一种小电流接地系统的单相接地故障区段定位方法与流程

本发明涉及配电网故障检测技术领域，具体涉及一种小电流接地系统的单相接地故障区段定位方法。

背景技术：

我国配电网大多采用小电流接地系统，而在配电网系统的故障中，单相接地故障发生的概率较高。当系统发生单相接地故障时，若不能及时对故障进行定位和排除，会导致停电事故，对经济造成极大影响，因而线路故障能够快速可靠的定位对电网的安全稳定运行具有重大意义。

随着技术的不断发展，国内外学者对故障区段定位做了大量的研究。论文《配网自动化系统中小电流接地故障区段定位方法》根据设计在线路上固定位置配置检测点，获取小电流接地系统单相接地故障特征信息，再通过边界节点算法确定故障区间，但该方法传输的数据量过大，在现场实施较为困难。论文《零模检测波速度的迭代提取及其在配电网单相接地故障定位中的应用》采用了零模检测速度迭代提取法，依据零模检测波的频率和故障距离的联系进行故障位置的判断，但该方法在主干线路和分支线路都存在较大误差。论文《检测暂态零模电流相关性的小电流接地故障定位方法》采用相关系数法，利用非故障点两侧暂态零模电流信号波形相似相关系数约等于1，而故障点两侧波形不同相关系数约为0的特点进行故障定位，但该方法对信号时间同步性要求较高，易出现较大误差。

而本发明的发明人经过研究发现，配电网系统发生单相接地故障时，会产生携带大量信息的暂态波形，同一线路上故障点两侧的暂态零序电流波形在频率和幅值上存在较大差异，两个信号的时间序列复杂程度的相似性较低；健全区段两侧波形相似度较高，两个信号的时间序列复杂程度的相似性较高。因而如何创新地利用这一发现来解决配电网的小电流接地系统单相接地故障定位问题，为本发明提供了一种新的思路。

技术实现要素：

针对现有解决配电网小电流接地系统中发生单相接地故障定位时，存在所需数据量过大以及对信号时间同步性要求较高的技术问题，本发明提供一种小电流接地系统的单相接地故障区段定位方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种小电流接地系统的单相接地故障区段定位方法，包括以下步骤：

s1、当零序电压或零序电流的幅值超越预设门槛时，变电所终端启动，选择故障线路，并将选线结果上报主站；

s2、故障线路上各检测点安装的录波型故障指示器同时启动，所述录波型故障指示器中的电子式互感器采集暂态零序电流波形数据，并将数据传递至该线路的汇集单元，所述汇集单元将该线路各检测点采集的带有时间标签的故障暂态零序电流波形数据统一上传至主站；

s3、主站对故障线路各终端暂态零序电流波形数据先进行滤波和标准化处理，再提取故障发生后暂态零序电流波形的首个1/4周期波形，对健全线路终端数据则不予处理；

s4、应用近似熵算法对提取波形采用下式进行计算，获得故障线路上每个检测点暂态零序电流波形的近似熵值：

apen＝φ^dim(r)-φ^dim+1(r)

其中，i＝1,2,…,n-dim+1；j＝1,2,…,n-dim+1；n为暂态零序电流波形序列；i为dim维的矢量，每个元素为标准化后的暂态零序电流波形序列；d为两矢量对应元素间差值的最大；r为相似容限阈值，取值为0.1～0.25倍波形序列标准差值；apen为波形序列的近似熵值；

并应用近似熵算法计算出相邻两检测点暂态零序电流波形的近似熵比值，若比值小于1则取倒数；

s5、将得到的所有近似熵比值与预设的区内故障阈值作比较，若有近似熵比值大于区内故障阈值，则判断故障发生在该近似熵比值对应的两检测点之间；若所有近似熵比值均小于区内故障阈值，则将故障线路出口处检测点波形的近似熵阈值扩大1000倍后，与预设的首段故障阈值作比较，若第一个检测点的近似熵阈值大于首段故障阈值，则判断故障发生在线路首段，反之若第一个检测点的近似熵阈值小于首段故障阈值，则判断故障发生在线路尾段。

与现有技术相比，本发明提供的小电流接地系统的单相接地故障区段定位方法，根据小电流接地系统发生单相接地故障时，故障点两侧的暂态零序电流波形在频率和幅值上存在较大差异，时间序列复杂程度的相似性较低，而健全区段两侧波形信号的时间序列复杂程度的相似性较高的原理，基于录波型故障指示器对线路的暂态零序电流波形进行采集，利用近似熵可表征时间序列的复杂度，即近似熵算法可间接表征两电流波形信号的相似程度，通过近似熵算法计算出各检测点波形的近似熵值以及所有相邻检测点波形的近似熵比值，将近似熵比值与区内故障阈值相比较来实现区内故障的定位，再根据线路出口处检测点扩大1000倍后的近似熵值与首段故障阈值相比较来实现线路首尾段故障的定位，由此达到通过近似熵算法评估线路相邻检测点暂态零序电流波形信号的时间序列复杂度的相似程度来对故障进行精准定位；同时，本方法具备抗干扰能力强，对信号时间同步性要求不高，所需数据量小等优势，因而具有广泛的实际应用价值。

