基于行波幅值测度的配电网电缆故障监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于行波幅值测度的配电网电缆故障监测方法，属于电缆故障监测技 术领域。
【背景技术】
[0002] 我国配电网广泛采用中性点非有效接地方式，这种接地方式具有供电可靠性高的 优点，但是，其单相接地故障发生率最高。当发生单相接地故障后，非故障相电压升高为原 来的1.732倍，个别情况下，接地电容电流可能引起故障点电弧飞越，瞬时出现比相电压大 4-5倍的过电压，导致绝缘击穿，进一步扩大成两点或多点接地短路；故障点的电弧还会引 起全系统过电压，常常烧毁电缆甚至引起火灾。因此，配电网的单相接地故障严重威胁配电 网的安全可靠性，为防止事故扩大，运行中希望尽快选择出故障线路并进行处理。但是，由 于单相接地是通过电源绕组和输电线路对地分布电容形成短路回路，故障点的接地电流很 小，单相接地故障选线和故障定位问题长期以来没有得到很好地解决。
[0003] 基于不同原理的故障选线原理各有利弊。信号注入法虽然准确可靠，但需要额外 添加设备，经济性太差。发生小电流接地故障时，微弱故障稳态电流的提取困难是利用故障 稳态分量检测接地故障的主要问题。与利用稳态信号相比，由于暂态信号幅值远大于稳态 信号，利用暂态信号进行故障检测有较好的灵敏性和选择性，但暂态量选线的最大问题是 难以排除干扰、选出故障的特征频带。
[0004] 中国专利文献CN103217622A公开了一种基于多端电压行波的配电网故障选线方 法，属于电力系统继电保护技术领域。其步骤为：在配电网中的变电站及各主干线路分支末 端安装行波采集装置；利用变电站母联开关分合闸产生行波信号，计算主干线路上各分支 末端的故障行波到达的初始时间与变电站母线处的故障行波到达的初始时间的时间差，得 到基准时间数组；计算故障时主干线路上各分支末端的故障行波到达的初始时间与变电站 母线处的故障行波到达的初始时间的时间差，建立故障时间数组；将基准时间数组与故障 时间数组进行最小二乘拟合，实现各采集点记录的行波到达时间的信息融合处理，查出故 障线路。但是，该专利没有考虑到接地电阻过高、故障初相角的情况，故障仿真太单一，不能 很好地应用于实际情况。
[0005] 中国专利文献CN102279346B-种小电流接地系统故障选线方法，包括以下步骤： 将保护装置采集到的样本数据按照空间距离分为故障类和非故障类，并计算各类中心；当 线路出口零序电压越限时，记录待测样本数据；计算待测样本与故障类中心和非故障类中 心的距离，根据距离的远近判断线路是否发生故障。该专利利用样本数据的故障选线方法， 提出故障选线方法利用空间相对距离作为判据，打破了将故障特征量与整定值进行比较作 为保护判据的传统。但是，该专利需要大量的样本数据来作为依据，受到样本数据准确性的 制约，限制性太大。
[0006] 综上所述，中性点非有效接地电网受多种因素的影响导致准确监测出接地故障非 常困难。因此，进一步研究利用初始行波和故障测度相结合的故障选线方法，具有良好的应 用前景。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的不足，本发明提供了基于行波幅值测度的配电网电缆故障监测方 法；
[0008] 术语解释
[0009] 1、故障测度，是指在某判据基准下能够表征各自线路与故障线路的特征的相近 程度的一种正实数。在同一电压等级电网的多条线路中，倘若某一条线路的故障测度 最大，则能表明该线路为故障线路的可能性是最大。参见：贾清泉、杨奇逊、杨以涵.基 于故障测度概念与证据理论的配电网单相接地故障多判据融合[J].中国电机工程学 报，2003, 12:9-14。
[0010] 2、行波幅值测度，是指在零模初始电流行波幅值特征基准下能够表征各自线路与 故障线路的特征的相近程度的一种正实数。在同一电压等级电网的多条线路中，倘若某一 条线路的故障测度最大，则能表明该线路为故障线路的可能性是最大。
[0011] 本发明的技术方案为：
