一种配电网单相接地故障的故障选线方法、系统、终端以及可读存储介质与流程

本发明属于配电网故障检测技术领域，具体涉及一种配电网单相接地故障的故障选线方法、系统、终端以及可读存储介质。

背景技术：

我国配电网中性点主要采用不接地方式和经消弧线圈接地方式，配电网发生单相接地故障时，由于中性点非有效接地，电压等级低，导致故障电流微弱，故障特征不明显，因而难以准确实现故障选线，无法可靠切除故障区段。系统带故障运行可能改变故障性质、扩大故障范围，严重威胁公共财产及人身安全，带故障运行时间越长，危害越大。据统计，每年因配电网故障导致的损失高达数千亿元，因配电网触电事故导致的死亡人数占其它各类事故死亡人数的10％左右。因此，配电网单相接地故障选线研究对快速确定故障区域、减少经济财产损失、保障设备及人身安全等方面具有重要意义。

故障选线方法大致可分为两个方面：被动选线法、主动选线法。被动选线指利用故障后互感器所测的电气信号进行选线，研究较多的被动选线法有群体比幅比相法、暂态功率法、智能算法、融合算法等。群体比幅比相法通过比较各馈线零序电流的暂态幅值和相位辨识故障线路，准确率较高，但易受噪声干扰和采样频率的影响；暂态功率法利用暂态有功分量实现故障选线，该方法适用于较高过渡电阻的单相接地故障，但在低阻故障中灵敏度较低；智能算法一般没有从故障特征机理出发，难以挖掘本质故障属性；融合选线方法结合不同方法的优点实现故障选线，但选线方法切换界限有待验证，融合质量尚待考证。

主动选线指故障后通过主动注入信号或主动调节电气设备等实现故障选线。研究较多的几种主动式选线方法有：注入信号法、消弧线圈调节法、中电阻法等。现有的注入信号法外加信号小，可靠性不高；消弧线圈调节法一般通过消弧线圈调节前后的突变量实现故障选线，但高阻故障下故障特征较弱；中电阻法通过故障后并入电阻增加有功分量辨别故障线路，选线准确率较高。

配电网单相接地故障时，特别是高阻故障时，馈线电流无明显故障特征，传统的依靠配电网自身故障信息的被动式选线难以可靠鉴别故障线路，而通过主动注入信号人为制造或放大故障特征则为配电网高阻接地故障选线提供了新思路，因此如何实现一种经高阻接地的配电网单相故障选线方法是需要进一步研究的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种配电网单相接地故障的故障选线方法，能可靠识别故障线路，所述方法实现简单，适应性强，尤其适应于单相高阻接地故障工况。

本发明一方面提供一种配电网单相接地故障的故障选线方法，包括如下步骤：

s1：配电网发生单相接地故障后，在中性点接入电压源；

s2：实时采集配电网各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列；

其中，在配电网各馈线上对出线三相电流进行实时采样，得到各馈线三相电流采样序列，并由所述三相电流采样序列合成各馈线的零序电流；

s3：针对每条馈线，选定零序电流序列的长度，并以预设步长移动小窗口以及对小窗口内零序电流进行求和得到各个馈线的累加求和序列；

其中，所述小窗口的长度ts满足：ts＝αt，t为工频周期，α为窗口系数，若中性点接入的电压源的高频谐波次数m为奇数，若中性点计入的电压源的高频谐波次数m为偶数，m能被β整除且β≠m；

s4：基于每条馈线的累加求和序列识别馈线是否故障或健全。

本发明是基于研究发现故障线路包含了工频和倍频分量，而健全线路仅仅包含倍频分量，因此，通过对小窗口的零序电流求和来放大故障特征，同时以步长移动来获取到更多小窗口内零序电流的求和值，进一步得到更多的对比数据，以便放大或者更加直观地鉴别故障线路与健全线路。同时，通过配电网中性点接入的电压源主动调控故障点电压，实现故障特征的增强与放大，进而实现故障选线。

