一种基于相电流暂态稳态的配电网单相接地故障感知方法

技术领域

本发明属于电力自动化技术领域，涉及一种基于相电流暂态稳态的配电网单相接地故障感知方法。

背景技术

配电网作为连接电力系统与用户的桥梁，其能否运行可靠性决定了电力用户的用电质量和安全。随着经济社会的不断进步，配电网呈现出规模扩大化、拓扑结构复杂化的发展趋势，配电网单相接地故障问题亦出现故障特征不明显、故障情况多样等特点，单相接地故障定位问题并没有被很好解决，无法满足其经济可靠运行的要求。

目前配电网故障定位技术可根据判断信号来源大致分为基于线路自身信号和基于外部注入信号的两类方法。这两类方法在满足要求时具有较高的动作准确率，但由于基于外部信号注入的定位技术需额外安装信号注入设备，影响工程经济性，在实际中现场往往采用基于线路自身信号的故障定位技术。

基于线路自身信号的故障定位技术大多应用线路自身零序信号完成判断，但配电网部分区域零序电流或电压互感器缺失导致定位装置无法获得相应判断信号使得应用效果不佳。同时，基于零序信号的故障定位技术对通信有较高的依赖性，当通信失灵时会导致算法失效。

近年来研究人员尝试利用相电流作为判断信号，通过分析相电流的暂态或稳态过程完成故障定位。部分学者认为如果三相电流的突变方向相同则为非故障路径，如果三相电流突变方向不同则为非故障路径。但当出现接地电阻较大的情况时，三相电流暂态过程十分微弱，无法获取准确的突变方向；且由于相电流受负荷电流和谐波干扰严重，直接提取相电流作为判断信号极易导致算法出现误判。另有部分学者认为，单相接地故障发生后，故障路径的三相电流变化与非故障路径不同，由此可判断线路故障与否。但配电网中负荷电流远大于故障分量电流，易导致检测误差，且当系统出现经电弧接地时，相电流稳态过程波动严重，使得算法可靠性降低。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本申请提供一种基于相电流暂态稳态的配电网单相接地故障感知方法，基于暂态与稳态相不对称信号进行配电网单相接地故障感知，可解决配电网故障情况复杂的问题，满足多故障类型和不同中性点接地方式的故障定位要求，且利用自适应阈值可满足较高适应性和对通信弱依赖性的要求。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种基于相电流暂态稳态的配电网单相接地故障感知方法，其特征在于：

