变电站接地网的分区域故障诊断方法
【专利说明】
[0001] 本申请要求申请日为2014年8月20日、申请号为201410412091. X、名称为"变电 站接地网的分区域故障诊断方法"的优先权。
技术领域
[0002] 本发明涉及电力信息技术领域，具体地，涉及一种变电站接地网的分区域故障诊 断方法。
【背景技术】
[0003] 变电站接地网通常用扁钢或圆钢水平敷设，排列成长孔型或方孔型，埋入地下 0. 6~0. 8m，其面积大体与发电厂和变电站的面积相同。接地网对电气设备的安全运行至 关重要，近年来，由于接地网电气性能降低而造成的变电站运行事故逐年增多，其中导体的 腐蚀、断裂或者漏焊等是造成接地性能下降的潜在因素，若遇电力系统发生接地短路故障， 将造成地网本身局部电位差和地网电位异常升高，除给运行人员的安全带来威胁外，还可 能因反击或电缆皮环流使得二次设备的绝缘遭到破坏，高压窜入控制室，使监测或控制设 备发生误动或拒动而扩大事故，带来巨大的经济损失和不良的社会影响。由此可见，接地网 的故障已是电力系统安全运行的心腹大患，诊断接地网的断点及地网的腐蚀情况已成为电 力部门的一项重大反事故措施。接地网的接地性能一般通过测量现场接地电阻的大小间接 判断，但无法据此判断接地网腐蚀情况，地网导体腐蚀甚至断裂时，接地电阻仍可能正常。 即使接地电阻测量显示异常，也无法得知故障的具体位置，而需要大规模开挖查找故障点， 工作量巨大且成本高昂。接地网故障诊断对于及时发现隐患并采取相应措施具有指导意 义，由于受到可及节点数目及其分布位置的限制，这项工作的困难很大。
[0004] 目前，国内外学者在接地网故障诊断领域已经取得了一些研究成果，主要体现在 两类方法上：一类是基于电磁场法或地表电位的检测方法，通过地表面的电磁场参数或电 位参数反馈信号等物理信号判断地下导体的断裂情况，其结果目前缺乏良好的判据，严重 依赖设备的精度以及易受到现场的干扰，且只能做出断裂与否的诊断结果而无法获知具体 的腐蚀情况。还有一类是基于电网络理论建立接地网故障诊断方程的方法，通过对接地网 建立等效模型，基于该模型并应用似功率守恒原理建立端口电阻值和支路电阻值的关系方 程，并采用最小二乘的迭代方法求解方程获得非线性方程的最优解。有学者进一步研究了 新型智能优化算法在求解故障诊断方程中的应用，取得了一定效果，但是由于故障诊断方 程的病态程度高，所能获得的数据相对较少，上述方法得出的结果可靠性仍偏低。为提高诊 断可靠性，研究人员提出了根据接地网的结构在可及节点处对网络进行分层和约简，得到 只含可及节点的本征接地网，并进一步采用逐层上溯的方法确定各个层次明晰支路支路的 电阻情况，降低了诊断方程的病态程度，但其中不确定支路仍然较多，而且算法结构复杂、 计算量非常大。
[0005] 由于其变电站内设备的接地引线是有限的，因此无论何种方法构建的接地网故障 诊断方程都是欠定方程，得出的结果具有不确定性。就工程实际而言，如果能够确定接地网 的故障区域位置，对于指导现场有针对性地开挖维护已经十分有意义，因此，如何根据该等 效模型，使用一种新的方法来提高对接地网故障诊断的有效性和准确度，是目前特需解决 的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种变电站接地网的分区域故障诊断方法，该方法是一 种基于拓扑分层约简的接地网分区域故障诊断方法，主题思想是针对接地网可及节点的分 布情况对接地网拓扑结构分区，根据分区结果对接地网进行分层约简得到本征接地网，对 该本征接地网应用故障诊断方程组模型和优化算法计算得到各个支路电阻的变化值，根据 每条支路对应的接地网区域判断区域内的故障情况，该方法避免求解方程组时的欠定问 题，显著提高诊断结果的可靠性和准确性。
[0007] 为达到上述目的，本发明提供一种变电站接地网的分区域故障诊断方法，该方 法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1 :针对给定的接地网原始设计拓扑结构，应用电路网络理论对接地网拓扑 结构进行约简，削去不可及节点，：将一个接地网分解为接地网、准元版块、元版块、元网络、 可及接地网和本征接地网6个层次；
[0009] 步骤2 :根据准元版块阶段拓扑分解的结果划分接地网的地理位置区域，并依次 编号；
