一种新型单相接地故障判断系统及其工作方法与流程

本发明涉及一种电力系统的接地故障判断，尤其是一种单相接地故障判断系统及其工作方法。

背景技术：

在配电网馈线自动化系统流程中，线路故障判断是最关键的一环，配电网线路故障分为两大类：短路故障与单相接地故障。短路故障的判断与切除相对比较容易，实际运行中该故障的继保设备与功能也已比较完善，但不足之处在于对于大多数配电网系统，仍采用开断站内开关切除整条故障线路的方式来消除故障，停电影响范围较大。需要在线路上利用带自动化功能的开关将故障区段隔离出来停电，其它正常部分及时恢复供电。对于单相接地故障，由于我国配电网线路采用小电流接地运行方式，加之配电网系统本身的运行情况状态复杂多变，系统中发生单相接地故障时的故障电气特征量不明显，造成故障线路及位置判断困难，这也使得小电流接地系统的配电网单相接地故障成为多年困扰我国配电网运行的难题之一。如果能找到一种较为可靠的单相接地故障判断方法，并应用到线路开关中去，从而使得系统在发生单相接地故障时，线路上紧临故障区段的开关能够做出准确响应、判断、自动切除相应故障区段，并将故障信息发送给运行与检修人员进行现场处理，可大幅提高配电网供电可靠性。

当前我国城市地区配电网已多采用地下电缆或者架空绝缘导线形式，线路发生短路与单相接地故障的概率相对较低。而在农村以及山地地区，出于经济性考虑，仍主要使用架空裸导线方式铺设线路，平时由于各种自然或者人为原因的事故等，单相接地事故较多，尤其在山地地区，在冬季风雪或者夏季雷暴天气情况下，很容易接连发生线路单相接地情况，部分单相接地还会进一步恶化为短路故障，而故障发生时恶劣的天气条件往往又不适合外出巡线检修，只能先将整条线路停电等待天气转好才能开始检修；如果能实现故障区段的自动切除与隔离，山区用户供电可靠性将会有明显的提高。因此，研究山区配电网馈线自动化应用，具有重要的实际意义与价值。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种新型单相接地故障判断系统及其工作方法，以实现对配电网架空线路单相接地故障的准确判断为目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种新型单相接地故障判断系统，包括：设于线路上的智能开关，其与主站通讯连接，用于判定该线路是否发生单相接地故障，当发生接地故障时，及时向主站报告和/或向设定的运行检修人员手机发送故障信息；所述的智能开关包括采用小波方法判断单相接地故障的单相接地故障判断模块、用于通讯的通讯模块、用于实现线路通断的开关模块；所述的通讯模块与主站之间通过无线或有线网络相连。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

进一步的，所述的单相接地故障判断模块采用小波方法分析单相接地故障暂态过程中的频谱突变特征信息，得到一系列的突变数据，将这些多个特征量的突变量、突变方式归入一个属性判断集合，在这个集合中应用非定项属性决策原则，即根据频谱不同位置突变值选取不同的有效判据属性，判断所在线路是否发生接地故障。

一种新型单相接地故障判断系统的单相接地故障判断方法，其特征在于包括以下步骤：

1)智能开关采集零序电压与零序电流；

2)判断零序电压是否升高，若存在零序电压升高，则进入步骤3)；否则，返回步骤1)继续采集；

3)取出零序电压升高前后零序电流数据；

4)对零序电压升高前后零序电流数据采用小波函数进行高低频分解；

5)找出突变点，计算突变点附近高低频分量比值；

6)判断是否有超过设定数量比例过阈值，若有，则判定该条线路出现单向接地故障，否则，返回步骤1)继续采集。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

进一步的，在步骤4)中，采用db4-db8小波函数或db4-db9小波函数对零序电流的进行高低频分解。

进一步的，在采用db4-db8小波函数对零序电流的进行高低频分解后，得到小波高频值，其与该工频周期内小波其它段高频值平均值进行比较，得到一个倍数，当所有倍数值均超过判断故障的阈值时，则判断该智能开关所在线路为单相接地故障线路；否则认为该智能开关所在线路为非单相接地故障线路。

