一种变电站接地网故障诊断方法与流程

本发明涉及电力电气设备维护系统技术领域，尤其是涉及一种变电站接地网故障诊断方法。

背景技术：

电力系统变电站的接地网作为变电站的交直流设备接地及防雷保护接地，对系统的安全运行起着至关重要的作用，是维护电力系统安全可靠运行，保障电气设备和运行人员安全的重要措施。在接地网存在缺陷的情况下，如在电力系统发生因腐蚀损坏等原因而致的接地短路故障或遭受雷击时，设备接地点的电位以及地表的局部电位差都会异常升高，这些将直接危及设备和运行人员的生命安全；更严重的情况是在测控电缆表皮形成大的环流或其绝缘被击穿，使高压串入控制室，进一步损坏用于监测、控制的二次设备或使其误动，由此引起连锁的事故反应，最终可能导致大范围的系统和设备的重大事故甚至造成整个电网瘫痪。迄今在国内，每年因接地网故障所引起或扩大的电力系统事故都屡有发生，而每次事故都带来巨大的经济损失和不良的社会影响。

目前，接地网的故障诊断方法主要有三种：一是基于电路理论，通过建立故障诊断方程并结合相应优化算法实现接地网的故障诊断，但该方法运算较为复杂，诊断方程病态程度较高影响诊断精度，且当接地网仅局部存在轻微故障时难以通过该方法得到识别诊断。二是基于电场理论，通过向接地网注入激励电流探测地表电位分布，从而对接地网进行故障诊断，但该方法所需测点较多工作量大，且较难区分导体断裂故障与腐蚀故障类型。三是基于电磁场理论，通过向接地网注入激励电流探测地表面的磁感应强度，根据磁感应强度的分布特征对接地网进行故障诊断，但该方法测点布置需覆盖整个接地网，而实际应用中由于变电站现场情况，难以实现对所有测点的磁感应强度进行准确测量，且当故障点位于长导体中部时，该方法较难对故障位置进行准确定位。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种变电站接地网故障诊断方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种变电站接地网故障诊断方法，该方法包括以下步骤：

1)实时获取接地网地表电位及磁感应强度分布数据；

2)将所述接地网地表电位及磁感应强度分布数据与存储于数据库中的历史接地网地表电位及磁感应强度分布数据进行比较，计算接地网导体的综合灰色绝对关联度；

3)根据所述接地网导体的综合灰色绝对关联度判断变电站接地网是否存在故障及识别故障类型。

所述步骤1)具体包括以下步骤：

101)应用交流信号发生器通过一可及节点向所述变电站接地网注入交流激励电流，测量接地网测点处的地表电位和磁感应强度；

102)基于所述接地网测点处的地表电位和磁感应强度，利用抗差最小二乘法计算接地网非测点处的地表电位与磁感应强度；

103)获得接地网地表电位及磁感应强度分布数据。

所述步骤101)中，测点通过以下方式选取：

以节点为分割点将接地网分成若干导体，选取导体的六等分点为测点。

所述步骤102)具体为：

121)对某一导体，根据导体上的测点位置坐标x＝[x0,x1,…,x6]^t及相应测点的含有现场测量误差的地表电位或磁感应强度测量值构造正交多项式{pl(x)}，其递推关系式为：

式中，pk(x)为首项系数为1的k次多项式；ak,βk为多项式系数；

根据pk(x)的正交性得出ak,βk与pk(x)的关系式，其表达式为：

将ak,βk的表达式代入{pl(x)}的递推式，逐步递推得到{pl(x)}中的每一项，进而完成对正交多项式的构造；

122)根据测点位置坐标及所构造的正交多项式，得到含有现场测量误差的参数矩阵，其表达式为：

式中，h为7×(l+1)维不含误差时的参数矩阵真值；eh为7×(l+1)维参数矩阵元素的随机误差；

123)根据参数矩阵使用抗差最小二乘法经迭代过程计算正交多项式{pl(x)}的系数，所述的抗差最小二乘法的迭代终止准则为前后两次迭代计算所得的多项式系数之差的范数小于设定阈值，其表达式为：

式中，为第i次迭代所得的多项式系数；δ为设定误差；

所述的正交多项式的系数初值根据最小二乘法的求解准则确定为：

所述的最小二乘法求解准则为测量值余差向量v的二范数平方为最小，其表达式为：

式中，vi为向量v中元素；

所述的正交多项式系数的迭代计算公式为：

式中，p＝{ω(u)}为等价权，其中，ω(u)的表达式为：

式中，

其中，h^t为参数矩阵的行向量；分别为向量和向量h^t中的第m个元素；

124)根据所得正交多项式及表达式系数，计算得到导体上方地表电位或磁感应强度表达式；所述表达式为：

f(x)＝f^tpl(x)

式中，x为地表点坐标；ft为拟合得到的表达式系数向量；pl(x)为正交多项式；

125)对所有导体按上述方法计算其地表电位及磁感应强度表达式，将地表点坐标代入表达式计算出其地表电位及磁感应强度，进而叠加得到全部的地表电位及磁感应强度分布。

所述步骤2)中，计算接地网导体的综合灰色绝对关联度具体为：

201)根据所述接地网地表电位及磁感应强度分布数据与存储于数据库中的历史接地网地表电位及磁感应强度分布数据对应获取四条曲线；

202)对所述四条曲线分别进行始点零化处理，其计算公式为：

y⁰＝{y(1)-y(1),y(2)-y(1),…,y(n)-y(1)}

式中，y(k)为曲线y上的第k个数据点，k＝1,2,…,n，其中，n为曲线上数据点数；

203)令并分别计算四条曲线的s；

204)计算导体的综合灰色绝对关联度，其计算公式为：

式中，s01为历史地表电位曲线的s计算结果；sg1为当下实测计算所得电位曲线的s计算结果；s02为历史磁感应强度曲线的s计算结果；sg2为当下实测计算所得磁感应强度曲线的s计算结果。

