配电网单相接地故障选线方法、装置、系统及存储介质

1.本发明涉及配电网故障选线领域，尤其涉及一种配电网单相接地故障选线方法、装置、系统及存储介质。


背景技术：

2.我国配电网中性点许多采用经消弧线圈接地方式，这种接地方式能显著降低故障点电容电流，但由于故障电流幅值较小且方向不定，信号的检测和选线很困难。高阻接地故障因具有过渡电阻大，故障点不稳定，故障点存在间歇性电弧等特点，故障电气量特征极不明显，常规保护难以可靠动作。当谐振接地系统发生高阻故障时，其故障检测与选线问题则更加困难。若故障点不能及时发现并处理，极易导致人身触电伤亡、诱发山火等恶性事故。因而，谐振接地系统发生高阻接地故障后快速有效识别故障馈线，对维持设备稳定性、保护人身安全和保障国民生活具有重大意义。
3.现有选线方法按照所用信号的来源可分为被动法和主动法两大类。被动选线方法根据接地故障本身产生的故障信息特征实现故障选线，包括稳态选线方法和暂态选线方法。稳态选线方法是利用接地期间持续存在的稳态信号进行选线，由于谐振接地系统故障线路零序电流极性不定，且发生高阻故障时，工频电流、有功分量、负序电流等稳态分量的含量较低，因此稳态选线法对高阻故障的检测效果较差。暂态类选线方法利用故障初期产生的暂态信号进行选线，其主要优点是故障暂态信号比较明显，可达稳态信号的十几倍，而且基本不受中性点接地方式的影响，但这些分量本身具有不稳定性、不确定性和短暂性，由此将造成特征量提取和保护定值整定的困难，对于装置采样频率也提出了较高的要求。主动选线方法通过外加装置产生的信息特征进行故障选线，包括注入信号法、中电阻法、残流增量法、小扰动法等。其优势在于用于选线的信号其特征和强度可控，缺点是需要昂贵的信号注入设备、投资较大，且对注入信号选取要求较高，初始注入电流幅值和相位会严重影响选线效果。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供了一种配电网单相接地故障选线方法、装置、系统及存储介质，从主动调控系统中性点电压角度出发，通过辨识各馈线零序电流随中性点电压调控增减情况进行选线。
5.第一方面，提供了一种配电网单相接地故障选线方法，包括：
6.s1：获取逐级降低系统零序电压过程中各馈线零序电流；
7.s2：以初次测得零序电流为基准，计算调压后各馈线零序电流比例系数，零序电流比例系数大于预设比例系数阈值的馈线即为故障馈线；若无馈线满足，则进入步骤s3；s3：计算调压过程中各馈线零序电流非线性畸变程度，非线性畸变程度最大的馈线即为故障馈线。
8.逐级降低系统零序电压的过程中，系统零序电压下降，故障相电压上升。当故障点
过渡电阻远小于线路零序容抗时，非故障馈线零序电流正比于系统零序电压(下降)，故障馈线零序电流正比于故障相电压(上升)，此时利用降低调压过程中各馈线零序电流增减差异进行选线。当故障点过渡电阻较大时，利用各馈线零序电流增减差异无法准确选线，但此时非故障馈线零序电流正比于零序电压(线性递减)，故障馈线零序电流由零序电压与故障相电压共同作用产生，呈现非线性变化趋势，此时，利用降档调压过程中各馈线零序电流非线性畸变程度辅助选线。通过逐级放大故障特征分量，有效解决谐振接地系统发生高阻接地故障时选线困难问题；采用两种判据融合选线方法，有效识别十数千欧接地故障馈线，提高了选线的准确率。
9.进一步地，在获取逐级降低系统零序电压过程中各馈线零序电流之前，还包括：
10.判断配电网是否发生单相接地故障，若发生，则进行配电网单相接地故障选线。
11.实时对配电网是否发生单相接地故障进行判断，若发生单相接地故障，则进行故障选线，若没有，则按预设时间间隔循环对配电网是否发生单相接地故障进行判断。
12.进一步地，所述判断配电网是否发生单相接地故障具体包括：
13.若系统零序电压大于第一相电压阈值或系统零序电压变化量大于第二相电压阈值时，判断配电网发生单相接地故障。
14.当配电网发生单相接地故障时，系统零序电压会大于相电压的一定比例，系统零序电压变化量也会大于相电压的一定比例，基于此，可通过系统零序电压大小或系统零序电压变化量是否超过一定阈值来判断是否发生单相接地故障。
15.进一步地，所述逐级降低系统零序电压通过如下方法实现：
16.在变压器一次侧绕组抽头上均匀布置多个分接抽头，形成多个档位；
