专利名称：小电流接地系统单相接地故障区段定位方法
技术领域：
本发明涉及配电网故障诊断技术，特别是涉及一种小电流接地系统单相接地故障区段定位方法。
背景技术：
近年来，高压输电线路的故障测距研究工作取得了较大发展，已研制出的测距装置在全国电网得到了推广使用，取得了良好效果。但是，小电流接地系统相对于高压输电网而言，分支线路较多、网络拓扑结构复杂、易受过渡电阻等的影响，且小电流接地系统输电距离较短，尚无法实现高精度的故障定位。目前，从总体上来讲，小电流接地系统的故障定位问题研究有如下方法行波法、信号注入法、零序电流法、户外故障点探测法、阻抗法以及人工智能技术等。行波法尚无法 解决暂态行波分量的准确提取、故障点反射波的识别与标定、波速度的确定、故障初始行波浪涌到达时刻的标定等。信号注入法适合于线路上只安装两相电流互感器的系统，注入信号受电压互感器容量、接地电阻、间歇性电弧等因素的影响较大，故障检测效果较差。户外故障点探测法根据接地点前后零序电流所产生的磁场大小确定故障点，但探测精度不高。阻抗法受路径阻抗、线路负荷和电源参数等因素的影响较大，仅适合于结构比较简单的线路，对于带有多条分支的线路，则无法排除伪故障点。人工智能技术，如，小波神经网络、模糊专家系统、支持向量机等方法，算法复杂、计算量大，且基本停留在实验室仿真阶段。由此可见，在现有技术中，不管小电流接地系统的结构复杂与否，尚无一种通用的故障检测方法能实现各种小电流接地系统单相接地故障区段的定位；即使有些故障检测方法能实现结构比较简单的小电流接地系统的故障点探测，但其检测精度也比较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种检测精度较高、通用性较好的小电流接地系统单相接地故障区段定位方法。为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为—种小电流接地系统单相接地故障区段定位方法，包括如下步骤步骤I、当小电流接地系统发生单相接地故障时，记录单相接地故障时刻前一个周期与后一个周期的零模电流。步骤2、将单相接地故障时刻的暂态零模电流纯故障分量经经验模态分解后，选取出其最高频本征模态函数分量。步骤3、根据各检测点最高频本征模态函数分量的能谱熵值，获取各检测区段最高频本征模态函数分量能谱熵因子值。步骤4、将能谱熵因子值组成的样本集数据经模糊C均值聚类方法进行聚类分析，将出现区段数目最多的那一类判定为健全类，即健全区段，将出现区段数目最少的那一类判定为故障类，也即故障区段。
综上所述，本发明所述小电流接地系统单相接地故障区段定位方法采用单相接地故障时刻的暂态零模电流纯故障分量作为单相接地故障的初始处理量，故本发明方法具有较高的抗干扰能力，检测精度较高；而且，本发明与小电流接地系统的结构复杂与否没有关系，因此本发明方法具有较好的通用性。
图I为本发明所述小电流接地系统单相接地故障区段定位方法的总体流程示意图。图2为本发明所述小电流接地系统单相接地故障零模网络等效电路。图3为本发明所述小电流接地系统单相接地故障时各检测点零模电流波形示意图。其中，图(al)为A检测点零模电流波形示意图；图(bl)为B检测点零模电流波形示意图；图(Cl)为C检测点零模电流波形示意图；图(dl)为D检测点零模电流波形示意图。图4为本发明所述暂态零模电流纯故障分量经经验模态分解的流程示意图。图5为本发明所述小电流接地系统单相接地故障时各检测点暂态零模电流高频IMFl分量示意图。其中，图(a2)为A检测点暂态零模电流高频IMFl分量示意图；图(b2)为B检测点暂态零模电流高频IMFl分量示意图；图(c2)为C检测点暂态零模电流高频IMFl分量示意图；图(d2)为D检测点暂态零模电流高频IMFl分量示意图。图6为本发明所述获取各检测区段最高频本征模态函数分量能谱熵因子值流程示意图。图7为本发明所述将能谱熵因子值组成的样本集数据经模糊C均值聚类方法进行聚类分析流程示意图。图8为本发明实施例所述辐射状小电流接地系统。图9为本发明实施例所述中性点不接地系统全局变量矩阵聚类中心。其中，图(a3)为中性点不接地系统全局变量矩阵第I类聚类中心；图(b3)为中性点不接地系统全局变量矩阵第2类聚类中心。