

附图说明

图1所示为一种典型FA结构。

具体实施例

最佳实施例：

基于暂态信号的配电网单相接地故障定位方法，其要点在于，包括如下步骤：

提供一种数据采集单元，其采集设定区域电网中各个检测点的暂态零序电流i₀(t)和零序电压u₀(t)；

提供一种数据计算处理单元，其接收数据采集单元所采集的各个检测点的暂态零序电流i₀(t)和零序电压u₀(t)，并计算每个检测点暂态电流的方向系数D：

$D=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{i}_0\left(t\right)d{u}_0\left(t\right)$

如果D>0，则暂态电流流向线路，故障点位于检测点上游方向；如果D<0，则暂态电流流向母线，故障点位于检测点下游方向；选择最末一个D<0检测点和首个D>0检测点之间的区段为预处理故障区段，标记该预处理故障区段，并进行存储；

所标记的预处理故障区段中，数据采集单元进一步采集所有检测点的暂态零模电流；

数据计算处理单元计算相邻每两检测点之间暂态零模电流的相关系数ρ：

其中，i₀₁和i₀₂分别为相邻两个检测点的暂态零模电流；n为采样序列，采样起始点n=1为故障发生时刻；N为零模电流信号的数据长度；或者：

计算相邻每两检测点之间暂态零模电流的相关系数ρ_max：

${\mathrm{\&rho;}}_{\max }=\max \left[\mathrm{\&rho;}\left(m\right)\right]=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i}_{01}\left(n\right)i_{02}(n+m)}{\sqrt{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i_{01}}^2\left(n\right)\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i_{02}}^2(n+m)}}$

式中：i₀₁和i₀₂分别为相邻两个检测点的暂态零模电流；n为采样序列，采样起始点n=1为故障发生时刻；N为零模电流信号的数据长度；m为零模电流信号的平移点数，m=1,2,3，……，M；M为最大平移长度；

设定相关系数阀值为θ，如果ρ(或ρ_max）>θ（θ为阈值，取值在0.5到0.8之间），说明该相邻两检测点之间的区段的两侧暂态零模电流波形相似，该区段为非故障区段；若ρ(或ρ_max）<θ，说明该相邻两检测点之间的区段的两侧暂态零模电流波形不相似，该区段为故障区段，标记故障区段并进行存储。

参照附图1，相邻两检测点之间的区段的两侧暂态零模电流波形相似判断方法的实例如下：如果故障发生在QF1与QS11之间区段，比较QF1与QS11处暂态零模电流，其ρ接近于0，ρ<θ，由此可以判断该区段为故障区段；如果故障发生在QS11和QS12之间区段，首先比较QF1与QS11处暂态零模电流，其ρ接近于1，ρ>θ，继续比较QS11和QS12之间暂态零模电流，其ρ接近于0，ρ<θ，由此可以判断该区段位于QS11与QS12之间；如果故障发生在QS11与QS12之间区段，并且QS12处与下游FTU检测不到零模电流信号，而QF1与QS11之间区段的ρ接近于1，ρ>θ，这种情况可判定故障点位于QS11与QS12区段之间。

在实际操作中，可根据以下流程进行操作：

鉴于选线可靠性>暂态方向定位可靠性>暂态电流相似性定位可靠性，对于可采集多种故障信息的DOA***，应同时采用暂态电流方向和暂态电流形似性方法，详细的定位流程为：

①接地时，选线装置根据零序电压变化启动，实现故障选线，并将带有时间标签的故障线路、出口故障方向、暂态电流录波数据（或者对应的近似熵值）以及工频电压等信息上报主站。

②接地时，接有三相（零序）电压的FTU根据工频相（零序）电压变化启动，计算故障方向，并将带有时间标签的故障方向、暂态电流录波数据（或者对应的近似熵值）等信息上报主站。