17.当发生单相接地故障，调控故障相分接抽头初始档位接地，延时后，逐步降低分接抽头的接地档位至最低档位。
18.通过在变压器一次侧各绕组上均匀布置多个分接抽头，以形成多个档位。当配电网系统正常运行时，各相分接抽头均处于断开状态；一旦发生单相接地故障，迅速调控故障相分接抽头设定的初始档位接地，经过预设延时后，逐步降低分接抽头的接地档位至最低档位。降低分接抽头接地档位的过程，实质上就是降低系统零序电压以及提高故障相电压的过程。
19.进一步地，所述零序电流比例系数定义如下：
[0020][0021]
式中，α
in
为第i条馈线在系统零序电压降低为n级别时的零序电流比例系数，i
0ix
为系统零序电压初始级别x下第i条馈线的零序电流，i
0in
为系统零序电压降低为n级别后第i条馈线的零序电流；其中，n＝1，2,3...,x-1。
[0022]
进一步地，所述预设比例系数阈值为其中k
rel
为可靠系数，取值为1.1～1.2。
[0023]
逐级降低系统零序电压过程中，非故障馈线零序电流会降低，因此其比例系数值不会超过1，故障馈线零序电流会提高，导致故障馈线零序电流比例系数大于1，基于此，设置预设比例系数阈值，通过将各馈线零序电流比例系数与其比较，即可判定出故障馈线。
[0024]
进一步地，所述各馈线零序电流非线性畸变程度通过各馈线零序电流斜率方差定义：
[0025][0026]
式中，s2[i
0i
]为第i条馈线的零序电流斜率方差；x为系统零序电压初始级别；k
0in
为系统零序电压降低为n级别时零序电流斜率，k
0in
＝i
0in-i
0in-1
(n≥2)；为第i条馈线降低零序电压级别过程中对应零序电流斜率均值，
[0027]
逐级降低系统零序电压过程中，非故障馈线零序电流仍为线性变化趋势，当故障馈线零序电流呈非线性变化趋势。基于此，通过各馈线零序电流斜率方差来反应各馈线零序电流的非线性畸变程度，零序电流斜率方差最大的即为故障馈线。
[0028]
第二方面，提供了一种配电网单相接地故障选线装置，包括：
[0029]
数据获取模块，用于获取逐级降低系统零序电压过程中各馈线零序电流；
[0030]
选线判定模块，用于采用如下两种选线判据进行选线：
[0031]
以初次测得零序电流为基准，计算调压后各馈线零序电流比例系数，零序电流比例系数大于预设比例系数阈值的馈线即为故障馈线；若无馈线满足，则计算调压过程中各馈线零序电流非线性畸变程度，非线性畸变程度最大的馈线即为故障馈线。
[0032]
第三方面，提供了一种配电网单相接地故障选线系统，包括：
[0033]
系统零序电压控制模块，用于对系统零序电压进行逐级降低控制；
[0034]
数据采集模块，用于采集所述系统零序电压控制模块逐级降低系统零序电压过程中各馈线零序电流；
[0035]
选线模块，用于获取逐级降低系统零序电压过程中各馈线零序电流，并采用如下两种选线判据进行选线：
[0036]
以初次测得零序电流为基准，计算调压后各馈线零序电流比例系数，零序电流比例系数大于预设比例系数阈值的馈线即为故障馈线；若无馈线满足，则计算调压过程中各馈线零序电流非线性畸变程度，非线性畸变程度最大的馈线即为故障馈线。
[0037]
第四方面，一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载时实现如上所述的配电网单相接地故障选线方法。
[0038]
有益效果
[0039]
本发明提出了一种配电网单相接地故障选线方法、装置、系统及存储介质，通过改变分接抽头接地档位主动调控系统零序电压，放大故障馈线零序电流特征分量，选线实现方法简单可靠。采用两种判据融合选线方法，在中低阻接地故障时利用调压过程中各馈线零序电流比例系数进行选线；在高阻接地故障时利用调压过程中各馈线零序电流非线性畸变程度辅助选线，可有效识别十数千欧接地故障馈线，大幅提高谐振接地系统故障选线准确率。此外本发明所提选线方法无需新增选线装置，变压器为变电站已有，仅需增加分接抽头使得绕组接地，其成本大大降低，具有很强的经济性。
附图说明
[0040]
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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0041]
