基于滑动窗口的相似度单相接地故障定位方法及应用

技术领域

本发明涉及电网的接地故障定位技术领域，特别涉及一种基于滑动窗口的相似度单相接地故障定位方法及应用。

背景技术

我国3-35kV电力系统，通常采用小电流接地方式，即中性点不接地、经消弧线圈接地，目的是为了提高供电可靠性。但该系统发生单相接地故障时，仅有零序电压和零序电流发生变化，且零序电流变化及不明显，所以接地选线率一直不高，目前的选线原理基本上围绕零序电流基波和谐波的稳态量或暂态量展开的，但基于稳态相量的选线方法受系统运行方式的影响，基于暂态法的选线受接地电阻大小及接地瞬间电压的影响，让检修人员不得不使用拉路法排除接地馈线，降低了供电可靠性，与当代电网的高度自动化水平极度不相适应。

近年来，电网公司加快配电网智能终端的建设步伐，期望能缩短故障停电范围、提高故障排查效率、提高供电可靠性，然而小电流接地系统下，受中性点接地方式的影响，单相接地故障的接地保护问题一直不能很好地得到解决，阻碍着配电自动化建设的效果和进度。

传统的零模电流暂态特性相似性系数定位方法，具有采样录波数据简单，定位方法容易实现，特征明显，是目前故障定位技术的热点方法，同时已经在现场大规模运用。目前该方法多采用根据分布式安装于各节点设备的录波数据，获取故障触发时刻前、后设定时长内各节点的录波数据；根据各节点的录波数据，确定故障初始时刻；以故障初始时刻为基准向后截取设定长度的数据窗内的零模电流采样值；对零模电流采样值进行滤波，得到零模电流暂态量；对数据窗内零模电流暂态量进行相似性分析，获取零模电流暂态特性相似性系数；根据零模电流暂态特性相似性系数定位故障区段。但由于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，导致分布式安装于各节点设备的暂态录波数据会存在故障初始时刻会存在差异，并且采样数据受采样精度，同步精度，对时精度等问题存在数据对齐难题，容易造成相似性的波形变成不相似，造成故障定位误判问题。现有的基于全网统一的GPS/BD双模对时或B码同步对时只能解决对时精度问题，并不能解决故障暂态特性、采样精度，同步精度等造成的数据对齐问题，造成现有的故障定位准确度并不高。鉴于此，需要一种高精度和高准确度的零模电流暂态特性相似性系数定位方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于滑动窗口的相似度单相接地故障定位方法及应用，可以解决现有技术中故障定位准确度不高的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明提供一种基于滑动窗口的相似度单相接地故障定位方法，包括以下步骤：

步骤1、基于设定的单相接地故障启动判据，启动故障录波，获取故障触发时刻前后设定时长内各节点的录波数据；

步骤2、根据各节点的录波数据，确定故障初始时刻；

步骤3、各节点分别以故障初始时刻为基准向前后截取设定长度的数据窗内的零模电流采样值；

步骤4、对每个节点的零模电流采样值进行滤波，得到暂态零模电流；

步骤5、求相邻两个节点的暂态零模电流的相似性系数；

步骤6、根据相邻两个节点的暂态零模电流的相似性系数定位故障区段。

进一步的，采用零序电压越限法作为所述的单相接地故障启动判据。

进一步的，暂态零模电流突变量第一次超过设定门槛的时刻为所述的故障初始时刻。

进一步的，所述的步骤5包括：取采样点数据；相邻两个节点的两组采样点数据循环移动窗口位置；截取相邻两个节点的两组数据的共同位置；用共同位置的数据计算相似性系数；取绝对值最大的相似性系数为相邻两个节点暂态零模电流的相似性系数。

进一步的，所述的相似性系数的计算公式为：

其中，i

进一步的，相邻两个节点的暂态零模电流相似且极性相反，或者相邻两个节点的暂态零模电流不相似，则判断该相邻两个节点之间为故障区间。

进一步的，如果ρ＜-ρ

进一步的，所述的设定的门槛值为0.6。

第二方面，本发明提供一种基于滑动窗口的相似度单相接地故障定位装置，包括故障启动检测模块、控制模块、数据采集模块、数据处理模块、故障区域定位模块，其中：

故障启动检测模块，基于设定的单相接地故障启动判据检测故障出发时刻；

控制模块，根据故障出发时刻控制数据采集模块启动故障录波，获取故障触发时刻前后设定时长内各节点的录波数据；

数据处理模块，根据各节点的录波数据，确定故障初始时刻；以故障初始时刻为基准向前后截取设定长度的数据窗内的零模电流采样值；对每个节点的零模电流采样值进行滤波，得到暂态零模电流；求相邻两个节点的暂态零模电流的相似性系数；

