带并联阻尼调匝式消弧线圈单相接地故障测距方法及系统与流程

本发明属于故障检测领域，尤其涉及一种带并联阻尼调匝式消弧线圈单相接地故障测距方法及系统。

背景技术：

由于配电网是向负荷分配电能的末端环节，结构复杂，分支众多，因此容易发生接地故障尤其是单相接地故障。当发生单相接地故障后如果不及时处理，可能会引发故障扩散，对电网的运行造成危害。因此，快速、准确的故障定位技术对配网安全运行以及保证供电可靠性具有重要意义。

故障测距是指利用故障线路上的电气信息对故障距离进行直接计算，主要有阻抗法和行波法2类方法。阻抗法主要利用故障时线路上的电压，电流信息计算线路阻抗，进而推算故障距离，阻抗法应用简单，成本便宜，但容易受到接地电阻及负荷等因素的影响。行波法主要是利用发生故障时产生的暂态行波到达检测点的时间来推算故障距离。考虑到配电网结构复杂，分支众多，使得暂态行波的折射波、反射波过多，不宜分辨，对测距的精度产生一定的影响。

我国中压配网中性点广泛采用经消弧线圈接地运行方式。近年来随着容量、耐压和可靠性的逐渐提高，电力电子开关器件因其动作的迅速性而开始应用于谐振接地系统中消弧线圈的调节，如“调匝式”消弧线圈阻尼电阻的投切，“调容式”消弧线圈补偿电容的投切等。

而现有的单相接地故障测距方法需要测量故障线路的正、负、零序电压电流数据，根据电压电流之间的关系列写相关矩阵，根据迭代法计算故障距离。该方法使得实际测量中数据采集量多且速度慢，由于现有的单相接地故障测距方法采用迭代法计算故障距离，浪费大量的时间，导致故障测距方法的实时性不足。

技术实现要素：

为了解决现有技术的缺点，本发明的第一目的是提供一种带并联阻尼调匝式消弧线圈单相接地故障测距方法。

带并联阻尼调匝式消弧线圈为并联连接电感以及阻尼电阻，当带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障时，与阻尼电阻串联的反并联晶闸管一直处于关断状态。

本发明的一种带并联阻尼调匝式消弧线圈单相接地故障测距方法，具体包括：

步骤1：利用微处理器来控制反并联晶闸管短时触发导通，进而产生扰动信号；所述扰动信号包括扰动电压信号和扰动电流信号；

步骤2：在故障线路出口端提取扰动信号；

步骤3：对提取的扰动信号进行傅里叶变换分析，根据扰动电压和扰动电流在频域内的线性关系，得到带并联阻尼调匝式消弧线圈单相接地故障在不同频率下的等效阻抗数据；

步骤4：将不同频率下等效阻抗数据与带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障的等效阻抗表达式联立来构建方程组，求解方程组即可得到故障距离。

本发明的该方法只需要提取故障线路的扰动电压信号和扰动电流信号，这在实际测量中可以大大加快数据的采集速度，并且不需要使用迭代法计算，使得故障测距方法对实时性要求严格，缩短了计算时间，保证了故障测距方法的实时性，而且本发明在得到数据的同时，只需将数据整理即可算出故障距离。

在所述步骤4中的带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障的等效阻抗表达式的求取过程为：

构建带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障模型；

再根据电阻等于电压与电流的比值，计算单相接地故障模型的等效阻抗表达式。

本发明利用测量的扰动电压和扰动电流，以及构建的带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障模型，能够快速准确地求解出单相接地故障模型的等效阻抗表达式。

该方法还包括对不同频率下的等效阻抗数据进行冗余处理。

对不同频率下的等效阻抗数据进行冗余处理，保证了数据的准确性，提高了故障距离计算的精度。

采用最小二乘法对不同频率下的等效阻抗数据进行冗余处理。利用最小二乘法能够最大化准确地处理数据冗余，提高计算阻抗的数据准确性。

进一步地，在故障线路出口端采用相邻周波相减的方法来提取扰动信号。

在故障线路出口端可采用相邻周波相减的方法提取扰动电压和扰动电流信号，即通过含有扰动信号的波形与不含有扰动信号的正常波形相减，即可将叠加在背景波形上的扰动提取出来。该信号提取方法本质上是一种非线性滤波，它可将背景中的各种周期性干扰滤除，进而保证扰动提取的准确性。