进一步优选，所述预设步长为1，所述小窗口的长度为半个工频周期，第k条馈线的累加求和序列如下：

式中，sk0表示第k条馈线的累加求和序列，n为一个工频周期内的采样点，ns为选定长度的零序电流序列中的采样点数，ik0(n)、ik0(n+1)、ik0(n+2)、ik0(n+ns-n/2)分别表示第k条馈线的零序电流序列中第n长度、第n+1长度、第n+2长度、第n+ns-n/2长度处采样点对应的零序电流，sk0(1)、sk0(2)、sk0(p)、sk0(ns-n/2+1)分别表示第k条馈线的累加求和序列中对应的第1个、第2个、第p个、第ns-n/2+1个小窗口内零序电流的求和值。

进一步优选，步骤s4的实现过程为：计算出每条馈线的均方根值，并与阈值进行比较，若大于阈值，对应馈线为故障线路，否则，为健全线路。

进一步优选，第k条馈线的均方根值如下：

式中，sk表示第k条馈线的均方根值，sk0(p)表示第k条馈线的第p个小窗口内零序电流的求和值，ns为选定长度的零序电流序列中的采样点数，n为一个工频周期内的采样点。

进一步优选，所述阈值的计算公式如下：

式中，sset表示阈值，sk表示第k条馈线的均方根值，m为馈线总数。

进一步优选，步骤s1中接入的所述电压源为倍频电压源，所述倍频电压源的幅值uz满足：kup<uz<up，频率fz满足fz＝mf0，其中，k为可靠系数，取值范围为：[0.15,0.2]，f0为系统基频频率，m为大于或等于2的正整数。

进一步优选，步骤s2中采集的零序电流至少是故障后第三个工频周期开始的数据。

第二方面，本发明还提供一种基于所述的方法的系统，在配电网发生单相接地故障后，在中性点接入电压源，所述系统包括：

零序电流序列获取模块：实时采集配电网各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列；

累加求和序列获取模块：针对每条馈线，选定零序电流序列的长度，并以预设步长移动小窗口以及对小窗口内零序电流进行求和得到各个馈线的累加求和序列；

鉴别模块：基于每条馈线的累加求和序列识别馈线是否故障或健全。

第三方面，本发明还提供一种终端，包括处理器和存储器，所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用所述计算机程序以执行：

在配电网发生单相接地故障并在中性点接入电压源后，实时获取配电网各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列；针对每条馈线，选定零序电流序列的长度，并以预设步长移动小窗口以及对小窗口内零序电流进行求和得到各个馈线的累加求和序列；以及基于每条馈线的累加求和序列识别馈线是否故障或健全。

第四方面，本发明还提供一种可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被调用以执行：

在配电网发生单相接地故障并在中性点接入电压源后，实时获取配电网各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列；针对每条馈线，选定零序电流序列的长度，并以预设步长移动小窗口以及对小窗口内零序电流进行求和得到各个馈线的累加求和序列；以及基于每条馈线的累加求和序列识别馈线是否故障或健全。

有益效果

1.本发明提供的一种配电网单相接地故障的故障选线方法，一方面，通过在配电网中性点接入的电压源主动调控故障点电压，实现故障特征的增强与放大，进而实现故障选线；二方面，本发明设定长度的小窗口内零序电流求和倍频分量理论为0，工频分量远大于0，进而放大了故障线路与健全线路的特征差距，同时以步长移动来获取到更多小窗口内零序电流的求和值，进一步得到更多的对比数据，以便放大或者更加直观地鉴别故障线路与健全线路。

2.由于本发明提取的故障特征是信号的累加求和，累加过程可拉大故障线路与健全线路差距，还由于本发明在中性点接入电压源增加电压源幅值，可增加故障辨识特征，因此，本发明提供的所述方法可以适用于故障特征微弱的经高阻接地的配电网单相故障，可靠性和适用性进一步提升。

