一种基于相电流暂态特征的故障选线方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于相电流暂态特征的故障选线方法，其步骤为：S1：连续测量配电线路出口零序电压值，判定配电网是否发生接地故障；S2：对采集的相电流数据进行处理，提取各线路暂态相电流突变量，并对其进行相间两两相关性分析，得到相间最小相关系数ρk min；S3：对各线路故障相电流进行频谱分析，计算其重心频率fkg；S4：对故障特征量进行归一化处理，得到归一化值和并以此建立二维坐标系，确定各线路故障特征坐标点S5：计算各线路故障特征坐标点与基准点(0、0)间的故障特征距离dk，以此判定母线故障。本发明具有原理简单、实用性强、抗干扰能力强、精确度高等优点。
【专利说明】
一种基于相电流暂态特征的故障选线方法
技术领域
[0001] 本发明主要涉及到配电网接地技术领域，特指一种基于相电流暂态特征的故障选 线方法。
【背景技术】
[0002] 配电网是电力系统的重要组成部分，与用户关系密切，配电网故障的诊断和修复 时间将直接影响到供电质量，这方面的研究一直是配电网保护中的重点之一。我国城市 10kV配电系统常采用中性点经消弧线圈接地方式，以降低瞬时单相接地故障以及暂态电弧 对于系统的影响，然而这样的接地方式使得故障电流较小，故障选线有一定的难度。
[0003] 目前，基于暂态信号的选线方法，由于故障特征明显，不受接地方式的影响等优 点，而成为研究的热点。现有的配电网暂态信号法主要有两种，第一种利用暂态特征频段的 选线方法，通过比较各线路选定频段的特征量进行选线，但由于暂态量频率成分受网络参 数、故障时刻等多种因素影响，不同线路暂态量的特征频段分布也不总是完全一致。第二种 基于小波分析的方法，该方法利用了小波分析在时域、频域同时具有良好的局部化的优点， 但小波分析不具备自适应性，而且容易受小波基函数及分解尺度等因素的影响。
[0004] 由上述的分析可知，现有接地故障保护方法对故障的暂态特性分析还不够深入， 多数都是从不同角度对暂态信号的幅值和相位进行比较来确定故障线路，故障检测准确度 较低，保护判断整定值的选取困难;且由于干扰的影响、过渡电阻的影响、运行方式的多样 性等原因，甚至会引起保护误动或拒动。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一 种原理简单、实用性强、抗干扰能力强、精确度高的基于相电流暂态特征的故障选线方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0007] -种基于相电流暂态特征的故障选线方法，其步骤为：
[0008] S1:连续测量配电线路出口零序电压值，若零序电压大于电压整定值，则判定配电 网发生接地故障，利用安装在线路首端FTU装置采集各线路三相电流信号；
[0009] S2:对采集的相电流数据进行处理，提取各线路暂态相电流突变量，并对其进行相 间两两相关性分析，计算出该线路的相间相关系数数组[PAB PBC PCA]，通过比较得到相间最 小相关系数Pkmin;
[0010] S3:对各线路故障相电流进行频谱分析，计算其重心频率fkg;
[0011] S4:对故障特征量进行归一化处理，得到归一化值/^和并以此建立二维坐 标系，确定各线路故障特征坐标点^
[0012] S5:计算各线路故障特征坐标点与基准点（0、0)间的故障特征距离dk，其中k= 1、 2、···、η;当dmax-d_>cUt时，则判定(1_对应的线路为故障线路，跳闸隔离该故障线路实现线 路保护；当dmax-d_〈dse3t时，则判定母线故障，跳闸隔离母线实现线路保护;其中d max为故障 特征距离最大值，dmin为故障特征距离最大值，dset为故障特征距离设定值。
[0013]作为本发明的进一步改进:所述步骤S2包括：
[0014] S201:通过对数据进行预处理，提取出各线路各相电流突变量波形，两个波形的相 似度通过相关系数来描述，相关系数P的计算公式如下：
[0015]
[0016] 式中x(n)、y(n)为2个离散信号序列，对应暂态相电流突变量采样值，N表示离散采 样信号序列的长度；
[0017] S202:在同一数据窗下，计算出各线路两相间的相关数组[PAB PBC PCA]，设pkmin为 线路k相关数组中的最小值，对于故障线路故障相与健全相突变量差别较大，相关系数很 小，对于非故障线路，各相电流突变量几乎相似，相关系数较大。
[0018] 作为本发明的进一步改进:所述步骤S3中，计算各线路故障相的重心频率，对于求 取出来的离散的电流信号频谱采用下式来计算重心频率：
[0019]
[0020] 其中匕表示重心频率，i (f)为电流信号的频谱，f为各条谱线相应的模拟频率，fi-f2为计算频率的区间，对于故障线路故障相重心频率较低，而非故障线路故障相恰好相反。
[0021] 作为本发明的进一步改进:所述步骤S4中，对数值作归一化处理，相关系数P是以1 为基准，重心频率以3000Hz作为基准，其归一化值的计算如下：
