本發(fā)明涉及小電流接地系統(tǒng)高阻接地故障定位領域，特別是一種基于暫態(tài)投影變換的高阻接地故障定位方法及系統(tǒng)。

背景技術：

受自然環(huán)境、線路架空距離低等因素影響，配電網(wǎng)中常發(fā)生經(jīng)非理想導體的單相高阻接地故障，如導線跌落在草地、馬路、沙地、水塘等。據(jù)不完全統(tǒng)計，高阻接地故障約占到接地故障總數(shù)的5-10％。法國小電流接地系統(tǒng)有超過12％的接地故障為高阻接地故障。由于高阻接地故障電流小(一般為安培級)、故障點不穩(wěn)定等原因，當配電線路發(fā)生永久性高阻接地故障后難以被檢測到，使得系統(tǒng)長時間帶故障運行，這可能導致相間故障或短路故障，擴大故障范圍。因此當線路發(fā)生高阻故障后，需要快速的定位到故障區(qū)段并做出相應的隔離措施。特別是對于諧振接地系統(tǒng)，由于消弧線圈的補償作用，故障線路故障區(qū)段工頻電流和健全區(qū)段相比沒有明顯故障特征等原因，諧振接地系統(tǒng)的高阻接地故障定位仍然是一個非常大的挑戰(zhàn)。

近年來，小電流接地方式配電網(wǎng)中發(fā)生單相(小電流)接地故障時，在故障線路選擇基礎上，確定故障點距離或故障區(qū)段，可以進一步縮小故障查找和修復的時間，將成為小電流接地故障檢測技術研究和應用的熱點、重點?，F(xiàn)有的針對低阻接地故障區(qū)段定位方法可分為兩類：一類是主動式定位方法，利用一次設備動作產(chǎn)生較大的擾動電流或者利用人工直接向系統(tǒng)注入特定電流調節(jié)消弧線圈的補償度，根據(jù)零序電流變化量確定故障區(qū)段；另一類是被動式定位方法，利用接地故障過渡過程中的暫態(tài)信號幅值比較、極性比較、功率方向等原理進行故障定位?，F(xiàn)有的低阻(金屬性)接地故障定位尚未完全解決，且均不適用于高阻接地故障，因此更是無暇顧及關于故障電氣量特征不明顯的高阻接地故障定位技術的研究，所以鮮少見到相關的研究報道。

對于小電流接地系統(tǒng)，工頻電流自身無明顯故障特征因此無法直接用以進行故障檢測(工頻電流有功分量理論上可行，但含量較小、易受TV/TA傳變特性影響，實用存在較大困難)。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種高阻接地故障定位方法及系統(tǒng)，解決了小電流接地系統(tǒng)中發(fā)生高阻接地時的故障定位問題，為小電流接地系統(tǒng)高阻接地故障定位技術的研究提供了一個全新的思路，有著廣泛的實際應用價值。

本發(fā)明采用以下方案實現(xiàn)：一種高阻接地故障定位方法，具體包括以下步驟：

步驟S1：設置在主控室的故障定位主站判斷配電系統(tǒng)是否發(fā)生高阻接地故障，若是，設置于變電站內部的小電流接地故障選線裝置選擇發(fā)生故障的饋線：

步驟S2：設置在主控室的故障定位主站計算故障饋線上各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流在母線暫態(tài)零序電壓上的投影分量，并比較各監(jiān)測點的暫態(tài)零序電流在母線暫態(tài)零序電壓上的投影分量的幅值大??；

步驟S3：設置在主控室的故障定位主站按幅值從大到小的順序依次選出N個監(jiān)測點,將選擇的監(jiān)測點所在的區(qū)段作為故障候選區(qū)段，并判斷各個故障候選區(qū)段的上、下游監(jiān)測點的極性關系；若同極性，則該故障候選區(qū)段為健全區(qū)段；若反極性，則該故障候選區(qū)段為故障區(qū)段；其中，所述N為大于等于3的正整數(shù)。

進一步地，所述步驟S1具體包括以下步驟：

步驟S11：當母線的零序電壓幅值U_b的范圍處于U_th1＜U_b＜U_th2時，則設置在主控室的故障定位主站判斷配電系統(tǒng)發(fā)生高阻接地故障，并啟動設置于變電站內部的小電流接地故障選線裝置，所述小電流接地故障選線裝置選擇發(fā)生故障的饋線，并將選線結果和故障饋線出口的零序電流數(shù)據(jù)采集上報至設置在主控室的故障定位主站；其中U_th1與U_th2為預設的母線零序電壓幅值門檻值；

