CN113189446B - 一种小电流接地故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种小电流接地故障选线方法，包括：(1)监测***母线零序电压，当监测的电压大于预设电压时，则故障选线装置启动。(2)采样得到故障后第一个周期各支路的零序电流，并提取低频段和特征频段内的各支路零序电流信息。(3)求取各支路零序电流的点积，对求取的点积计算各支路的改进Hausdorff距离值。(4)根据得到的改进Hausdorff距离值确定故障线路。本发明能够确保选线结果准确，且计算量小。

Description

一种小电流接地故障选线方法

技术领域

本发明属于配电网故障选线领域，涉及一种小电流接地故障选线方法。

背景技术

小电流接地方式是我国中压配电网普遍采用的一种接地方式，当小电流接 地***发生单相接地故障时，三相之间线电压依然保持对称，***允许持续运 行1～2小时，但故障若不能及时切除，会使得线路间绝缘击穿，造成故障范 围扩大。因此，当***发生故障时，快速判别故障线路并实现故障隔离，对配 电网的安全可靠运行具有重要意义。

目前，针对小电流接地故障选线的研究取得了极大进展。在中性点不接地 的配电网中，利用工频零序电流的幅值和方向、零序无功功率方向法进行故障 选线；在谐振接地配电网中，采用零序有功功率法指示故障，利用消弧线圈并 联电阻产生的有功电流分量克服消弧线圈电流的影响；由于故障线路零序电流 小，利用故障产生的稳态零序电流与零序电压的方法难以解决谐振接地配电网 的故障选线问题，因此现在开发出了通过人为地改变中性点运行状态放大零序 电流或向配电网注入特征信号的主动式选线技术。与上述方法相比，利用暂态 量进行故障选线的方法，不受消弧线圈的影响，应用前景广阔，基于暂态量的 行波测距法已成功应用在输电线路上，在线路长度较长、分支较少的配电网也 可以采用行波原理进行测距；暂态无功功率方向法需要获取检测点处线路自身 的故障暂态电压、电流，对故障暂态零序电压进行希尔伯特变换，求取其平均 功率，以平均功率的符号来判断故障线路；现阶段，国内外学者对利用故障线 路和健全线路零序电流波形相似度进行故障选线的方法做了大量研究，该方法 在现场应用效果良好，具有较高的可靠性。

上述方法分为主动式选线、利用稳态信息选线和利用暂态信息选线法三大 类。主动式选线法通过注入各种频率信号或调整消弧线圈的补偿度，可以改变 故障线路中监视的信号并识别出故障线路。但这类方法需要辅助设备和额外的 操作，这增加了潜在的风险和成本。稳态信息选线法包括零序电流群体比幅比 相法、零序有功功率法、五次谐波法等，在谐振接地***中，由于噪声和消弧 线圈的影响，利用稳态信息的选线方法易出现误判，导致选线失败。与上述方 法相比，利用暂态信号进行选线的方法可以快速、准确地判别故障线路，且由 于暂态信号不受消弧线圈的影响，其应用前景广阔。行波法已经成功应用到配 电网的故障选线和故障定位，但是，基于行波测距的方法很容易受到电磁干扰， 并要求相当高的采样频率。能量法是利用各支路的暂态零序电流和暂态零序电 压，计算得到对应的暂态功率，根据功率的大小及极性识别故障线路，但当故 障电阻较高时，选线结果会受到噪声的影响导致误判。另外，人工智能的方法 在很大程度上取决于算法的可靠性和训练数据库的大小，并且缺乏清晰的物理 意义，计算成本较高，制约了人工智能技术的实际应用。此外，随着大量电缆 线路的接入，使得实际配网故障情况更加复杂，暂态信息更为丰富，因此，针 对电缆-架空混合线路的配电网，研究可靠的故障选线方法具有十分重要的意义。

发明内容

针对以上技术问题，本发明实施例提供一种小电流接地故障选线方法，可 以解决目前在配电网故障选线领域中，利用暂态量选线时易受复杂故障条件影 响的不足。

本发明采用的技术方案为：

本发明实施例提供一种小电流接地故障选线方法，包括：

S100，实时监测配电网***的母线的零序电压U₀，并在在监测到所述母 线的零序电压U₀＞a*U_N时，执行S110；a为预设系数，U_N为母线额定电压；

S110，采样得到故障后第一个周期内的各支路的零序电流，并提取低频段 和特征频段内的各支路零序电流信息；

S120，通过

得到各支路的零序电流的点积，并将得到的点 积作为对应支路的修正零序电流，其中，

为各支路的零序电流的低频段构成 的零序电流向量，

为各支路的零序电流的特征频段构成的零序电流向量；θ为

和

之间的夹角，0≤θ≤π；

S130，通过H(I_0i,I_0j)＝max(h(I_0i,I_0j),h(I_0j,I_0i))得到线路i和j之间的 暂态零序电流的匹配程度值，其中，

为线 路i和j之间的单向零序电流的匹配程度值；

为线路j和i之间的单向零序电流的匹配程度值；I_0i＝{m_i1,m_i2,...,m_ik}，为线 路i的修正零序电流，m_i1,m_i2,...,m_ik分别为线路i的修正零序电流I_0i对应的采 样零序电流，k为线路i的修正零序电流I_0i对应的采样点数； I_0j＝{m_j1,m_j2,...,m_jp}，为线路i的修正零序电流，m_j1,m_j2,...,m_jp分别为线 路j的修正零序电流I_0j对应的采样零序电流，p为线路j的修正零序电流I_0j对 应的采样点数；1≤i，j≤n，并且i≠j，n为线路总数；