所述方法包括以下步骤：

步骤1：实时采集配电网三相电流，合成零序电流并计算零序电流基波幅值；

零序电流基波幅值大于设定阈值时，判断发生单相接地故障，进入步骤2；

步骤2：获取三相电流，即故障信号，并进行预处理；

步骤3：利用改进S变换将步骤2预处理的故障信号分解并利用求取一阶差商最大值的方法获取故障发生时刻；

步骤4：利用故障发生时刻前后相差整周期的三相电流相减得到线路故障分量电流；

步骤5：利用改进S变换求取故障分量电流的基频分量幅值A

步骤6：利用基频分量幅值与高频分量幅值数量关系形成的故障感知判据，判断步骤5的基频分量幅值A

当满足判据时，判断系统出现经电阻接地故障，故障分量电流稳态过程平稳，利用故障分量电流的稳态特征结合方差得出故障路径定位结果；

反之，则判断系统出现经电弧接地故障，利用故障分量电流的暂态特征结合改进S变换获取故障发生时刻采样点和三相电流突变方向得出故障路径定位结果。

本发明进一步包括以下优选方案：

优选地，步骤2中，获取三相电流后，利用相加法合成零序电流并利用累加法进行消除零飘预处理。

优选地，所述改进S变换的公式如下：

式中，τ为控制高斯窗口ω(τ-t,f)在时间轴t的位置参数；f为频率；j为虚数单位，a为高斯窗幅度调节系数、b为高斯窗指数调节系数。

优选地，步骤4所述利用故障发生时刻前后相差整周期的三相电流相减得到线路故障分量电流，具体为：

将故障发生时刻后一周期与故障发生前两周期的信号对应相减，获取故障分量电流，即：

i

i

优选地，步骤6中，故障感知判据为：K

优选地，步骤6中，若方差大于自适应阈值或三相电流的突变方向不一致，则判断为故障路径；若方差小于或等于自适应阈值或三相电流的突变方向一致，则判断为非故障路径。

优选地，步骤6所述利用故障分量电流的稳态特征结合方差得出故障路径定位结果，具体包括以下步骤：

步骤611：三相故障分量电流减去零序电流：

步骤612：将步骤611相减结果应用FFT变换得出各自电流信号基波幅值；

步骤613：计算三相故障分量电流基波幅值的方差Var

步骤614：设置零序电流基波幅值相关的自适应阈值Var

步骤615：比较Var

优选地，步骤614中，设置自适应阈值

优选地，步骤614中，K

优选地，步骤6所述利用故障分量电流的暂态特征结合改进S变换获取故障发生时刻采样点和三相电流突变方向得出故障路径定位结果，具体为：

利用改进S变换对步骤2预处理后的三相电流信号进行滤波处理，得到基频分量，对基频分量利用一阶差商寻找最大值的方法获得故障发生时刻对应的采样点，并利用以下方法确定突变方向：

假设三相相电流中某相的电流基频分量信号为：y＝f(x)，根据改进S变换获取故障发生时刻对应的采样点x

采用故障发生时刻采样点对应的函数值作为参考值，计算得到计算区间内的对应函数值与参考值差值的绝对值，最大绝对值所对应的采样点作为突变点；

最大绝对值为：

最大绝对值所对应的采样点即突变点。

利用突变点所对应的函数值f(x

获取三相相电流暂态过程的各自突变方向后，若三相相电流对应突变方向一致，则判断为非故障路径；若三相电流突变方向不一致，则判断为故障路径。

本申请所达到的有益效果：

1.本发明可适用于配电网出现的多种单相接地故障类型，且在中性点不接地和经消弧线圈接地系统中具有较高的可靠性，可实现对中性点经消弧线圈和不接地系统下的配电网系统多种单相接地故障类型区段定位，可有效提高配电网运行可靠性。

2.本发明仅依靠三相电流作为判断信号，避免了因现场无零序电流或电压互感器导致算法适应性较差的情况。

3.本发明通过设置自适应阈值既可实现就地判断，又可将判断结果上传主站进行判断，提高了算法的可靠性并摆脱对通信系统的依赖性，具有较高的适应性。

4.本发明在实际应用中算法简单编程易于实现，且在实际工程中可减少大量二次电缆铺设，提高了算法的经济性，有效弥补了当前配电网故障类型多样故障特征复杂导致传统定位方法效果不佳的问题，该技术定位准确率高，具有较高的工程实际应用价值。

附图说明

图1是故障感知技术流程图；

图2是中性点不接地系统稳态过程零序电流等效图；

图3是中性点经消弧线圈接地系统稳态过程零序电流等效图；

图4是中性点不接地系统故障路径故障相暂态等值电路；

图5是中性点不接地系统正常路径暂态等值电路；

图6是物理试验平台中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障系统结构模拟图；

图7是经高阻接地故障路径波形图；

图8是经高阻接地非故障路径波形图；

图9是经电弧接地故障路径波形图；

图10是经电弧接地非故障路径波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1所示，本发明的一种基于相电流暂态稳态的配电网单相接地故障感知方法，包括以下步骤：

步骤1：实时采集配电网三相电流，合成零序电流并计算零序电流基波幅值；

零序电流基波幅值大于设定阈值时，判断发生单相接地故障，进入步骤2；

步骤2：获取三相电流，即故障信号，并进行预处理，具体的：

获取三相电流后，利用相加法合成零序电流并利用累加法进行消除零飘预处理。

步骤3：利用改进S变换将步骤2预处理的故障信号分解并利用求取一阶差商最大值的方法获取故障发生时刻，用以区分故障信号故障状态；

由于传统的S变换具有对信号暂降以及噪声过于敏感的缺点，不适用于对包含较大噪声的相电流信息进行处理。为了避免以上情况对信号处理产生误差，在公式中添加高斯窗幅度调节系数a、高斯窗指数调节系数b对S变换进行改进。

