CN114441891A - 一种基于电流信号相似度的配电网单相接地故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流信号相似度的配电网单相接地故障选线方法。通过利用在线路首端安装的检测装置获取三相相电流并合成零序电流，根据零序电流获取故障发生时刻，并对发生故障时刻前后的相电流相减得到***三相电流的故障分量，随后利用各线路上的故障分量与其线路自身零序电流做差获取正负序电流作为判断信号，增强各线路间的差异，并求出本线路对应的判断信号电流相似度计算结果，使得故障线路的故障特征与非故障线路产生明显差异，并通过设置阈值实现就地判断故障选线，该方法对通信的依赖程度不高，既可以上传到主站进行集中故障选线，也可以在本地进行故障指示，实现就地故障选线，并且仅利用电流作为判断信号，方法适用性强。

Description

一种基于电流信号相似度的配电网单相接地故障选线方法

技术领域

本发明涉及配电网中单相接地故障领域，具体地说是一种基于电流信号相 似度的配电网单相接地故障选线方法。

背景技术

由于我国10kV配电网网络拓扑结构复杂、覆盖面广等问题，使得单相接地 故障特征不明显，故障定位问题长期以来没有得到很好的解决，极大降低了配 电网的供电可靠性和经济性。

目前，根据定位方法利用的判断信号可将定位方法大致分为线路本身故障 信号和基于外部注入信号两类。基于注入信号的故障定位算法需要在***中安 装特定信号注入装置在故障发生后向配电网中注入特定信号，并将检测的信号 结果传输至主站进行算法计算，最终完成故障定位。但由于需在***中安装大 量信号注入装置，影响该类方法的经济性，考虑到工程预算，现场往往采用成 本较低的基于线路自身信号的故障定位技术，该类技术大多数为基于零序信号， 同时为了提高算法可靠性，研究人员在以上方法的基础上辅以人工智能智能算 法等进行了改进。但上述方法仍存在一些问题：基于零序信号的故障定位方法 利用***中零序电压或零序电流作为判断信号进行算法计算最终完成故障定位，但在实际工况中很多电缆环网柜等现场装置内空间有限，没有安装电压互 感器，无法使用零序电压信号，使得该类方法的适应性较差。同时，基于零序 信号和外部注入信号的定位方法通常需要将从***中采集到的信号传输至主站 进行判断，严重依赖通信，但实际现场中为了保证保护的正确动作需要即使通 信失效也能实现就地定位的技术。

为了解决上述问题，专家提出了基于相电流的故障定位技术。有学者提出 一种基于三相相电流突变量的故障定位方法。该方法利用故障点上游线路与故 障点下游及健全线路的相电流突变量辨识出线路对地电容值，通过判断对地电 容值正负完成故障定位。但考虑到当接地电阻较大时使得故障突变量较小更加 加剧了检测的难度，同时由于配电网负荷分量中具有一定的谐波分量，导致检 测装置很难检测出突变量，使得保护易出现误动或拒动。专家提出一种基于三 相相电流稳态量的故障定位方法：单相接地故障会使线路相电流发生变化，且 故障线路与非故障线路的三相电流在故障发生后变化不同，同时该变化与负荷 变化导致的电流变化存在差异，据此提出故障定位方法。但由于配电网中负荷 电流远大于故障电流，仅依靠相电流作为判断信号会存在判断信号微弱，易使 方法产生误判的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电流信号相似度的配电网单相接地故障选线 方法，该方法对通信的依赖程度不高，既可以上传到主站进行集中故障选线， 也可以在本地进行故障指示，实现就地故障选线，并且仅利用电流作为判断信 号，方法适用性强。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于电流信号相似度的配电网单相接地故障选线方法，实时测量配电 网三相电流，通过利用在线路首端安装的检测装置获取三相相电流并合成零序 电流，根据零序电流获取故障发生时刻，并对发生故障时刻前后的相电流进行 相减得到***三相电流的故障分量，随后利用各线路上的故障分量与本线路零 序电流做差获取正负序电流作为判断信号，增强各线路间的差异，并求出本线 路对应的判断信号电流相似度计算结果，使得故障线路的故障特征与非故障线 路产生明显区别，并通过设置阈值实现就地判断故障选线。

