消弧线圈并小电阻接地配电网的接地故障检测方法及系统

1.本发明涉及配电网继电保护领域，尤其涉及一种消弧线圈并小电阻接地配电网的接地故障检测方法及系统。


背景技术：

2.中性点谐振接地方式下的配电网虽然能有效限制系统弧光接地过电压，但是受接地方式的影响，在系统发生单相接地故障时，由于故障残流非常小，继电保护装置容易拒动，尤其在发生高阻接地故障时，造成故障选线非常困难。而中性点经小电阻接地方式下的配电网零序电流保护虽然灵敏度较高，但由于配电网中的单相接地故障大多为瞬时性故障，一旦零序电流超过继电保护整定值就会自动切除故障线路，不可避免地引起线路频繁跳闸，使得系统运行可靠性不高。结合两种接地方式的优点，中性点经消弧线圈并联小电阻的灵活接地方式已经投入到实际电网中，该方式不仅能发挥消弧线圈的消弧作用，降低故障点电弧重燃概率，同时利用小电阻并联投入时零序电流的变化提高了故障选线的成功率。目前消弧线圈并小电阻接地方式大多采用定时限零序过电流保护，在高阻接地故障检测中的适应性仍较差。
3.目前针对单相高阻接地故障的检测方法主要是利用电弧间歇性燃烧所带来的非线性特征，比如非线性的电压电流伏安特性曲线以及波形畸变所带来的谐波特征。然而这类方法在电弧非线性特征较弱或者甚至没有的情况下将可能失效。而在工程应用中也有采用零序方向元件的案例，但是由于在实际操作中互感器的极性校验困难，因此方向元件容易发生误判，其检测效果不理想。


技术实现要素：

4.为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种消弧线圈并小电阻接地配电网的接地故障检测方法、系统。
5.本发明所采用的技术方案是：
6.一种消弧线圈并小电阻接地配电网的接地故障检测方法，包括以下步骤：
7.赋初值给零序电压突变整定值u
0.set
、波形相似度计算时间窗t1、动作整定值δγ
act
；
8.测量馈线保护安装处的零序电流i0和零序电压u0，对所述零序电流i0和所述零序电压u0进行采样；
9.确定检测到所述所述零序电压u0和所述零序电压突变整定值u0.set之间的关系满足预设条件后，执行检测步骤；
10.所述检测步骤，包括：
11.计算所述波形相似度计算时间窗t1内的电压基准值和电流基准值；
12.根据电压基准值对所述波形相似度计算时间窗t1内的电压数据进行归一化处理，根据电流基准值对所述波形相似度计算时间窗t1内的电流数据进行归一化处理；
13.根据归一化后的所述电压数据和所述电流数据计算波形相似度γ；
14.根据波形相似度γ计算小电阻投入前后的波形相似度变化量δγ；
15.确定检测到所述波形相似度变化量δγ大于所述动作整定值δγ
act
，发出预设指令。
16.进一步地，确定检测到所述所述零序电压u0和所述零序电压突变整定值u0.set之间满足以下关系后，执行检测步骤：
17.|u0(n)
‑
u0(n
‑
1)>u
0.set
|
18.其中，u0(n)、u0(n
‑
1)分别为第n次和第(n
‑
1)次测量馈线保护安装处的零序电压u0。
19.进一步地，所述电压基准值的计算公式为：
[0020][0021]
所述电流基准值的计算公式为：
[0022][0023]
其中，n为配电网系统的馈线总数，u
0k
、i
0k
分别为第k条馈线上保护安装处的零序电压、零序电流。
[0024]
进一步地，采用以下公式对所述电压数据进行归一化处理：
[0025][0026]
采用以下公式对所述电流数据进行归一化处理：
[0027][0028]
其中，u
base
为电压基准值，i
base
为电流基准值。
[0029]
进一步地，所述波形相似度γ通过以下公式计算获得：
[0030][0031]
其中，n为配电网系统的馈线总数，k代表第k条馈线。
[0032]
进一步地，所述波形相似度变化量δγ的计算公式如下：
[0033]
δγ＝|γ
after
‑
γ
before
|
[0034]
其中，γ
before
为小电阻投入前线路零序电流与母线零序电压之间的波形相似度；γ
after
为小电阻投入后线路零序电流与母线零序电压之间的波形相似度。
[0035]
进一步地，在所述根据归一化后的所述电压数据和所述电流数据计算波形相似度γ的步骤之后，还包括以下步骤：
[0036]
对所述波形相似度γ在波形相似度曲线优化时间窗t2内进行优化。
