一种配网线路故障类型识别方法与流程

本申请涉及配电网故障检测
技术领域：
，具体涉及一种配网线路故障类型识别方法。
背景技术：
：近年来随着我国社会经济的发展和工农业生产不断进步，对电力资源的需求也越来越大。配电网是直接分配电能的网络，因为配电网直接面向用户，其供电可靠性和安全性对人们也越来越重要。10kv架空配电线路作为配电网的重要组成部分，其具有量大面广线长、绝缘水平低的特点，但是跳闸故障率却居高不下。通过故障现场波形对配网线路故障类型准确判断，对提高配电线路的运维水平、降低故障率具有重大意义。一方面可以更加快速准确地判断故障类型进而解除故障，有利于配电线路运维单位及时发现运维工作中的不足。另一方面通过对现场波形的实时监测与数据库中的历史案例进行特征量的比对分析，实现故障预测，为下一步制定有针对性的专项技术措施消除隐患提供依据。在配电网线路故障类型识别方面，国内已有文献针对高阻故障、单相接地故障、间歇性故障这几类故障的识别、诊断与定位方法的研究，包括被动式定位法、主动式定位法、监测定位法和智能定位法等。国外已有相关研究对由动物、雷击、树木三种故障原因导致的故障进行了分析，并提出了利用故障三相电压电流波形进行判别的依据，以及对由设备、动物导致的线路故障电压电流波形的时频特性进行了分析并提出了相应的预防措施。目前针对不同故障类型的电弧特点提出具体定量的指标来识别故障的诊断方法还未有相关的报道。技术实现要素：本申请的目的是为了解决上述针对不同故障类型电弧特点提出具体定量的指标来识别故障的诊断方法的技术空白的问题。为此，本发明实施例提供了如下技术方案：一种配网线路故障类型识别方法，所述识别方法包括如下步骤：s1获取故障线路的电压和电流波形；s2利用最小二乘法计算电弧电压varc；s3对持续的单相接地故障求取方差，得到电弧电压幅值稳定段均值vzrc；s4将vzrc与设定阈值vset比较，识别配电网线路故障的类型。可选地，所述配电网线路包括三相电路，所述三相电路通过相模变换解耦成正序等效电路、负序等效电路和零序等效电路。可选地，所述正序等效电路、负序等效电路和零序等效电路的差分方程表达式如下：其中，vp、vn、vo分别为线路的正序、负序和零序等效电路中的左终端相电压分量；vfp、vfn、vf0分别为正序、负序和零序等效电路中的故障相电压分量；r为正负序等效电阻，r0为零序等效电阻；l为正负序等效电感，l0为零序等效电感；ip、in、i0分别为正序、负序和零序电路中的等效电流。可选地，所述故障线路的电压表达式如下：vf＝va+raia(4)其中，vf为故障相电压，va为电弧电压，ra为故障电阻，ia为故障电流。可选地，其特征在于，所述电弧电压的数学表达式如下：va(t)＝vasgn[i(t)]+ξ(t)(5)其中，va(t)和i(t)分别为电弧电压和电流，va为方波的幅值，sgn为符号函数，ξ(t)为零均值白噪声。可选地，所述电弧电压幅值的表达式如下：其中，v1为为电弧电压幅值，ε考虑到测量误差和建模误差的总误差分量，kl＝(l0-l)/l，re＝(r0-r+kara)，l为正负序等效电感，l0为零序等效电感；r为正负序等效电阻，r0为零序等效电阻，ra为故障电阻，ka为比例系数；va为方波的幅值，sgn为符号函数，i0为零序电路中的等效电流，i为电弧电流。可选地，所述故障线路包括近距离故障，所述近距离故障的电弧电压幅值表达式如下：其中，r为正负序等效电阻，l为正负序等效电感，va为电弧电压，i为电弧电流，sgn(i)为符号函数，即可选地，所述s2中求解varc的表达式如下：其中，vf为故障相电压；if为故障相电流；l为正负序等效电感；r为正负序等效电阻；varc为电弧电压；可选地，当vzrc>vset时，判断为设备引起的内部故障；当vzrc<vset时，判断为树木、车辆碰线引起的外部故障。可选地，所述vset＝520v。