CN109061385B - 基于暂稳态信息的单相接地故障检测及定位隔离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于暂稳态信息的单相接地故障检测及定位隔离方法，以稳态量突变为启动判据，实现对暂态特征量的提取；并将缓存暂态数据进行分时段处理，分非故障时段和故障时段，提取不同时段的状态特征，进行对比分析，精确定位故障初始时刻；然后截取故障初始阶段数据，配置不同可信度因子，进行向量分析，并辅助稳态量信息进行故障准确判别；最后以对等通信方式交互故障信息或是将故障信息上送主站集中处理方式实现故障准确定位及隔离。本发明适用于不同中性点接地方式配电网系统的单相接地故障检测、定位及隔离，极大地提高了小电流接地系统单相接地故障检测成功率，且一套定值适用于各种方式接地系统，应用前景良好。

Description

基于暂稳态信息的单相接地故障检测及定位隔离方法

技术领域

本发明属于配电网技术领域，尤其涉及一种基于暂稳态信息的单相接地故障检测及定位隔离方法。

背景技术

小电流接地系统单相接地故障检测，特别是谐振接地配电网(中性点经消弧线圈接地)的单相接地故障检测问题，一直被认为是一个世界性难题。人们先后开发了多种检测方法，但故障检测准确率都不够理想，可能导致非故障线路短时失电，故障恢复供电时间也较长。

小电流接地系统单相接地故障产生的过电压容易导致非故障相绝缘击穿，引发两相接地故障。电缆线路发生接地故障，长时间的接地弧光电流可能烧穿故障点绝缘，使其发展为相间短路故障。因此，长时间带故障运行，可能使故障范围和严重程度扩大化，造成重大经济损失。

随着社会发展和人民生活水平的提高，对供电质量提出了越来越高的要求，短时停电问题已引起了人们的高度关注。因此，亟需解决小电流接地系统单相接地故障准确定位及隔离问题，以提高配电网供电质量及安全运行水平。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于暂稳态信息的单相接地故障检测及定位隔离方法，能够适应不同中性点接地方式配电网单相接地故障的准确判别、快速定位及隔离，提高特别是小电流接地系统配电网单相接地故障检测成功率，以减少停电范围、缩短停电时间、保证供电质量，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于暂稳态信息的单相接地故障检测及定位隔离方法，包括以下步骤：

1)以高采样率(不小于3200HZ)实时采集零序电压、零序电流，并对采样数据进行循环缓存，缓冲区长度为N个周波；

2)实时计算零序电压、零序电流基波幅值或真有效值，当零序电压大于预先设定的阈值时开始计数，计满M个周波采样点后，对当前缓冲区进行快照存储；

3)对快照存储后缓冲区内的N个周波数据进行分时段处理，识别并划分为非故障时段和故障时段，提取非故障时段及故障时段状态特征，进行对比分析，精确定位故障初始时刻；

4)从故障初始时刻起，截取快照缓冲区中特定数量的采样点，具体点数根据零序电压和零序电流大小、极性及设定的判别点数综合确定；

5)判断故障相对于节点(节点指配电网中的开关设备或者开关处安装的终端装置)的位置，包括：

5a)将截取数据配置不同可信度因子，构建零序电压向量、零序电流向量，通过向量分析判别故障，具体为：

设构建的零序电压、电流向量分别为(x₁，x₂，...，x_k)、(y₁，y₂，...，y_k)；

其中，k为步骤4)中确定的采样点的点数；

x₁，x₂，...，x_k为加权处理后的零序电压采样数据，即将截取的零序电压采样数据乘以可信度因子；

y₁，y₂，...，y_k为加权处理后的零序电流采样数据，即将截取的零序电流采样数据乘以可信度因子；

通过向量点乘(x₁，x₂，...，x_k)·(y₁，y₂，...，y_k)＝x₁*y₁+x₂*y₂+…x_k*y_k结果的正负极性进行判断，若结果为负，则说明故障点为区内故障点(故障节点在下游)；结果为正，则故障点为区外故障点(故障节点在上游)。(备注：零序PT、CT按设定潮流方向接线，区内故障即节点下游故障，区外故障即节点上游故障)。