S140，基于S130得到的各支路之间的零序电流的匹配程度值，得到对应 的匹配矩阵

S150，对于矩阵H中的任一行，如果该行中所有元素中的最大值 H_max＞∑H_rest，则判定该行对应的线路为故障线路；∑H_rest为该行除了最大值 之外的剩余元素之和。

本发明实施例提供的小电流接地故障选线方法，以各支路的零序电流为故 障特征量，通过数字滤波器提取特征频段和低频段的故障特征量，将所提取的 故障信息进行点积运算，利用改进后的Hausdorff距离算法计算各支路的相似 度，进而根据设定的故障选线判据判别故障线路，可以解决目前在配电网故障 选线领域中，利用暂态量选线时易受复杂故障条件影响的不足。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发 明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域 技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发 明保护的范围。

本发明实施例提供一种小电流接地故障选线方法，包括以下步骤：

S100，实时监测配电网***的母线的零序电压U₀，并在在监测到母线的 零序电压U₀＞a*U_N时，执行S110；a为预设系数，U_N为母线额定电压。

在本发明实施例中，配电网***可由架空-电缆混合出线构成。母线的零 序电压可由现有的零序监控装置进行监测。在监测到母线的零序电压U₀＞ k*U_N时，表示配电网***出线故障，需要进行故障选线。A可根据实际需要 进行设置，在一个示例中，a的值可为0.15。

S110，采样得到故障后第一个周期内的各支路的零序电流，并提取低频段 和特征频段内的各支路零序电流信息。

在本发明实施例中，采样周期可根据实际情况进行设置，在一个示例中， 采样周期可为20ms左右，即，在该步骤中，在确定故障后，采样20ms内的 与母线连接的各支路的零序电流。在本发明实施例中，可通过数字滤波器来提 取低频段和特征频段内的各支路的零序电流信息，可通过调整数字滤波器的窗 函数来提取低频段和特征频段内的各支路的零序电流信息。

在本发明实施例中，如果零序电流的频率f满足200Hz＜f＜f_k，则表示频 率f属于特征频段；如果f＜50Hz，则表示频率f属于低频段。其中，

l为线路长度，C₀、L₀为线路的零序电容和零序电感，可通过现 有方法获得。

S120，通过

得到各支路的零序电流的点积，并将得到的 点积作为对应支路的修正零序电流，其中，

为各支路的零序电流的低频段构 成的零序电流向量，

a₁,a₂,...,a_r分别为提取的各支路的零序 电流的低频段内的电流值，r为提取的各支路零序电流的低频段内的电流值对 应的采样点数；

为各支路的零序电流的特征频段构成的零序电流向量，

b₁,b₂,...,b_s分别为提取的各支路的零序电流的特征频段内的电流 值，s为提取的各支路的零序电流的特征频段内的电流值对应的采样点数；θ为

和

之间的夹角，0≤θ≤π。

在本发明实施例中，通过将提取的特征频段和低频段内的零序电流进行点 积处理，并将其作为修正零序电流，提高选线准确性。

S130，通过H(I_0i,I_0j)＝max(h(I_0i,I_0j),h(I_0j,I_0i))得到线路i和j之间的 双向Hausdorff距离，本发明中定义为暂态零序电流的匹配程度值，H(i,j)越 小，表示暂态零序电流波形间的相似度越高。

其中，||m_i-m_j||为线路i和j之间的采样点与采样点之间的欧式距离，本发 明中定义为线路i和j之间的采样点与采样点之间的匹配程度值；

为线路i和j之间的单向Hausdorff距离， 本发明中定义为线路i和j之间的零序电流的匹配程度值；||m_j-m_i||为线路j和 i之间的采样点与采样点之间的欧式距离，本发明中定义为线路j和i之间的采 样点与采样点之间的匹配程度值；

为线路j 和i之间的单向Hausdorff距离，本发明中定义为线路j和i之间的零序电流的 匹配程度值；I_0i＝{m_i1,m_i2,...,m_ik}，为线路i的修正零序电流，m_i1,m_i2,...,m_ik分别为线路i的修正零序电流I_0i对应的采样零序电流值，k为线路i的修正零 序电流I_0i对应的采样点数；I_0j＝{m_j1,m_j2,...,m_jp}，为线路i的修正零序电流， m_j1,m_j2,...,m_jp分别为线路j的修正零序电流I_0j对应的采样零序电流值，p为 线路j的修正零序电流I_0j对应的采样点数；1≤i，j≤n，并且i≠j，n为线路 总数。