进一步的，在步骤6)中，判断标准为：是否有超过三个比例过阈值，若有，则判定该条线路出现单向接地故障，否则，返回步骤1)继续采集。

进一步的，离散小波定义如下式所示：

式中，为小波函数Ψ(t)的共轭；f(t)为连续的有限信号。

进一步的，运用小波方法分析单相接地故障暂态过程中的频谱突变特征信息，会得到一系列的突变数据，这些频谱突变有多个属性特征的变化，将这些多个特征量的突变量、突变方式归入一个属性判断集合，在这个集合中应用非定项属性决策原则，即根据频谱不同位置突变值选取不同的有效判据属性，判断所在线路是否发生接地故障，从而实现是否为该条线路发生接地故障的判断。

进一步的，当步骤6)判定该条线路出现单向接地故障后，延时以消除暂时性单向接地故障后，智能开关分闸。

有益效果：本技术方案基于时频谱突变原理，提出了一种利用小波变换提取突变特征量，运用非定项属性决策原则，进行单相接地故障施行判断方法。其单相接地故障判断准确性达到100％，且稳定性好。

附图说明

图1是本发明流程图。

图2是本发明单相接地故障判断试验系统图。

图3是本发明线路1故障开关1小波高频分析结果波形图。

图4是本发明线路2故障时开关1小波高频分析结果波形图。

图5(a)、5(b)、5(c)、5(d)为某四级分段开关分段的短路故障动作分析示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

本发明提出了一种新型单相接地故障判断系统，其包括设于线路上的智能开关，其与主站通讯连接，用于判定该线路是否发生单相接地故障，当发生接地故障时，及时向主站报告和/或向设定的运行检修人员手机发送故障信息；所述的智能开关采用小波方法判断单相接地故障的单相接地故障判断模块、用于通讯的通讯模块、用于实现线路通断的开关模块；所述的通讯模块与主站之间通过无线或有线网络相连。

其中，单相接地故障判断模块采用小波方法分析单相接地故障暂态过程中的频谱突变特征信息，得到一系列的突变数据，将这些多个特征量的突变量、突变方式归入一个属性判断集合，在这个集合中应用非定项属性决策原则，即根据频谱不同位置突变值选取不同的有效判据属性，判断所在线路是否发生接地故障。本技术方案要通过在试点变电站出线口上的普通柱上开关更换为带有该单相接地判断功能的智能柱上开关，实现了对单相接地故障的准确判断，为配电网馈线自动化的实现提供了关键设备，具有重要的实际应用价值。

以下结合附图对本实施例的原理、方法作进一步的说明：

1基于小波理论的单相接地故障判断

1.1单向接地故障判断原理

小电流接地配电网正常运行时，不会出现零序电压、零序电流。而当系统中发生单相接地故障时，就会出现零序电压、零序电流，其中零序电压、零序电流从无到有是一个突变信号量，也包括其频谱也会发生突变，这个突变在故障线路与非故障线中不相同，因此可以用于判断是否出现单相接地、同时判定何相出现单相接地故障。

但是这个频谱特征的突变，受限于时间窗口过于窄小，单纯傅立叶窗频谱分析效果并不好。小波对突变点的敏感特征适用于这种频谱突变的分析，可以利用小波变换算法将该频谱突变特征突出展现出来。

1.2小波理论

小波变换(Wavelet transform，WT)是一种变换分析方法，它继承和发展了短时傅立叶变换局部化的思想，同时又克服了窗口大小不随频率变化等缺点，能够提供一个随频率改变的“时间-频率”窗口，主要特点是通过变换能够充分突出问题某些方面的特征，能对时间(空间)频率的局部化分析，通过伸缩平移运算对信号(函数)逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，成为信号时频分析和处理的理想工具。小波分析对奇异信号非常敏感，特别适合分析奇异性强的电力系统暂态信号^[12-14]。