本发明的第二目的是提供一种带并联阻尼调匝式消弧线圈单相接地故障测距系统。

本发明的一种带并联阻尼调匝式消弧线圈单相接地故障测距系统，带并联阻尼调匝式消弧线圈为并联连接电感以及阻尼电阻，当带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障时，与阻尼电阻串联的反并联晶闸管一直处于关断状态，该系统包括：

微处理器，其与反并联晶闸相连；所述微处理器被配置为：控制反并联晶闸管短时触发导通，进而产生扰动信号；所述扰动信号包括扰动电压信号和扰动电流信号；

信号采集装置，其用于采集故障线路始端的含有扰动信号的电信号以及不含有扰动信号的电信号并传送至故障测距处理器；

故障测距处理器，其被配置为：

采用相邻周波相减的方法来提取扰动信号；

对提取的扰动信号进行傅里叶变换分析，根据扰动电压和扰动电流在频域内的线性关系，得到带并联阻尼调匝式消弧线圈单相接地故障在不同频率下的等效阻抗数据；

将不同频率下等效阻抗数据与带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障的等效阻抗表达式联立来构建方程组，求解方程组即可得到故障距离。

本发明的该系统不需要测量系统的正负零序信号，只需要提取故障线路的扰动电压信号和扰动电流信号，这在实际测量中可以大大加快数据的采集速度，并且不需要使用迭代法计算，使得故障测距过程对实时性要求严格，缩短了计算时间，保证了故障测距过程的实时性，而且本发明在得到数据的同时，只需将数据整理即可算出故障距离。

进一步地，所述故障测距处理器，还被配置为：

构建带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障模型；

再根据电阻等于电压与电流的比值，计算单相接地故障模型的等效阻抗表达式。

本发明利用测量的扰动电压和扰动电流，以及构建的带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障模型，能够快速准确地求解出单相接地故障模型的等效阻抗表达式。

进一步地，所述故障测距处理器，还被配置为：对不同频率下的等效阻抗数据进行冗余处理。

对不同频率下的等效阻抗数据进行冗余处理，保证了数据的准确性，提高了故障距离计算的精度。

进一步地，所述故障测距处理器，还被配置为：采用最小二乘法对不同频率下的等效阻抗数据进行冗余处理。利用最小二乘法能够最大化准确地处理数据冗余，提高计算阻抗的数据准确性。

进一步地，所述故障测距处理器，还被配置为：在故障线路出口端采用相邻周波相减的方法来提取扰动信号。

在故障线路出口端可采用相邻周波相减的方法提取扰动电压和扰动电流信号，即通过含有扰动信号的波形与不含有扰动信号的正常波形相减，即可将叠加在背景波形上的扰动提取出来。该信号提取方法本质上是一种非线性滤波，它可将背景中的各种周期性干扰滤除，进而保证扰动提取的准确性。

进一步地，所述故障测距处理器还与显示屏相连，所述显示屏用于显示故障距离。

进一步地，所述故障测距处理器还与服务器相连，所述服务器与远程监控终端相连。这样使得远程监控人员也能够通过远程监控终端实时获取故障测距处理器计算出的故障距离。

本发明的有益效果为：

本发明不需要测量系统的正负零序信号，只需要提取故障线路的扰动电压信号和扰动电流信号，这在实际测量中可以大大加快数据的采集速度，并且不需要使用迭代法计算，使得故障测距方法对实时性要求严格，缩短了计算时间，保证了故障测距方法的实时性，而且本发明在得到数据的同时，只需将数据整理即可算出故障距离。

附图说明

图1是本发明的一种带并联阻尼调匝式消弧线圈单相接地故障电路图；

图2是采用相邻周波相减的方法来提取扰动信号的示意图；

图3是带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障模型；

图4是本发明的一种带并联阻尼调匝式消弧线圈单相接地故障测距方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