图1是本发明实施例提供的配电网单相接地故障选线方法流程图；
[0042]
图2是本发明实施例提供的变压器分档接地调压原理图；
[0043]
图3是本发明实施例提供的分档调压向量图；
[0044]
图4是本发明实施例提供的谐振接地系统馈线等值零序网络图；
[0045]
图5是本发明实施例提供的10kv配电网单相接地故障仿真模型图；
[0046]
图6是本发明实施例提供的各馈线零序电流比例系数变化情况图。
具体实施方式
[0047]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
[0048]
为解决谐振接地系统中高阻接地故障选线准确率低的问题，本发明从主动调控系统中性点电压角度出发，提出了通过辨识各馈线零序电流随中性点电压调控增减情况，判断故障馈线的选线方案。具体通过如下实施例对本发明的方案进行说明。
[0049]
实施例1
[0050]
如图1所示，本实施例提供了一种配电网单相接地故障选线方法，应用于配电网发生单相接地故障时，具体包括：
[0051]
s1：获取逐级降低系统零序电压过程中各馈线零序电流。如图2所示，实施时，逐级降低系统零序电压可通过如下方法实现：
[0052]
在变压器一次侧ay、by、cy三个绕组抽头上均匀布置多个分接抽头，形成多个档位，依据中性点至馈线出口递增的模式将其按1至k编号；
[0053]
配电网系统正常运行时，各相分接抽头均处于断开状态；一旦发生单相接地故障，迅速调控故障相分接抽头初始档位接地。此时分档调压相量图如图3所示，其中n为系统中性点，o点为发生接地故障时零电位点，存在以下电压关系：其中为中性点零序电压，为故障相电压，为故障相电源电动势，n为分接抽头接地档位。
[0054]
对于初始档位的选择进行如下说明，由于瞬时故障电弧可自行熄灭，无需额外进行选线操作，因此分接抽头初始档位x选择以瞬时故障可靠熄弧为准，即满足下式：
[0055][0056]
式中，ur为故障电弧重燃电压，k为分接抽头总数(也即档位总数)。
[0057]
短暂延时后，逐步降低分接抽头的接地档位至最低档位。降低分接抽头接地档位的过程，实质上就是降低系统零序电压以及提高故障相电压的过程。
[0058]
s2：以初次测得零序电流为基准，计算调压后各馈线零序电流比例系数，零序电流比例系数大于预设比例系数阈值的馈线即为故障馈线；若不存在(即无馈线满足该判据)，则执行步骤s3。具体实现原理如下：
[0059]
由图4所示的谐振接地系统馈线等值零序网络图可知：
[0060]
当系统发生单相接地故障时，非故障馈线零序电流为线路对地电容电流即非故障馈线零序电流正比于系统零序电压；其中，为母线处三相电压，c
0i
为非故障馈线i三相对地电容(假定线路三相对地电容近似平衡)，j表示虚数，ω表示角速度。
[0061]
故障馈线零序电流应为线路对地电容电流与故障接地电流之和，即：其中，c
0k
为故障馈线三相对地电容，rf为故障馈线过渡电阻电阻。
[0062]
在发生低阻接地故障情况下，线路零序容抗远大于故障点对地电阻，可近似认为故障馈线零序电流正比于故障相电压。降低分接抽头接地档位的过程，实质上就是降低非故障馈线零序电流以及提高故障馈线零序电流的过程。
[0063]
为提高选线精度，以分接抽头处于初始档位x对应零序电流作为参考基准电流，定义零序电流比例系数其中，α
in
为第i条馈线在系统零序电压降低为n级别(即接地档位为档位n)时的零序电流比例系数，i
0ix
为系统零序电压初始级别x下第i条馈线的零序电流，i
0in
为系统零序电压降低为n级别(即接地档位为档位n)后第i条馈线的零序电流，n＝1，2,3...,x-1。
[0064]
非故障馈线零序电流比例系数满足故障线路零序电流比例系数满足其中，u
0n
为档位n接地时对应系统零序电压，u
0x
为初始档位x接地时对应系统零序电压，u
fn
为档位n接地时对应故障相电压，u
fx
为初始档位x接地时对应故障相电压。据此，本实施例中设置有预设比例系数阈值为其中k
rel
为可靠系数，取值为1.1～1.2，进而构造零序电流比例系数判据如果存在馈线零序电流比例系数满足则可判定该馈线为故障馈线。