小波是由一个满足以下条件的函数：

通过平移和放缩而产生的一个函数族：

式(2)中，Ψ(t)为小波基函数，a为尺度因子，b为平移因子。a、b决定的谱变化；改变b将改变要分析的信号区域；改变a将影响对信号的时间和频率分辨率。

对一个连续的有限信号f(x)，其连续小波变换(Continue Wavelet Transform)定义式(3)所示：

为小波函数Ψ(t)的共轭。

考虑到实际观测信号都是离散的，a、b也要进行离散化，所以实际信号处理用的是离散小波变换。最常用的离散化方案是将a，b按2的幂次进行二进制离散，即取a＝2^j，b＝2^jk，则Ψ_ab(t)变为：

Ψ_j,k(t)＝2^-j/2ψ(2^-jt-k) (4)

离散小波定义^[6，11]如式(5)所示：

1.3小波的分解与重构

离散小波分析常用到多分辨分析的信号分解算法，即将信号对时间、频率进行不同的多个尺度分解，再提取所需的特征。

信号处理中采集到的采样信号，是原始信号的一个逼近近似，即使用采样所得的一个阶梯函数f_j来逼近；根据信号分析理论，该逼近信号f_j可分解为下列各分量之和^[7，12]：

f_j＝f_j-1+ω_j-1 (6)

f_j-1代表f_j中的低频部分，ω_j-1代表f_j中的高频部分，并且f_j-1还可以继续分解为f_j-2和ω_j-2：

f_j＝f₀+ω₀+ω₁+…+ω_j-1 (7)

如此就实现了信号的多尺度分解，通过对各个成分做不同处理后重构f_j，还可实现对信号的消噪、压缩及滤波等操作。

1.4小波单相接地故障频谱突变特征提取

小波分析中，Daubechies小波使用较多；该族小波常见有db1至db10十类；对于单相接地故障判断，本实施例试验表明，采用db4-db9频率突变分析较为合适，灵敏度较高。

1.5非定项属性决策原则用于故障判断

判断某一事件性质时，可能单个特征参数不起决定作用，而某几个联合对该事件性质起到主要作用；基于多个不定项属性对该事件性质进行判断的原则，称为非定项属性决策原则；该原则常用于复杂事物的特性描述及判断。

本实施例即是利用这个原则，将复杂多变的频谱突变特性归纳到一个明确的接地故障结论中去。

运用小波方法分析单相接地故障暂态过程中的频谱突变特征信息，会得到一系列的突变数据，这些频谱突变有多个属性特征的变化，将这些多个特征量的突变量、突变方式归入一个属性判断集合，在这个集合中应用非定项属性决策原则，即根据频谱不同位置突变值选取不同的有效判据属性，判断所在线路是否发生接地故障，从而实现是否为该条线路发生接地故障的判断。

2具体实现以及实际物理模拟试验验证

2.1判断算法

根据上述原理，本发明流程如图1所示，其包括以下步骤：

1)智能开关采集零序电压与零序电流；

2)判断零序电压是否升高，若存在零序电压升高，则进入步骤3)；否则，返回步骤1)继续采集；

3)取出零序电压升高前后零序电流数据；

4)对零序电压升高前后零序电流数据采用小波函数进行高低频分解；

5)找出突变点，计算突变点附近高低频分量比值；

6)判断是否有超过设定数量比例过阈值，若有，则判定该条线路出现单向接地故障，否则，返回步骤1)继续采集。

2.2算法及功能部署

以上算法在柱上智能柱上开关上实现，在判定该开关发生单相接地故障时，向主站上传故障消息，同时向设定的运行检修人员手机发送短信消息报告。主站只作为故障信息的详细展示以及记录统计功能使用，在主站不运行的情况下，智能开关仍可以向设定的联系人发送故障短信消息。在故障准确判定的条件下，结合配电网馈线自动化理论，可以实现对故障的自动隔离与恢复。

2.3实际物理模拟试验分析

如图2所示，其为用于验证本算法的具有两条出线的实际物理模拟试验系统，每条出线上都安装一台该智能开关，主变经消弧线圈接地，系统总电容电流为15A；模拟试验如下：

(1)接地故障位于线路1：开关1测量得到线路1上三相电压电流及零序电压电流波形如图3所示。故障发生后，线路1上零序电流为6.3A。图3中下方是采用db4小波与db5小波对零序电流的高频部分提取值波形。可以看出，在故障发生瞬间，零序电流有一个较高的高频分量，提取出db小波高频值，与该工频周期内小波其它段高频值平均值进行比较，得到一个倍数，db4-8小波得到的倍数值如表1所示，此处设置判断故障的阈值为30，所有倍数值均超过30，可以判断得到该开关所在线路即线路1为单相接地故障线路。

