CN103217625B - 一种基于暂态电流波形比较的小电流接地故障定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于暂态电流波形比较的小电流接地故障定位方法，属于电力***继电保护领域。利用电力线路中设置的若干检测点上传故障零序电流数据，由主站接收并处理后进行故障定位判断，其特征在于：利用暂态零序电流相似性或/和极性关系确定故障点所处的故障区段。本发明综合利用暂态零序电流相似性与极性关系进行故障点的判断，同时不受不稳定电弧的影响，在故障点两侧检测点暂态零序电流相似度较高时仍能准确定位，同时具有应用范围广的优点。

Description

一种基于暂态电流波形比较的小电流接地故障定位方法

技术领域

一种基于暂态电流波形比较的小电流接地故障定位方法，属于电力***继电保护领域。具体涉及一种小电流接地***单相接地故障暂态定位方法。

背景技术

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配网自动化（DA）***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DA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DA***的应用。而由于在选线技术中的应用效果不理想，利用谐波和有功电流的技术在故障定位方面很少有应用。

目前小电流接地故障定位技术分为两个发展方向。一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。二是利用故障暂态信号的暂态定位技术，欧洲有采用暂态电压电流首半波原理的故障指示器，国内也有利用暂态零序电流相似性实现定位的方法。

主动式定位方法所附加的电流信号，在金属性接地或故障点过渡电阻很小时，只有故障线路故障点上游才能检测的到，而其他区段则感受不到，据此可以实现故障定位。该方法取得了一定程度的应用，但存在以下缺点：接地电阻较大时线路上分布电容会对注入的信号分流，降低检测灵敏度和可靠性；需设计专用的大功率信号发生器，硬件成本高；并且不能检测瞬时性接地故障。

接地故障时故障点上游线路和下游线路的暂态谐振过程相互独立，由于线路结构和规模不同，暂态的主谐振频率一般不同。即通常情况下，故障点两侧暂态零序电流相似程度低而健全区段两侧暂态零序电流相似程度高，据此特征可以确定故障区段。但在一些特殊情况（即特殊故障位置）下，故障点两侧检测点的相似度较高。因此不能简单的依据相似性判断出故障点位置，需要进一步研究新方法提高故障定位的适应性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种综合利用暂态零序电流相似性与极性关系进行故障点的判断，同时不受不稳定电弧影响，在故障点两侧检测点暂态零序电流相似度较高时仍能准确定位的一种基于暂态电流波形比较的小电流接地故障定位方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该一种基于暂态电流波形比较的小电流接地故障定位方法，利用电力线路中设置的若干检测点上传故障零序电流数据，由主站接收并处理后进行故障定位判断，其特征在于：利用暂态零序电流相似性或/和极性关系确定故障点所处的故障区段。

所述的利用暂态零序电流相似性和极性关系确定故障点所处的故障区段，其具体故障判断步骤为：

步骤1，母线出口处的检测点记为检测点1，相邻检测点记为检测点2，且检测点编号依次递加，最后一个检测点记为检测点n；

步骤2，将检测点1标记为k，此时k=1；

步骤3，主站计算检测点k和检测点k+1的暂态零序电流i_0,k(t)，i_0,k+1(t)的相似系数ρ_k,k+1；

步骤4，判断暂态零序电流i_0,k(t)，i_0,k+1(t)的相似系数ρ_k,k+1是否满足-K_set<ρ_k,k+1<K_set，如果满足，转入步骤8，不满足则继续执行步骤5；

步骤5，计算暂态零序电流的电流极性系数P_k,k+1，比较暂态零序电流i_0,k(t)，i_0,k+1(t)的极性；

步骤6，判断暂态零序电流的电流极性系数P_k,k+1是否满足P_k,k+1>0，如果P_k,k+1<0，则暂态零序电流i_0,k(t)，i_0,k+1(t)极性相反，检测点k和k+1之间为故障区段，转入步骤8；

步骤7，判断k值是否满足k=n-1，如果满足，则表明故障点位于检测点n到线路末端的区段之间；如果k<n-1，k值自动加1，返回执行步骤3，对下一区段进行判断；

步骤8，结束判断，确定故障区段。

步骤5中所述的零序电流的电流极性系数P_k,k+1使用以下公式进行计算：

$P_{k,k+1}=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{i}_{0,k}\left(t\right)i_{0,k+1}(t+{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{km}}^{\&prime;})\mathrm{dt}$