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。图I为本发明所述小电流接地系统单相接地故障区段定位方法的总体流程示意图。如图I所示，本发明所述小电流接地系统单相接地故障区段定位方法包括如下步骤步骤I、当小电流接地系统发生单相接地故障时，记录单相接地故障时刻前一个周期与后一个周期的零模电流。实际应用中，在小电流接地系统中，一条馈线为一条分支线路。步骤2、将单相接地故障时刻的暂态零模电流纯故障分量经经验模态分解(EMD，Empirical Mode Decomposition)后，选取出其最高频本征模态函数(IMF, Intrinsic ModeFunction)分量。 步骤3、根据各检测点最高频本征模态函数分量的能谱熵值，获取各检测区段最高频本征模态函数分量能谱熵因子值。
步骤4、将能谱熵因子值组成的样本集数据经模糊C均值聚类方法进行聚类分析，将出现区段数目最多的那一类判定为健全类，即健全区段，将出现区段数目最少的那一类判定为故障类，也即故障区段。总之，实际的小电流接地系统中，可在每条馈线上间隔装设若干个检测装置或馈线自动化终端。本发明所述小电流接地系统单相接地故障区段定位方法中，首先，当一条馈线发生单相接地故障时，根据该条馈线上各检测装置或馈线自动化终端的记录获取暂态零模电流纯故障分量信号；其次，对暂态零模电流纯故障分量信号采用经验模态方法进行分解，得到含有充分单相接地故障信息的最高频本征模态函数分量；再次，根据单相接地故障信息最高频本征模态函数分量，得到各检测点能谱熵值，从而求得各区段能谱熵因子值；最后，将能谱熵因子值组成的样本集数据经模糊C均值聚类 方法进行聚类分析，将分类中区段数目最多的那一类判定为健全类，即健全区段，将分类中区段数目最少的那一类判定为故障类，也即故障区段。由于采用模糊C均值聚类方法进行最终的故障区段判定，摈弃了传统阈值法进行故障区段判定时所引起的不确定性，提高了判定结果的准确性。因此，本发明方法具有较高的抗干扰能力，检测精度较高，且具有较好的通用性。此外，本发明方法还具有成本低等特点。图2为本发明所述小电流接地系统单相接地故障零模网络等效电路。如图2所示，U0f为零模虚拟电压源A，C2, C3和C4分别为线路区段AB，BF, FC，⑶对地电容；实箭头为电流的参考方向；虚箭头为电流的实际流向，A检测点、B检测点、C检测点、D检测点分别为四个检测点。在B检测点、C检测点之间的区段发生单相接地故障，有分析可知，A检测点和B检测点检测到的零模电流具有Icib = iM-ico，其中iM为所有非故障线路对地零模电容电流之和Jc0为AB区段对地零模电容电流。由于AB区段距离较短，对地电容电流相对于非故障线路零模电容电流总和而言比例很小，可忽略不计，因此，AB区段两端检测到的零模电流近似相等，即i0A ^ iQB ;同样，CD两端检测到的零模电流也近似相等，有Icc ^ i0D。由于故障发生瞬间在故障点处产生一个故障虚拟电源，从故障点流出的零模电流的实际方向如图2中虚线箭头所示，一部分自故障点流向线路上游，朝向母线(与I1参考方向相反)，另一部分自故障点流向线路下游，背离母线(与i2参考方向相同)。图3为本发明所述小电流接地系统单相接地故障时各检测点零模电流波形示意图。其中，图(al)为A检测点零模电流波形示意图，图(bl)为B检测点零模电流波形示意图，图(Cl)为C检测点零模电流波形示意图，图(dl)为D检测点零模电流波形示意图。由图(al)与图(bl)可以看出，位于故障点上游A检测点和B检测点的零模电流不论是初始极性还是幅值大小，均具备相似性；同样，由图(Cl)与图(dl)可以看出，位于故障点下游C检测点和D检测点的零模电流之间同样具备相似性。但是，对于图3中故障点两侧检测点(AoC； AoD; BoC； B^D之间)的零模电流波形而言，其初始极性相反，波形差异很大，不具备相似性。本发明中，步骤I之前还包括如下步骤步骤a、判断小电流接地系统的零序电压U(l(t)是否大于0. 15倍的母线额定电压Un:iuQ(t) > 0. 15仏时，则执行步骤b ;当uQ(t)彡0. 15仏时，则返回步骤a。步骤b、判断电压互感器是否断线当电压互感器发生断线时，则发出电压互感器断线警告信息；当电压互感器没有发生断线时，则执行步骤C。
