一种考虑继发性故障的配电网故障选线方法与流程

本发明属于电力系统的谐振接地系统接地保护领域。

背景技术：

由于我国中低压配电网中性点通常采用的是通过消弧线圈的谐振接地系统，其特点是发生单相接地故障后，允许系统带故障运行1-2小时。但是，长时间的带故障运行，可能引发线路绝缘问题，特别在电缆广泛使用的线路中，由于电缆的电容电流较大，容易导致继发多点故障。继发性故障是指复故障不发生在同一时刻，两次故障之间存在时间差，且前一故障发生后，系统还没有从故障状态调整到正常状态的情况下，又遭受到新的扰动故障的工况。因此，快速、准确的选出一次故障和继发故障所在的线路，便于进一步查找故障的具体位置并修复故障，对保证谐振接地系统的安全、可靠运行具有重要意义。

随着电力网络的扩大,小电流接地系统中出线数目不断增加,系统发生两点接地或者在切除单点接地故障前又发生其它线路同相接地的概率也随之升高,对于这种同相异线的两点接地故障,利用传统的单相选线判据存在困难。这是由于目前的方法仅仅考虑了线路发生单一故障，而忽略了线路中存在二次故障的可能，即使继发性故障存在。对于配电网谐振接地系统而言，当线路某处发生单相接地故障后，由于零序回路中受到中性点消弧线圈的补偿作用，故障电流非常微弱，故障检测选线灵敏度低。如果此时另一条线路的同名相发生继发性故障，由于无法形成大的故障电流，继发性故障过程将会淹没在首次故障的暂态过程中，使得故障特征提取过程无法提取继发性故障的电气信息，从而不能及时判定出继发性故障的馈线，造成故障馈线的漏选，导致配电线路故障不能得到完全及时地处理，配电网的安全性和可靠性还有待进一步提高。

技术实现要素：

本发明的发明目的就是提供一种考虑继发性故障的配电网故障选线方法，该方法能及时判定是否存在继发性故障并识别出继发性故障馈线，避免故障馈线的漏选，使得线路故障能得到完全及时的处理，配电网的安全性高和可靠性强。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种考虑继发性故障的配电网故障选线方法，其步骤如下：

a、采样

通过变电站的母线零序电压互感器对配电网母线零序电压进行采样，获得当前采样时刻t的母线零序电压的有效值u0(t)；

如当前采样时刻t的母线零序电压的有效值u0(t)小于0.15up，其中up为母线正常运行时相电压的有效值；则判定配电网中变电站馈送区域不存在接地故障，重复以上操作；

否则，判定配电网中变电站馈送区域存在接地故障，令当前采样时刻t为故障时刻t0，并进行b步的操作；

b、馈线零序电流计算

将故障时刻t0起一个工频交流周期内所有采样时刻的馈线n的a相电流采样值ia,n(t0+δt),ia,n(t0+2δt),...,ia,n(t0+gδt),...,ia,n(t0+gδt)，构成馈线n的a相电流采样序列ia,n；即ia,n＝[ia,n(t0+δt),ia,n(t0+2δt),...,ia,n(t0+gδt),...,ia,n(t0+gδt)]；

其中，n为配电网中变电站的馈线的序号，n＝1,2,......,n，n为配电网中变电站的馈线总数，g为故障时刻t0起一个工频交流电周期内的采样时刻的序号，g＝0,1,2,......,g，g为故障时刻t0起一个工频交流电周期内的采样时刻的总数、g的取值为10-200，δt为相邻采样时刻的时间差；

将故障时刻t0起一个工频交流周期内所有采样时刻的馈线n的b相电流采样值ib,n(t0+δt),ib,n(t0+2δt),...,ib,n(t0+gδt),...,ib,n(t0+gδt),构成馈线n的b相电流采样序列ib,n；即ib,n＝[ib,n(t0+δt),ib,n(t0+2δt),...,ib,n(t0+gδt),...,ib,n(t0+gδt)]；

将故障时刻t0起一个工频交流周期内所有采样时刻的馈线n的c相电流采样值ic,n(t0+δt),ic,n(t0+2δt),...,ic,n(t0+gδt),...,ic,n(t0+gδt),构成馈线n的c相电流采样序列ic,n；即ic,n＝[ic,n(t0+δt),ic,n(t0+2δt),...,ic,n(t0+gδt),...,ic,n(t0+gδt)]；

然后，计算出故障后一个工频交流周期内的馈线n的零序电流值序列i0,n，

其中，i0,n(t0+gδt)为馈线n在采样时刻(t0+gδt)的零序电流值；

c、零序电流小波奇异熵测度计算

将故障后一个工频交流周期内的馈线n的零序电流值序列i0,n，进行m层离散小波变换并重构，得到大于100hz的m层g列的小波高频系数矩阵a，am(t0+gδt)为矩阵a中的第m层、第g列的高频小波重构系数；其中，小波高频系数矩阵a的层数、m的取值为2～10；