通过H(I_0i,I_0j)＝max(h(I_0i,I_0j),h(I_0j,I_0i))，可得到任意两条线路之间 的暂态零序电流的匹配程度值。本发明实施例中，由于使用任意两条线路之间 的采样点与采样点之间的匹配程度值中的最小值的均值作为任意两条线路之 间的单向零序电流的匹配程度值，能够减少孤立点对最终判断结果的影响，使 得判断结果更准确。本发明中，Hausdorff距离具体的计算方法与现有技术相 同，为避免赘述，本发明省略对此的详细介绍。

S140，基于S130得到的各支路之间的零序电流的匹配程度值，得到对应 的匹配矩阵

由矩阵H可知，主对角元素为0，并且矩阵H元素根据主对角线对称。 若馈线i发生故障时，则矩阵中第i行的元素是由其余各行元素的最大值所组 成

S150，对于矩阵H中的任一行，如果该行中所有元素中的最大值 H_max＞∑H_rest，则判定该行对应的线路为故障线路，否则，执行S160；∑H_rest为该行除了最大值之外的剩余元素之和。

S160，如果H_s-max＞∑H_rest-o，则判定该行对应的线路为故障线路，否则， 执行S170；H_s-max该行中所有元素中的次大值；∑H_rest-o为该行除了最大值和次 大值之外的剩余元素之和。

由于电缆线路与架空线路之间单位长度的零序电容差异很大，相应的零序 电流差异也很大，这会使得电缆线路和架空线路之间的数值较大，为避免误判， 本发明实施例进一步通过新的判断依据H_s-max＞∑H_rest-o进行判断，使得判断结 果更加准确。

S170，判定母线为故障线路。

综上，本发明实施例提供的小电流接地故障选线方法，至少具有以下优点：

1)通过数字滤波器来提取低频段和特征频段内各支路的零序电流，利用 故障线路和健全线路零序电流波形相似度进行故障选线，选线效果明显。

2)通过点积运算来表征故障线路与健全线路的波形差异，在已有的 Hausdorff距离算法基础上进行改进，计算出故障线路与健全线路零序电流波 形的相似度，能够减少孤立点，使得选线效果更准确。

3)对各支路的零序电压没有要求，只需要求取各支路的零序电流。另外， 数据计算量不大，只需要上传故障后一个周期的特征信息即可。

以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方 案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对 本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术 领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载 的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替 换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施 例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种小电流接地故障选线方法，其特征在于，包括：

S100，实时监测配电网***的母线的零序电压U₀，并在在监测到所述母线的零序电压U₀＞a*U_N时，执行S110；a为预设系数，U_N为母线额定电压；

S110，采样得到故障后第一个周期内的各支路的零序电流，并提取低频段和特征频段内的各支路零序电流信息；

S120，通过

得到各支路的零序电流的点积，并将得到的点积作为对应支路的修正零序电流，其中，

为各支路的零序电流的低频段构成的零序电流向量，

为各支路的零序电流的特征频段构成的零序电流向量；θ为

和

之间的夹角，0≤θ≤π；

S130，通过H(I_0i,I_0j)＝max(h(I_0i,I_0j),h(I_0j,I_0i))得到线路i和j之间的暂态零序电流的匹配程度值，其中，

为线路i和j之间的单向零序电流的匹配程度值；

为线路j和i之间的单向零序电流的匹配程度值；I_0i＝{m_i1,m_i2,...,m_ik}，为线路i的修正零序电流，m_i1,m_i2,...,m_ik分别为线路i的修正零序电流I_0i对应的采样零序电流，k为线路i的修正零序电流I_0i对应的采样点数；I_0j＝{m_j1,m_j2,...,m_jp}，为线路i的修正零序电流，m_j1,m_j2,...,m_jp分别为线路j的修正零序电流I_0j对应的采样零序电流，p为线路j的修正零序电流I_0j对应的采样点数；1≤i，j≤n，并且i≠j，n为线路总数；

S140，基于S130得到的各支路之间的零序电流的匹配程度值，得到对应的匹配矩阵

S150，对于矩阵H中的任一行，如果该行中所有元素中的最大值H_max＞∑H_rest，则判定该行对应的线路为故障线路；∑H_rest为该行除了最大值之外的剩余元素之和；

S160，如果H_s-max＞∑H_rest-o，则判定该行对应的线路为故障线路，否则，执行S170；H_s-max该行中所有元素中的次大值；∑H_rest-o为该行除了最大值和次大值之外的剩余元素之和；

S170，判定母线为故障线路；

其中，如果零序电流的频率f满足200Hz＜f＜f_k，则表示频率f属于特征频段；如果f＜50Hz，则表示频率f属于低频段；

l为线路长度，C₀、L₀为线路的零序电容和零序电感。

2.根据权利要求1所述的小电流接地故障选线方法，其特征在于，a＝0.15。

3.根据权利要求1所述的小电流接地故障选线方法，其特征在于，在步骤S110中，通过数字滤波器来提取低频段和特征频段内的各支路的零序电流信息。