步骤C、判断消弧线圈是否发生串联谐振当消弧线圈发生串联谐振时，则调节消弧线圈以防止其发生串联谐振；当消弧线圈没有发生串联谐振时，则判定小电流接地系统发生接地故障。本发明中，步骤2中，所述单相接地故障时刻的暂态零模电流纯故障分量为所述单相故障时刻后一个周期的零模电流与所述单相故障时刻前一个周期的零模电流之差。图4为本发明所述暂态零模电流纯故障分量经经验模态分解的流程示意图。如图4所示，步骤2中，所述将接地故障时刻的暂态零模电流纯故障分量s (t)经经验模态分解包括如下步骤步骤21、取i = 0、p = 0时,将暂态零模电流纯故障分量x(t)作为第一待分解信号Sl (t)，第一待分解信号S1 (t)中所有极大值构成的上包络线信号I11 (t)与其所有极小值
构成的下包络线信号l12(t)求和，得到第一包络均值信号
权利要求
1.一种小电流接地系统单相接地故障区段定位方法，其特征在于，所述单相接地故障区段定位方法包括如下步骤 步骤I、当小电流接地系统发生单相接地故障时，记录单相接地故障时刻前一个周期与后一个周期的零模电流； 步骤2、将单相接地故障时刻的暂态零模电流纯故障分量经经验模态分解后，选取出其最高频本征模态函数分量； 步骤3、根据各检测点最高频本征模态函数分量的能谱熵值，获取各检测区段最高频本征模态函数分量能谱熵因子值； 步骤4、将能谱熵因子值组成的样本集数据经模糊C均值聚类方法进行聚类分析，将出现区段数目最多的那一类判定为健全类，即健全区段，将出现区段数目最少的那一类判定为故障类，也即故障区段。
2.根据权利要求I所述的小电流接地系统单相接地故障区段定位方法，其特征在于，所述步骤I之前还包括如下步骤 步骤a、判断小电流接地系统的零序电压U(l(t)是否大于O. 15倍的母线额定电压Un :当U0⑴>0. 15仏时，则执行步骤b ;当uQ(t)彡O. 15仏时，则返回步骤a ; 步骤b、判断电压互感器是否断线当电压互感器发生断线时，则发出电压互感器断线警告信息；当电压互感器没有发生断线时，则执行步骤c ; 步骤C、判断消弧线圈是否发生串联谐振当消弧线圈发生串联谐振时，则调节消弧线圈以防止其发生串联谐振；当消弧线圈没有发生串联谐振时，则判定小电流接地系统发生单相接地故障。
3.根据权利要求I所述的小电流接地系统单相接地故障区段定位方法，其特征在于，步骤2中，所述单相接地故障时刻的暂态零模电流纯故障分量为所述单相故障时刻后一个周期的零模电流与所述单相故障时刻前一个周期的零模电流之差。
4.根据权利要求I所述的小电流接地系统单相接地故障区段定位方法，其特征在于，步骤2中，所述将接地故障时刻的暂态零模电流纯故障分量s (t)经经验模态分解包括如下步骤 步骤21、取i = O、P = O时，将暂态零模电流纯故障分量x(t)作为第一待分解信号Sl(t)，第一待分解信号Sl(t)中所有极大值构成的上包络线信号I11 (t)与其所有极小值构成的下包络线信号l12(t)求和，得到第一包络均值信号m#) = #/#) + /#)]; 步骤22、获取第i分解均差信号ddt) = Si (t)-m, (t);其中，i为自然数，Si (t)为第i待分解信号， ⑴= IhWH2Whmi⑴为第i包络均值信号，Iil (t)、li2(t)分别为第i待分解信号Si (t)中所有极大值构成的上包络线信号与其所有极小值构成的下包络线信号；步骤23、判断i > I是否成立如果不成立，则执行步骤24 ;如果成立，则执行步骤26 ；步骤24、判断第一分解均差信号Cl1 (t)的极值点个数与过零点个数之差是否小于或等于1，第一分解均差信号Cl1 (t)的所有极大值构成的上包络线信号与其所有极小值构成的下包络线信号的平均值在任意时刻是否均为O :如果第一分解均差信号Cl1 (t)的极值点个数与过零点个数之差小于或等于1，且第一分解均差信号Cl1 (t)的所有极大值构成的上包络线信号与其所有极小值构成的下包络线信号的平均值在任意时刻均为O，则执行步骤27 ;如果第一分解均差信号Cl1 (t)的极值点个数与过零点个数之差大于I，且第一分解均差信号Cl1 (t)的所有极大值构成的上包络线与其所有极小值构成的下包络线的平均值存在不为O的情况，则执行步骤25;步骤 25、取 i = i+Ι,令 Si (t) = d(i_D (t),返回步骤 