基于三相暂态电流的小电流接地系统故障选相和选线方法与流程

本公开属于电力系统故障选线和选相技术领域，涉及一种基于三相暂态电流的小电流接地系统故障选相和选线方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前配电网主要为小电流接地系统，这种接地方式的优点是当发生单相接地故障时，系统仍可继续运行一段时间，能保证较高的供电可靠性。但是由于现代配电网的不断发展，系统的电容电流不断升高，使得故障点的弧光电流难以自熄，并且弧光过电压将会降低设备的绝缘性，使得单相接地故障很有可能发展为两相短路甚至三相短路，威胁人身安全和设备安全。因此快速准确找出故障线路并将其隔离是十分有必要的。

小电流接地系统中发生单相接地故障时，由于电流微弱及电弧不稳定，使得基于稳态特征量的选相和选线算法在实际应用中效果不好。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种基于三相暂态电流的小电流接地系统故障选相和选线方法，本公开利用三相暂态电流的特征既可以进行故障相的辨识也能辨识出故障线路。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

基于三相暂态电流的小电流接地系统故障选相和选线方法，包括以下步骤：

采集母线和支路的三相电流数据，监测母线处的零序pt的二次侧电压值；

当母线处零序pt二次侧电压超过设定电压值时，判断发生单相接地故障；

计算所有线路每一相的暂态电流，对母线处三相暂态电流分量进行灰色关联度计算，判定平均灰色关联度最小的一相为故障相；

对各条支路的三相暂态电流进行小波包多层分解，计算每条线路健全相暂态电流的各个子频带能量，找到每条线路健全相电流能量最大的子频带，将该频带作为本线路的特征频带；

在特征频带内对该支路的三相暂态电流进行小波包重构，计算重构后的故障相与健全相电流能量比值，若某条线路的比值大于设定值，判定该线路为故障线路。

作为进一步的限定，采集母线和支路的三相电流数据时的采样频率一定，且各支路的采样频率相同。

作为进一步的限定，第i线路j相的暂态电流为第i线路j相故障后一个周波的电流与故障前一个周波的电流的差值。

作为进一步的限定，每条线路健全相暂态电流的各个子频带能量为：其中ωj(n)表示第j个子频带下的分解系数。

作为进一步的限定，计算重构后的故障相与健全相电流能量比值为：

式中：ξ(m)为重构后故障相电流的系数，η(m)为重构后健全相电流的系数。

基于三相暂态电流的小电流接地系统故障选相和选线系统，包括：

采样模块，被配置为采集母线和支路的三相电流数据，监测母线处的零序pt的二次侧电压值；

单相接地故障判断模块，被配置为当母线处零序pt二次侧电压超过设定电压值时，判断发生单相接地故障；

故障相判断模块，被配置为计算所有线路每一相的暂态电流，对母线处三相暂态电流分量进行灰色关联度计算，判定平均灰色关联度最小的一相为故障相；

故障线路判断模块，被配置为对各条支路的三相暂态电流进行小波包多层分解，计算每条线路健全相暂态电流的各个子频带能量，找到每条线路健全相电流能量最大的子频带，将该频带作为本线路的特征频带；

在特征频带内对该支路的三相暂态电流进行小波包重构，计算重构后的故障相与健全相电流能量比值，若某条线路的比值大于设定值，判定该线路为故障线路。

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种基于三相暂态电流的小电流接地系统故障选相和选线方法的步骤。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种基于三相暂态电流的小电流接地系统故障选相和选线方法的步骤。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开只需要利用三相电流量即可判断出故障相和故障线路，不要额外增加零序ct或是零序pt。

本公开在理论推导过程中，只涉及序网端口电流和电压，与故障电阻rf无关，因此即使在间歇性弧光接地情况下，rf是一个变量时，仍旧适用，具有广泛的应用前景。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是附加故障状态等值网络图；

图2是暂态电流的流通回路示意图；

图3是本公开的流程示意图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本实施例使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

新的配电网运行规程对小电流接地系统发生单相接地故障的处理方式由“允许带故障继续运行2小时”修改为“选线跳闸”，为准确快速找出故障相和故障线路，本实施例提出了一种基于三相暂态电流的故障选相和选线算法，利用三相暂态电流的特征既可以进行故障相的辨识也能辨识出故障线路。

主要技术问题包括以下几点：

(1)对a，b，c三相暂态电流进行分析，找出健全相和故障相暂态电流的区别特征。利用找出的故障特征进行故障相的辨识。

(2)对各条线路三相暂态电流进行分析，找出健全线路和故障线路三相暂态电流的区别特征。利用找出的故障特征进行故障线路的辨识。

首先，我们进行故障相和健全相暂态电流特征分析：

对称分量法不仅可以用于单相接地故障的稳态计算，也可以用于暂态计算。区别在于稳态计算是在时域下进行的，而暂态计算需要在复频域下进行。

利用叠加原理可将单相接地故障网络分解为正常运行的网络和附加故障状态的网络。而决定暂态过程的就是附加故障状态网络，因此可利用复频域下的对称分量法对附加故障状态网络进行分析。