表1线路1故障时db4-8小波分析结果倍数表

Tab1 Analysis results of db4-8wavelet when fault occur on Line 1

(2)接地故障位于线路2：开关1测量得到线路1上三相电压电流及零序电压电流波形如图4所示。故障发生后，线路1上零序电流为3.2A。图4中下方同样是采用db4小波与db5小波对零序电流的高频部分提取值波形。db4-8小波得到的倍数值如表2所示。此处设置判断故障的阈值为30，所有倍数值均不超过该值，可以判断该开关所在线路即线路1不是单相接地故障线路。

实际模拟试验，验证了本实施例所提方法的准确性。

表2：线路2故障时db4-8小波分析结果倍数表

Tab2 Analysis results of db4-8wavelet when fault occur on Line 2

3山区配电网馈线自动化实际投运验证

3.1山区配电网馈线自动化基本结构

山区线路多采用架空线，线路距离长，用户分散，线路上安装的智能开关与主站的信息通讯一般不采用专网光纤通讯，而是通过公网运营商提供的通讯信道进行，如常见的GPRS以及短信通讯。此类通讯条件的通讯稳定性不高，信息实时性也难以保证，因此配电网自动化适合采用分布式方案，此时要实现线路上故障自动定位与隔离，需要应用电压时间型策略^[3，10]。

图5为某四级分段开关分段的短路故障动作分析示意：

图5(a)：正常运行时，除联络开关处于断开状态外，其余开关均处于闭合状态。

图5(b)：线路上开关2与开关3之间发生单相接地故障，站内开关保持闭合状态不动，开关2判断接地故障后跳闸切除故障，开关3，开关4因失电分闸。

图5(c)：开关2进行重合，因单相接地故障仍存在，开关2重合不成功，开关2重合不成功后闭锁，开关3探测到开关2重合不成功，也闭锁，从而实现对故障区段的隔离。

图5(d)：开关4自动合闸，恢复非故障段通电。

从该动作行为分析，短路判断是分布式配电自动化方案中的核心关键内容。

3.2单相接地故障跳闸延时

在试运行中发现，有超过一半的单相接地故障为暂时性故障，在一两分钟甚至更短时间内即会自行消失。因此对于单相接地故障的分闸应设置相对较长延时时间，这样可以避免因这种暂时性的单相接地故障造成系统的频繁停电的问题。

3.3试点运行结果分析

试点位于浙江余姚大岚35kV变电站，该变电站有7回出线，均处于山区，易发生故障。自2015年8月起在这7条出线上安装带单相接地功能的智能柱上开关以来，发生的单相接地故障运行记录如表3所示。

从实际运行结果可以看出，该算法在实际应用中有很高的判断准确度，除第一次故障因算法配置不合适未正确判断外，之后经过修正的算法实现了故障的准确判断，判断准确率达到100％；所有故障未出现非故障线路的单相接地故障误报现象；说明该算法具有很高的稳定性。

表3大岚变单相接地判断情况表

Tab.3 Results of single phase ground fault detection of Dalan substation

4结论

本实施例提出的配电网单相接地新型判断方法，首先通过了实际物理模拟试验；在山区实际配电网系统的实际验证中，排除第一次因算法配置不合适未正确判断后，其单相接地故障判断准确率达到了100％，且未再出现误报。

从试点运行情况表的备注可以看出，产生单相接地的原因很多；由于目前尚未采用基于本智能开关的配电网自动化系统，不仅形成了停电，也造成了供电设备的损毁。因此，及早实施基于本智能开关的配电网自动化，不仅条件成熟，而且对提高配电网可靠性、减少停电及设备故障等效益可观，推广意义很大。

以上图所示的一种新型单相接地故障判断系统及其工作方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。