对小波高频系数矩阵a进行奇异值分解变换和信息熵计算，得到馈线n的小波奇异熵测度值序列wn＝[wn(t0+δt),wn(t0+2δt)，...,wn(t0+gδt),...,wn(t0+gδt)]，其中wn(t0+gδt)为馈线n在采样时刻(t0+gδt)的小波奇异熵测度值；

d、继发性故障判定

比较变电站的所有馈线n的小波奇异熵测度值序列wn中的小波奇异熵测度值wn(t0+gδt)，如有wn(t0+gδt)>wn(t0+δt)，则认定配电网中变电站馈送区域存在继发性故障，执行步骤i；否则，认定配电网中变电站馈送区域不存在继发性故障，并确定出其第一次故障区间f1，f1＝[t0,t0+gδt]，执行步骤e；

e、构造第一次故障区间的小波时频谱矩阵

将馈线n在第一次故障区间f1内的小波高频系数矩阵a中1到g列的元素进行j等分求和，并与相邻采样时刻的时间差δt相乘,得到第一次故障区间f1内的m层j列的小波时频谱矩阵其中的第m层第j列的元素为j＝1,2,......,j，且g能被j整除；m＝1,2,......,m；

g、建立一次故障区间的矩阵相似度判据

计算第一次故障区间的馈线n相对于另一条馈线n1的小波时频谱相似度d¹(n,n1),

其中n1＝1,2,......,n，∑表示连续求和运算；

将第一次故障区间的馈线n相对于所有的另一条馈线n1的小波时频谱相似度d¹(n,n1)，构成第一次故障区间的馈线n的小波时频谱相似度序列进而算出第一次故障区间的馈线n的综合相似度

式中，max表示取最大值运算；

h、查找第一次的故障馈线

在第一次故障区间的所有馈线n的综合相似度中，有一条馈线n＝n'的综合相似度则变电站的馈线n'为第一次故障馈线；

i、继发性故障区间划分

判定继发性故障时刻为t0+gδt；并将故障时刻t0至继发性故障时刻t0+gδt之间的时间段划定为第一次故障区间f1，f1＝[t0,t0+gδt]；将继发性故障时刻t0+gδt至第一工频周期末时刻t0+gδt为继发性故障区间f2，f2＝(t0+gδt,t0+gδt]；

j、进行步骤e-h步的操作，并在步骤e中令g＝g，得到第一次故障馈线n'；随即进行步骤k的操作；

k、构造继发性故障区间的小波时频谱矩阵

将馈线n在继发性故障区间f2内的小波高频系数矩阵a中g+1到g列的元素进行p等分求和，并与相邻采样时刻的时间差δt相乘,得到继发性故障区间f2内的m层p列的小波时频谱矩阵其中的第m层第p列的元素为,p＝1,2,......,p且(g-g)能被p整除；

l、建立继发性故障区间的矩阵相似度判据

计算继发性故障区间的馈线n相对于另一条馈线n1的小波时频谱相似度d²(n,n1),

将继发性故障区间的馈线n相对于所有的另一条馈线n1的小波时频谱相似度d²(n,n1)，构成继发性故障区间的馈线n的小波时频谱相似度序列进而算出第一次故障区间的馈线n的综合相似度

m、查找继发性故障馈线

在继发性故障区间的所有馈线n的综合相似度中，馈线n'的综合相似度还有一条馈线n”的综合相似度则变电站的馈线n”为继发性故障馈线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明利用继发性故障发生的时间差，通过小波奇异熵理论对故障后一个周期内的暂态信号进行复杂度计算，当存在后续时刻的复杂度高于第一次故障时刻的复杂度时，认定存在继发性故障；并以此将两次故障信号叠加、信号复杂度高的继发性故障区间与仅有第一次故障信号、信号复杂度低的故障区间分开，进而通过两个区间内的馈线小波时频矩阵相似度判据，找出第一次故障馈线和继发性故障馈线。小波时频矩阵相似度数据在小电流中仍然表现明显，避免了继发性故障由于谐振接地系统故障电流小，继发故障特征被湮没而难以检测的问题。

二、本发明是利用零序电流故障产生的高频暂态进行故障选线，不受配电网中性点接地方式的影响，具有灵活性。由于只需要采集母线侧各条馈线的三相电流量和母线电压，对设备要求不高，提高了设备的可靠性。