5b)计算故障初始阶段暂态零序有功功率和稳态零序电压电流相位关系，结合向量分析结果进行综合识别，准确判定故障；从故障初始时刻起，向后选取V(V≤M)个周波数据计算暂态零序有功功率，有功功率为负，故障点在节点下游(区内故障)；有功功率为正，故障点在节点上游(区外故障)。计数稳态零序电压电流相位关系，结合向量分析结果、有功功率分析结果进行综合识别，准确判定故障

通过相邻节点对等通信交互故障信息或是将各节点故障信息上送主站集中处理方式，确定故障区域，然后进行隔离，恢复供电，故障区域确定具体为：零序PT、CT按设定潮流方向接线，根据设定潮流方向确定节点间关系，将相邻节点分为父节点、子节点和兄弟节点，若相邻节点处于潮流上方则其为父节点，若相邻节点处于潮流下方则其为子节点，若相邻节点和当前节点拥有共同的父节点则称其为兄弟节点；若本节点下游故障，其子节点也下游故障，则本节点及其所有子节点围成区域为非故障区，否则为故障区；若本节点上游故障，某父节点也上游故障或某兄弟节点下游故障，则本节点、所有父节点和兄弟节点围成区域为非故障区，否则为故障区。

本发明所达到的有益效果是：本发明能够适应配电网不同中性点接地方式下的单相接地故障准确判别及快速定位隔离，提高供电可靠性。

附图说明

图1为本发明基于暂稳态信息的单相接地故障检测流程图；

图2为本发明基于邻节点信息实时交互的单相接地故障定位及隔离流程图；

图3为典型城市配电网系统接线图；

图4为架空线路配电网系统接线图；

图5为变电站母线出线接线图。

具体实施方式

为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

参照图1至图5所示(图2-图5中各实心长方体表示节点)，配置原则：对于城市配电网，如图3所示，在变电站出线、各环网柜安装终端设备，铺设通信网络；对于架空线路，如图4所示，在架空线路各开关点安装终端设备，铺设通信网络；对于变电站低压母线出线，如图5所示，安装集中选线终端设备。

一次设备：配置零序PT(零序电压互感器)和零序CT(零序电流互感器)，按设定的潮流方向进行接线。

终端设备：监控开关、母线等设备，以高采样率实时采集零序电压和零序电流，实现本发明提出的单相接地故障检测及定位隔离方法，完成单相接地故障的准确定位及隔离。单相接地故障检测流程如图1所示，基于邻节点(节点指配电网中的开关设备或者开关处安装的终端装置)信息实时交互的单相接地故障定位隔离流程如图2所示。具体步骤如下：

步骤1：以高采样率(每周波64点及以上采样，即不大于3200HZ，采样率越高越准确)实时采集零序电压、零序电流，并对采样数据进行循环缓存，缓冲区长度为N个周波；采样方式以定时中断的形式进行，跟频处理，即中断周期随电网频率而变化。

步骤2：在定时中断中逐点计算零序电压、零序电流基波幅值或真有效值，当零序电压大于预先设定的阈值时开始计数，计满M个周波采样数据后(M个周波涵盖暂态有功功率计算周波数，大于V)，对当前缓冲区进行快照存储(即把当前数据截取下来，像拍照一样进行定格)。

步骤3：对快照缓冲区内的N个周波(涵盖了故障初始阶段数据)数据进行分时段处理，依照采样时间先后顺序，识别并划分为非故障时段和故障时段，提取非故障时段和故障时段的状态特征，进行对比分析，精确定位故障初始时刻。