所述改进S变换的公式如下：

式中，τ为控制高斯窗口ω(τ-t,f)在时间轴t的位置参数；f为频率；j为虚数单位，a为高斯窗幅度调节系数、b为高斯窗指数调节系数。

通过对采集到的离散电流信号i(t)进行改进S变换后，得到对应的复时频矩阵，将复时频矩阵中各元素求模得到时频矩阵，其中时频矩阵中的列向量表示信号在某一时刻的幅频特性，而行向量则表示信号在某一频率下的时域分布。

第一行n＝0对应于信号直流分量。

相邻行间所差的频率差值为：

其中f

第n行对应频率为：

步骤4：利用故障发生时刻前后相差整周期的三相电流相减得到线路故障分量电流，减少负荷电流对判断信号的影响；

具体实施时，将故障发生时刻后一周期与故障发生前两周期的信号对应相减，获取故障分量电流，即：

i

i

步骤5：利用改进S变换求取故障分量电流的基频分量幅值A

步骤6：当配电网系统中出现经电阻接地故障时，故障分量电流稳态过程平稳，稳态特征明显，可据此完成故障路径定位。

但当系统出现经电弧接地故障时，由于电弧接地其自身所带来的谐波干扰使得故障分量电流稳态过程出现波动，无法获得准确计算结果，但可通过暂态判断线路状态。

故本发明采用线路中零序电流的基波幅值A

当感知判据满足时，表明线路中谐波含量较低，稳态过程平稳，稳态判据可以完成故障定位任务，即当满足判据时，判断系统出现经电阻接地故障，故障分量电流稳态过程平稳，利用故障分量电流的稳态特征结合方差得出故障路径定位结果；

当感知判据不满足时，代表线路中谐波含量较高，可能发生了经电弧接地故障，稳态过程波动明显，稳态判据无法做出准确判断，故应用暂态判据进行判断，即当感知判据不满足时，判断系统出现经电弧接地故障，利用故障分量电流的暂态特征结合改进S变换获取故障发生时刻采样点和三相电流突变方向得出故障路径定位结果。

大于自适应阈值或三相电流的突变方向不一致，则判断为故障路径；若方差小于或等于自适应阈值或三相电流的突变方向一致，则判断为非故障路径。

其中，K

所述利用故障分量电流的稳态特征结合方差得出故障路径定位结果，原理如下：

根据对称分量法可通过序网图求出系统正负零序电流。

由于消弧线圈使得中性点不接地系统与中性点经消弧线圈接地系统零序阻抗不同，导致了各序电流随之变化。

但由于零序电流流经系统所有线路，对线路稳态特征影响明显；而正负序电流只存在于故障路径，对线路稳态特征影响较小。

本发明针对两种接地方式下的零序电流分布进行分析，以中性点不接地系统模型和过补偿度为5％中性点经消弧线圈接地系统模型为例分别进行分析。

由于零序电流在各条线路上对地电容与故障点间构成回路，故其会在故障点处发生分流，流向系统所有线路。中性点不接地系统零序等值电路附图2所示。

可得非故障路径上第i条线路上零序电流的分流系数如下：

C

由于故障路径上零序电流为除故障点下游零序电流的总和，故其分流系数为：

中性点经消弧线圈接地系统稳态过程零序等值电路如图3所示。

可得非故障路径上第i条线路上零序电流的分流系数如下：

C

由于故障路径上零序电流为除故障点下游零序电流的总和，故其分流系数为：

为了便于描述，故障路径的分流系数统一为β

根据前文，在故障路径的故障分量电流中包含正序、负序和零序三序电流，而在非故障路径中仅包含零序电流。

为不失一般性，假设系统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

方向因子a＝e

非故障路径上正负零序三序电流

非故障路径上三相电流的故障分量

通过分析故障路径和非故障路径三相电流的故障分量可得：

在故障路径上，故障相的故障分量大于非故障相，非故障相的故障分量相等；在非故障路径中，三相电流的故障分量皆相同。由于单相接地故障发生后，故障路径中包含正负零序电流，而非故障路径中仅包含零序电流。为了增加故障路径与非故障路径的区别并消除分流系数β对稳态特征产生影响，故将本线路故障分量电流与零序电流相减，即：

