一种中性点非有效接地系统接地故障相辨识方法与流程

本发明涉及配电系统技术领域，具体为一种中性点非有效接地系统接地故障相辨识方法。

背景技术：

配电网6kV以上电压等级有95％以上均采用中性点非有效接地方式运行，大多数的停电故障均由接地引起，每年造成损失上千亿元，系统接地故障相辨识的精度和灵敏度受接地电阻的影响很大，而接地电阻变化范围很大，从十几欧姆到数十千欧姆，现有的接地故障相辨识技术，难以适应如此大范围变化的接地电阻，尤其在电网对地参数不平衡以及高阻接地故障下，感知困难，更容易产生误判，难以实现高效、精确的故障相辨识，如不能及时、准确地判断接地故障相，就无法第一时间对接地故障进行处理，时间长将导致绝缘击穿，产生弧光过电压，并造成相间短路、导致设备烧毁，甚至引发“火烧连营”事故。

参考中国专利公开号为CN109085450A，公开了小电流接地系统故障选相方法及装置，提出了通过获取小电流接地系统的零序电压和各相对地电压，并根据零序电压获取小电流接地系统的状态，当小电流接地系统的状态处于接地故障状态时，根据各相对地电压确定电压突变量信息值序列，最后根据电压突变量信息值序列确定接地故障相别，具体的当突变量信息值序列中仅有一相信息值为第二数值时(用1表示)，获取中性点接地方式信息值，当中性点接地方式信息值为第一数值时(用0表示)，则根据各相对地电压突变所获得的第二数值(用1表示)对应线路的左侧相为接地故障相；当中性点接地方式信息值为第二数值(用1表示)时，则根据各相对地电压突变所获得的第二数值(用1表示)对应线路的右侧相为接地故障相，该专利中性点接地方式信息值根据系统的接地方式确定，当系统的接地方式为中性点不接地方式或消弧线圈欠补偿接地时，中性点接地方式信息值为第二数值(用1表示)；当系统的接地方式为消弧线圈过补偿接地时，中性点接地方式信息值为第一数值(用0表示)，经分析该专利有如下缺陷：

(1)接地过程三相对地电压存在振荡，会导致该专利所述方法获取电压突变量信息值序列在振荡周期内多次出现错误的序列值，另外故障接地后，接地电阻会随着绝缘的击穿和恢复，以及电弧的燃烧情况随机变化，这也会导致三相电压在这过程中会发生振荡，容易获取到错误的电压突变量信息值序列，导致故障相辨别错误，因此该专利采用多次获取电压突变量信息值序列来防止误判，其过程为：在系统还处于接地故障状态时，每隔一段时间获取一次电压突变量信息值序列，例如：所述一段时间可以取0.5秒，再获取相同电压突变量信息值序列的连续出现次数，当连续预设次数获取的电压突变量信息值序列相同时，则表示获取的电压突变量信息值序列为稳定的序列，可以作为故障相判断的依据，例如：所述预设次数可以为五次，当所述电压突变量信息值序列连续出现次数为五次时，则认为该电压突变量信息值序列为稳定序列，否则重新获取电压突变量信息值序列并重新进行计数，由此可见该发明所述故障相辨识方法具有很大的时延，必须等到接地电阻稳定后，在连续5次(每次0.5秒)的电压突变信息值序列的采样周期内，三相对地电压必须无振荡才能判别出故障相，而实际故障接地过程中，特别是燃弧过程中，接地电阻有可能一直处于变化的状态，导致三相对地电压长期处于振荡状态，在这种情况下，该专利所述故障相辨识方法就有会失效；

(2)该专利只用到了三相对地电压信息作为故障相判别的依据，信息量不够，在线路负载突变，三相不平衡突变状态下，容易产生误判。

参考中国专利公开号为CN108957223A，公开了一种欠补偿配电网单相高祖接地故障接地相辨别非法，通过比较配电网单相接地故障和正常运行时的零序电压幅值和相位，得到故障时零序电压的幅相变化特征，再将该特征与A、B、C三相分别发生单相接地故障时的零序电压幅相变化规律进行对比，以故障特征满足某一相接地故障时的零序电压变化规律为依据，从而辨别出单相接地故障相，该方法所用的信息量只有零序电压的幅值和相位，信息量太少，在电网单相负载突变，三相不平衡状态下，容易产生误判。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种中性点非有效接地系统接地故障相辨识方法，解决了现有的方法在故障时接地电阻变化、线路负载突变和三相不平衡情况下，故障相辨识的实时性差，且容易误判，难以实现高效、精确的故障相辨识的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种中性点非有效接地系统接地故障相辨识方法，具体包括以下步骤：