[0037]
进一步地，采用以下公式计算所述动作整定值δγact：
[0038]
[0039]
其中，k
re
为可靠系数。
[0040]
本发明所采用的另一技术方案是：
[0041]
一种消弧线圈并小电阻接地配电网的接地故障检测系统，包括：
[0042]
赋值模块，用于赋初值给零序电压突变整定值u
0.set
、波形相似度计算时间窗t1、动作整定值δγact；
[0043]
测量模块，用于测量馈线保护安装处的零序电流i0和零序电压u0，对所述零序电流i0和所述零序电压u0进行采样；
[0044]
检测模块，用于确定检测到所述所述零序电压u0和所述零序电压突变整定值u0.set之间的关系满足预设条件后，执行检测步骤；
[0045]
所述检测步骤，包括：
[0046]
计算所述波形相似度计算时间窗t1内的电压基准值和电流基准值；
[0047]
根据电压基准值对所述波形相似度计算时间窗t1内的电压数据进行归一化处理，根据电流基准值对所述波形相似度计算时间窗t1内的电流数据进行归一化处理；
[0048]
根据归一化后的所述电压数据和所述电流数据计算波形相似度γ；
[0049]
根据波形相似度γ计算小电阻投入前后的波形相似度变化量δγ；
[0050]
确定检测到所述波形相似度变化量δγ所大于所述动作整定值δγ
act
，发出预设指令。
[0051]
本发明所采用的另一技术方案是：
[0052]
一种消弧线圈并小电阻接地配电网的接地故障检测系统，包括：
[0053]
至少一个处理器；
[0054]
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
[0055]
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。
[0056]
本发明的有益效果是：本发明提出一种基于波形相似度变化量的消弧线圈并小电阻接地方式故障选线方法，该方法耐受过渡电阻能力强，有效解决了高阻接地故障时保护灵敏度较差的问题。
附图说明
[0057]
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
[0058]
图1是本发明实施例中一种消弧线圈并小电阻接地配电网的接地故障检测方法的流程图；
[0059]
图2是本发明实施例中消弧线圈并小电阻接地系统单相接地故障拓扑图；
[0060]
图3是本发明实施例中消弧线圈并小电阻接地系统单相接地故障零序等效网络示意图；
[0061]
图4是本发明实施例中低阻抗和高阻抗故障下δγ检测情况对比。
具体实施方式
[0062]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0063]
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0064]
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0065]
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
[0066]
健全线路与故障线路在小电阻投入前后零序电流与母线零序电压波形相似度的变化上存在明显差异，即健全线路上零序电流与母线零序电压的波形相似度在小电阻投入前后不变，而故障线路上的零序电流与母线零序电压的波形相似度在小电阻投入前后发生变化。据此，本实施例聚焦所有馈线在小电阻投入前后零序电流与母线零序电压波形相似度之间的差异，提出一种基于波形相似度变化量的消弧线圈并小电阻接地方式故障选线方法。该方法耐受过渡电阻能力强，有效解决了高阻接地故障时保护灵敏度较差的问题。如图1所示，该方法包括以下步骤：
[0067]
s1、赋初值给零序电压突变整定值u
0.set
、波形相似度计算时间窗t1、波形相似度曲线优化时间窗t2、动作整定值δγ
act
。
[0068]
其中，在高阻接地故障时，母线零序电压只有几十伏到几百伏左右，且在暂态过程中存在不同程度的振荡。因此，u
0.set
可根据灵敏度需求在5～100v范围内调整。波形相似度计算时间窗t1：由于在进行零序电压与零序电流的波形相似度计算时，消除幅值差异影响仅需半个周波的零序信号，因此设置为10ms。波形相似度曲线优化时间窗t2：优化波形相似度曲线是为了削弱小电阻投入后暂态过程的波动幅度，为了使输出波形更加平滑，可设置1～3个周波的时间窗，大约20～60ms。动作整定值δγ