[0065]
s3：计算调压过程中各馈线零序电流非线性畸变程度，非线性畸变程度最大的馈
线即为故障馈线。
[0066]
在故障过渡电阻值较大时，步骤s2的故障选线方法准确性降低，基于此，利用各馈线零序电流非线性畸变程度进行故障选线。在故障过渡电阻值较大时，式无法忽略对地电容电流作用，随着档位降低，故障馈线呈非线性变化趋势，而非故障馈线仍为线性变化趋势。据此，构造零序电流非线性畸变程度判据。本实施例中，所述各馈线零序电流非线性畸变程度通过各馈线零序电流斜率方差定义：
[0067][0068]
式中，s2[i
0i
]为第i条馈线的零序电流斜率方差；x为系统零序电压初始级别；k
0in
为系统零序电压降低为n级别(即接地档位为档位n)时零序电流斜率，k
0in
＝i
0in-i
0in-1
(n≥2)；为第i条馈线降低零序电压级别过程中对应零序电流斜率均值，筛选各馈线的零序电流斜率方差，零序电流斜率方差最大的馈线即为故障馈线。
[0069]
实施时，在进行配电网单相接地故障选线之前，需判断配电网是否发生单相接地故障，若发生，则进行配电网单相接地故障选线。若没有，则按预设时间间隔循环对配电网是否发生单相接地故障进行判断。
[0070]
具体地，若系统零序电压大于第一相电压阈值或系统零序电压变化量大于第二相电压阈值时，判断配电网发生单相接地故障。当配电网发生单相接地故障时，系统零序电压会大于相电压的一定比例，如15％相电压；系统零序电压变化量也会大于相电压的一定比例，如3％相电压；基于此，可通过系统零序电压大小或系统零序电压变化量是否超过一定阈值来判断是否发生单相接地故障。
[0071]
系统零序电压下降，故障相电压上升。当故障点过渡电阻远小于线路零序容抗时，非故障馈线零序电流正比于系统零序电压(下降)，故障馈线零序电流正比于故障相电压(上升)，此时利用降低调压过程中各馈线零序电流增减差异进行选线。当故障点过渡电阻较大时，利用各馈线零序电流增减差异无法准确选线，但此时非故障馈线零序电流正比于零序电压(线性递减)，故障馈线零序电流由零序电压与故障相电压共同作用产生，呈现非线性变化趋势，此时，利用降档调压过程中各馈线零序电流非线性畸变程度辅助选线。通过逐级放大故障特征分量，有效解决谐振接地系统发生高阻接地故障时选线困难问题；采用两种判据融合选线方法，提高了选线的准确率。
[0072]
当然，需明白的是，对于发生低阻接地故障情况下，采用步骤s1和s2即可实现故障选线；对于故障过渡电阻值较大情况下，采用步骤s1和s3即可实现故障选线。
[0073]
实施例2
[0074]
本实施例提供了一种配电网单相接地故障选线装置，包括：
[0075]
数据获取模块，用于获取逐级降低系统零序电压过程中各馈线零序电流；
[0076]
选线判定模块，用于采用如下两种选线判据进行选线：
[0077]
以初次测得零序电流为基准，计算调压后各馈线零序电流比例系数，零序电流比例系数大于预设比例系数阈值的馈线即为故障馈线；若无馈线满足，则计算调压过程中各馈线零序电流非线性畸变程度，非线性畸变程度最大的馈线即为故障馈线。
[0078]
本实施例中其他具体实现过程可参见实施例1，在此不再进行赘述。
[0079]
实施例3
[0080]
本实施例提供了一种配电网单相接地故障选线系统，包括系统零序电压控制模块、数据采集模块、选线模块；
[0081]
所述系统零序电压控制模块，用于对系统零序电压进行逐级降低控制；具体地，系统零序电压控制模块包括接地支路和布设在变压器一次侧绕组上的分接抽头；
[0082]
所述数据采集模块，用于采集所述系统零序电压控制模块逐级降低系统零序电压过程中各馈线零序电流。
[0083]
所述选线模块，用于获取逐级降低系统零序电压过程中各馈线零序电流，并采用如下两种选线判据进行选线：
[0084]
以初次测得零序电流为基准，计算调压后各馈线零序电流比例系数，零序电流比例系数大于预设比例系数阈值的馈线即为故障馈线；若无馈线满足，则计算调压过程中各馈线零序电流非线性畸变程度，非线性畸变程度最大的馈线即为故障馈线。
[0085]
具体实施时，可将控制系统零序电压控制模块动作的控制模块及选线模块集成在一个处理器中实现。
[0086]
实施例4
[0087]