其中，其中为 $P_{k,k+1}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\left|\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{i}_{0,k}\left(t\right)i_{0,k+1}(t+\mathrm{\&tau;})\mathrm{dt}\right|$ 取最大值时的τ值，对于超出记录范围[0,T]的零序电流数据用0补充。

步骤4中所述的K_set为0到1之间的定值。

步骤3中所述的暂态零序电流i_0,k(t)，i_0,k+1(t)之间相似系数ρ_k,k+1用如下方式计算：

${\mathrm{\&rho;}}_{k,k+1}=\frac{{\&Integral;}_0^T{i}_{0,k}\left(t\right)i_{0,k+1}(t+{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{km}})\mathrm{dt}}{\sqrt{{\&Integral;}_0^T{i}_{0,k}^2\left(t\right)\mathrm{dt}{\&Integral;}_0^T{i}_{0,k+1}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}}$

其中τ_km为 ${\mathrm{\&rho;}}_{k,k+1}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{\left|{\&Integral;}_0^T{i}_{0,k}\left(t\right)i_{0,k+1}(t+\mathrm{\&tau;})\mathrm{dt}\right|}{\sqrt{{\&Integral;}_0^T{i}_{0,k}^2\left(t\right)\mathrm{dt}{\&Integral;}_0^T{i}_{0,k+1}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}}$ 取最大值时的τ值，τ∈[-T_t,T_t]，T_t为馈线终端（FTU）或者远程终端设备（RTU）等的对时误差，T为暂态信号持续时间，对于超出记录范围[0,T]的零序电流数据用0补充。

与现有技术相比，本发明的一种基于暂态电流波形比较的小电流接地故障定位方法所具有的有益效果是：

1、综合利用暂态零序电流相似性与极性关系进行故障点的判断，同时不受不稳定电弧的影响，在故障点两侧检测点暂态零序电流相似度较高时仍能准确定位。

2、利用暂态信号进行故障点的判断，可以消除基于稳态信号判断时由于消弧线圈的影响和故障电流微弱、电弧不稳定等原因，判断效果不理想的弊端，可以保证灵敏度和可靠性。

3、无需添加额外一次设备、也无需其他一次设备动作配合。

4、可适用于中性点不接地***、经消弧线圈接地***、经高阻接地***，应用范围广泛，且不存在定位盲区。

附图说明

图1为一种基于暂态电流波形比较的小电流接地故障定位方法故障定位流程图。

图2为一种基于暂态电流波形比较的小电流接地故障定位方法故障线路检测点分布图。

图3为一种基于暂态电流波形比较的小电流接地故障定位方法***结构示意图。

具体实施方式

图1～3是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～3对本发明做进一步说明：

对于小电流接地故障，由于消弧线圈的影响和故障电流微弱、电弧不稳定等原因，基于稳态量的保护方法效果不理想，而暂态信号的幅值比稳态值大几倍到几十倍，可以保证保护灵敏度和可靠性，且暂态量保护不受消弧线圈影响。本发明综合利用暂态电流相似性和极性比较的定位方法，在小电流接地故障发生后，首先从母线出口处检测点依次比较各相邻检测点暂态零序电流相似系数，当相似系数的绝对值小于定值K_set时，该区段为故障区段，否则进行暂态零序电流极性比较，当极性相反时该检测点之间为故障区段，否则为健全区段。

如图2所示，自母线出口处至负荷之间，每间隔一段距离设置一个检测点，相邻两检测点之间形成若干区段。当发生小电流接地故障后，主站接收各故障检测点上传的零序电流故障数据并依次对各区段进行定位判断，直至找出故障发生的区段。