本发明所涉及的带并联阻尼调匝式消弧线圈为并联连接电感以及阻尼电阻，如图1所示。当带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障时，与阻尼电阻串联的反并联晶闸管一直处于关断状态，鉴于电力电子开关的可控性，此时若控制关断的晶闸管短时触发导通，等效于将阻尼电阻短时投入运行，进而引起故障馈线电压、电流随之发生轻微扰动，通过在馈线出口端对该扰动的检测与分析即可计算故障点的距离。

本发明的处理对象是“带并联阻尼调匝式消弧线圈”，从工程实用性来说，本发明专利产生扰动的方法要比对比文件所用的方法简单，不需要对电力电子器件进行复杂的控制即可满足要求工程上的要求。

本发明采用谐波阻抗测量技术将线路始端的扰动电压电流信号进行快速傅里叶分析得到系统谐波阻抗数据，根据系统谐波阻抗的表达式与得到的数据用数学方法计算得到故障距离。

一、带并联阻尼调匝式消弧线圈单相接地故障测距方法

图4是本发明的一种带并联阻尼调匝式消弧线圈单相接地故障测距方法流程图。

如图4所示的带并联阻尼调匝式消弧线圈单相接地故障测距方法，具体包括：

步骤1：利用微处理器来控制反并联晶闸管短时触发导通，进而产生扰动信号；所述扰动信号包括扰动电压信号和扰动电流信号。

本发明通过对电力电子器件的控制，可实现对扰动信号的产生时间和幅值的控制，提高了信号可辨识度。

其中，微处理器可以为单片机或可编程逻辑控制器。

步骤2：在故障线路出口端提取扰动信号。

故障线路的出口端也就是故障线路的始端。

在故障线路出口端可采用相邻周波相减的方法提取扰动电压和扰动电流信号，即通过含有扰动信号的波形与不含有扰动信号的正常波形相减，即可将叠加在背景波形上的扰动提取出来，如图2所示。该信号提取方法本质上是一种非线性滤波，它可将背景中的各种周期性干扰滤除，进而保证扰动提取的准确性。

步骤3：对提取的扰动信号进行傅里叶变换分析，根据扰动电压和扰动电流在频域内的线性关系，得到带并联阻尼调匝式消弧线圈单相接地故障在不同频率下的等效阻抗数据。

由于产生的扰动信号含有丰富的频率成分，利用其可得到故障馈线在多个频率下的频域特性，进而求得多个频率下故障点距母线的距离。

为了保证数据的准确性，提高了故障距离计算的精度，本发明还对不同频率下的等效阻抗数据进行冗余处理。

优选地，本发明采用最小二乘法对不同频率下的等效阻抗数据进行冗余处理。利用最小二乘法能够最大化准确地处理数据冗余，提高计算阻抗的数据准确性。

本发明还可以采用其他的现有的方法对不同频率下的等效阻抗数据进行冗余处理。

步骤4：将不同频率下等效阻抗数据与带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障的等效阻抗表达式联立来构建方程组，求解方程组即可得到故障距离。

具体地，在所述步骤4中的带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障的等效阻抗表达式的求取过程为：

构建带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障模型；

再根据电阻等于电压与电流的比值，计算单相接地故障模型的等效阻抗表达式。

本发明利用测量的扰动电压和扰动电流，以及构建的带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障模型，能够快速准确地求解出单相接地故障模型的等效阻抗表达式。

带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障模型如图3所示。

其中：M表示故障线路始端，F表示线路上单相接地故障发生点，表示故障相始端的扰动电压，表示流过故障相的扰动电流，表示故障点F的扰动对地电压，表示流过接地电阻的扰动电流，L_line表示基波频率下线路的单位电感，X_C表示基波频率下单位分布电容，R_f表示接地电阻，x表示故障距离。

在图3中，基于扰动电压和扰动电流在频域内的线性关系获得其在各次频率下的等效阻抗。设U_m(ω)和I_m(ω)分别为扰动电压、电流信号和经快速傅立叶变换后角频率为ω的分量，则无源线性系统在角频率ω下的等效阻抗Z_m(ω)为：

根据计算模型可知等效阻抗表达式为：

本发明的该方法不需要测量系统的正负零序信号，只需要提取故障线路的扰动电压信号和扰动电流信号，这在实际测量中可以大大加快数据的采集速度，并且不需要使用迭代法计算，使得故障测距方法对实时性要求严格，缩短了计算时间，保证了故障测距方法的实时性，而且本发明在得到数据的同时，只需将数据整理即可算出故障距离。