故障路径的三相故障分量电流减去零序电流：

非故障路径的三相故障分量电流减去零序电流：

为了进一步增加区分，将相减结果应用FFT变换得出各自电流信号基波幅值，而后利用方差公式得出本线路三相基波幅值的方差计算结果。

故障路径故障分量基波幅值的方差Var

非故障路径故障分量基波幅值的方差Var

Var

设置自适应阈值

比较Var

其中K

所述利用故障分量电流的暂态特征结合改进S变换获取故障发生时刻采样点和三相电流突变方向得出故障路径定位结果，其原理在于：

故障发生后暂态过程可视作为中性点偏移电压u

由此可得中性点不接地系统故障路径故障相暂态等值，即故障路径故障相故障电流暂态等值电路图如图4所示，可得暂态故障电流i

其中，ω为工频角频率；

中性点不接地系统正常路径暂态等值电路，即非故障路径及故障路径非故障相线路暂态等值电路如图5所示。由此可得非故障线路及故障线路非故障相暂态电流i'

在中性点经消弧线圈接地系统中，由于消弧线圈补偿电流仅流经故障路径故障相，且消弧线圈时间常数较大，在故障发生初期消弧线圈补偿电流极小，可将消弧线圈视为断路。因此当分析故障分量电流暂态过程时，中性点经消弧线圈接地系统与中性点不接地系统近似相同。

经过上述分析，在中性点不接地和经消弧线圈接地系统中，当接地电阻较小或经电弧接地时，故障暂态过程明显。由于暂态电流中存在直流衰减分量，使得暂态变化过程出现了电流突变而后衰减的过程，且在故障发生时刻突变量最大。由于各线路故障暂态电流皆流向故障点，经故障路径故障相线路与母线流回本线路，使得故障路径中故障相的故障分量电流暂态过程与其余线路中暂态过程呈现相反关系，导致了在故障路径中故障相与非故障相三相电流突变方向不同，而在非故障路径中三相突变方向相同的特征。

即当配电网中出现单相接地故障时，故障路径中故障相与非故障相的电流突变方向不一致；而在非故障路径中，故障相与非故障相的电流突变方向相同。由于相电流中包含了大量谐波和负荷电流干扰，仅凭故障前后电流相减无法获取可靠性高的信号。

为了避免高频分量对信号突变方向的影响，首先利用改进S变换对步骤2预处理后的三相电流信号进行滤波处理，得到基频分量，由于在故障时刻电流信号产生突变使得在突变点处的一阶差商值较大，从而对基频分量利用一阶差商寻找最大值的方法获得故障发生时刻对应的采样点，并利用以下方法确定突变方向，具体如下：

假设，某相相电流基频分量信号为：y＝f(x)。

首先，根据由改进S变换得到的故障准确发生时刻对应的采样点，并根据一阶差商找出各相相电流自身相突变采样点，在采样点附近规定计算区间

而后，可采用故障发生时刻采样点对应的函数值作为参考值，计算得到计算区间内的对应函数值与参考值差值的绝对值，最大绝对值所对应的采样点作为突变点；

最大绝对值为：

y

最大绝对值所对应的采样点即突变点。

最后利用突变点所对应的函数值f(x

根据以上方法可获取三相相电流暂态过程的各自突变方向。

若三相相电流对应突变方向一致，则判断为非故障路径；若三相电流突变方向不一致，则判断为故障路径。

实施例1

如图6所示，图6为物理仿真平台中性点经消弧线圈接地系统仿真模型结构图。

图6中线路1和3为正常线路，线路2为故障线路，分别在线路1、3首端安装检测装置，线路2分为前后两段线路，分别于故障点前段与后段分别安装检测装置。

根据本发明利用物理仿真平台模拟高阻接地和经电弧接地进行故障感知技术仿真验证，其中，高阻接地是经电阻接地的特例，是选线困难的情况。

对于中性点经消弧线圈接地系统或中性点不接地系统单相接地故障可采用本发明公开的一种基于相电流暂态稳态的配电网单相接地故障感知方法，在线路中如图6中各区段线路首端安装故障感知技术装置后，可完成单相接地故障路径定位。具体实施步骤如图1所示。