如图1所示，其具体判断步骤如下：

步骤1，母线出口处的检测点记为检测点1，相邻检测点记为检测点2，且检测点编号依次递加，最后一个检测点记为检测点n。

步骤2，将检测点1标记为k，此时k=1。

步骤3，主站计算检测点k和检测点k+1的暂态零序电流i_0,k(t)，i_0,k+1(t)的相似系数ρ_k,k+1。

实际接地故障中弧光接地、间歇性接地的比例较大，这类故障会不断产生暂态信号，如果需要FTU（或其他检测装置）检测的暂态电流进行比较运算，则需要各FTU（或其他检测装置）之间有较高的时间同步能力（误差<1ms）。目前通过主站对时的方式，各FTU（或其他检测装置）的时间同步误差一般在10ms左右，不能满足要求。在计算两个相邻检测点暂态零序电流i_0,1(t)，i_0,2(t)之间相似系数时，对其中一个信号进行适度偏移，得到一系列的相似系数，并取其中绝对值最大值作为其相似系数从而确定两电流的相似关系，因此采用下式算法计算两个相邻检测点的暂态零序电流i_0,k(t)，i_0,k+1(t)之间相似系数ρ_k,k+1能够适应检测点时间同步误差较大的情况。在计算相似系数ρ_k,k+1时，可以通过下式进行计算：

${\mathrm{\&rho;}}_{k,k+1}=\frac{{\&Integral;}_0^T{i}_{0,k}\left(t\right)i_{0,k+1}(t+{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{km}})\mathrm{dt}}{\sqrt{{\&Integral;}_0^T{i}_{0,k}^2\left(t\right)\mathrm{dt}{\&Integral;}_0^T{i}_{0,k+1}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}}---\left(1\right)$

其中τ_km为取最大值时的τ值，τ∈[-T_t，T_t]，T_t为FTU或者RTU等的对时误差，T为暂态信号持续时间，对于超出记录范围[0，T]的零序电流数据用0补充。

步骤4，判断步骤3中计算出的相似系数是否满足下式：

-K_set<ρ_k,k+1<K_set    （2）

其中K_set为0到1之间的定值，根据现场经验选取，可取0.3～0.5。如果满足式（2）则表明检测点两侧暂态零序电流i_0,k(t)，i_0,k+1(t)不相似，从而判断出检测点k和k+1之间为故障区段，转入步骤8；如果不满足式（2）继续执行步骤5。

步骤5，计算暂态零序电流的电流极性系数P_k,k+1，比较暂态零序电流i_0,k(t)，i_0,k+1(t)的极性。与计算相似性类似，在计算两个相邻检测点暂态零序电流i_0,1(t)，i_0,2(t)之间极性系数时，对其中一个信号进行适度偏移，得到一系列的极性系数，并取其中绝对值最大值作为其极性系数从而确定两电流的极性关系，因此极性比较采用下述方法：

$P_{k,k+1}=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{i}_{0,k}\left(t\right)i_{0,k+1}(t+{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{km}}^{\&prime;})\mathrm{dt}---\left(3\right)$

其中为取最大值时的τ值，对于超出记录范围[0,T]的零序电流数据用0补充。

步骤6，判断暂态零序电流的电流极性系数P_k,k+1是否满足P_k,k+1>0，如果P_k,k+1<0，则暂态零序电流i_0,k(t)，i_0,k+1(t)极性相反，检测点k和k+1之间为故障区段，转入步骤8。如果P_k,k+1>0，暂态零序电流i_0,k(t)，i_0,k+1(t)极性相同，检测点k和k+1之间为健全区段，继续执行步骤8。

步骤7，判断k值是否满足k=n-1，如果满足，则表明故障点位于检测点n到线路末端的区段之间；如果k<n-1，k值自动加1，对下一区段进行判断，返回执行步骤3。

步骤8，结束判断，确定故障区段。

如图3所示，整套检测***由三部分组成：分布于线路各个检测点的检测设备（此处假定都是FTU）、主站、联系各个检测设备与主站的通信***。L₁、L₂、L₃、L₄为母线1的4条出线其中线路长度L₁=3km、L₂=9km、L₃=12km、L₄=20km，S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S'₁、S'₂、S'₃为分段开关，K为联络开关，式（2）中的定值K_set取0.5。

接有三相∕零序电压的FTU，根据三相∕零序电压工频量变化启动；无三相∕零序电压的FTU根据暂态电流变化启动。***正常运行时，FTU不断采集三相∕零序电压或者暂态电流信号并比较其变化量，该变化量很小、未达到定值时，FTU不会启动。

当发生单相接地故障（如S₃、S₄之间发生A相接地故障）时，各FTU不断采集三相∕零序电压或者暂态电流信号并检测到其变化量超过一定值，FTU将带有时间标签的暂态电流录波数据等信息上报主站。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。如图3所示，假设母线与负荷之间共设置有5个检测点，并假设S3和S4之间发生A相接地故障，对于单相接地故障则采用如下步骤进行定位：