act
：小电阻投入前后故障线路的δγ大约为1，由于δγ
f
会受系统对地电容大小及投入并联小电阻阻值而有微弱影响，因此δγ
act
可由以下公式计算所得：
[0069][0070]
式中：δγ
act
为动作整定值；k
re
为可靠系数，可取1.5～1.7。
[0071]
s2、测量馈线保护安装处的零序电流i0、零序电压u0，并对其进行低通滤波和采样。
[0072]
s3、判断是否满足条件：
[0073]
|u0(n)
‑
u0(n
‑
1)>u
0.set
|
[0074]
其中u0(n)、u0(n
‑
1)分别为第n次和第(n
‑
1)次测量馈线保护安装处的零序电压u0；
[0075]
a.如果满足，则继续进行下面的流程；
[0076]
b.如果不满足，则返回步骤s2。
[0077]
s4、分别计算时间窗t1内的电压和电流基准值。
[0078][0079][0080]
其中，n为配电网系统的馈线总数，u
0k
、i
0k
分别为第k条馈线上保护安装处的零序电压、零序电流；
[0081]
s5、对该时间窗内的数据进行归一化处理：
[0082][0083][0084]
s6、计算波形相似度γ：
[0085][0086]
s7、对γ在波形相似度曲线优化时间窗t2内进行优化。
[0087]
具体优化方案如下：在一个周波的数据窗内取零序电流与零序电压波形相似度的平均值，削弱健全线路在小电阻投入后暂态过程中波形相似度的波动幅度。
[0088]
s8、计算小电阻投入前后波形相似度变化量δγ＝|γ
after
‑
γ
before
|。
[0089]
其中γ
before
为小电阻投入前线路零序电流与母线零序电压之间的波形相似度，取小电阻投入前一个周波的最小值。γ
after
为小电阻投入后线路零序电流与母线零序电压之间的波形相似度。
[0090]
s9、判断是否满足条件：δγ>δγ
act
[0091]
a.如果满足，则发出警告或者跳闸命令；
[0092]
b.如果不满足，则返回步骤s2。
[0093]
以下结合具体实施例对上述方法进行详细解释说明。
[0094]
参照图2和图3，以某20kv消弧线圈并小电阻接地配电网为例。系统由全电缆组成，共5条出线。系统处于过补偿运行方式，脱谐度为
‑
10％，消弧线圈电感为0.1097h，设置h3线路在0.2s时发生单相接地故障，故障点距离母线12km处，小电阻在故障发生0.8s后投入，投入小电阻阻值为20ω。线路规模如表1所示，线路具体参数见表2。
[0095]
表1 zr
‑
yjv22
‑
18
‑
20kv
‑
3*400电缆电气参数
[0096][0097]
表2 20kv消弧线圈并小电阻接地系统线路规模
[0098][0099]
仿真采用4阶巴特沃斯低通滤波器对零序电压及零序电流采样值进行低通滤波处理，截止频率设置为250hz。数据采样频率为2khz。可靠系数k
re
取1.5，动作整定值δγ
act
计算得0.667。其它参数设置如下：u
0.set
＝10v；t1＝10ms；t2＝20ms。小电阻于1s时投入，小电阻投入前，默认所有线路的δγ均为0。
[0100]
根据图4所示，在小电阻投入后的前两个周波，健全线路的δγ会有小幅度的上升，且上升的幅度随着过渡电阻的增加而增大，但始终没有超过动作整定值，随着暂态过渡过程的结束，δγ会下降并趋于0，即小电阻投入前后健全线路的零序电压与零序电流的波形相似度没有变化。而故障线路在小电阻投入后两个周波内δγ持续上升超过动作整定值，并持续保持在整定值之上，即小电阻投入前后故障线路的零序电压与零序电流的波形相似度发生变化，触发保护动作。
[0101]
由于投入并联小电阻的阻值一般为10～20ω，表3、表4和表5给出了并联小电阻分别为10ω、15ω和20ω时的仿真结果。表中小电阻投入前的γ值取故障前一个周波的最小值，小电阻投入后的γ值取故障后三个周波的最小值。考虑不同的可靠性系数，投入并联小电阻的阻值为10ω、15ω和20ω时对应的整定值δγ
act
分别为0.625、0.645和0.667。从表中可见，投入不同阻值的并联小电阻，健全线路的δγ均小于整定值，故障线路的δγ均高于整定值。因此所提出的选线算法具有良好的检测效果。
[0102]