进一步，所述步骤s3中主站采用带通滤波器对故障线路各终端暂态零序电流波形数据进行滤波。

进一步，所述步骤s3中主站对故障线路各终端暂态零序电流波形数据采用以下公式进行标准化处理：

其中，y为标准化之后的波形数据，x为标准化前的离散波形数据序列，为离散波形数据序列x的均值，n为离散波形数据序列x中的第n个元素。

进一步，所述步骤s3中区内故障阈值为1.26～1.85，首段故障阈值为286～291。

进一步，所述区内故障阈值为1.5，首段故障阈值为288。

进一步，在所述步骤s5之后还包括步骤s6：主站显示出故障区段的位置，并将位置信号发送给巡线人员。

附图说明

图1是本发明提供的小电流接地系统的单相接地故障区段定位方法流程示意图。

图2是本发明提供的一种小电流接地系统的单相接地故障定位系统示意图。

图3是本发明提供的小电流接地系统线路仿真模型示意图。

图4是本发明提供的当检测点n和p之间发生单相接地故障时各检测点的暂态零序电流波形示意图。

图5是本发明提供的线路首段发生单相接地故障时各检测点的暂态零序电流波形示意图。

图6是本发明提供的线路尾段发生单相接地故障时各检测点的暂态零序电流波形示意图。

图中，1、主站；2、采集单元；3、汇集单元；4、无线传输模块。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1和图2所示，本发明提供一种小电流接地系统的单相接地故障区段定位方法，包括以下步骤：

s1、当零序电压或零序电流的幅值超越预设门槛时，变电所终端启动，选择故障线路，并将选线结果上报主站1；

s2、故障线路上各检测点安装的录波型故障指示器同时启动，所述录波型故障指示器中的电子式互感器即采集单元2采集暂态零序电流波形数据，并将数据传递至该线路的汇集单元3，所述汇集单元3将该线路各检测点采集的带有时间标签的故障暂态零序电流波形数据统一上传至主站1，所述汇集单元3具体可通过现有无线传输模块4将各检测点数据上传至主站1；

s3、主站1接收汇集单元3发送来的暂态零序电流波形数据，对故障线路各终端暂态零序电流波形数据先进行滤波以分别提取暂态分量，及进行标准化处理以求取二值距离矩阵，再提取故障发生后暂态零序电流波形的首个1/4周期波形，对健全线路终端数据则不予处理；

s4、应用近似熵算法对提取波形采用下式进行计算，获得故障线路上每个检测点暂态零序电流波形的近似熵值：

apen＝φ^dim(r)-φ^dim+1(r)

其中，i＝1,2,…,n-dim+1；j＝1,2,…,n-dim+1；n为暂态零序电流波形序列；i为dim维的矢量，每个元素为标准化后的暂态零序电流波形序列；d为两矢量对应元素间差值的最大；r为相似容限阈值，取值一般为0.1～0.25倍波形序列标准差值；apen为波形序列的近似熵值；

并应用近似熵算法计算出相邻两检测点暂态零序电流波形的近似熵比值，即将第一个检测点与第二个检测点的近似熵值取比值，将第二个检测点与第三个检测点的近似熵值取比值，以此类推，依次计算所有相邻检测点之间的近似熵值之比，若比值小于1则取倒数；

s5、将得到的所有近似熵比值与预设的区内故障阈值(或称第一阈值)作比较，若有近似熵比值大于区内故障阈值，则判断故障发生在该近似熵比值对应的两检测点之间；若所有近似熵比值均小于区内故障阈值，则判断无区内故障，之后将故障线路出口处检测点(即首段第一个检测点)波形的近似熵阈值扩大1000倍后，与预设的首段故障阈值(或称第二阈值)作比较，若第一个检测点的近似熵阈值大于首段故障阈值，则判断故障发生在线路首段，反之(即第一个检测点的近似熵阈值小于首段故障阈值)则判断故障发生在线路尾段。

与现有技术相比，本发明提供的小电流接地系统的单相接地故障区段定位方法，根据小电流接地系统发生单相接地故障时，故障点两侧的暂态零序电流波形在频率和幅值上存在较大差异，时间序列复杂程度的相似性较低，而健全区段两侧波形信号的时间序列复杂程度的相似性较高的原理，基于录波型故障指示器对线路的暂态零序电流波形进行采集，利用近似熵可表征时间序列的复杂度，即近似熵算法可间接表征两电流波形信号的相似程度，通过近似熵算法计算出各检测点波形的近似熵值以及所有相邻检测点波形的近似熵比值，将近似熵比值与区内故障阈值相比较来实现区内故障的定位，再根据线路出口处检测点扩大1000倍后的近似熵值与首段故障阈值相比较来实现线路首尾段故障的定位，由此达到通过近似熵算法评估线路相邻检测点暂态零序电流波形信号的时间序列复杂度的相似程度来对故障进行精准定位；同时，本方法具备抗干扰能力强，对信号时间同步性要求不高，所需数据量小等优势，因而具有广泛的实际应用价值。