所述步骤3)中，当综合灰色绝对关联度adi小于1.7，则判断该部分曲线所对应的导体部分存在腐蚀故障；当综合灰色绝对关联度adi小于0.9，则判断该部分曲线所对应的导体部分发生断裂故障。

与现有技术相比，本发明可以在不开挖变电站的前提下，对接地网的故障类型及故障位置进行较为准确的判断，具有以下优点：

1)本发明利用数据库中变电站接地网地表电位及磁感应强度分布的历史数据与依据现场有限个测点的地表电位及磁感应强度测量值计算得到的接地网当下实际地表电位及磁感应强度进行比较，能够准确获取接地网地表电位及磁感应强度随导体状态的变化情况，进而判断变电站接地网的故障，极大提高了接地网故障诊断的精确性。

2)本发明的测点的选择方式大大减少了现场测试的工作量，对大型接地网尤为明显。

3)本发明利用抗差最小二乘算法计算接地网非测点处的地表电位与磁感应强度，能够通过迭代改变权因子，最大限度消除现场测量误差对计算结果的影响，提高了计算模型的准确性。

4)本发明利用曲线方式计算其综合灰色绝对关联度，可直观地反映出导体地表电位及磁感应强度的变化情况，进而对接地网进行故障诊断。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明提供了一种基于综合灰色绝对关联度的变电站接地网故障诊断方法，包括下列步骤：

(1)应用交流信号发生器通过一可及节点向所述变电站接地网注入交流激励电流，使用工频参数测试仪沿接地导体上方测量地表电位；使用探测线圈对地表面磁场进行感应，由数据采集系统采集探测线圈的感应电压信号，获得接地网测点处的地表电位和磁感应强度。

选取测点时，以节点为分割点将接地网分成若干导体，并选取导体的六等分点为测点。

根据感应电压信号计算磁感应强度，磁感应强度计算公式为：

式中，bim为磁感应强度某一方向分量的幅值；vom为感应电压信号幅度；fc为激励电流频率；n为探测线圈匝数；s为探测线圈截面积；a为数据采集器对信号的放大增益。

(2)根据测点的地表电位及磁感应强度测量结果，使用抗差最小二乘法计算接地网导体非测点处的地表电位与磁感应强度，具体计算步骤如下：

2a.对某一导体，根据导体上的测点位置坐标x＝[x0,x1,…,x6]^t及相应测点的含有现场测量误差的地表电位或磁感应强度测量值构造正交多项式{pl(x)}，其递推关系式为：

式中，pk(x)为首项系数为1的k次多项式；ak,βk为多项式系数；

根据pk(x)的正交性得出ak,βk与pk(x)的关系式，其表达式为：

将ak,βk的表达式代入{pl(x)}的递推式，逐步递推得到{pl(x)}中的每一项，进而完成对正交多项式的构造；

2b.根据测点位置坐标及所构造的正交多项式，得到含有现场测量误差的参数矩阵，其表达式为：

式中，h为7×(l+1)维不含误差时的参数矩阵真值；eh为7×(l+1)维参数矩阵元素的随机误差；

2c.根据参数矩阵使用抗差最小二乘法经迭代过程计算正交多项式{pl(x)}的系数，抗差最小二乘法的迭代终止准则为前后两次迭代计算所得的多项式系数之差的范数小于设定阈值，其表达式为：

式中，为第i次迭代所得的多项式系数；δ为设定误差；

正交多项式的系数初值根据最小二乘法的求解准则确定为：

最小二乘法求解准则为测量值余差向量v的二范数平方为最小，其表达式为：

式中，vi为向量v中元素；

正交多项式系数的迭代计算公式为：

式中，p＝{ω(u)}为等价权，其中，ω(u)的表达式为：

式中，

其中，h^t为参数矩阵的行向量；分别为向量和向量h^t中的第m个元素；

2d.根据所得正交多项式及表达式系数，计算得到导体上方地表电位或磁感应强度表达式，其计算公式为

f(x)＝f^tpl(x)

式中，x为地表点坐标；f^t为拟合得到的表达式系数向量；pl(x)为正交多项式；

2e.对所有导体按上述方法计算其地表电位及磁感应强度表达式，将地表点坐标代入表达式计算出其地表电位及磁感应强度，进而叠加得到全部的地表电位及磁感应强度分布。

(3)将接地网地表电位及磁感应强度分布结果与数据库中的历史地表电位及磁感应强度分布结果进行比较，计算接地网导体的综合灰色绝对关联度(greyabsolutecorrelation,adi)。若一接地导体的adi小于1.7，则判断该部分导体存在腐蚀故障；若一接地导体的adi小于0.9，则判断该部分曲线所对应的导体部分发生断裂故障，从而完成对变电站接地网的故障类型及故障位置诊断。接地网导体的adi可用如下方法计算：

3a.根据所述接地网地表电位及磁感应强度分布数据与存储于数据库中的历史接地网地表电位及磁感应强度分布数据对应获取四条曲线，这四条曲线分别进行始点零化处理，其计算公式为：

y⁰＝{y(1)-y(1),y(2)-y(1),…,y(n)-y(1)}

式中，y(k)为曲线y上的第k个数据点，k＝1,2,…,n，其中，n为数据点数；

3b.令并分别计算四条曲线的s；

3c.计算导体的综合灰色绝对关联度，其计算公式为：

式中，s01为历史电位曲线的s计算结果；sg1为当下实测计算所得电位曲线的s计算结果；s02为历史磁感应强度曲线的s计算结果；sg2为当下实测计算所得磁感应强度曲线的s计算结果。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。