步驟S12：當饋線上的零序電壓或者零序電流的突變量超過預設的門檻值時，設置于該饋線上各監(jiān)測點的饋線終端設備FTU啟動，采集本監(jiān)測點的零序電壓與零序電流的數(shù)據(jù)并上報至設置在主控室的故障定位主站。

進一步地，所述U_th1為15V，所述U_th2為90V。

進一步地，步驟S1中所述選擇出發(fā)生故障的饋線具體為：判斷各饋線出口的零序電流變化量是否大于預設的門檻值，出口的零序電流變化量大于預設門檻值的饋線為發(fā)生故障的饋線。

進一步地，所述步驟S2具體包括以下步驟：

步驟S21：設置在主控室的故障定位主站對母線零序電壓u_b、故障饋線上各監(jiān)測點零序電流i_oj的數(shù)據(jù)進行濾波，分別提取其暫態(tài)分量u_{b_T}、i_{oj_T}；u_{b_T}為母線暫態(tài)零序電壓，i_{oj_T}為故障饋線上的各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流；

步驟S22：將故障饋線上的各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流i_{oj_T}向母線暫態(tài)零序電壓u_{b_T}做投影，根據(jù)下述公式計算各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流在母線暫態(tài)零序電壓上的投影分量i_{oj_T_P}：

步驟S23：比較各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流在母線暫態(tài)零序電壓上的投影分量的幅值大小。

進一步地，所述步驟S3具體包括以下步驟：

步驟S31：依次選取投影分量幅值最大的N個監(jiān)測點作為故障線路候選監(jiān)測點，候選監(jiān)測點所在的區(qū)段作為故障候選區(qū)段；其中，N為大于等于3的正整數(shù)；

步驟S32：定義各區(qū)段監(jiān)測點中靠近母線側的監(jiān)測點為該區(qū)段的上游監(jiān)測點，另一監(jiān)測點為該區(qū)段的下游監(jiān)測點，根據(jù)下述公式計算各故障候選區(qū)段的上游監(jiān)測點與下游各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流投影分量間的極性系數(shù)ρ_km：

其中，i_{0m_T_P}表示上游監(jiān)測點的暫態(tài)零序電流，i_{0k_T_P}表示下游監(jiān)測點的暫態(tài)零序電流，T為暫態(tài)過程的持續(xù)時間；

步驟S33：若ρ_km＞0，則表明i_{0m_T_P}與i_{0k_T_P}同極性；若ρ_km＜0，則表明i_{0m_T_P}與i_{0k_T_P}反極性；

步驟S34：選擇反極性的兩監(jiān)測點之間的區(qū)段為故障區(qū)段。

進一步地，還包括步驟S35：若所有監(jiān)測點的暫態(tài)零序電流投影分量間的極性系數(shù)都大于零，則故障區(qū)段為最末監(jiān)測點的下一段區(qū)段。

本發(fā)明還提供了一種基于上文所述的基于暫態(tài)投影變換的高阻接地故障定位方法的系統(tǒng)，包括設置在變電站內部的小電流接地故障選線裝置、設置在各饋線上各監(jiān)測點的饋線終端設備FTU、設置在主控室的故障定位主站；所述小電流接地故障選線裝置用以采集母線零序電壓以及各饋線出口的零序電流；所述饋線終端設備FTU用以采集各饋線上各監(jiān)測點的零序電壓、零序電流；所述故障定位主站用以接收所述小電流接地故障選線裝置與所述饋線終端設備FTU采集的信息，并計算故障線路各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流在母線暫態(tài)零序電壓上的投影分量，通過比較各監(jiān)測點的暫態(tài)零序電流投影分量的幅值大小確定故障候選區(qū)段，通過判斷故障候選區(qū)上、下游監(jiān)測點的極性關系確定故障區(qū)段。

進一步地，所述通過判斷故障候選區(qū)上、下游監(jiān)測點的極性關系確定故障區(qū)段具體為：若該故障候選區(qū)段上、下游監(jiān)測點的極性關系為同極性，則該故障候選區(qū)段為健全區(qū)段；若該故障候選區(qū)段上、下游監(jiān)測點的極性關系為反極性，則該故障候選區(qū)段為故障區(qū)段；所述N為大于等于3的正整數(shù)。

進一步地，若所有監(jiān)測點的暫態(tài)零序電流投影分量間的極性系數(shù)都大于零，則故障區(qū)段為最末監(jiān)測點的下一段區(qū)段。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明有以下有益效果：本發(fā)明采用各區(qū)段上、下游各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流在母線暫態(tài)零序電壓上投影分量極性關系來定位故障點，解決了高阻接地故障在小電流接地系統(tǒng)中的定位難題，有著廣泛的實際應用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的方法流程示意圖。

圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)連接示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例中的配電線路仿真模型。

圖4為本發(fā)明實施例中發(fā)生接地電阻為30Ω的高阻接地故障時各候選監(jiān)測點電流、母線電壓的零序分量波形對比示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例中發(fā)生接地電阻為30Ω的高阻接地故障時各候選監(jiān)測點電流、母線電壓的暫態(tài)分量波形對比示意圖。

圖6為本發(fā)明實施例中發(fā)生接地電阻為30Ω的高阻接地故障時各候選監(jiān)測點電流、母線電壓的投影分量波形對比示意圖。

圖7為本發(fā)明實施例中發(fā)生接地電阻為1500Ω的高阻接地故障時各候選監(jiān)測點電流、母線電壓的零序分量波形對比示意圖。

圖8為本發(fā)明實施例中發(fā)生接地電阻為1500Ω的高阻接地故障時各候選監(jiān)測點電流、母線電壓的暫態(tài)分量波形對比示意圖。

圖9為本發(fā)明實施例中發(fā)生接地電阻為1500Ω的高阻接地故障時各候選監(jiān)測點電流、母線電壓的投影分量波形對比示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明。

如圖1所示，本實施例提供了一種高阻接地故障定位方法，具體包括以下步驟：

步驟S1：設置在主控室的故障定位主站判斷配電系統(tǒng)是否發(fā)生高阻接地故障，若是，設置于變電站內部的小電流接地故障選線裝置選擇發(fā)生故障的饋線：

步驟S2：設置在主控室的故障定位主站計算故障饋線上各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流在母線暫態(tài)零序電壓上的投影分量，并比較各監(jiān)測點的暫態(tài)零序電流在母線暫態(tài)零序電壓上的投影分量的幅值大??；

步驟S3：設置在主控室的故障定位主站按幅值從大到小的順序依次選出N個監(jiān)測點,將選擇的監(jiān)測點所在的區(qū)段作為故障候選區(qū)段，并判斷各個故障候選區(qū)段的上、下游監(jiān)測點的極性關系；若同極性，則該故障候選區(qū)段為健全區(qū)段；若反極性，則該故障候選區(qū)段為故障區(qū)段；其中，所述N為大于等于3的正整數(shù)。

在本實施例中，所述步驟S1具體包括以下步驟：

步驟S11：當母線的零序電壓幅值U_b的范圍處于U_th1＜U_b＜U_th2時，則設置在主控室的故障定位主站判斷配電系統(tǒng)發(fā)生高阻接地故障，并啟動設置于變電站內部的小電流接地故障選線裝置，所述小電流接地故障選線裝置選擇發(fā)生故障的饋線，并將選線結果和故障饋線出口的零序電流數(shù)據(jù)采集上報至設置在主控室的故障定位主站；其中U_th1與U_th2為預設的母線零序電壓幅值門檻值；

步驟S12：當饋線上的零序電壓或者零序電流的突變量超過預設的門檻值時，設置于該饋線上各監(jiān)測點的饋線終端設備FTU啟動，采集本監(jiān)測點的零序電壓與零序電流的數(shù)據(jù)并上報至設置在主控室的故障定位主站。

在本實施例中，所述U_th1為15V，所述U_th2為90V。

在本實施例中，步驟S1中所述選擇出發(fā)生故障的饋線具體為：判斷各饋線出口的零序電流變化量是否大于預設的門檻值，出口的零序電流變化量大于預設門檻值的饋線為發(fā)生故障的饋線。

在本實施例中，所述步驟S2具體包括以下步驟：

步驟S21：設置在主控室的故障定位主站對母線零序電壓u_b、故障饋線上各監(jiān)測點零序電流i_oj的數(shù)據(jù)進行濾波，分別提取其暫態(tài)分量u_{b_T}、i_{oj_T}；u_{b_T}為母線暫態(tài)零序電壓，i_{oj_T}為故障饋線上的各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流；

步驟S22：將故障饋線上的各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流i_{oj_T}向母線暫態(tài)零序電壓u_{b_T}做投影，根據(jù)下述公式計算各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流在母線暫態(tài)零序電壓上的投影分量i_{oj_T_P}：

步驟S23：比較各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流在母線暫態(tài)零序電壓上的投影分量的幅值大小。

在本實施例中，所述步驟S3具體包括以下步驟：

步驟S31：依次選取投影分量幅值最大的N個監(jiān)測點作為故障線路候選監(jiān)測點，候選監(jiān)測點所在的區(qū)段作為故障候選區(qū)段；其中，N為大于等于3的正整數(shù)；