作为具体实施例，所述步骤s3中主站采用现有带通滤波器对故障线路各终端暂态零序电流波形数据进行滤波。

作为具体实施例，所述步骤s3中主站对故障线路各终端暂态零序电流波形数据采用以下公式进行标准化处理：

其中，y为标准化之后的波形数据，x为标准化前的离散波形数据序列，为离散波形数据序列x的均值，n为离散波形数据序列x中的第n个元素。

作为具体实施例，所述步骤s3中区内故障阈值为1.26～1.85，首段故障阈值为286～291。作为优选实施例，所述区内故障阈值为1.5，首段故障阈值为288，以此优选阈值判断故障具体位置的流程为：先将计算所得的近似熵比值与区内故障阈值1.5作比较，若有近似熵比值大于1.5，说明该近似熵比值对应的两检测点相似度较低，则判断故障发生在该近似熵比值对应的两检测点之间，即判断该段出现故障；若所有近似熵比值均小于区内故障阈值1.5，则说明两检测点之间的暂态零序电流波形的时间序列复杂度相似，判断该段不存在故障；之后将安装于故障线路出口处检测点(即首段第一个检测点)波形的近似熵阈值记为apen1并扩大1000倍后，与预设的首段故障阈值288作比较，若扩大1000倍后的第一个检测点近似熵阈值apen1大于首段故障阈值288，则说明该监测点暂态零序电流波形近似熵值较大，从而判断故障发生在线路首段，反之若扩大1000倍后的第一个检测点近似熵阈值apen1小于首段故障阈值288，则说明该监测点暂态零序电流波形近似熵值较小，从而判断故障发生在线路尾段。

作为具体实施例，在所述步骤s5之后还包括步骤s6：主站显示出故障区段的位置，并将位置信号发送给巡线人员，从而方便巡线人员快速赶往故障位置进行故障排除，方便实用。

为了本领域技术人员更好理解本发明提供的小电流接地系统的单相接地故障区段定位方法，以下将结合具体电缆线路模型对其进行详细介绍：

请参考图3所示的为中性点经消弧线圈接地的电缆线路模型，此模型的线路l3中包括5个区段，分别是：m点之前为线路首段，m点和n点之间为第二区段，n点和p点之间为第三区段，p点和q点之间为第四区段，q点之后为线路尾段。以下分别设置单相接地故障点发生在第三区段内、线路首段和线路尾段，以此验证上述算法的有效性。

第一、第三区段内发生单相接地故障：

按照本发明提供的小电流接地系统的单相接地故障区段定位方法中的步骤s1～s3处理好暂态零序电流波形数据后，再按照步骤s4中的公式分别计算得到各个检测点的近似熵值为：m＝0.1000，n＝0.1151，p＝0.3156，q＝0.3073；近似熵比值分别为：m/n＝1.1512，n/p＝2.7406，p/q＝1.0269。取区内故障阈值为1.5，将三组近似熵比值分别与区内故障阈值相比较，发现n/p的值超过区内故障阈值即第一阈值，则判断故障发生在检测点n和检测点p之间，即第三区段内发生故障，其发生单相接地故障时各检测点的暂态零序电流波形示意图如图4所示。

第二、首段发生单相接地故障：

如前述第一所示步骤，分别计算各个检测点的近似熵值为：m＝0.3139，n＝0.3584，p＝0.3085，q＝0.4386；近似熵比值分别为：m/n＝1.1416，n/p＝1.1618，p/q＝1.4217。取区内故障阈值为1.5，将三组近似熵比值分别与区内故障阈值相比较，发现其值均小于区内故障阈值，则判断无区内故障；取首段故障阈值即第二阈值为288，将m点熵值扩大1000倍后与第二阈值相比，发现其值大于第二阈值，则判断故障发生在线路首段，其发生单相接地故障时各检测点的暂态零序电流波形示意图如图5所示。

第三、尾段发生单相接地故障：

如前述第一所示步骤，分别计算各个检测点的近似熵值为：m＝0.1363，n＝0.1221，p＝0.1037，q＝0.1221；近似熵比值分别为：m/n＝1.1160，n/p＝1.1774，p/q＝1.1773。取区内故障阈值为1.5，将三组近似熵比值分别与区内故障阈值相比较，发现其值均小于区内故障阈值，则判断无区内故障；取首段故障阈值即第二阈值为288，将m点熵值扩大1000倍后与第二阈值相比，发现其值小于第二阈值，则判断故障发生在线路尾段，其发生单相接地故障时各检测点的暂态零序电流波形示意图如图6所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。