[0010] 步骤3 :对本征接地网内的每条支路逐层追溯各支路所在区域或由哪几个区域约 简得到，并在表格中记录每个支路对应的区域编号；
[0011] 步骤4 :根据接地网的原始设计数据，推算本征接地网的支路电阻的标称值参数， 选择公共节点，生成关联矩阵A和支路导纳矩阵Y ;
[0012] 步骤5:根据本征接地网拓扑结构，搭建仿真电路模型，应用充分量测方案，在电 路中选取节点i，j间施加直流源激励'测试选定的可及节点的电压U 1,，得到i，j间的端 口电阻Rl j;
[0013] 步骤6 :接地网故障后，节点i，j间的端口电阻测量值变为R' ^，与接地网正常状 态下可及端口电阻对比，得到端口电阻差值向量A R1 j，根据接地网故障诊断模型，建立故障 诊断方程组；
[0014] 步骤7 :应用最小二乘优化算法对故障诊断方程组进行求解，得到最后计算结果；
[0015] 步骤8 :根据步骤7中的求解结果，计算出本征接地网故障后支路电阻值相对标称 值的倍数，根据各条本征支路故障情况和其对应的区域判断各个区域内的故障情况。
[0016] 依照本发明较佳实施例所述的变电站接地网的分区域故障诊断方法，步骤1中：
[0017] 所述准元版块是在一组可及节点处对接地网进行撕裂后得到的最小单元网络；
[0018] 所述元版块由准元版块中的串、并联支路合并得到，同时保留所有的可及节点；
[0019] 所述元网络是将元版块中每一块通过电路等效变换转变为只含可及节点的等效 网络；
[0020] 所述可及接地网是全部元网络中具有相同节点的支路进行连接构成的只含可及 节点的网络；
[0021] 所述本征接地网是由可及接地网中的全部并联支路合并得到，其任意两个可及节 点间至多有一条支路，称为本征支路。
[0022] 步骤3具体为：由于本征接地网内的每条支路均为由所有准元版块中的几个版块 内的支路经过电路等效变换后得到的，而每个准元版块对应原始接地网中的一个区域。因 此，根据电路等效变换过程，对本征接地网内的每条支路逐层追溯其所在区域或由哪几个 准元版块内的支路变换得到，并根据其所在区域或这些准元版块对应于步骤2中各区域的 编号，在表格中记录每个支路对应的区域编号。
[0023] 依照本发明较佳实施例所述的变电站接地网的分区域故障诊断方法，步骤4中， 具体为根据接地网的原始设计数据计算出原始接地网各个支路的电阻值，原始接地网各 个支路在经过电路的等效变换后得到接准元版块、元版块、元网络、可及接地网和本征接地 网，依据电路等效变换原理，逐层计算各层次接地网的各个支路的电阻值，最后推算得到本 征接地网的支路电阻的标称值参数；随后，选择公共节点并定义A为选定一个参考节点后 网络的关联矩阵；Y b为支路导纳矩阵；Yn为节点导纳矩阵；支路导纳矩阵与节点导纳矩阵之 间具有以下关系：
[0024] Yn=A*Yb*AT (1)
[0025] 式中，At为关联矩阵A的转置矩阵。
[0026] 依照本发明较佳实施例所述的变电站接地网的分区域故障诊断方法，步骤5具体 为：
[0027] 设一个正常的接地网模型N具有b+Ι条支路，n+1个节点，对该接地网等效电阻 网络的所有节点和支路按以下规则编号：节点编号：以最终拓扑图为准，至上而下，至左而 右，进行编号，最后一个节点不编号，并将其设为基准点，测量时也不允许使用；支路编号： 以最终拓扑图为准，至上而下，至左而右，进行编号，先对横向支路编号，再对纵向支路编 号。第b+Ι条支路连接在接地引线的i，j端，在第i，j端口加上直流电流源激励，其电流值 为'根据电路原理求R l j,定义Ib为支路电流矩；U n为节点电压列向量；I "为节点的电流源 列向量，非激励节点的电流值为〇 ;
[0028] 电阻网络的基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律方程表示为：
[0029] AIb= 0 (2)
[0030] Ub= ATUn (3)
[0031] 式中Ub表示节点b的电压。
[0032] 结合公式（1)、（2)、（3)可以得到
[0033] YnUn= I η (4)
[0034] 端口电阻Rl j计算式为：
[0035] Rij=U^1Zl0 (5)
[0036] 式中Ub+1表示节点b+Ι的电压。
[0037] 依照本发明较佳实施例所述的变电站接地网的分区域