[0012] 基于行波幅值测度的配电网电缆故障监测方法，应用于共有N条馈线的中性点非 有效接地电网，具体步骤包括：
[0013] (1)采集各条馈线的三相初始电流行波信号：通过电流互感器对配电网的各条馈 线米集二相的初始电流行波彳目号；
[0014] (2)获取各条馈线的零模初始电流行波信号：通过相模变换，将步骤（1)获取的三 相的初始电流行波信号转变为零模初始电流行波信号；
[0015] (3)获取各条馈线的零模初始电流行波小波模极大值m(j):对各条馈线的零模 初始电流行波信号进行小波变换，得到各条馈线的零模初始电流行波小波模极大值m(j)， je[1,N]；
[0016](4)计算各条馈线的行波幅值测度C(j)，所述行波幅值测度C(j)的定义公式如式 (I)所示：
(I )
[0018] 式（I)中，C(j)表示第j条馈线行波幅值测度，即表示故障发生第j条馈线 的可能性；c(j)的取值范围为[0, 1] ;M(j)表示第j条馈线零模初始电流行波小波模极 大值的幅值，M(j) > 0,即M(j) = |m(j) | ; &〃》= M(l)表示第1条馈线零模初 M 始电流行波小波模极大值的幅值，M(l) > 0,即M(l) = |m(l) |，1G[1，N]且1乒j;函 数sgn[M(j)-M(l)]用来反映某两条馈线零模初始电流行波小波模极大值的幅值差值的 大小，取值为 1、〇 或-1，当M(j) >M(l)时，sgn[M(j)-M(l)] = 1 ;当M(j) =M(l)时， sgn[M(j)-M(l)] = 0 ;当M(j) <M(l)时，sgn[M(j)-M(l)] = -1 ;
[0019] (5)根据步骤⑷计算的各条馈线的行波幅值测度C(j)输出小电流接地故障选线 的结果：当C(j) = 1时，第j条馈线为故障馈线；当C(j) = 0时，第j条馈线为健全馈线。
[0020] 本发明的工作基础原理为：
[0021] 配电网中，母线与故障馈线的连接点为波阻抗不连续点。当故障初始行波到达该 点时，故障初始行波发生折射及反射，折射行波进入母线，反射行波返回故障馈线。折射行 波在母线中的波过程很快结束，继续推进到其它馈线中去，折射行波在其它馈线末端发生 反射，当此反射行波推进到母线之前，故障馈线在母线附近位置存在入射波和反射波，其它 线路在母线附近位置仅存在折射波。这一过程就是所谓的初始波过程，如图1所示。
[0022] 谐振接地系统与中性点不接地系统的主要区别在于中性点的等效波阻抗，故障初 始行波在母线上的折射及反射，配电网采用谐振接地运行方式，即中性点经消弧线圈接地。 中性点的等效波阻抗相当于消弧线圈的等效波阻抗。由于初始行波的频率很高，配电变压 器的波阻抗与频率成正比，因此，基本没有行波通过配电变压器传播到电源。
[0023] 本发明针对零模初始电流行波分析，不考虑初始电流行波在线路上的衰减，认为 推进到母线的入射行波与从故障点开始向母线推进的行波完全相同。
[0024] 变压器二次侧零模波阻抗与中性点波阻抗的串联称为中性点到母线的零模等效 波阻抗，用Z' %来表示。
[0025] 设定各馈线的波阻抗均相等，贝令ZU()=Z_= . .. =Z_=Z。故障馈线产生故 障初始行波i?，沿故障馈线推进到母线时发生折射及反射，入射波的波阻抗为各馈线的波 阻抗Z，折射波的波阻抗&为N-1条健全馈线波阻抗以及中性点等效波阻抗Z' %的并联， 如电流折反射系数式（II)所示：
(II):
[0026]
[0027] 由式（II)推出，故障馈线的折射波izz及故障馈线的反射波if分别为：
[0028]
〇[1)
[0029] 每条健全馈线上流过的折射波iz为：
[0030]
(IV)
[0031] 行波的波速很快，而且母线上各馈线的电流互感器安装点离母线的距离极短，因 此，从电流互感器上测得的故障线路零模初始电流行波iN为入射波和反射波的叠加，而健 全线路零模初始电流行波^仅为折射波，ijPiN的幅值表达式如式（V)所示：
[0032]
[0033] 根据电力系统的统一规定：电流从母线流向线路为正方向。故