三、本发明通过小波奇异熵理论对故障后一个周期的暂态信号进行复杂度计算，当不存在后续时刻的复杂度高于第一次故障时刻的复杂度时，认定不存在继发性故障；则将故障后的一个全周期作为第一次故障发生的整个区间，并按同样的小波时频矩阵相似度判据进行第一次故障选线；也即本发明将配电网第一次故障和继发性故障使用相同的选线判据，既能对单一故障实现故障选线，也适用于继发性故障工况下的复故障选线，具有广泛的适用性。

四、较之现有的暂态行波故障选线方法采样率在100khz，本发明的采样频率仅为0.5khz-10khz，对采样设备无特殊要求，方便实施。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明仿真实验中的配电网中变电站馈送区域的拓扑结构。

图2是本发明方法仿真实验得到的馈线n在采样时刻(t0+gδt)的小波奇异熵测度值。

具体实施方式

实施例

本发明的一种具体实施方式是，一种考虑继发性故障的配电网故障选线方法，其步骤如下：

a、采样

通过变电站的母线零序电压互感器对配电网母线零序电压进行采样，获得当前采样时刻t的母线零序电压的有效值u0(t)；

如当前采样时刻t的母线零序电压的有效值u0(t)小于0.15up，其中up为母线正常运行时相电压的有效值；则判定配电网中变电站馈送区域不存在接地故障，重复以上操作；

否则，判定配电网中变电站馈送区域存在接地故障，令当前采样时刻t为故障时刻t0，并进行b步的操作；

b、馈线零序电流计算

将故障时刻t0起一个工频交流周期内所有采样时刻的馈线n的a相电流采样值ia,n(t0+δt),ia,n(t0+2δt),...,ia,n(t0+gδt),...,ia,n(t0+gδt)，构成馈线n的a相电流采样序列ia,n；即ia,n＝[ia,n(t0+δt),ia,n(t0+2δt),...,ia,n(t0+gδt),...,ia,n(t0+gδt)]；

其中，n为配电网中变电站的馈线的序号，n＝1,2,......,n，n为配电网中变电站的馈线总数，g为故障时刻t0起一个工频交流电周期内的采样时刻的序号，g＝0,1,2,......,g，g为故障时刻t0起一个工频交流电周期内的采样时刻的总数、g的取值为10-200，δt为相邻采样时刻的时间差；

将故障时刻t0起一个工频交流周期内所有采样时刻的馈线n的b相电流采样值ib,n(t0+δt),ib,n(t0+2δt),...,ib,n(t0+gδt),...,ib,n(t0+gδt),构成馈线n的b相电流采样序列ib,n；即ib,n＝[ib,n(t0+δt),ib,n(t0+2δt),...,ib,n(t0+gδt),...,ib,n(t0+gδt)]；

将故障时刻t0起一个工频交流周期内所有采样时刻的馈线n的c相电流采样值ic,n(t0+δt),ic,n(t0+2δt),...,ic,n(t0+gδt),...,ic,n(t0+gδt),构成馈线n的c相电流采样序列ic,n；即ic,n＝[ic,n(t0+δt),ic,n(t0+2δt),...,ic,n(t0+gδt),...,ic,n(t0+gδt)]；

然后，计算出故障后一个工频交流周期内的馈线n的零序电流值序列i0,n，

其中，i0,n(t0+gδt)为馈线n在采样时刻(t0+gδt)的零序电流值；

c、零序电流小波奇异熵测度计算

将故障后一个工频交流周期内的馈线n的零序电流值序列i0,n，进行m层离散小波变换并重构，得到大于100hz的m层g列的小波高频系数矩阵a，am(t0+gδt)为矩阵a中的第m层、第g列的高频小波重构系数；其中，小波高频系数矩阵a的层数、m的取值为2～10；

对小波高频系数矩阵a进行奇异值分解变换和信息熵计算，得到馈线n的小波奇异熵测度值序列wn＝[wn(t0+δt),wn(t0+2δt),...,wn(t0+gδt),...wn(t0+gδt)]，其中wn(t0+gδt)为馈线n在采样时刻(t0+gδt)的小波奇异熵测度值；

d、继发性故障判定

比较变电站的所有馈线n的小波奇异熵测度值序列wn中的小波奇异熵测度值wn(t0+gδt)，如有wn(t0+gδt)>wn(t0+δt)，则认定配电网中变电站馈送区域存在继发性故障，执行步骤i；否则，认定配电网中变电站馈送区域不存在继发性故障，并确定出其第一次故障区间f1，f1＝[t0,t0+gδt]，执行步骤e；

e、构造第一次故障区间的小波时频谱矩阵

将馈线n在第一次故障区间f1内的小波高频系数矩阵a中1到g列的元素进行j等分求和，并与相邻采样时刻的时间差δt相乘,得到第一次故障区间f1内的m层j列的小波时频谱矩阵其中的第m层第j列的元素为j＝1,2,......,j，且g能被j整除；m＝1,2,......,m；

g、建立一次故障区间的矩阵相似度判据

计算第一次故障区间的馈线n相对于另一条馈线n1的小波时频谱相似度d¹(n,n1),

其中n1＝1,2,......,n，∑表示连续求和运算；

将第一次故障区间的馈线n相对于所有的另一条馈线n1的小波时频谱相似度d¹(n,n1)，构成第一次故障区间的馈线n的小波时频谱相似度序列进而算出第一次故障区间的馈线n的综合相似度