二、带并联阻尼调匝式消弧线圈单相接地故障测距系统

本发明的一种带并联阻尼调匝式消弧线圈单相接地故障测距系统，包括：

(1)微处理器，其与反并联晶闸相连；所述微处理器被配置为：控制反并联晶闸管短时触发导通，进而产生扰动信号；所述扰动信号包括扰动电压信号和扰动电流信号。

本发明通过对电力电子器件的控制，可实现对扰动信号的产生时间和幅值的控制，提高了信号可辨识度。

其中，微处理器可以为单片机或可编程逻辑控制器。

(2)信号采集装置，其用于采集故障线路始端的含有扰动信号的电信号以及不含有扰动信号的电信号并传送至故障测距处理器。

信号采集装置包括电流互感器和电压互感器，分别用来采集故障线路上的电压信号和电流信号。其中，采集的故障线路上的电压信号和电流信号包括含有扰动信号的电信号以及不含有扰动信号的电信号。

(3)故障测距处理器，其被配置为：

在故障线路出口端提取扰动信号；其中，可以采用相邻周波相减的方法来提取扰动信号；

对提取的扰动信号进行傅里叶变换分析，根据扰动电压和扰动电流在频域内的线性关系，得到带并联阻尼调匝式消弧线圈单相接地故障在不同频率下的等效阻抗数据；

将不同频率下等效阻抗数据与带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障的等效阻抗表达式联立来构建方程组，求解方程组即可得到故障距离。

在具体实施过程中，故障测距处理器可以采用CPU或其他现有型号的处理器来实现。

具体地，在故障线路出口端可采用相邻周波相减的方法提取扰动电压和扰动电流信号，即通过含有扰动信号的波形与不含有扰动信号的正常波形相减，即可将叠加在背景波形上的扰动提取出来，如图2所示。该信号提取方法本质上是一种非线性滤波，它可将背景中的各种周期性干扰滤除，进而保证扰动提取的准确性。

由于产生的扰动信号含有丰富的频率成分，利用其可得到故障馈线在多个频率下的频域特性，进而求得多个频率下故障点距母线的距离。

为了保证数据的准确性，提高了故障距离计算的精度，本发明还对不同频率下的等效阻抗数据进行冗余处理。

优选地，本发明采用最小二乘法对不同频率下的等效阻抗数据进行冗余处理。利用最小二乘法能够最大化准确地处理数据冗余，提高计算阻抗的数据准确性。

带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障模型如图3所示。

其中：M表示故障线路始端，F表示线路上单相接地故障发生点，表示故障相始端的扰动电压，表示流过故障相的扰动电流，表示故障点F的扰动对地电压，表示流过接地电阻的扰动电流，L_line表示基波频率下线路的单位电感，X_C表示基波频率下单位分布电容，R_f表示接地电阻，x表示故障距离。

在图3中，基于扰动电压和扰动电流在频域内的线性关系获得其在各次频率下的等效阻抗。设U_m(ω)和I_m(ω)分别为扰动电压、电流信号和经快速傅立叶变换后角频率为ω的分量，则无源线性系统在角频率ω下的等效阻抗Z_m(ω)为：

根据计算模型可知等效阻抗表达式为：

本发明利用测量的扰动电压和扰动电流，以及构建的带并联阻尼调匝式消弧线圈的单相接地故障模型，能够快速准确地求解出单相接地故障模型的等效阻抗表达式。

进一步地，故障测距处理器还与显示屏相连，显示屏用于显示故障距离。

进一步地，故障测距处理器还与服务器相连，服务器与远程监控终端相连。这样使得远程监控人员也能够通过远程监控终端实时获取故障测距处理器计算出的故障距离。

本发明的该系统不需要测量系统的正负零序信号，只需要提取故障线路的扰动电压信号和扰动电流信号，这在实际测量中可以大大加快数据的采集速度，并且不需要使用迭代法计算，使得故障测距过程对实时性要求严格，缩短了计算时间，保证了故障测距过程的实时性，而且本发明在得到数据的同时，只需将数据整理即可算出故障距离。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。