具体包括如下步骤：

步骤1：各检测装置实时测量相电流并合成零序电流变化；

步骤2：一旦合成的零序电流幅值大于阈值判定单相接地故障发生，并记录 故障发生时刻；

步骤3：利用故障发生时刻获取故障发生前3周期三相电流信号，以及故障 发生时刻一周期后的三个周期三相电流信号且合成故障时刻一周期后的三个周 期零序电流，并将故障发生后的三相电流信号与发生前的信号相减排除负荷电 流的影响，而后减去获取的故障发生后的零序电流，最终获取判断电流；

步骤4：利用相似度函数计算线路对应的三个计算结果；最后根据设置的阈 值进行故障选线，当线路三个计算结果中两个结果小于阈值时可判断线路为故 障线路并根据计算结果判断故障相，否则判断线路为非故障线路。

步骤3中获取判断电流的方法为：

I_pdxh(t)＝I(t+t₀+T)-I(t+t₀-3T)-I₀(t+t₀+T)

其中t∈[0,3T-1]；I_pdxh(t)为判断电流；I(t+t₀+T)为故障后一周期相电流；I(t+t₀-3T)为 故障前3周期相电流；I₀(t+t₀+T)为故障后1周期线路零序电流；t₀为故障发生时刻；T为周期。

步骤4中利用相似度函数计算线路对应的三个计算结果的方法为：

相关系数函数判断信号波形相似程度：

其中，i₁(n)和i₂(n)为需要比较相似度的两个波形信号，在本发明中可取为线 路不同相判断信号；P为判断波形采样点个数，通常可取三个周期的采样点数。 由函数可得，当两个信号相位相差越小时，其判断结果越接近1，相位差为0 时，判断结果为1；而两个信号相位相差越接近180°时，判断结果越接近-1， 相位相差180°时结果为-1。

利用计算结果判断故障线路及故障相的方法为：

故障线路的三相电流故障分量减去零序电流后：

非故障线路的三相电流故障分量减去零序电流后：

判断电流在故障线路中故障相与正常向方向相反，幅值呈2倍关系，且幅 值最大的为故障相；在非故障线路中三相判断电流基本相同且近似为0。

由此根据相似度函数分别判断各线路两相间结果，在不考虑谐波和噪声干 扰的情况下，由于故障线路中故障相与非故障相相位相反，非故障相相位相同， 使得故障线路的判断结果中会出现故障相与另外两个非故障相计算结果为-1和 两个非故障相计算结果为1，而在非故障线路中则会出现三个1。

为了避免配电网中干扰对判断结果的影响，可设置可调节阈值σ，当出现 判断结果有两个小于σ时，可判断为故障线路，且数值最大的计算结果的对应 相的另外一相为故障相；而不满足判据的情况下为非故障线路。经过大量测试 与实验，σ可取-0.25～-0.5可满足大多数情况。

本发明的有益效果在于：

一、基于相电流稳态过程电流相似度特征进行单相接地故障选线判断，可 准确确定故障线路。

二、信息量采集方便，利用稳态信号进行判断，不需要提取复杂的暂态录 波，避免谐波和噪声对暂态过程的干扰，提高可靠性。

三、选线方法信息量计算简单，算法工程可实现性强。

四、适用于中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的小电流接地***，在 工程上具有很高的推广价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

图1是中性点经消弧线圈接地***模型图。

图2是零序电路等效图。

图3是中性点经消弧线圈接地***模型图。

图4是故障线路电流波形。

图5是正常线路电流波形。

图6是选线技术流程图。

具体实施方式

一种基于电流信号相似度的配电网单相接地故障选线方法，实时测量配电 网三相电流，通过利用在线路首端安装的检测装置获取三相相电流并合成零序 电流，根据零序电流获取故障发生时刻，并对发生故障时刻前后的相电流相减 得到***三相电流的故障分量，随后利用各线路上的故障分量与本线路零序电 流做差获取正负序电流作为判断信号，增强各线路间的差异，并求出本线路对 应的判断信号电流相似度计算结果，使得故障线路的故障特征与非故障线路产 生明显区别，并通过设置阈值实现就地判断故障选线。