步骤4：从故障初始时刻起，向后截取快照缓冲区中特定点数的采样数据，具体数目根据零序电压和零序电流大小、极性及设定的判别点数综合确定。

步骤5：判断故障相对于节点的位置，包括：

将截取数据配置不同可信度因子，构建零序电压、零序电流向量，通过向量分析判别故障。假设构建的零序电压电流向量为(x₁，x₂，...，x_k)、(y₁，y₂，...，y_k)，其中：

k为步骤4中确定的点数；

x₁，x₂，...，x_k为加权处理后的零序电压采样数据，即将截取的零序电压采样数据乘以可信度因子)；

y₁，y₂，...，y_k为加权处理后的零序电流采样数据，即将截取的零序电流采样数据乘以可信度因子。

通过向量点乘(x₁，x₂，...，x_k)·(y₁，y₂，...，yk)＝x₁*y₁+x₂*y₂+…x_k*y_k

结果正负极性进行判断，结果为负，故障点在节点下游(区内故障)；结果为正，故障点在节点上游(区外故障)。

将截取数据配置不同可信度因子，构建零序电压向量、零序电流向量，通过向量分析判别故障，即从故障初始时刻起，向后选取V(V≤M)个周波数据计算暂态零序有功功率，以图2中的方式接线时，有功功率为负，故障点在节点下游(区内故障)；有功功率为正，故障点在节点上游(区外故障)。计数稳态零序电压电流相位关系，结合向量分析结果、有功功率分析结果进行综合识别，准确判定故障。

a)步骤6：故障定位方法：零序PT、零序CT按设定潮流方向接线，如图2中所示；

b)根据设定潮流方向确定节点间关系，将相邻节点分为父节点(处于潮流上方)、子节点(处于潮流下方)和兄弟节点(拥有共同父节点)，图2中节点3的父节点为2、子节点为4、兄弟节点为6；

c)本节点(当前检测的节点)下游故障，某子节点也下游故障，则本节点及所有子节点围成区域为非故障区，否则为故障区；本节点上游故障，某父节点也上游故障或某兄弟节点下游故障，则本节点、所有父节点和兄弟节点围成区域为非故障区，否则为故障区；

d)节点通讯异常，无法准确定位为非故障区时，只隔离本节点；

e)本节点开关拒动时，跳闸相邻节点隔离故障，扩大故障区处理；

f)确定区域为故障区后，向区域内节点发送跳闸命令进行故障隔离。

●对于变电站低压母线，开闭所、配电站、环网柜内母线上的故障，终端设备利用该方法直接确定是否母线故障；

●对于架空线路及城市配电网网络(包括电缆网络、混合型网络)主干线/分支线上的接地故障，采用集中处理方式时，将故障信息上送主站，由主站采用该方法进行故障定位，进而通过遥控方式或是人工现场操作的方式切除故障区段，恢复供电；采用基于邻节点信息实时交互方式进行故障定位隔离时，利用对等通信技术进行分布式处理，就地完成故障定位隔离。

基于邻节点信息实时交互方式的单相接地故障定位隔离方法，按如下实施：

1)邻域划分，邻域即是由一组相邻节点围成的区域，如图2中标识的各区域所示。

2)按划分的区域进行区内故障信息交互，即单个节点与相邻的所有节点进行信息交互。在图2中，节点2与节点1、3、6进行通信；节点3与节点2、6、4进行通信。

3)通讯方式，采用对等通信技术。GOOSE(通用面向对象变电站事件)是一种实时应用，通信延时小于4ms；GOOSE服务以高速点对点(P2P)通信为基础，支持点对多点传输及事件驱动传输，具有高实时、高可靠等优点，适合应用于多设备间信息的实时交互共享，本方法采用GOOSE进行邻节点信息交互。

4)控制流程如图2，当节点零序过压启动后，收集邻节点故障信息，并启动延时，延时结束后通过故障定位方法进行故障区段定位，确定故障区后，通过故障区内节点直接切除或是GOOSE联跳方式切除故障区，实现故障的快速定位隔离，然后通过主站或是GOOSE远控方式遥合联络开关进行负荷转供(需进行负荷预判，避免过负荷)，恢复供电。