附图说明

图1是本发明实施例提供的配电网仿真模型图。

图2是本发明实施例提供的配电网仿真模型零序等效电路图。

图3是本发明实施例提供的零序电流序列波形图。

图4是本发明实施例提供的累加求和序列s10(n)～s50(n)的波形图。

具体实施方式

本发明提供一种配电网单相接地故障的故障选线方法用于实现故障线路的识别，其中，所述方法包括如下步骤：

s1：配电网发生单相接地故障后，在中性点接入电压源。其中，优选为在中性点接入幅值和频率分别为uz和ωz的倍频电压源，其初始相位为并幅值满足：kup<uz<up，频率fz满足fz＝mf0，其中，k为可靠系数，取值范围为：[0.15,0.2]，f0为系统基频频率，m为高频谐波次数，取值为大于或等于2的整数。

s2：实时采集配电网各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列。其中，实时采集各馈线三相电流，得到各馈线三相电流采样序列，譬如第k条馈线的：ika(n)、ikb(n)、ikc(n)，其中，k＝1,2,…,m，m为馈线出线数；再由公式ik0(n)＝ika(n)+ikb(n)+ikc(n)合成各馈线零序电流序列ik0(n)，其中，n为采样点。

s3：针对每条馈线，选定零序电流序列的长度，并以预设步长移动小窗口以及对小窗口内零序电流进行求和得到各个馈线的累加求和序列，譬如，本实施例中倍频电压源是100hz频率的电压源，设定的所述小窗口的长度为半个工频周期。但是本发明并不限制于此，小窗口的长度ts满足：ts＝αt，t为工频周期，α为窗口系数，若中性点接入的电压源的高频谐波次数m为奇数，若中性点计入的电压源的高频谐波次数m为偶数，m能被β整除，β为正整数且β≠m。譬如，若m为3，则小窗口的长度为1/3个工频周期；若m为4，则小窗口的长度为1/2或1/4个工频周期；若m为6，则小窗口的长度为1/2或1/3或1/6个工频周期。

譬如，以预设步长为1，1/2个工频周期，以及选定的零序序列的长度为5个工频周期为例，即5t，t为工频周期，第k条馈线的累加求和序列如下：

式中，sk0表示第k条馈线的累加求和序列，n为一个工频周期内的采样点，ns为选定长度的零序电流序列中的采样点数，ik0(n)、ik0(n+1)、ik0(n+2)、ik0(n+ns-n/2)分别表示第k条馈线的零序电流序列中第n长度、第n+1长度、第n+2长度、第n+ns-n/2长度处采样点对应的零序电流，sk0(1)、sk0(2)、sk0(p)、sk0(ns-n/2+1)分别表示第k条馈线的累加求和序列中对应的第1个、第2个、第p个、第ns-n/2+1个小窗口内零序电流的求和值。

s4：基于每条馈线的累加求和序列识别馈线是否故障或健全。其中，优选计算各条馈线的均方根值，并与阈值进行比较，若大于阈值，对应馈线为故障线路，否则，为健全线路，均方根值公式以及阈值公式如下：

式中，sk表示第k条馈线的均方根值

式中，sset表示阈值。

其他可行的实施例中，考虑到故障线路和健全线路的差异，根据各条馈线的累加求和序列可以通过其他手段鉴别出当中异常线路，譬如：累加求和的平均值、极大值、累加求和序列的曲线图等手段均可以鉴别出异常线路。

下面将结合一个应用实例对本发明做进一步的说明。

如附图1所示，应用本发明方法的配电网为一10kv单端电源供电辐射状仿真模型，图中共有5条馈线，馈线长度分别为10km、20km、10km、19km、6km，其中馈线1、2为架空-电缆混合线路，馈线3、4为架空线路、馈线5为电缆线路。系统中性点通过接地变经消弧线圈接地，仿真中设为8％的过补偿，lp、rp分别为消弧线圈及其串联电阻，其数值分别为10ω和0.4742h，ez为配电网中性点接入的倍频电压源，uz和ωz分别为倍频电压源的幅值和角频率。假设馈线5发生了单相接地故障，过渡电阻为800ω。