式中，max表示取最大值运算；

h、查找第一次的故障馈线

在第一次故障区间的所有馈线n的综合相似度中，有一条馈线n＝n'的综合相似度则变电站的馈线n'为第一次故障馈线；

i、继发性故障区间划分

判定继发性故障时刻为t0+gδt；并将故障时刻t0至继发性故障时刻t0+gδt之间的时间段划定为第一次故障区间f1，f1＝[t0,t0+gδt]；将继发性故障时刻t0+gδt至第一工频周期末时刻t0+gδt为继发性故障区间f2，f2＝(t0+gδt,t0+gδt]；

j、进行步骤e-h步的操作，并在步骤e中令g＝g，得到第一次故障馈线n'；随即进行步骤k的操作；

k、构造继发性故障区间的小波时频谱矩阵

将馈线n在继发性故障区间f2内的小波高频系数矩阵a中g+1到g列的元素进行p等分求和，并与相邻采样时刻的时间差δt相乘,得到继发性故障区间f2内的m层p列的小波时频谱矩阵其中的第m层第p列的元素为,p＝1,2,......,p且(g-g)能被p整除；

l、建立继发性故障区间的矩阵相似度判据

计算继发性故障区间的馈线n相对于另一条馈线n1的小波时频谱相似度d²(n,n1),

将继发性故障区间的馈线n相对于所有的另一条馈线n1的小波时频谱相似度d²(n,n1)，构成继发性故障区间的馈线n的小波时频谱相似度序列进而算出第一次故障区间的馈线n的综合相似度

m、查找继发性故障馈线

在继发性故障区间的所有馈线n的综合相似度中，馈线n'的综合相似度还有一条馈线n”的综合相似度则变电站的馈线n”为继发性故障馈线。

仿真实验

下面通过仿真实验对本发明方法进行验证。

图1为本发明仿真实验中的配电网中变电站馈送区域的拓扑结构，也即仿真实验中的配电网变电站馈送区域共有n＝5条馈线。

仿真实验条件：馈线1在故障时间0.215s处发生a相接地故障，故障电阻为0ω，馈线2在0.225s处发生a相继发性接地故障，故障电阻为0ω。

采用现有的馈线相关系数判据方法，可计算得到5条馈线相关系数判据序列：

[-0.97490.44920.47740.47730.4774]

其中，只有馈线1的相关系数小于0(-0.9749)。判定馈线一为故障馈线。而发生在馈线2上的继发性故障不能被检测得到。选线结果为漏选继发性故障。

采用本发明的方法，计算得到图2所示的馈线2的小波奇异熵测度值序列w2；

图2示出，馈线2在首次故障时刻后的第1个采样点的小波奇异熵值w2(t0+δt)＝1.28，第11个采样点(即故障时刻起一个工频交流电周期内的第g＝11个采样时刻)处的小波奇异熵值再次突变达到1.33(即w2(t0+11δt)＝1.33)。即w2(t0+11δt)>w2(t0+δt)，则判定系统中存在继发性故障并将故障时刻后的一个工频交流周期划分为：第一次故障区间[0.215,0.2246]，继发性故障区间(0.2246,0.235]。

算出在第一次故障区间[0.215,0.2246]内馈线1-5的综合相似度分别为-0.9921，0.4839，0.4934,0.4934,0.4934。由于馈线1的综合相似度小于0；因此，判定馈线1为第一次故障馈线(即第一次故障馈线的序号n’＝1)。

计算出在继发性故障区间(0.2246,0.235]内，馈线1-5的综合相似度分别为：-0.2940，-0.0247，0.4462，0.4473，0.4462。

由于第一次故障馈线n’＝1的综合相似度和馈线n”＝2的综合相似度均小于0，即馈线1和馈线二均存在故障，但由于在第一次判定中已经得到馈线1为第一次故障馈线，因此馈线2为继发性故障馈线(即第二次故障馈线的序号n”＝2)。

仿真实验结果证明，本发明的方法能够快速、正确的选出第一次故障馈线和继发性故障馈线。