步骤1：各检测装置实时测量相电流变化，并合成零序电流；

一旦判定线路零序电流幅值大于阈值时，可判定为故障发生，录波装置向定位装置中传输故障波形，即故障信号；

为了避免零序电流的波动触发装置动作，在装置中设置工作阈值。当监测装置监测到的零序电流幅值大于工作阈值时，判定系统中发生故障；在实际应用中，工作阈值可根据现场零序电流实际情况设置。

步骤2：判定系统中发生故障时，装置触发且录波装置将故障波形传输至定位装置中；

步骤3：利用改进S变换将步骤2预处理的故障信号分解并利用求取一阶差商最大值的方法获取故障发生时刻；

步骤4：利用故障发生时刻前后相差整周期的三相电流相减得到线路故障分量电流；

步骤5：计算零序电流故障发生后基波幅值和高频分量幅值；

步骤6：判断基波幅值和高频分量幅值是否满足故障感知判据。

由于故障类型不同使得线路信号故障特征有所改变，故利用故障感知算法对故障类型进行判断并选取适应的信号特征完成故障定位，故障感知判据中系数K

若故障感知判据满足，则装置利用故障分量电流稳态过程进行判断，利用方差法得出计算结果。

若故障感知判据不满足，则装置利用故障分量电流暂态过程进行判断，利用改进S变换确定突变点后得出三相电流突变方向。

在高阻接地实验中，系统线路1、线路2前段、线路2后段检测点处高频分量幅值与基波幅值比值为0.0548、0.0452、0.0168、0.0264，故障感知判据满足，故装置选择采用故障分量电流的稳态过程完成判断。

将三相故障分量电流分别减去本线路的零序电流后，利用FFT变换求取三相基波幅值，并利用方差公式计算本线路对应方差。

实验结果如下：

在经电弧接地实验中，系统线路1、线路2前段、线路2后段检测点处高频分量幅值与基波幅值比值为0.6725、0.5862、0.5698、0.5126，由于故障感知判据不满足，故装置选择采用故障分量电流的暂态过程完成判断。

利用改进S变换确定突变点并取得三相电流突变方向。实验结果如下：

若装置计算结果方差大于阈值或三相突变方向不一致则判断为故障路径；若装置计算方差小于阈值或三相突变方向一直则判断为非故障路径。

由经高阻接地试验所得的结果与装置中设置的自适应阈值0.89383相比较可得，线路2前段线路对应的方差结果大于阈值，此线路为故障路径；线路1、线路3与线路2后段对应的方差计算结果小于阈值，线路为非故障线路。由此可完成故障路径定位，故障位于线路2前段，亦可得出故障相为A相。

如图7-8，经高阻接地情况下故障路径与非故障路径电流波形图。

由经电弧接地试验所得结果可得，线路2前段突变方向不同，此线路为故障路径；线路1、线路3与线路2后段对应的突变方向相同，线路为非故障线路。由此可完成故障路径定位，故障位于线路2前段中，亦可得出故障相为A相。

如图9-10，经电弧接地情况下故障路径与非故障路径电流波形图。

综上所述，本发明实时测量配电网三相电流，当系统发生单相接地故障后，利用改进S变换将故障信号分解并获取故障发生时刻，用以区分录波信号故障状态；而后利用故障发生时刻前后相差整周期的相电流相减得到线路故障分量电流，减少负荷电流对判断信号的影响；随后利用改进S变换求取故障分量电流的高频分量与基频分量幅值，并利用其二者数量关系形成的故障感知判据判断故障类型：当判据满足时，判断系统稳态过程平稳，利用故障分量电流的稳态特征结合方差得出故障区段定位结果；反之，则判断系统出现经电弧接地故障，方法利用故障分量电流的暂态特征结合改进S变换获取故障发生时刻采样点和三相电流突变方向得出区段定位结果。

进一步地，利用故障分量的基频分量幅值A

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。