该方法对通信的依赖程度不高，既可以上传到主站进行集中故障选线，也 可以在本地进行故障指示，实现就地故障选线，并且仅利用电流作为判断信号， 方法适用性强。

如图6所示，具体步骤如下：

步骤1：各检测装置实时测量相电流并合成零序电流变化；

步骤2：一旦合成的零序电流幅值大于阈值判定单相接地故障发生，并记 录故障发生时刻；

步骤3：利用故障发生时刻获取故障发生前3周期三相电流信号，以及故 障发生时刻一周期后的三个周期三相电流信号且合成故障时刻一周期后的三个 周期零序电流，并将故障发生后的三相电流信号与发生前的信号相减排除负荷 电流的影响，而后减去获取的故障发生后的零序电流，最终获取判断电流；

步骤4：利用相似度函数计算线路对应的三个计算结果；最后根据设置的 阈值进行故障选线，当线路三个计算结果中两个结果小于阈值时可判断线路为 故障线路并根据计算结果判断故障相，否则判断线路为非故障线路。

其中：步骤3中获取判断电流的方法如下：

I_pdxh(t)＝I(t+t₀+T)-I(t+t₀-3T)-I₀(t+t₀+T)

其中t∈[0,3T-1]；I_pdxh(t)为判断电流；I(t+t₀+T)为故障后一周期相电流； I(t+t₀-3T)为故障前3周期相电流；I₀(t+t₀+T)为故障后1周期线路零序电流； t₀为故障发生时刻；T为周期。

以含有2条线路的中性点经消弧线圈接地***为例分析相电流变化。*** 如附图1所示。其中，e_A、e_B、e_C为电源电动势；C_i为各线路上对地电容(i＝1、2)； 其中，假设在线路2的中部发生单相接地故障故障相为A相，其中C₂为故障点 上游线路对地电容；C'₂为故障点下游线路对地电容。

当小电流接地***发生单相接地故障后，各线路上的相电流会产生变化。 根据对称分量法，可将电路接地点处等效为正、负、零三序电压共同作用。

故障发生后***中电流由发电机电源电动势以及正负零序电压共同产生， 同时根据叠加定理分析可得，故障发生后线路上的三相相电流

由发电机电源 产生的正常运行负荷电流

以及正负零序电压产生的故障分量电流

叠加构成， 且考虑到故障发生前后电源电动势基本保持不变，所以故障后线路上的负荷电 流

与故障发生前的负荷电流

大致相等，而故障发生前的负荷电流即为*** 相电流，据此，可通过对故障发生时刻前后检测装置量测相差整周期对应的电 流值进行相减，从而得到故障后的故障分量电流

由于故障电流中的正负序电流仅在电源与故障点中构成回路，所以正负序 电流大部分集中于故障线路上。但是由于零序电流在各条线路上的对地电容与 故障点间构成回路，所以零序电流会在故障点处发生分流，流向***所有线路。

零序等值电路如图2所示。其中，

为零序电压；L₀为消弧线圈电感；C_i为 各线路上对地电容(i＝1、2)；C₂为故障点上游线路对地电容；C'₂为故障点下游线 路对地电容。

由附图2可得，零序电流在故障点处发生分流，零序电流分别流向故障线 路及非故障线路。同时，各线路上的零序电流通过母线流向故障点。根据电路 定理可得第i条线路上零序电流的分流系数如下：

其中，C_m为各线路上对地电容m＝1、2；α为线路i上的对地电容或消弧线圈 的电抗值。

需要特殊注意的是，由于故障线路首端检测装置上检测到的零序电流为除 故障点下游零序电流的总和，故故障线路首端获取的零序电流分流系数为：

由于故障电流中正序和负序电流在故障点与电源通过母线之间构成回路， 故障电流中的零序电流由各线路上的对地电容通过母线与故障点构成回路，所 以在故障线路首端获取的电流故障分量中包含正序、负序和部分零序三种电流。