故障区域定位模块，根据相邻两个节点的暂态零模电流的相似性系数确定故障区域，相邻两个节点的暂态零模电流相似且极性相反，或者相邻两个节点的暂态零模电流不相似，则判断该相邻两个节点之间为故障区间。

第三方面，本发明提供一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，运行所述计算机程序，能执行上述基于滑动窗口的相似度单相接地故障定位方法。

本发明的基于滑动窗口的相似度单相接地故障定位方法及应用，采用滑动窗口求相似性系数，不存在数据对齐难题，解决了故障暂态特性、采样精度，同步精度等造成的数据对齐问题造成的故障定位准确度不高的问题。本节点实时交互邻节点故障录波数据，基于故障初始时刻截取同一断面零模电流暂态数据，采用滑动窗口求相似性系数，取相似性系数绝对值最大值所对应的值为该两组数据的相似性系数，避免了数据不对齐造成的定位错误问题，利用数据窗暂态特性数据相似性分析定位故障区段，实现单相接地故障准确定位，可有效减少故障停电范围。

附图说明

图1为本发明实施例中多分支配网线路示意图；

图2为本发明实施例中确定相似性系数的流程图；

图3为本发明实施例中零模电流暂态数据数据波形图；

图4为本发明实施例中零模电流暂态数据相似数组相似性系数图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通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，都属于本公开保护的范围。

基于滑动窗口的相似度单相接地故障定位方法，包括以下步骤：

步骤1、基于设定的单相接地故障启动判据，启动故障录波，获取故障触发时刻前后设定时长内各节点的录波数据。

进一步的，在本申请的优选实施方式中，采用零序电压越限法作为单相接地故障启动判据。所述单相接地故障启动判据的具体方法不应作为对本发明的限制。零序电压越限法即零序电压超过某一设定限值。

进一步的，在本申请的优选实施方式中，设定时长为故障触发时刻前后各2周波。

步骤2、根据各节点的录波数据，确定故障初始时刻。

进一步的，在本申请的优选实施方式中，根据各节点的录波数据，确定故障初始时刻，具体为：

查找暂态零模电流突变量第一次超过设定门槛的时刻，即可认为是故障初始时刻。门槛可以根据该范围内暂态零序电流突变量瞬时最大值确定，如20％，取1/8周波采样点数，即故障初始时刻前1/20个周期后3/40个周期采样点数为故障窗口。