S1、经过FFT计算后得到相应的电压幅值Uat、Ubt、Uct和相位θat、θbt、θct；

S2、取固定采样点数，对三相电压幅值Uat、Ubt、Uct和相位θat、θbt、θct进行求均值平滑处理，并实时保存该均值为Uar、Ubr、Ucr和θar、θbr、θcr；

S3、当检测到瞬时的三相电压幅值Uat、Ubt、Uct和相位θat、θbt、θct值与上一次步骤S2中所保存的均值Uar、Ubr、Ucr和θar、θbr、θcr之差绝对值分别大于设定的数值时δ1和1时，将上一次的均值设定为故障前的电压幅值Ua0、Ub0、Uc0和相位θa0、θb0、θc0，同时将标志位GroundU和Groundθ置1；

S4、当检测到当前的瞬时三相电压幅值Uat、Ubt、Uct和相位θat、θbt、θct与上一次步骤S2中所保存的均值Uar、Ubr、Ucr和θar、θbr、θcr之差绝对值分别小于设定的数值时δ2和2，且标志位GroundU和Groundθ为1时，将标志位GNDU和GNDθ置1，同时判断三相电压和相位均值Uar、Ubr、Ucr和θar、θbr、θcr是否分别大于故障前的电压幅值和相位Ua0、Ub0、Uc0和θa0、θb0、θc0，如果大于则将相应的幅值标志Au、Bu、Cu和相位标志Aθ、Bθ、Cθ置1，否则置0；

S5、在GNDU和GNDθ为1时：

当Au＝0、Bu＝1、Cu＝1，则判断故障相为A相；

当Au＝1、Bu＝0、Cu＝0，则判断故障相为B相；

当Au＝1、Bu＝1、Cu＝0，则判断故障相为C相。

优选的，所述步骤S1中系统仅需对三相对地电压Ua、Ub、Uc进行采样，三相对地电压Ua、Ub、Uc可表示如下：

优选的，所述步骤S3中标志位GroundU和Groundθ，将用于逻辑同步。

优选的，所述步骤S5中，当Au＝0、Bu＝0、Cu＝1，如果Aθ＝1、Bθ＝0、Cθ＝0则判断出故障相为A相，如果Aθ＝0、Bθ＝1、Cθ＝0则可判断出故障相为B相，在Aθ、Bθ、Cθ为其他状态情况下，当Uat<Ubt，则判断故障相为A相，当Ubt<Uat，则判断故障相为B相。

优选的，所述步骤S5中，当Au＝1、Bu＝0、Cu＝0，如果Aθ＝0、Bθ＝1、Cθ＝0则判断出故障相为B相，如果Aθ＝0、Bθ＝0、Cθ＝1则可判断出故障相为C相，在Aθ、Bθ、Cθ为其他状态情况下，当Ubt<Uct，则判断故障相为B相，当Uct<Ubt，则判断故障相为C相。

优选的，所述步骤S5中，当Au＝0、Bu＝1、Cu＝0，如果Aθ＝1、Bθ＝0、Cθ＝0则判断出故障相为A相，如果Aθ＝0、Bθ＝0、Cθ＝1则可判断出故障相为C相，在Aθ、Bθ、Cθ为其他状态情况下，当Uat<Uct，则判断故障相为A相，当Uct<Uat，则判断故障相为C相。