不管是主站集中处理方式还是基于对等通信的分布式处理方式，故障定位逻辑都一样，以图2为例：

区域B内故障，节点1、2、3、4、5、6分别会判别为：下游、下游、上游、上游、上游、上游故障；通过邻域节点故障信息可准确定位故障区为区域B。

区域C内故障，节点1、2、3、4、5、6分别会判别为：下游、下游、下游、上游、上游、上游；通过邻域节点故障信息可准确定位故障区为区域C。

母线故障(比如变电站低压母线，开闭所、环网柜、配电站内母线)，与图2中区域B内故障类似。

对于架空线路配电网和城市配电网，如图3、图4所示：

1.主站集中处理方式。当主干线路某点发生单相接地故障时，故障点两侧终端设备判定出的故障信号相反，即一个会判定出故障点在其下游(区内故障)，一个会判定出故障点在其上游(区外故障)，从而定位出故障区段。

2.对等通信方式。通过GOOSE通讯实时交互邻节点故障信号或是截取的故障初始阶段暂态信息，当主干线路某点发生单相接地故障时，故障点两侧节点判出的故障信号相反或是暂态零序电流极性相反，则判定为故障区。

对于变电站低压母线，开闭所、配电站、环网柜内母线：可用一个终端设备进行集中处理单相接地故障，包括母线故障或是进出线上的故障。

上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于暂稳态信息的单相接地故障检测及定位隔离方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）以高采样率实时采集零序电压、零序电流，并对采样数据进行循环缓存，缓冲区长度为N个周波，所述高采样率不小于3200Hz；

2）实时计算零序电压、零序电流基波幅值或真有效值，当零序电压大于预先设定的阈值时开始计数，计满M个周波采样点后，对当前缓冲区进行快照存储；

3）对快照存储后缓冲区内的N个周波数据进行分时段处理，识别并划分为非故障时段和故障时段，提取非故障时段及故障时段状态特征，进行对比分析，精确定位故障初始时刻；

4）从故障初始时刻起，截取快照缓冲区中特定数量的采样点，具体点数根据零序电压和零序电流大小、极性及设定的判别点数综合确定；

5）判断故障相对于节点的位置，具体包括5a）将截取数据配置不同可信度因子，构建零序电压、电流向量，通过向量分析判别故障，具体为：设构建的零序电压、电流向量分别为

、

；

其中，k为步骤4）中确定的采样点的点数；

为加权处理后的零序电压采样数据，即将截取的零序电压采样数据乘以可信度因子；

为加权处理后的零序电流采样数据，即将截取的零序电流采样数据乘以可信度因子；

6）通过向量点乘

结果的正负极性进行判断，若结果为负，则说明故障点为区内故障点；结果为正，则故障点为区外故障点；

5b）计算故障初始阶段暂态零序有功功率和稳态零序电压电流相位关系，结合向量分析结果进行综合识别，准确判定故障；

通过相邻节点对等通信交互故障信息或是将各节点故障信息上送主站集中处理方式，确定故障区域，然后进行隔离，恢复供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于暂稳态信息的单相接地故障检测及定位隔离方法，其特征在于：步骤1)中采样方式以定时中断的形式进行，跟频处理，即中断周期随电网频率而变化。

3.根据权利要求1所述的一种基于暂稳态信息的单相接地故障检测及定位隔离方法，其特征在于，所述步骤6）中故障区域的确定方法为：

零序PT、CT按设定潮流方向接线，根据设定潮流方向确定节点间关系，将相邻节点分为父节点、子节点和兄弟节点，若相邻节点处于潮流上方则其为父节点，若相邻节点处于潮流下方则其为子节点，若相邻节点和当前节点拥有共同的父节点则称其为兄弟节点；若本节点下游故障，其子节点也下游故障，则本节点及其所有子节点围成区域为非故障区，否则为故障区；若本节点上游故障，某父节点也上游故障或某兄弟节点下游故障，则本节点、所有父节点和兄弟节点围成区域为非故障区，否则为故障区。

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