步驟S32：定義各區(qū)段監(jiān)測點中靠近母線側的監(jiān)測點為該區(qū)段的上游監(jiān)測點，另一監(jiān)測點為該區(qū)段的下游監(jiān)測點，根據(jù)下述公式計算各故障候選區(qū)段的上游監(jiān)測點與下游各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流投影分量間的極性系數(shù)ρ_km：

其中，i_{0m_T_P}表示上游監(jiān)測點的暫態(tài)零序電流，i_{0k_T_P}表示下游監(jiān)測點的暫態(tài)零序電流，T為暫態(tài)過程的持續(xù)時間；

步驟S33：若ρ_km＞0，則表明i_{0m_T_P}與i_{0k_T_P}同極性；若ρ_km＜0，則表明i_{0m_T_P}與i_{0k_T_P}反極性；

步驟S34：選擇反極性的兩監(jiān)測點之間的區(qū)段為故障區(qū)段。

在本實施例中，還包括步驟S35：若所有監(jiān)測點的暫態(tài)零序電流投影分量間的極性系數(shù)都大于零，則故障區(qū)段為最末監(jiān)測點的下一段區(qū)段。

如圖2所示，本實施例還提供了一種基于上文所述的基于暫態(tài)投影變換的高阻接地故障定位方法的系統(tǒng)，包括設置在變電站內部的小電流接地故障選線裝置、設置在各饋線上各監(jiān)測點的饋線終端設備FTU、設置在主控室的故障定位主站；所述小電流接地故障選線裝置用以采集母線零序電壓以及各饋線出口的零序電流；所述饋線終端設備FTU用以采集各饋線上各監(jiān)測點的零序電壓、零序電流；所述故障定位主站用以接收所述小電流接地故障選線裝置與所述饋線終端設備FTU采集的信息，并計算故障線路各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流在母線暫態(tài)零序電壓上的投影分量，通過比較各監(jiān)測點的暫態(tài)零序電流投影分量的幅值大小確定故障候選區(qū)段，通過判斷故障候選區(qū)上、下游監(jiān)測點的極性關系確定故障區(qū)段。

在本實施例中，所述通過判斷故障候選區(qū)上、下游監(jiān)測點的極性關系確定故障區(qū)段具體為：若該故障候選區(qū)段上、下游監(jiān)測點的極性關系為同極性，則該故障候選區(qū)段為健全區(qū)段；若該故障候選區(qū)段上、下游監(jiān)測點的極性關系為反極性，則該故障候選區(qū)段為故障區(qū)段；所述N為大于等于3的正整數(shù)。

在本實施例中，若所有監(jiān)測點的暫態(tài)零序電流投影分量間的極性系數(shù)都大于零，則故障區(qū)段為最末監(jiān)測點的下一段區(qū)段。

較佳的，在正常運行時，系統(tǒng)的工作流程如下：

線路中的饋線終端設備FTU一直處于對線路各監(jiān)測點零序電流和零序電壓(有條件時)信號采樣的狀態(tài)，并將零序電壓采樣信號或零序電流的變化量與裝置啟動門檻值進行比較，判斷母線零序電壓幅值是否處于U_th1＜U_b＜U_th2，(一般的U_th1＝15V，U_th2＝90V)，判斷是否符合裝置啟動條件；小電流接地故障選線裝置負責監(jiān)測母線零序電壓和各條饋線出口零序電流信號，正常工作時對監(jiān)測信號進行采樣，并將零序電壓的采樣值與裝置啟動門檻值進行比較，判斷線路中是否有故障發(fā)生；故障定位主站負責接收饋線終端設備FTU和小電流接地故障選線裝置上報的故障數(shù)據(jù)，并進行故障定位，正常工作時故障定位主站會對饋線終端設備FTU和小電流接地故障選線裝置進行狀態(tài)查詢，避免裝置退出工作狀態(tài)。

當發(fā)生故障時，系統(tǒng)的工作流程如下：

線路中發(fā)生小電流接地故障時，饋線終端設備FTU根據(jù)零序電流變化量或零序電壓(有條件時)信號啟動，記錄各監(jiān)測點三個周波的故障零序電壓電流信號，并將帶有時間標簽的故障數(shù)據(jù)上報至故障定位主站；小電流接地故障選線裝置根據(jù)母線處零序電壓啟動，當母線零序電壓幅值處于U_th1＜U_b＜U_th2時(一般的U_th1＝15V，U_th2＝90V)，則說明系統(tǒng)發(fā)生高阻接地故障，啟動裝置，并記錄母線處零序電壓、各條饋線母線出口處的零序電流信號、故障持續(xù)時間、故障發(fā)生時間、故障線路、故障相等故障數(shù)據(jù)，并將故障數(shù)據(jù)作相應的轉化上報至故障定位主站；故障定位主站負責接收小電流接地故障選線裝置和饋線終端設備FTU上報的故障數(shù)據(jù)，并根據(jù)上文中的步驟進行故障定位。