(三)有益效果

本发明提供了一种中性点非有效接地系统接地故障相辨识方法。与现有技术相比具备以下有益效果：

(1)该中性点非有效接地系统接地故障相辨识方法，通过以下步骤：S1、经过FFT计算后得到相应的电压幅值Uat、Ubt、Uct和相位θat、θbt、θct，S2、取固定采样点数，对三相电压幅值Uat、Ubt、Uct和相位θat、θbt、θct进行求均值平滑处理，并实时保存该均值为Uar、Ubr、Ucr和θar、θbr、θcr，S3、当检测到瞬时的三相电压幅值Uat、Ubt、Uct和相位θat、θbt、θct值与上一次步骤S2中所保存的均值Uar、Ubr、Ucr和θar、θbr、θcr之差绝对值分别大于设定的数值时δ1和1时，将上一次的均值设定为故障前的电压幅值Ua0、Ub0、Uc0和相位θa0、θb0、θc0，同时将标志位GroundU和Groundθ置1，S4、当检测到当前的瞬时三相电压幅值Uat、Ubt、Uct和相位θat、θbt、θct与上一次步骤S2中所保存的均值Uar、Ubr、Ucr和θar、θbr、θcr之差绝对值分别小于设定的数值时δ2和2，且标志位GroundU和Groundθ为1时，将标志位GNDU和GNDθ置1，同时判断三相电压和相位均值Uar、Ubr、Ucr和θar、θbr、θcr是否分别大于故障前的电压幅值和相位Ua0、Ub0、Uc0和θa0、θb0、θc0，如果大于则将相应的幅值标志Au、Bu、Cu和相位标志Aθ、Bθ、Cθ置1，否则置0，S5、在GNDU和GNDθ为1时：当Au＝0、Bu＝1、Cu＝1，则判断故障相为A相，当Au＝1、Bu＝0、Cu＝0，则判断故障相为B相，当Au＝1、Bu＝1、Cu＝0，则判断故障相为C相，可很好地解决故障相接地瞬间及接地过程中，由于接地电阻的变化造成三相对地电压的振荡，以及电网中单相负载突变所致三相不平衡，给故障相检测带来的影响和误判。

(2)该中性点非有效接地系统接地故障相辨识方法，采用特有的同步机制，获得三相电压幅值和相位的单次变化状态值，仅对三相对地电压幅值和相位的单次变化状态值进行综合判断，就能够确定故障相，大大提高了故障相检测的准确性和实时性，在任何接地阻抗及三相不平衡状态下都能够快速准确地判别故障相。

附图说明

图1为本发明电力系统线路图；

图2为本发明工作流程图；

图3为本发明根据三相对地电压幅值和相位信息标志位Au、Bu、Cu和Aθ、Bθ、Cθ来判断故障相的数据表图；

图4为本发明幅值标志Au、Bu、Cu和相位标志Aθ、Bθ、Cθ的工况流程图；

图5为本发明接地电阻设置为10欧姆时瞬时三相电压幅值Uat、Ubt、Uct、均值为Uar、Ubr、Ucr以及幅值标志Au、Bu、Cu的仿真实验统计图；

图6为本发明接地电阻设置为10欧姆时瞬时相位θat、θbt、θct的仿真实验统计图；

图7为本发明电网单相负载突变造成的三相不平衡，对三相对地电压幅值影响的实验仿真图；

图8为本发明电网单相负载突变造成的三相不平衡，对三相对地电压相位影响的实验仿真图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图8，本发明实施例提供一种技术方案：一种中性点非有效接地系统接地故障相辨识方法，具体包括以下步骤：

S1、经过FFT计算后得到相应的电压幅值Uat、Ubt、Uct和相位θat、θbt、θct，系统仅需对三相对地电压Ua、Ub、Uc进行采样，三相对地电压Ua、Ub、Uc可表示如下：

S2、取固定采样点数，对三相电压幅值Uat、Ubt、Uct和相位θat、θbt、θct进行求均值平滑处理，并实时保存该均值为Uar、Ubr、Ucr和θar、θbr、θcr；

S3、当检测到瞬时的三相电压幅值Uat、Ubt、Uct和相位θat、θbt、θct值与上一次步骤S2中所保存的均值Uar、Ubr、Ucr和θar、θbr、θcr之差绝对值分别大于设定的数值时δ1和1时，将上一次的均值设定为故障前的电压幅值Ua0、Ub0、Uc0和相位θa0、θb0、θc0，同时将标志位GroundU和Groundθ置1，标志位GroundU和Groundθ，将用于逻辑同步；

S4、当检测到当前的瞬时三相电压幅值Uat、Ubt、Uct和相位θat、θbt、θct与上一次步骤S2中所保存的均值Uar、Ubr、Ucr和θar、θbr、θcr之差绝对值分别小于设定的数值时δ2和2，且标志位GroundU和Groundθ为1时，将标志位GNDU和GNDθ置1，同时判断三相电压和相位均值Uar、Ubr、Ucr和θar、θbr、θcr是否分别大于故障前的电压幅值和相位Ua0、Ub0、Uc0和θa0、θb0、θc0，如果大于则将相应的幅值标志Au、Bu、Cu和相位标志Aθ、Bθ、Cθ置1，否则置0；