[0022]
[0023] 作为本发明的进一步改进:所述步骤S5中，以相间相关系数最小值/7；^作为横轴， 重心频率的归一化值/=为纵轴，建立二维坐标系，（/^_、/=)表示线路k的暂态相电流
故障特征点，求出各线路相对基准点（〇、〇)的故障特征距离dk作为选线的判据，其表达式 为：
[0024]
[0025] 作为本发明的进一步改进:所述步骤S1中，电压整定值取值范围为5%~30%相电 压值。
[0026]作为本发明的进一步改进:所述步骤S5中，dset取0.3。
[0027] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0028] 1、本发明的基于相电流暂态特征的故障选线方法，将两种判据有效的结合起来， 相互补充，进一步提高了保护裕度，无论在高阻，还是故障初相角较小时均能准确的选线， 鲁棒性强;能够有效的判别线路故障与母线故障，具有抗干扰能力强、不受系统运行方式变 化的影响等特点;采集的信号含有各个频段的信息，提高了保护的抗电弧能力，实用性强。
[0029] 2、本发明的基于相电流暂态特征的故障选线方法，综合利用故障线路与非故障线 路各相电流突变量及故障相电流信号集中频段的差异，通过故障特征距离将两种故障特征 量有效结合起来，相互补充。本发明无需设置故障特征量的整定值，进一步提高了保护的裕 度，具有较强的实用性。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明方法的流程示意图。
[0031] 图2是本发明在具体应用实例中的原理示意图。
[0032] 图3是本发明在具体应用实例中的各线路故障特征坐标分布示意图。
【具体实施方式】
[0033]以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0034] 如图1所示，本发明的基于相电流暂态特征的故障选线方法，其步骤为：
[0035] S1:连续测量配电线路出口零序电压值，若零序电压大于电压整定值，则判定配电 网发生接地故障，利用安装在线路首端FTU装置采集各线路三相电流信号；
[0036] S2:对采集的相电流数据进行处理，提取各线路暂态相电流突变量，并对其进行相 间两两相关性分析，计算出该线路的相间相关系数数组[PAB PBC PCA]，通过比较得到相间最 小相关系数Pkmin;
[0037] S3:对各线路故障相电流进行频谱分析，计算其重心频率f kg;
[0038] S4:对故障特征量进行归一化处理，得到归一化值和并以此建立二维坐 标系，确定各线路故障特征坐标点
[0039] S5:计算各线路故障特征坐标点与基准点（0、0)间的故障特征距离dk(k= 1、2、…、 η)。当dmax-d_>cUt时，则判定(1_对应的线路为故障线路，跳闸隔离该故障线路实现线路保 护；当d max-d_〈dse3t时，则判定母线故障，跳闸隔离母线实现线路保护。
[0040] 在具体应用实例中，上述步骤S2中，通过对数据进行预处理，提取出各线路各相电 流突变量波形，两个波形的相似度可以通过相关系数来描述，相关系数P的计算公式如下：
[0041]
[0042] 式中x(n)、y(n)为2个离散信号序列，对应暂态相电流突变量采样值，N表示离散采 样信号序列的长度。
[0043] 在同一数据窗下，计算出各线路两相间的相关数组[pAB pBC pCA]，设pkmin为线路k 相关数组中的最小值，对于故障线路故障相与健全相突变量差别较大，相关系数很小，对于 非故障线路，各相电流突变量几乎相似，相关系数较大。
[0044] 在具体应用实例中，上述步骤S3中，计算各线路故障相的重心频率，对于求取出来 的离散的电流信号频谱可采用下式来计算重心频率：
[0045]
[0046] 其中匕表示重心频率，i (f)为电流信号的频谱，f为各条谱线相应的模拟频率， f2为计算频率的区间，通常取0:3000Hz区段，对于故障线路故障相重心频率较低，而非故障 线路故障相恰好相反。
[0047]在具体应用实例中，上述步骤S4中，对数值作归一化处理，相关系数P是以1为基 准，因此无需处理。重心频率则以3000Hz作为基准，其归一化值的计算如下：
[0048] _
[0049] 在具体应用实例中，上述步骤S5中，以相间相关系数最小值/^_作为横轴，重心频 率的归一化值为纵轴，建立二维坐标系，表示线路k的暂态相电流故障特 征点，求出各线路相对基准点(〇、〇)的故障特征距离dk作为选线的判据，其表达式为：
[0050]
[00511作为优选实施例，本实例中的步骤S1中，电压整定值取值范围为5%~30%相电压 值。
[0052]作为优选实施例，本实例中的步骤S4中，是以相间最小相关系数/=为横轴， 为纵轴(k=l、2、. . .、n)建立二维坐标系。
[0053]作为优选实施例，本实例中的步骤S5中，dset通常取0.3。