特別的，基于圖3所述的中性點經(jīng)消弧線圈接地的混合線路模型，本實施例設置線路5區(qū)域2發(fā)生高阻接地故障，驗證上述算法的有效性，具體如下：

(一)發(fā)生30Ω的高阻接地故障。

a.當母線零序電壓幅值處于U_th1＜U_b＜U_th2時(一般的U_th1＝15V，U_th2＝90V)，則說明系統(tǒng)發(fā)生高阻接地故障，變電所終端的選線裝置啟動，選擇故障線路5，并將選線結果和故障線路出口零序電流采集數(shù)據(jù)上報故障定位主站；

b.當零序電壓或零序電流突變量超越預設門檻時，各饋線終端啟動，將故障零序電壓電流采集數(shù)據(jù)上報故障定位主站，如圖4所示；

c.故障定位主站接收變電所終端和饋線各監(jiān)測點零序電壓電流采集數(shù)據(jù)，對零序電壓u_b、故障線路各監(jiān)測點零序電流i_0j數(shù)據(jù)進行濾波，分別提取其暫態(tài)分量i_{0j_T}、u_{b_T}，如圖5所示，對健全線路終端數(shù)據(jù)則不予處理；

d.將故障線路各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流向母線暫態(tài)零序電壓做投影，根據(jù)下述公式計算各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流的投影分量i_{0j_T_P}，如圖6所示：

e.比較各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流投影分量的幅值大小，選取投影分量幅值最大的n個監(jiān)測點作為故障線路候選監(jiān)測點，n大于等于3；

f.定義各區(qū)段監(jiān)測點中靠近母線側的監(jiān)測點為區(qū)段上游監(jiān)測點，其他監(jiān)測點為下游監(jiān)測點，根據(jù)下述公式計算各區(qū)段上游監(jiān)測點與下游各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流投影分量間極性系數(shù)：

ρ₁₂＝0.9995；ρ₂₃＝-0.9942；ρ₃₄＝0.9526；

g.選擇反極性兩監(jiān)測點之間的區(qū)段2為故障區(qū)段。

(二)發(fā)生1500Ω的高阻接地故障。

a.當母線零序電壓幅值處于U_th1＜U_b＜U_th2時(一般的U_th1＝15V，U_th2＝90V)，則說明系統(tǒng)發(fā)生高阻接地故障，變電所終端啟動，選擇故障線路5，并將選線結果和故障線路出口零序電流采集數(shù)據(jù)上報主站；

b.當零序電壓或零序電流突變量超越預設門檻時，各饋線終端啟動，將故障零序電壓電流采集數(shù)據(jù)上報主站，如圖7所示；

c.主站接收變電所終端和饋線各監(jiān)測點零序電壓電流采集數(shù)據(jù)，對零序電壓u_b、故障線路各監(jiān)測點零序電流i_0j數(shù)據(jù)進行濾波，分別提取其暫態(tài)分量i_{0j_T}、u_{b_T}，如圖8所示，對健全線路終端數(shù)據(jù)則不予處理；

d.將故障線路各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流向母線暫態(tài)零序電壓做投影，根據(jù)下述公式計算各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流的投影分量i_{0j_T_P}，如圖9所示：

e.比較各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流投影分量的幅值大小，選取投影分量幅值最大的n個監(jiān)測點作為故障線路候選監(jiān)測點，n大于等于3；

f.定義各區(qū)段監(jiān)測點中靠近母線側的監(jiān)測點為區(qū)段上游監(jiān)測點，其他監(jiān)測點為下游監(jiān)測點，根據(jù)下述公式計算各區(qū)段上游監(jiān)測點與下游各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流投影分量間極性系數(shù)：

ρ₁₂＝0.9945；ρ₂₃＝-0.9983；ρ₃₄＝0.9924；

g.選擇反極性兩監(jiān)測點之間的區(qū)段2為故障區(qū)段。

其中，圖4至圖9中i_Q2表示故障區(qū)段上游檢測點暫態(tài)投影電流，i_Q3表示，故障區(qū)段下游檢測點暫態(tài)投影電流。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。