S5、在GNDU和GNDθ为1时：

当Au＝0、Bu＝1、Cu＝1，则判断故障相为A相；

当Au＝1、Bu＝0、Cu＝0，则判断故障相为B相；

当Au＝1、Bu＝1、Cu＝0，则判断故障相为C相，当Au＝0、Bu＝0、Cu＝1，如果Aθ＝1、Bθ＝0、Cθ＝0则判断出故障相为A相，如果Aθ＝0、Bθ＝1、Cθ＝0则可判断出故障相为B相，在Aθ、Bθ、Cθ为其他状态情况下，当Uat<Ubt，则判断故障相为A相，当Ubt<Uat，则判断故障相为B相，当Au＝1、Bu＝0、Cu＝0，如果Aθ＝0、Bθ＝1、Cθ＝0则判断出故障相为B相，如果Aθ＝0、Bθ＝0、Cθ＝1则可判断出故障相为C相，在Aθ、Bθ、Cθ为其他状态情况下，当Ubt<Uct，则判断故障相为B相，当Uct<Ubt，则判断故障相为C相，当Au＝0、Bu＝1、Cu＝0，如果Aθ＝1、Bθ＝0、Cθ＝0则判断出故障相为A相，如果Aθ＝0、Bθ＝0、Cθ＝1则可判断出故障相为C相，在Aθ、Bθ、Cθ为其他状态情况下，当Uat<Uct，则判断故障相为A相，当Uct<Uat，则判断故障相为C相。实验仿真

由图5和图6可知，本发明的方法仿真在0.4s处设置A相故障，接地电阻设置为10欧姆，可以看到接地瞬间，A、B、C三相对地电压的幅值Uat、Ubt、Uct和相位θat、θbt、θct都有明显的振荡，通过求均值平滑滤波得到Uar、Ubr、Ucr和θar、θbr、θcr，从而消除了信号振荡的影响，通过同步技术使得三相对地电压幅值和相位信息标志位Au、Bu、Cu和Aθ、Cθ、Cθ同步触发，避免了信号的不同步造成选相结果A_Phase_Ground、B_Phase_Ground、C_Phase_Ground的错误输出，其中A_Phase_Ground、B_Phase_Ground、C_Phase_Ground三个信号分别代表A、B、C三相的故障状态，输出结果为1表示该相故障相，为0表示该相为非故障相，在低接地电阻(10欧姆)状态下，从故障接地开始到故障选相完成只需0.04秒，而且只需一次判断即可成功选相。

本发明所述方法仿真结果，同样在0.4s处设置A相故障，接地电阻设置为10千欧姆，在高接地电阻状态下，A、B、C三相对地电压的幅值Uat、Ubt、Uct和相位θat、θbt、θct振荡更加剧烈，通过均值平滑滤波也能够很好地消除了信号振荡的影响，通过综合三相对地电压幅值和相位信息标志位Au、Bu、Cu和Aθ、Bθ、Cθ成功地实现了故障相判别结果A_Phase_Ground＝1，B_Phase_Ground＝0，C_Phase_Ground＝0。

由表图3列出了如何根据三相对地电压幅值和相位信息标志位Au、Bu、Cu和Aθ、Bθ、Cθ来判断故障相，其中*号代表既可以为0也可以为1。

由图7和图8可知，根据电网单相负载突变造成的三相不平衡，对三相对地电压幅值和相位的影响，可以看出，当电网单相负载突变时(让C相负载突增)，B、C两相幅值和相位都会发生变化，但A相幅值和相位却不受影响，而本发明所述方法|Uat-Uar|>δ1、|Ubt-Ubr|>δ1、|Uct-Ucr|>δ1、|θat-θar|>δ1、|θbt-θbr|>δ1、|θct-θcr|>δ1这六个条件必须同时满足，才能判断为有接地故障发生，因此本发明使得故障相辨识系统的抗扰能力大大增强。

由仿真结果可知，即使在这样严苛的条件下，也能够快速正确地进行选相，从故障接地开始到故障选相完成只需0.358秒，而且也只需一次判断即可成功选相，此外，还可以通过设置步骤四中的δ2和2参数来设置选相灵敏度，这两个参数设置越小，灵敏度越低，选相所需要的时间就越长，反之，设置越大，灵敏度就越高，选相所需要的时间就越短。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。