步骤3、各节点分别以故障初始时刻为基准向前后截取设定长度的数据窗内的零模电流采样值。

步骤4、对每个节点的零模电流采样值进行滤波，得到暂态零模电流。

步骤5、求相邻两个节点的暂态零模电流的相似性系数。

进一步的，在本申请的优选实施方式中，采用滑动窗口求相似性系数，取绝对值最大的相似性系数为相邻两个节点的暂态零模电流的相似性系数。

采用滑动窗口求相似性系数，具体为：

1)取采样点数据，如故障初始时刻前1/20个周期、故障初始时刻后3/40个周期采样点数为故障窗口，即取1/8周波采样点数据。

2)设置尾端数据保存数据最小值，即故障窗口采样点数有m个点，计算数据的数据大小为n个点，计算数据的最小值为w，w

3)相邻两个节点的两组采样点数据循环移动窗口位置。

4)截取两组数据的共同位置。

5)用共同位置的数据计算相似性系数。

根据下述公式逐次计算节点各相邻监测节点间的暂态零模电流的相似性系数：

其中i

式中，ρ为本节点与相邻节点暂态零模电流的相似性系数。

6)形成相似度系数列表。

7)取列表中绝对值最大的相似性系数为相邻节点暂态零模电流的相似性系数。

表1为采用滑动窗口求相似性系数的过程。第一组数据表示相邻两个节点中一个节点数据，第二组数据表示相邻两个节点中另一个节点数据。

表1

步骤6、根据相邻两个节点的暂态零模电流的相似性系数定位故障区段。

进一步地，在本申请的优选实施方式中，步骤6包括：

相邻两个节点的暂态零模电流相似且极性相反，则判断该相邻两个节点之间为故障区间；或者相邻两个节点的暂态零模电流不相似，则判断该相邻两个节点之间为故障区间。

设定ρ

本发明的节点可安装于变电站、环网柜、柱上开关及PMU等配电网线路节点，如图1所示，节点装置实现各节点处电压、电流信号采集，实时计算零序电压、零模电流。

由图3看出基于故障初始时刻截取同一断面零模电流暂态数据存在数据不对齐问题，两波形相似，但由于故障暂态特性、采样精度，同步精度等造成的数据对齐问题，由图4零模电流暂态数据相似数组相似性系数列表波形图可看出传统零模电流暂态特性相似性法算出的相似性为0.56，将本相似的波形判断错误，造成区间判断错误。

采用滑动窗口求相似性系数，取绝对值最大的相似性系数为该两组数据的相似性系数。由图4可看出，绝对值最大的相似性系数为0.959，因此取0.959为相邻两个节点的暂态零模电流的相似度系数，则具有准确度高的特点。

以故障初始时刻t0为时间断面，以其为基准向前后截取1/8周波数据窗零模电流采样值I1、I2、I3、I4，以此作为暂态特性分析数据源；对上述数据窗内零模电流进行滤波，得到滤波后的节点k及相邻节点零模电流暂态量I1、I2、I3、I4；对配电相邻节点k零模暂态电流I1、I2、I3、I4进行基于滑动窗口的相似度单相接地故障优化定位方分析；

采用滑动窗口求相似性系数，取绝对值最大的相似性系数为该两组数据的相似性系数进行数据案例分析。

数据采样8k采样率，采用故障初始时刻前1/20个周期后3/40个周期采样点数为故障窗口数据，即20个采样点数据；设置尾端数据最少保存数据大小值为16个点，进行滑动窗口求相似性系数，取绝对值最大的相似性系数为两组数据的相似性。

表2为采用滑动窗口求相似性系数的过程。第一组数据表示相邻两个节点中一个节点数据，第二组数据表示相邻两个节点中另一个节点数据。

表2

以下采用几个案例来说明故障区域的确定：

案例1：

其中设备代表监测节点。第3个监测节点与第4个监测节点的暂态零模电流的相似度为-0.0676，表示第3个监测节点与第4个监测节点的暂态零模电流不相似且极性相反，满足相似性判断区间定位条件，所以故障区段为第3个监测节点与第4个监测节点。

案例2：

第2个监测节点与第3个监测节点的暂态零模电流的相似度为0.1914，小于设定的门槛值，因此第2个监测节点与第3个监测节点的暂态零模电流不相似，则故障区段为第2个监测节点与第3个监测节点之间。

案例3：

第2个监测节点与第3个监测节点的暂态零模电流的相似度为0.1760，小于设定的门槛值，因此第2个监测节点与第3个监测节点的暂态零模电流不相似，则故障区段为第2个监测节点与第3个监测节点之间。

案例4：

第2个监测节点与第3个监测节点的暂态零模电流的相似度为-0.0588，表示第3个监测节点与第4个监测节点的暂态零模电流不相似且极性相反，满足相似性判断区间定位条件，所以故障区段为第3个监测节点与第4个监测节点。

基于滑动窗口的相似度单相接地故障定位装置，包括故障启动检测模块、控制模块、数据采集模块、数据处理模块、故障区域定位模块，其中：

故障启动检测模块，基于设定的单相接地故障启动判据检测故障出发时刻。

控制模块，根据故障出发时刻控制数据采集模块启动故障录波，获取故障触发时刻前后设定时长内各节点的录波数据。

数据处理模块，根据各节点的录波数据，确定故障初始时刻；以故障初始时刻为基准向前后截取设定长度的数据窗内的零模电流采样值；对每个节点的零模电流采样值进行滤波，得到暂态零模电流；求相邻两个节点的暂态零模电流的相似性系数。

故障区域定位模块，根据相邻两个节点的暂态零模电流的相似性系数确定故障区域，相邻两个节点的暂态零模电流相似且极性相反，或者相邻两个节点的暂态零模电流不相似，则判断该相邻两个节点之间为故障区间。

一种存储介质，其中存储有计算机程序，运行该计算机程序，能执行上述基于滑动窗口的相似度单相接地故障定位方法。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。