为了简便，实施例中的线路参数设为相同，具体线路参数为：

架空线路：

正序电阻、电感、电容分别为：r1＝0.178ω/km、l1＝1.21mh/km、c1＝0.012uf/km；

零序电阻、电感、电容分别为：r0＝0.25ω/km、l0＝5.54mh/km、c0＝0.006uf/km。

电缆线路：

正序电阻、电感、电容分别为：r1＝0.27ω/km、l1＝0.255mh/km、c1＝0.379uf/km；

零序电阻、电感、电容分别为：r0＝2.7ω/km、l0＝1.109mh/km、c0＝0.276uf/km。

实施例具体步骤如下：

图1所示仿真模型的零序等效电路图如附图2所示。由图应用叠加原理可知，故障线路的零序电流与健全线路的零序电流如下式所示：

式中，为故障点电压，rf为故障点过渡电阻。由上式可知，故障线路的零序电流包含工频分量和接入电压源的倍频分量，而健全线路仅含有接入电压源的倍频分量，由此可构成显著差异的故障特征。

从上述公式可知，故障线路包含工频和倍频分量，健全线路仅包含倍频分量，因此，半个工频周期求和，倍频分量都为0，工频分量远大于0，因此，移动1个步长后累积求和能进一步拉大故障线路与健全线路的特征差距。

1)馈线5发生单相接地故障后，在配电网中性点立即接入倍频电压源，在该实施例中，接入电压源的幅值、角频率、初相角分别为3000v、400π、45°。

2)进一步地，以5khz的采样频率在各馈线上对三相电流进行实时采样，得到各馈线三相电流采样序列ika(n)、ikb(n)、ikc(n)，其中，k＝1,2,…,5，由公式ik0(n)＝ika(n)+ikb(n)+ikc(n)合成各馈线零序电流ik0(n)，得到的零序电流序列波形如附图3所示。

3)进一步地，按对5条馈线半个工频周期的零序电流进行累加求和，得到5条馈线对应值：0.1583、-1.8922、0.0209、0.3654、-133.43。

4)进一步地，数据窗长度选为5t，t为基频周期，按公式(2)得到各馈线的累加求和序列s10(n)～s50(n)的波形分别如附图4所示。

5)进一步地，计算s10(n)～s50(n)的均方根值s1～s5分别为0.2401、0.7929、1.2899、0.4483、226.18，并由公式(4)算得故障选线的整定阈值sset为45.791，显然，仅有s5>sset，因此，馈线5为选定为故障线路，选线结果正确。

在一些实例中，本发明还提供一种基于所述配电网单相接地故障的故障选线方法的系统，在配电网发生单相接地故障后，在中性点接入电压源，所述系统包括：

零序电流序列获取模块：实时采集配电网各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列；

累加求和序列获取模块：针对每条馈线，选定零序电流序列的长度，并以预设步长移动小窗口以及对小窗口内零序电流进行求和得到各个馈线的累加求和序列；

鉴别模块：基于每条馈线的累加求和序列识别馈线是否故障或健全。

应当理解，上述单元模块的具体实现过程参照方法内容，本发明在此不进行具体的赘述，且上述功能模块单元的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。同时，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

在一些实例中，本发明还提供一种终端，包括处理器和存储器，所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用所述计算机程序以执行：

在配电网发生单相接地故障并在中性点接入电压源后，实时获取配电网各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列；针对每条馈线，选定零序电流序列的长度，并以预设步长移动小窗口以及对小窗口内零序电流进行求和得到各个馈线的累加求和序列；以及基于每条馈线的累加求和序列识别馈线是否故障或健全。

在一些实例中，本发明还提供一种可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被调用以执行：

在配电网发生单相接地故障并在中性点接入电压源后，实时获取配电网各个馈线的零序电流得到各个馈线的零序电流序列；针对每条馈线，选定零序电流序列的长度，并以预设步长移动小窗口以及对小窗口内零序电流进行求和得到各个馈线的累加求和序列；以及基于每条馈线的累加求和序列识别馈线是否故障或健全。

应当理解，在本发明实施例中，所称处理器可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据。存储器的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

所述可读存储介质为计算机可读存储介质，其可以是前述任一实施例所述的控制器的内部存储单元，例如控制器的硬盘或内存。所述可读存储介质也可以是所述控制器的外部存储设备，例如所述控制器上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)等。进一步地，所述可读存储介质还可以既包括所述控制器的内部存储单元也包括外部存储设备。所述可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述控制器所需的其他程序和数据。所述可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。