本发明实施例提供的技术方案包括以下有益效果：本申请通过故障波形的具体电弧电压计算公式，并根据不同故障类型的成因，针对不同故障类型的提出相应的电弧电压判据，实现对故障类型的识别。本申请为配电网线路故障类型识别提供新的方法，所提出的判据指标和阈值计算方式简单、准确。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例中相电力线路上的单相接地故障示意图；图2为本发明实施例中正序等效电路和负序等效电路图；图3为本发明实施例中零序等效电路；图4为本发明实施例中真实的电弧电压和电弧电流波形；图5为本发明实施例中单相故障电弧电压幅值估算模型；图6为本发明实施例中不同故障类型的故障电弧电压幅值分布。具体实施方式此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。当发生外部故障，即树木或车辆碰线时会引起高压放电，高压电通过树干等接地造成高压单相接地，因此可以将其看作是并联电弧故障；而由于绝缘老化以及接触不良造成的设备故障可以看作是串联电弧故障。串联电弧模型和并联电弧模型，其电弧长度和电弧电压均存在差别，所以可以通过研究配电线路的故障电弧模型来分析引起线路故障的具体原因，提出基于电弧电压的具体定量的指标与判据从而实现对故障类型的识别。参见图1～6，假设一个发生在配电线路中的单相接地电弧故障。图1中，va、vb和vc是线路左终端的相电压，ia、ib和ic是线路左终端的相电流，va是电弧电压，ra是故障电阻，vf是故障相电压。图中的三相电路可以通过相模变换解耦成正序，负序和零序等效电路。正序和负序等效电路如图2所示。在图2中，r和l分别是正序和负序线路的电阻和电感。零序等效电路如图3示。在图3中，所有的变量和参数都是零序变量和参数。对于图2和图3中的等效电路，正序负序零序的差分方程表达式如下所示：其中，vp、vn、vo分别为线路的正序、负序和零序等效电路中的左终端相电压分量；vfp、vfn、vf0分别为正序、负序和零序等效电路中的故障相电压分量；r为正负序等效电阻，r0为零序等效电阻；l为正负序等效电感，l0为零序等效电感；ip、in、i0分别为正序、负序和零序电路中的等效电流。正序和负序等效线路的参数r和l是不依赖于频率的，所以公式(1)和(2)是正确的。在公式(3)中，r0和l0是依照频率线路参数，取决于许多因素，如杆塔结构，土壤电阻率等。在我们所考虑的范围内，将线路参数近似为某一频率下的线路参数处理。通过将式(1)、(2)和(3)相加可以得到：其中：kl＝(l0-l)/l可以提前计算出来。在故障位置的故障相电压可以表示如下：vf＝va+raia(4)其中，vf为故障相电压，va为电弧电压，ra为故障电阻，ia为故障电流。在空气中，电弧是一种等离子体放电现象。电弧的非线性振动表现出的高频分量使电弧电压波形近似为一个矩形波(如图4所示的真实的电弧电压和电流波形)。则电弧电压在数学上可以通过一个简单的表达式来表示出来：va(t)＝vasgn[i(t)]+ξ(t)(5)其中，va(t)和i(t)分别为电弧电压和电流，分别va为方波的幅值，sgn是符号函数，ξ(t)是零均值白噪声。因此，在等式(4)中，电弧电压可以被假定为方波形状，伴随着随机噪声，表达式如式二所示，代入式(4)得到如下表达式：vf＝vasgn[i(t)]+raia+ξ(t)式二为了简化起见，本文假设ia＝kai0，其中ka是比例系数。如果仅仅需要推导电弧电压幅值，我们不需要提前知道ka的值。通过以上公式，得到以下公式：其中，v1为为电弧电压幅值，ε考虑到测量误差和建模误差的总误差分量，kl＝(l0-l)/l，re＝(r0-r+kara)，l为正负序等效电感，l0为零序等效电感；r为正负序等效电阻，r0为零序等效电阻，ra为故障电阻，ka为比例系数；va为方波的幅值，sgn为符号函数，i0为零序电路中的等效电流，i为电弧电流。对于架空线的远端故障，因为所测量的电压比电弧电压大得多，所以以上表达式是适用的。