主站首先对检测点1和检测点2之间的区段进行判断，即此时k=1，k+1=2。主站计算检测点1和检测点2(此时k=1）的暂态零序电流i_0,1(t)，i_0,2(t)的相似系数ρ_1,2。由式（1）计算得ρ_1,2=0.98，不满足-K_set<ρ_1,2<K_set，检测点1和检测点2的暂态零序电流i_0,1(t)，i_0,2(t)相似，转入比较暂态零序电流i_0,1(t)，i_0,2(t)的极性。极性比较采用式（3）所述方法，计算得P_1,2=22.67>0。表明暂态零序电流i_0,1(t)，i_0,2(t)相似且极性相同，检测点1和2之间为健全区段。

此时k<4，k值自动加1，此时k=2，k+1=3，主站进入下一区段即检测点2和检测点3之间的区段进行判断。根据式（1）计算检测点2和检测点3（k=2）的暂态零序电流i_0,2(t)，i_0,3(t)的相似系数ρ_2,3=0.99，即暂态零序电流i_0,2(t)，i_0,3(t)相似，进而根据式（2）计算i_0,2(t)，i_0,3(t)的极性系数P_2,3=28.05，则表明暂态零序电流i_0,2(t)，i_0,3(t)相似且极性相同，检测点2和3之间为健全区段。

此时k<4，k值自动加1，此时k=3，k+1=4，主站进入下一区段即检测点3和检测点4之间的区段进行判断。根据式（1）计算检测点3和检测点4（k=3）的暂态零序电流i_0,3(t)，i_0,4(t)的相似系数ρ_3,4=-0.85，不满足式（2），进而根据式（3）计算i_0,3(t)，i_0,4(t)的极性系数P_3,4=-19.93<0，即检测点3和检测点4之间不满足零序电流相似且零序电流极性相同。从而确定检测点3和检测点4之间为故障区段，结束判断。

主站以各种形式报告接地信息，并自动或人工在适当时机指令断开检测点3和检测点4开关并闭合联络开关，保证隔离故障区段进行检修，同时不影响健全区段的供电。

当故障位于其他区段时，与故障位于S₃、S₄之间类似，不再一一赘述。

以上是综合利用暂态电流相似性和极性比较的定位方法，确定故障点所处的故障区段。

也可以单独利用暂态零序电流相似性或极性关系确定故障点所处的故障区段。

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 (2)

1.一种基于暂态电流波形比较的小电流接地故障定位方法，利用电力线路中设置的若干检测点上传故障零序电流数据，由主站接收并处理后进行故障定位判断，其特征在于：利用暂态零序电流相似性或/和极性关系确定故障点所处的故障区段；

所述的利用暂态零序电流相似性和极性关系确定故障点所处的故障区段，其具体故障判断步骤为：

步骤1，母线出口处的检测点记为检测点1，相邻检测点记为检测点2，且检测点编号依次递加，最后一个检测点记为检测点n；

步骤2，将检测点1标记为k，此时k=1；

步骤3，主站计算检测点k和检测点k+1的暂态零序电流                                                ，的相似系数；所述的暂态零序电流，之间相似系数用如下方式计算：

其中为取最大值时的值，，为馈线终端（FTU）或者远程终端设备（RTU）的对时误差，T为暂态信号持续时间，对于超出记录范围的零序电流数据用0补充；

步骤4，判断暂态零序电流，的相似系数是否满足-<<，如果满足，转入步骤8，不满足则继续执行步骤5；

步骤5，计算暂态零序电流的电流极性系数，比较暂态零序电流，的极性，所述的零序电流的电流极性系数使用以下公式进行计算：

其中，其中为取最大值时的值，对于超出记录范围的零序电流数据用0补充；

步骤6，判断暂态零序电流的电流极性系数是否满足<0，如果<0，则暂态零序电流，极性相反，检测点k和k+1之间为故障区段，转入步骤8；

步骤7，判断k值是否满足k=n-1，如果满足，则表明故障点位于检测点n到线路末端的区段之间；如果k<n-1，k值自动加1，返回执行步骤3，对下一区段进行判断；

步骤8，结束判断，确定故障区段。

2.根据权利要求1所述的一种基于暂态电流波形比较的小电流接地故障定位方法，其特征在于：步骤4中所述的为0到1之间的定值。