③接地时，无三相（零序）电压的FTU根据暂态电流变化启动，并将带有时间标签的暂态电流录波数据（或者对应的近似熵值）等信息上报主站。

④主站收集到变电所选线装置和各个FTU故障信息后，根据选线装置的电压信息确认是否发生接地故障，对于扰动则退出。

⑤确认接地故障时，根据选线装置的选线结果确定故障线路。

⑥利用故障线路上各个终端（包括选线装置和FTU）的故障方向信息确定故障所在的大区段（可能包含有一个或多个分段开关）。

（⑦在大区段内利用暂态电流相似性原理确定故障具体区段。

根据选线装置的电压信息确定故障持续时间，对于永久故障推出定位结果，并给出声光告警信息；对于瞬时性故障，保存定位结果，仅给出文字告警信息。

本发明未述部分与现有技术相同。

Claims (3)

1.基于暂态信号的配电网单相接地故障定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一种数据采集单元，其采集设定区域电网中各个检测点的暂态零序电流i₀(t)和零序电压u₀(t)；

提供一种数据计算处理单元，其接收数据采集单元所采集的各个检测点的暂态零序电流i₀(t)和零序电压u₀(t)，并计算每个检测点暂态电流的方向系数D：

$D=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{i}_0\left(t\right)d{u}_0\left(t\right)$

如果D>0，则暂态电流流向线路，故障点位于检测点上游方向；如果D<0，则暂态电流流向母线，故障点位于检测点下游方向；选择最末一个D<0检测点和首个D>0检测点之间的区段为预处理故障区段，标记该预处理故障区段，并进行存储；

所标记的预处理故障区段中，数据采集单元进一步采集所有检测点的暂态零模电流；

数据计算处理单元计算相邻每两检测点之间暂态零模电流的相关系数ρ：

其中，i₀₁和i₀₂分别为相邻两个检测点的暂态零模电流；n为采样序列，采样起始点n=1为故障发生时刻；N为零模电流信号的数据长度；

设定相关系数阀值为θ，如果ρ>θ，说明该相邻两检测点之间的区段的两侧暂态零模电流波形相似，该区段为非故障区段；若ρ<θ，说明该相邻两检测点之间的区段的两侧暂态零模电流波形不相似，该区段为故障区段，标记故障区段并进行存储。

2.基于暂态信号的配电网单相接地故障定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一种数据采集单元，其采集设定区域电网中各个检测点的暂态零序电流i₀(t)和零序电压u₀(t)；

提供一种数据计算处理单元，其接收数据采集单元所采集的各个检测点的暂态零序电流i₀(t)和零序电压u₀(t)，并计算每个检测点暂态电流的方向系数D：

$D=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{i}_0\left(t\right)d{u}_0\left(t\right)$

如果D>0，则暂态电流流向线路，故障点位于检测点上游方向；如果D<0，则暂态电流流向母线，故障点位于检测点下游方向；选择最末一个D<0检测点和首个D>0检测点之间的区段为预处理故障区段，标记该预处理故障区段，并进行存储；

所标记的预处理故障区段中，数据采集单元进一步采集所有检测点的暂态零模电流；

数据计算处理单元计算相邻每两检测点之间暂态零模电流的相关系数ρ_max：

${\mathrm{\&rho;}}_{\max }=\max \left[\mathrm{\&rho;}\left(m\right)\right]=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i}_{01}\left(n\right)i_{02}(n+m)}{\sqrt{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i_{01}}^2\left(n\right)\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i_{02}}^2(n+m)}}$

式中：i₀₁和i₀₂分别为相邻两个检测点的暂态零模电流；n为采样序列，采样起始点n=1为故障发生时刻；N为零模电流信号的数据长度；m为零模电流信号的平移点数，m=1,2,3，……，M；M为最大平移长度；

设定相关系数阀值为θ，如果ρ_max>θ，说明该相邻两检测点之间的区段的两侧暂态零模电流波形相似，该区段为非故障区段；若μ_max<θ，说明该相邻两检测点之间的区段的两侧暂态零模电流波形不相似，该区段为故障区段，标记故障区段并进行存储。

3.根据权利要求1或2所述的基于暂态信号的配电网单相接地故障定位方法，其特征在于，数据采集单元的采样频率在8kHz以上，采样长度为四分之一周期。

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