谐振接地配电网系统的某条线路发生a相接地故障，复频域下的故障边界条件可写为：

式中：为故障点f处a相电压的拉普拉斯变换相函数；为故障点f处电流的拉普拉斯变换相函数；和为故障点f处b相和c相电流的拉普拉斯变换相函数。rf为接地电阻。

用对称分量法将故障点f处的三相电压、电流分解为正负零序对称分量，则(1)式可以整理为：

式中：为故障点f处正负零序电流的拉普拉斯变换相函数；为故障点f处正负零序电压的拉普拉斯变换相函数。

设a相故障前瞬间电压为根据式(2)的边界条件，可做出附加故障状态网络如图1所示。

由图1可得：

根据对称分量法，故障点f处b，c两相(健全相)的电压为：

在忽略线路压降的情况下，母线处电压等于故障点f处的电压则有下式成立：

可认为正序阻抗和负序阻抗相等，将式(3)带入式(5)，化简可得：

对式(6)两端进行拉普拉斯反变换可得：

发生单相接地故障后，流经任意线路i的b，c相(健全相)对地电容电流可用下式表达：

由式(8)可得：

将式(7)代入式(9)，可得:

根据a相故障前瞬间电压，可得流经任意线路i的a相故障前瞬间对地电容电流为：

将式(11)代入式(10)，可得：

式(12)表明：a相f点发生单相接地故障时，任意线路的b相暂态电容电流iib(t)可由本线路c相暂态电容电流iic(t)与故障前瞬间a相对地电容电流iia(t-)合成。由于iia(t-)为基波稳态电流，故b，c相暂态电容电流具有相同的暂态过程。

因此可利用健全相的暂态相电流具有相似性进行故障相的辨识。具体判据如下：比较母线处三相暂态相电流的相似性，相似性最高的两相即为健全相，另一相则为故障相。

再进行故障线路和健全线路三相暂态电流特征分析：

当配电网发生单相接地故障时，故障相除了原负载电流外，还存在着由故障相电压突然降低和非故障相电压突然升高引起的高频暂态相电流。暂态电流的分布如图2所示。

当仅有一条馈线的配电网发生单相接地故障时，故障相的暂态相电流等于2个健全相的暂态相电流之和，即故障相的暂态相电流等于任一健全相的暂态相电流的2倍；当配网有多条馈线时，由于还存在健全线路的健全相电流的助增作用，使得故障线路故障相的暂态相电流大于该线路健全相暂态相电流的2倍。

定义：

式中，if为故障相暂态电流，ih为健全相暂态电流。

对于故障线路来说，有故障特征k≥2。特别需要指出的是，上述分析中并未考虑消弧线圈的补偿作用，是因为消弧线圈产生的电感电流由工频分量和衰减的直流分量组成，和我们所讨论的高频暂态相电流在频带上有较大的差距，因此可忽略消弧线圈的影响。因此本实施例所提故障选线算法既适用于不接地系统也适用于消弧线圈系统。

暂态量的频率成分十分复杂，受网络的结构和参数的影响较大，各条线路暂态相电流能量集中的频带不一定相同。特征频带选取不当会导致故障选线算法误判。特征频带选取应满足以下两点原则：

1)对于健全线路来说，在特征频带内，故障相和健全相的比值明显小于2。

2)对于故障线路来说，在特征频带内，故障相和健全相的比值明显大于2。

具体来说应选择健全相中暂态电流能量最集中的频带作为特征频带。在此特征频带内，因为健全相的能量集中，所以可满足“健全线路的故障相与健全相的比值明显小于2”这一原则；又因为故障线路中故障相能量远大于健全相，在此特征频带内也同样符合“故障线路的故障相与健全相的比值明显小于2”这一原则。特别注意的是，对于消弧线圈系统，在选取特征频带时，要把包含工频的频带去掉。

故障选相和选线综合算法

当配电网发生单相接地故障时，本实施例所提的故障选相和选线综合算法的基本步骤如下，流程图如图3所示。

1)采集母线和支路的三相电流数据，采样频率为10khz，持续监测母线处的零序pt的二次侧电压值；

2)当母线处零序pt二次侧电压超过15v时，判断发生单相接地故障。

3)计算所有线路每一相的暂态电流其中为第i线路j相故障前一个周波的电流，为第i线路j相故障后一个周波的电流。例如△i^3-b表示第3条线路b相的暂态电流，δi^bus-c表示母线处c相的暂态电流。

4)对母线处三相暂态电流分量δi^bus-a、δi^bus-b和δi^bus-c进行灰色关联度计算。

δi^bus-a、δi^bus-b和δi^bus-c的采样频率是10khz，在一个周波内(0.02s)由200个采样点组成

δi^bus-a＝{δi^bus-a(1),δi^bus-a(2),…,δi^bus-a(200)}

δi^bus-b＝{δi^bus-b(1),δi^bus-b(2),…,δi^bus-b(200)}

δi^bus-c＝{δi^bus-c(1),δi^bus-c(2),…,δi^bus-c(200)}

以a相和b相暂态电流δi^bus-a和δi^bus-b为例，说明灰色关联度εab的计算过程：

则计算出a相和b相暂态电流的灰色关联度：

同理可计算εac，εba，εbc，εca和εcb，进一步计算出灰色关联矩阵

计算每一相的平均灰色关联度和

哪一相的平均灰色关联度最小，即可判断该相为故障相。

5)对各条支路的三相暂态电流进行小波包(选用db6小波)5层分解(当然，在其他实施例中，分解的层数可以改变)，利用下式计算每条线路健全相暂态电流的各个子频带能量：

式中：ωj(n)表示第j个子频带下的分解系数。

找到每条线路健全相电流能量最大的子频带，将该频带作为本线路的特征频带。

6)在特征频带内对该支路的三相暂态电流进行小波包重构，利用下式计算重构后的故障相与健全相电流能量比值：

式中：ξ(m)为重构后故障相电流的系数，η(m)为重构后健全相电流的系数。

若某条线路的比值k≥2，可认为该线路为故障线路。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。