但是当发生近距离故障时，电弧电压会显著影响测量电压v和电流i的性质，使其失真。所以当发生近距离故障时，以下表达式能更好地表示：其中，r为正负序等效电阻，l为正负序等效电感，va为电弧电压，i为电弧电流，sgn(i)为符号函数，即基于式(7)的算法考虑到r和l，电弧电压va(t)的计算值将更加精确。因此，可以建立如图5所示的模型用来计算电弧电压的幅值，该模型适用于单相故障。故障侧监测到的电压vf可以用式(8)来表示，该公式适用于整个电压和电流波形，可以利用最小二乘法求取该多因素决定的式子的解，得到电弧电压varc。其中，其中，vf为故障相电压；if为故障相电流；l为正负序等效电感；r为正负序等效电阻；varc为电弧电压；n代表总采样点数，则：式中，n0代表一个周期的采样点数，ncycle代表采样周期数。则根据式得到电弧电压计算公式如下：其中，j∈[1，ncycle×2-1]，利用最小二乘法求解，并计算方差:其中，j∈[1，ncycle×2-3]σ2(j)取最小值时，认为电弧电压幅值稳定，取区间内3个计算值的平均值作为该模型的电弧电压vzrc。通过与设定阈值的比较，识别其为设备引起的内部故障或树木、车辆碰线引起的外部故障。当vzrc>vset时，判断为设备引起的内部故障；当vzrc<vset时，判断为树木、车辆碰线引起的外部故障。vset取520v。当发生外部故障时，比如树木或车辆碰线导致高压电通过树干等接地。因为树与高压线之间不是金属硬连接，电气的松弛连接会导致电弧产生。当电气线路在接点处存在松弛接触，点间的电压又足以击穿空气间隙时，就会形成空气导电。如果接点空气间隙较大，又恰逢处于电压波形的峰值，此时空气间会拉起电弧；如果接点空气间隙较小，那么即使电压不大，空气也可能被击穿进而产生电弧。这样在接触的地方会引起空气的持续电离，随着触头的不断拉开，电弧越长，电场强度越小，电弧的弧阻抗越大，压降越大。而由于车辆引起的电弧因为其放电距离较长，所以电压幅值普遍更大。一般情况下，空气间隙中的放电多在接地体和导电体的最短路径之间发生，但是由于故障时散发的烟尘和热量形成的通道绝缘强度很低，所以放电常不沿杆塔-导线间隙或者绝缘子串发生，而是沿着距离相对较长的烟火通道发生，电弧越长，电场强度越小，其压降也就越大。相比较而言，设备故障等内部故障是由于绝缘体长期受热，导线之间产生泄露电流或火花放电，它们产生的热量使绝缘裂解，在导线之间形成导电的碳化通道进而引起电弧，所以可以看作是串联电弧故障。因为不存在与外界的接触，因此电弧较短，电弧电压要小于外部故障引起的电弧电压，进而可以利用此特点实现内部故障与外部故障的区分。如下表所示，本申请利用美国电力研究协会(epri)提供的113个配电线路故障案例进行验证，其中包括70组设备老化导致的故障，25组树木压迫导致的单相故障以及18组车辆碰线导致的单相接地故障。监测记录的数据包括三相相电压、三相电流以及中性线电流。统计113组数据的电弧电压幅值分布，结果如图6所示。将其批次投入本发明系统进行验证，检验成功101组，成功率达到89％。故障类型测试样本数校验成功校验失败成功率设备老化引起的故障7063790％树木、车辆引起的故障4338588％总计1131011289％通过故障现场波形对配网线路故障类型准确判断，对提高配电线路的运维水平、降低故障率具有重大意义。本申请提出一种新型的基于电弧电压的配网线路单相接地故障类型识别方法，通过研究配电线路的故障电弧模型来分析引起线路故障的具体原因，提出基于故障波形的具体电弧电压计算公式，并根据不同故障类型的成因，针对不同故障类型的提出相应的电弧电压判据，实现对故障类型的识别。本申请所提出的判据指标和阈值计算方式简单、准确，经过故障现场录波数据计算验证，优于现有故障识别方法。以上所述仅是本申请实施例的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。当前第1页12