表3 10ω中性点并联电阻阻值下的仿真结果
[0103][0104][0105]
表4 15ω中性点并联电阻阻值下的仿真结果
[0106][0107]
表5 20ω中性点并联电阻阻值下的仿真结果
[0108][0109]
表6给出了h3发生单相经500ω过渡电阻接地故障时，投入20ω并联小电阻时，在不同的采样频率下，故障线路和健全线路δγ的情况。可见，采样频率对本算法影响较小，在采样频率为1khz下，本算法仍然能准确识别故障线路。
[0110]
表6不同采样频率下的仿真结果
[0111][0112]
本实施例还提供一种消弧线圈并小电阻接地配电网的接地故障检测系统，包括：
[0113]
赋值模块，用于赋初值给零序电压突变整定值u
0.set
、波形相似度计算时间窗t1、动作整定值δγact；
[0114]
测量模块，用于测量馈线保护安装处的零序电流i0和零序电压u0，对所述零序电流i0和所述零序电压u0进行采样；
[0115]
检测模块，用于确定检测到所述所述零序电压u0和所述零序电压突变整定值u0.set之间的关系满足预设条件后，执行检测步骤；
[0116]
所述检测步骤，包括：
[0117]
计算所述波形相似度计算时间窗t1内的电压基准值和电流基准值；
[0118]
根据电压基准值对所述波形相似度计算时间窗t1内的电压数据进行归一化处理，根据电流基准值对所述波形相似度计算时间窗t1内的电流数据进行归一化处理；
[0119]
根据归一化后的所述电压数据和所述电流数据计算波形相似度γ；
[0120]
根据波形相似度γ计算小电阻投入前后的波形相似度变化量δγ；
[0121]
确定检测到所述波形相似度变化量δγ所大于所述动作整定值δγ
act
，发出预设指令。
[0122]
本实施例的一种消弧线圈并小电阻接地配电网的接地故障检测系统，可执行本发
明方法实施例所提供的一种消弧线圈并小电阻接地配电网的接地故障检测方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
[0123]
本实施例还提供一种消弧线圈并小电阻接地配电网的接地故障检测系统，包括：
[0124]
至少一个处理器；
[0125]
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
[0126]
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现图1所示方法。
[0127]
本实施例的一种消弧线圈并小电阻接地配电网的接地故障检测系统，可执行本发明方法实施例所提供的一种消弧线圈并小电阻接地配电网的接地故障检测方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
[0128]
本技术实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图1所示的方法。
[0129]
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
[0130]
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
[0131]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0132]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执
行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0133]
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0134]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0135]
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
[0136]
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
[0137]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。