为不失一般性，假设***通过对称分量法求出的故障点处的正负零三序电 流分别为

λ_L为零序电流在故障线路上的分流系数，且方向因子为a＝e^j120°。 故在故障线路首端上各相故障分量

如下：

其中T为对称分量法变换矩阵：

由于故障电流中正序和负序电流仅在故障点与电源通过母线之间构成回路 而不经过非故障线路，故非故障线路中正负序电流大小为0；故障电流中的零 序电流则由各线路上的对地电容通过母线与故障点构成回路，通过上文中不同 线路的分流系数λ_i可具体求出对应线路的零序电流大小，则在非故障线路上三 相电流的故障分量

分别为：

为排除零序电流对判断信号产生影响，从故障分量电流中减去零序电流。

故障线路的三相电流故障分量减去零序电流后：

非故障线路的三相电流故障分量减去零序电流后：

判断电流在故障线路中故障相与正常向方向相反，幅值呈2倍关系，且幅 值最大的为故障相；在非故障线路中三相判断电流基本相同且近似为0。

步骤4中利用相似度函数计算线路对应的三个计算结果的方法为：

相关系数函数判断信号波形相似程度：

其中，i₁(n)和i₂(n)为需要比较相似度的两个波形信号，在本专利中可取为线 路不同相判断信号；P为判断波形采样点个数，通常可取三个周期的采样点数。 由函数可得，当两个信号相位相差越小时，其判断结果越接近1，相位差为0 时，判断结果为1；而两个信号相位相差越接近180°时，判断结果越接近-1， 相位相差180°时结果为-1。

利用计算结果判断故障线路及故障相的方法为：

判断电流在故障线路中故障相与正常向方向相反，幅值呈2倍关系，且幅 值最大的为故障相；在非故障线路中三相判断电流基本相同且近似为0。

由此根据相关系数函数分别判断各线路两相间结果，在不考虑谐波和噪声 干扰的情况下，由于故障线路中故障相与非故障相相位相反，非故障相相位相 同，使得故障线路的判断结果中会出现故障相与另外两个非故障相计算结果为 -1和两个非故障相计算结果为1，而在非故障线路中则会出现三个1。

为了避免配电网中干扰对判断结果的影响，可设置可调节阈值σ，当出现 判断结果有两个小于σ时，可判断为故障线路，且数值最大的计算结果的对应 相的另外一相为故障相；而不满足判据的情况下为非故障线路。经过大量测试 与实验，σ可取-0.25～-0.5可满足大多数情况。

以下将结合附图和实例对发明的内容做进一步的说明。

如附图3所示，图3为电力暂态仿真软件ATP搭建的经消弧线圈接地小电 流单相接地故障***模型，其中，本文根据上述的设计方案利用真型试验平台 进行模拟仿真试验，将故障时刻设定在0.0547s处，每个周期采样点数为100， 共采集20个周期。设置阈值σ为-0.5。

步骤1：各检测装置实时测量相电流并合成零序电流变化；

通过将检测装置获取的三相电流进行合成获取零序电流并监测零序电流幅 值变化。

步骤2：一旦合成的零序电流幅值大于阈值判定单相接地故障发生，并记 录故障发生时刻。

当零序电流幅值大于阈值时，判断***中发生单相接地故障，同时记录相 应的故障时间为后续过程做准备。

步骤3：利用故障发生时刻获取故障发生前3周期三相电流信号，以及故 障发生时刻一周期后的三个周期三相电流信号且合成故障时刻一周期后的三个 周期零序电流，并将故障发生后的三相电流信号与发生前的信号相减排除负荷 电流的影响，而后减去获取的故障发生后的零序电流，最终获取判断电流。

利用步骤2获取的故障发生时刻，将故障前后相电流相减获取故障分量电 流并减去对应时刻的零序电流后可获取本选线方法所需判断信号。

本申请实施例中，获取故障线路、正常线路电流波形如图4-5所示，其中， 红色代表A相电流波形；蓝色代表B相电流波形；绿色代表C相电流波形。由 图中可观察到故障线路中故障相与非故障相波形相反且幅值相差2倍，而非故 障线路中三相电流波形相同，符合上述分析。

电流相似度计算结果如下表所示：

步骤4：利用相似度函数计算线路对应的三个计算结果；最后根据设置的 阈值进行故障选线，当线路三个计算结果中两个结果小于阈值时可判断线路为 故障线路并根据计算结果判断故障相，否则判断线路为非故障线路。