22 ；2 步骤26、判断0.2 <Ρ =Σ d(i-1)(0 — di(0 < 0.3是否成立如果不成立，则返回步骤25 ； /=0vO 如果成立，则执行步骤27 ； 步骤27、依次取P = p+1, cp (t) = djt)，并获取第i余项信号舛⑴= 步骤28、判断第i余项信号μ , (t)是否具备单调性如果第i余项信号μ i (t)具备单调性，则结束经验模态分解，得到冲)二 YjCt(I) + Mi(t);如果第i余项信号μ i (t)不具备单 /=1调性，贝1J取i = 1+1，令sjt) = μ (i-D (t),返回步骤22。
5.根据权利要求4所述的小电流接地系统单相接地故障区段定位方法，其特征在于，步骤3中,所述各检测点包括1、2、. . .、j、. . .、n、. . .、k、. . .、m ;其中，j、n、k、m均为自然数，且j彡k彡m, η表示m个检测点中的任一检测点，η = I, 2, . . . , j, . . . , k, . . . , m ； 步骤3中，所述获取各检测区段最高频本征模态函数分量能谱熵因子值，具体包括以下步骤 步骤31、根据m个检测点的最高频本征模态函数分量IMF1(1) (N)，IMFl⑵(N)，IMFl(3)(N)，…IMFl (m) (N)，求得m个检测点最高频本征模态函数分量能谱值E(1)，E⑵，-E(m)，具体计算如下式 五⑴=EIimfi ⑴(叫2 ^(2)=EIIMF1(2)W|2，…五(《ο=XIimfWaOI2 NNN 步骤32、根据m个检测点的各自所有本征模态函数分量与各自分解余项的能谱值，相加求和得到m个检测点各自的 Esum(I)，Esum(2)，*** Esum (m); 步骤33、计算m个检测点最高频本征模态函数分量能谱值Εω，Ε⑵，-E(m)在各自检测^ Esum(i)，ESum⑵，··· Esum(m) 中所占的比重，即权重系数qw，具体计算式如下 E(V)五(2) …五(m) %) = T ^(2) = 7； ， <l(m) =Τ· ^SUM(I)^SUM(2)-dSUM(W) 步骤34、根据熵的定义，计算m个检测点各自最高频本征模态函数分量能谱熵数值Mee⑴，Mee⑵， “现⑷， 具体计算式如下Mee(I) = _ Σ Q⑴Inq⑴，Mei^2) = - Σ q⑵Inq⑵，...MEE(m) = - Σ q(m)lnq(m) 步骤35、依次求取m个检测点中相邻两检测点暂态零模电流最高频本征模态函数分量的能谱熵之比，即为能谱熵因子值，具体计算式如下 M EE(Cf)1νι ΕΕ(β) 其中，α，β为相邻两检测点。
6.根据权利要求5所述的小电流接地系统单相接地故障区段定位方法，其特征在于，所述步骤31之前，还包括 步骤30、经验模态分解完成后得到的
7.根据权利要求I所述的小电流接地系统单相接地故障区段定位方法，其特征在于，步骤4中，所述将能谱熵因子值组成的样本集数据经模糊C均值聚类方法进行聚类分析，将出现区段数目最多的那一类判定为健全类，即健全区段，将出现区段数目最少的那一类判定为故障类，也即故障区段，具体包括以下几个步骤 步骤41、定义目标函数
全文摘要
本发明提供一种小电流接地系统中单相接地故障区段定位方法，包括步骤1、当小电流接地系统发生单相接地故障时，记录单相接地故障时刻前一个周期与后一个周期的零模电流；步骤2、将单相接地故障时刻的暂态零模电流纯故障分量经经验模态分解后，选取出其最高频本征模态函数分量；步骤3、根据各检测点最高频本征模态函数分量的能谱熵值，获取各检测区段最高频本征模态函数分量能谱熵因子值；步骤4、将能谱熵因子值组成的样本集数据经模糊C均值聚类方法进行聚类分析，将出现区段数目最多的那一类判定为健全类，即健全区段，将出现区段数目最少的那一类判定为故障类，也即故障区段。本发明具有检测精度高、通用性好的特点，可广泛应用于电力系统中。
文档编号G01R31/08GK102788926SQ20121024306
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月4日 优先权日2012年7月4日
发明者余建芮, 张玉均, 张立威, 李玉东, 王帅, 王晓卫, 田书, 高杰, 魏向向 申请人:河南理工大学