[0054]如图2所示，为本发明在具体应用实例中的接地故障实验示意图，母线上带有U、 L2、L3、L4四条馈线，Ld20km的架空线路，Ldiokm的电缆线路，L3为混合线路，由10km的架 空线路和5km的电缆线路组成，L4为30km的架空线路，各线路参数见表1，在各馈线出口安装 保护装置。
[0055] 表 1
[0056]
[0057]分别以线路及母线在不同故障条件下(包括故障距离、接地电阻、故障初相角 等)发生单相接地故障时进行实验测试，安装在线路端口的保护装置获取各线路的暂态电 流信号;从信号提取出相应的相电流突变量及故障相的频率特征，计算出各线路的相间的 最小相关系数Pkmin与故障相重心频率f kg ;经归一化处理后，建立坐标系，如图3中（a)和(b) 所示，坐标中不同的点表示各种线路与非故障线路特征坐标的分布情况。
[0058]确定故障特征坐标后，分别计算出各线路的故障特征距离dk，根据距离的大小判 断相应的线路是否发生故障。计算结果如表2所示。
[0059]表 2 [00601
[0061] 从上表2可以看出，无论是经高阻接地还是故障初相角较小时，故障线路的故障特 征距离均为最小值，而且受电阻变化及角度的影响不大，远小于非故障线路，很容易判断出 故障线路;母线故障时，各线路故障特征距离相差不大，其最大值和最小值之差均小于设定 值0.3,因此，可判定为母线故障。实验结果表明本发明方法具有较高的准确性、有效性和可 靠性。
[0062] 以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例， 凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护 范围。
【主权项】
1. 一种基于相电流暂态特征的故障选线方法，其特征在于，步骤为： S1:连续测量配电线路出口零序电压值，若零序电压大于电压整定值，则判定配电网发 生接地故障，利用安装在线路首端FTU装置采集各线路Ξ相电流信号； S2:对采集的相电流数据进行处理，提取各线路暂态相电流突变量，并对其进行相间两 两相关性分析，计算出该线路的相间相关系数数组[PAB PBC PCA]，通过比较得到相间最小相 关系数Pkmin; S3:对各线路故障相电流进行频谱分析，计算其重屯、频率f kg; S4:对故障特征量进行归一化处理，得到归一化值/;^和公^,。,并W此建立二维坐标系， 确定各线路故障特征坐标点（/L > /?L,。 S5:计算各线路故障特征坐标点与基准点(0、0)间的故障特征距离dk，其中k=l、2、…、 η ;当cUax-cUin>cUet时，则判定cUin对应的线路为故障线路，跳闽隔离该故障线路实现线路保 护；当cUx-dmin<dset时，则判定母线故障，跳闽隔离母线实现线路保护;其中cUx为故障特征 距离最大值，cUin为故障特征距离最大值，cUet为故障特征距离设定值。2. 根据权利要求1所述的基于相电流暂态特征的故障选线方法，其特征在于，所述步骤 S2包括： S201:通过对数据进行预处理，提取出各线路各相电流突变量波形，两个波形的相似度 通过相关系数来描述，相关系数P的计算公式如下：式中x(n)、y(n)为2个离散信号序列，对应暂态相电流突变量采样值，N表示离散采样信 号序列的长度； S202:在同一数据窗下，计算出各线路两相间的相关数组[PAB PBC PCA]，设化min为线路k 相关数组中的最小值，对于故障线路故障相与健全相突变量差别较大，相关系数很小，对于 非故障线路，各相电流突变量几乎相似，相关系数较大。3. 根据权利要求1所述的基于相电流暂态特征的故障选线方法，其特征在于，所述步骤 S3中，计算各线路故障相的重屯、频率，对于求取出来的离散的电流信号频谱采用下式来计 算重屯、频率：其中fg表示重屯、频率，i ( f )为电流信号的频谱，f为各条谱线相应的模拟频率，fi-f 2为 计算频率的区间，对于故障线路故障相重屯、频率较低，而非故障线路故障相恰好相反。4. 根据权利要求1所述的基于相电流暂态特征的故障选线方法，其特征在于，所述步骤 S4中，对数值作归一化处理，相关系数P是W1为基准，重屯、频率W3000化作为基准，其归一 化值的计算如下：5. 根据权利要求1所述的基于相电流暂态特征的故障选线方法，其特征在于，所述步骤 S5中，W相间相关系数最小值/7;，。。作为横轴，重屯、频率的归一化值/?为纵轴，建立二维坐 标系，（片<1，。,。、/L)表示线路k的暂态相电流故障特征点，求出各线路相对基准点（〇、〇)的 故障特征距离dk作为选线的判据，其表达式为：6. 根据权利要求1~5中任意一项所述的基于相电流暂态特征的故障选线方法，其特征 在于，所述步骤S1中，电压整定值取值范围为5%~30%相电压值。7. 根据权利要求1~5中任意一项所述的基于相电流暂态特征的故障选线方法，其特征 在于，所述步骤S5中，cUet取0.3。
【文档编号】G01R31/08GK105974264SQ201610273740
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】曾祥君, 刘谋海, 谷应科
【申请人】长沙理工大学