本实施例一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载时实现如前述实施例所述的配电网单相接地故障选线方法。
[0088]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术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，本技术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。
[0089]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、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。
[0090]
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。
[0091]
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。
[0092]
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
[0093]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0094]
上述提供的实施例中，通过对系统零序电压进行主动调控，即逐级降低系统零序电压，此过程中，系统零序电压和非故障馈线的零序电流会降低，但是故障相电压和故障馈线零序电流会提高，从而逐级放大故障特征分量，有效解决谐振接地系统发生高阻接地故障时选线困难问题。采用两种判据融合选线方法，当故障点对地电阻远小于线路零序容抗时，利用调压过程中各馈线零序电流比例系数进行选线；当在过渡电阻较大的情况下，利用调压过程中各馈线零序电流非线性畸变程度辅助选线，可有效识别十数千欧接地故障馈线。本发明的方案仅需在变压器绕组上安装分接抽头以及相应接地支路，无需增加相应选线设备，大大减小了投资成本，具有很强的经济性。
[0095]
为了进一步理解本发明的技术方案，下面结合具体仿真实验对本发明的技术方案做进一步说明。
[0096]
仿真实验：
[0097]
为了验证本发明所提方案的可行性，在pscad/emtdc中搭建配电网单相接地故障模型如图5所示，高压侧绕组每相设置10个档位。模拟谐振接地运行方式下，线路l4发生rf＝200ω、1000ω以及2000ω的永久性接地故障，调控接地变压器的档位依次由x＝8(初始档位)至x＝6至x＝4(为了提高准确性，调控过程中不使用位于两端的档位接地)，监测各馈线零序电流变化情况如图6所示。图中虚线为本文所提判据1(零序电流比例系数判据)在k
rel
＝1.2时随档位变化情况，虚线上半部分为保护动作范围。由图可知，系统发生rf＝200ω的永久性接地故障时，由于rf较小，可近似认为故障馈线零序电流正比于故障相电压，因此在降档过程中故障馈线呈线性递增趋势，非故障馈线呈线性递减趋势，此时判据1有效动作，判据2(零序电流非线性畸变程度判据)无法动作。系统发生rf＝1000ω的永久性接地故障时，由于rf较大，无法忽略故障馈线对地电容电流，但此时故障接地电流仍占主导地位，线路总零序电流随着档位降低呈非线性增大趋势，此时判据1和判据2均可正常动作。继续增大过渡电阻值，当rf＝2000ω时，零序电容电流占主导地位，线路总零序电流随着档位降低呈非线性减小趋势，此时判据1在低档位点仍可正确动作，高档位点出现拒动情况，需要依靠判据2进行选线操作。
[0098]
为验证本文所提判据2在高阻接地故障下选线的准确性，模拟谐振接地方式下发生rf＝3000ω、rf＝5000ω时的永久性接地故障，调控变压器分接抽头由初始档位到最低档位，降档过程中观测各馈线零序电流变化情况，并将零序电流斜率方差记录如表1。由表可知，馈线l4的零序电流方差最大，因此可判馈线l4为故障馈线，与实际模拟的故障馈线吻合，证明了本发明所提方法的可行性。
[0099]
表1
[0100][0101]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。