在本申请实施例中设置的阈值为-0.5，由表中可得，除故障线路中两个结 果小于阈值外其余计算结果皆大于阈值。故障线路结果符合两个计算结果小于 阈值的故障线路判据且通过结果仅BC结果大于阈值，由此可判断出故障相为A 相，而其余线路皆不符合判据，为非故障线路。实验结果符合上文理论分析结 果，验证了分析结果的正确性和算法的可行性。

以上公开的仅为本专利的具体实施例，但本专利并非局限于此，对于本领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，做出的变形应视为属 于本发明保护范围。

Claims (6)

1.一种基于电流信号相似度的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于：实时测量配电网三相电流，通过利用在线路首端安装的检测装置获取三相相电流并合成零序电流，根据零序电流获取故障发生时刻，并对发生故障时刻前后的相电流相减得到***三相电流的故障分量，随后利用各线路上的故障分量与本线路零序电流做差获取正负序电流作为判断信号，增强各线路间的差异，并求出本线路对应的判断信号电流相似度计算结果，使得故障线路的故障特征与非故障线路产生明显差异，并通过设置阈值实现就地判断故障选线。

2.根据权利要求1所述的基于电流信号相似度的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、各检测装置实时测量相电流并合成零序电流变化；

步骤2、一旦合成的零序电流幅值大于阈值判定单相接地故障发生，并记录故障发生时刻；

步骤3、利用故障发生时刻获取故障发生前三周期三相电流信号，以及故障发生时刻一周期后的三个周期三相电流信号且合成故障时刻一周期后的三个周期零序电流，并将故障发生后的三相电流信号与发生前的信号相减排除负荷电流的影响，而后减去获取的故障发生后的零序电流，最终获取判断电流；

步骤4、利用相似度函数计算线路对应的三个计算结果；最后根据设置的阈值进行故障选线，当线路三个计算结果中两个结果小于阈值时可判断线路为故障线路并根据计算结果判断故障相，否则判断线路为非故障。

3.根据权利要求2所述的基于电流信号相似度的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于，步骤3中获取判断电流的方法为：

I_pdxh(t)＝I(t+t₀+T)-I(t+t₀-3T)-I₀(t+t₀+T)

其中t∈[0,3T-1]；I_pdxh(t)为判断电流；I(t+t₀+T)为故障后一周期相电流；I(t+t₀-3T)为故障前3周期相电流；I₀(t+t₀+T)为故障后1周期线路零序电流；t₀为故障发生时刻；T为周期。

4.根据权利要求2或3所述的基于电流信号相似度的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于，步骤4中利用相似度函数计算线路对应的三个计算结果的方法为：相关系数函数判断信号波形相似程度

其中，i₁(n)和i₂(n)为需要比较相似度的两个波形信号，在本专利中可取为线路不同相判断信号；P为判断波形采样点个数，通常可取三个周期的采样点数，由函数可得，当两个信号相位相差越小时，其判断结果越接近1，相位差为0时，判断结果为1；而两个信号相位相差越接近180°时，判断结果越接近-1，相位相差180°时结果为-1。

5.根据权利要求2或4所述的基于电流信号相似度的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于，步骤4中利用计算结果判断故障线路及故障相的方法为：

故障线路的三相电流故障分量减去零序电流后

非故障线路的三相电流故障分量减去零序电流后

判断电流在故障线路中故障相与正常向方向相反，幅值呈2倍关系，且幅值最大的为故障相；在非故障线路中三相判断电流基本相同且近似为0；

由此根据相关系数函数分别判断各线路两相间结果，在不考虑谐波和噪声干扰的情况下，由于故障线路中故障相与非故障相相位相反，非故障相相位相同，使得故障线路的判断结果中会出现故障相与另外两个非故障相计算结果为-1和两个非故障相计算结果为1，而在非故障线路中则会出现三个1；

为了避免配电网中干扰对判断结果的影响，可设置可调节阈值σ，当出现判断结果有两个小于σ时，可判断为故障线路，且数值最大的计算结果的对应相的另外一相为故障相；而不满足判据的情况下为非故障线路。

6.根据权利要求5所述的基于电流信号相似度的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于，σ取值范围为-0.25～-0.5。

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