本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)的接地故障判斷，尤其是一種單相接地故障判斷系統(tǒng)及其工作方法。

背景技術(shù)：

在配電網(wǎng)饋線自動化系統(tǒng)流程中，線路故障判斷是最關(guān)鍵的一環(huán)，配電網(wǎng)線路故障分為兩大類：短路故障與單相接地故障。短路故障的判斷與切除相對比較容易，實(shí)際運(yùn)行中該故障的繼保設(shè)備與功能也已比較完善，但不足之處在于對于大多數(shù)配電網(wǎng)系統(tǒng)，仍采用開斷站內(nèi)開關(guān)切除整條故障線路的方式來消除故障，停電影響范圍較大。需要在線路上利用帶自動化功能的開關(guān)將故障區(qū)段隔離出來停電，其它正常部分及時恢復(fù)供電。對于單相接地故障，由于我國配電網(wǎng)線路采用小電流接地運(yùn)行方式，加之配電網(wǎng)系統(tǒng)本身的運(yùn)行情況狀態(tài)復(fù)雜多變，系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時的故障電氣特征量不明顯，造成故障線路及位置判斷困難，這也使得小電流接地系統(tǒng)的配電網(wǎng)單相接地故障成為多年困擾我國配電網(wǎng)運(yùn)行的難題之一。如果能找到一種較為可靠的單相接地故障判斷方法，并應(yīng)用到線路開關(guān)中去，從而使得系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時，線路上緊臨故障區(qū)段的開關(guān)能夠做出準(zhǔn)確響應(yīng)、判斷、自動切除相應(yīng)故障區(qū)段，并將故障信息發(fā)送給運(yùn)行與檢修人員進(jìn)行現(xiàn)場處理，可大幅提高配電網(wǎng)供電可靠性。

當(dāng)前我國城市地區(qū)配電網(wǎng)已多采用地下電纜或者架空絕緣導(dǎo)線形式，線路發(fā)生短路與單相接地故障的概率相對較低。而在農(nóng)村以及山地地區(qū)，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，仍主要使用架空裸導(dǎo)線方式鋪設(shè)線路，平時由于各種自然或者人為原因的事故等，單相接地事故較多，尤其在山地地區(qū)，在冬季風(fēng)雪或者夏季雷暴天氣情況下，很容易接連發(fā)生線路單相接地情況，部分單相接地還會進(jìn)一步惡化為短路故障，而故障發(fā)生時惡劣的天氣條件往往又不適合外出巡線檢修，只能先將整條線路停電等待天氣轉(zhuǎn)好才能開始檢修；如果能實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段的自動切除與隔離，山區(qū)用戶供電可靠性將會有明顯的提高。因此，研究山區(qū)配電網(wǎng)饋線自動化應(yīng)用，具有重要的實(shí)際意義與價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題和提出的技術(shù)任務(wù)是對現(xiàn)有技術(shù)方案進(jìn)行完善與改進(jìn)，提供一種新型單相接地故障判斷系統(tǒng)及其工作方法，以實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)架空線路單相接地故障的準(zhǔn)確判斷為目的。為此，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案。

一種新型單相接地故障判斷系統(tǒng)，包括：設(shè)于線路上的智能開關(guān)，其與主站通訊連接，用于判定該線路是否發(fā)生單相接地故障，當(dāng)發(fā)生接地故障時，及時向主站報(bào)告和/或向設(shè)定的運(yùn)行檢修人員手機(jī)發(fā)送故障信息；所述的智能開關(guān)包括采用小波方法判斷單相接地故障的單相接地故障判斷模塊、用于通訊的通訊模塊、用于實(shí)現(xiàn)線路通斷的開關(guān)模塊；所述的通訊模塊與主站之間通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)相連。

作為對上述技術(shù)方案的進(jìn)一步完善和補(bǔ)充，本發(fā)明還包括以下附加技術(shù)特征。

進(jìn)一步的，所述的單相接地故障判斷模塊采用小波方法分析單相接地故障暫態(tài)過程中的頻譜突變特征信息，得到一系列的突變數(shù)據(jù)，將這些多個特征量的突變量、突變方式歸入一個屬性判斷集合，在這個集合中應(yīng)用非定項(xiàng)屬性決策原則，即根據(jù)頻譜不同位置突變值選取不同的有效判據(jù)屬性，判斷所在線路是否發(fā)生接地故障。

一種新型單相接地故障判斷系統(tǒng)的單相接地故障判斷方法，其特征在于包括以下步驟：

1)智能開關(guān)采集零序電壓與零序電流；

2)判斷零序電壓是否升高，若存在零序電壓升高，則進(jìn)入步驟3)；否則，返回步驟1)繼續(xù)采集；

3)取出零序電壓升高前后零序電流數(shù)據(jù)；

4)對零序電壓升高前后零序電流數(shù)據(jù)采用小波函數(shù)進(jìn)行高低頻分解；

5)找出突變點(diǎn)，計(jì)算突變點(diǎn)附近高低頻分量比值；

6)判斷是否有超過設(shè)定數(shù)量比例過閾值，若有，則判定該條線路出現(xiàn)單向接地故障，否則，返回步驟1)繼續(xù)采集。

作為對上述技術(shù)方案的進(jìn)一步完善和補(bǔ)充，本發(fā)明還包括以下附加技術(shù)特征。

進(jìn)一步的，在步驟4)中，采用db4-db8小波函數(shù)或db4-db9小波函數(shù)對零序電流的進(jìn)行高低頻分解。

進(jìn)一步的，在采用db4-db8小波函數(shù)對零序電流的進(jìn)行高低頻分解后，得到小波高頻值，其與該工頻周期內(nèi)小波其它段高頻值平均值進(jìn)行比較，得到一個倍數(shù)，當(dāng)所有倍數(shù)值均超過判斷故障的閾值時，則判斷該智能開關(guān)所在線路為單相接地故障線路；否則認(rèn)為該智能開關(guān)所在線路為非單相接地故障線路。

進(jìn)一步的，在步驟6)中，判斷標(biāo)準(zhǔn)為：是否有超過三個比例過閾值，若有，則判定該條線路出現(xiàn)單向接地故障，否則，返回步驟1)繼續(xù)采集。

進(jìn)一步的，離散小波定義如下式所示：

式中，為小波函數(shù)Ψ(t)的共軛；f(t)為連續(xù)的有限信號。

進(jìn)一步的，運(yùn)用小波方法分析單相接地故障暫態(tài)過程中的頻譜突變特征信息，會得到一系列的突變數(shù)據(jù)，這些頻譜突變有多個屬性特征的變化，將這些多個特征量的突變量、突變方式歸入一個屬性判斷集合，在這個集合中應(yīng)用非定項(xiàng)屬性決策原則，即根據(jù)頻譜不同位置突變值選取不同的有效判據(jù)屬性，判斷所在線路是否發(fā)生接地故障，從而實(shí)現(xiàn)是否為該條線路發(fā)生接地故障的判斷。

進(jìn)一步的，當(dāng)步驟6)判定該條線路出現(xiàn)單向接地故障后，延時以消除暫時性單向接地故障后，智能開關(guān)分閘。

有益效果：本技術(shù)方案基于時頻譜突變原理，提出了一種利用小波變換提取突變特征量，運(yùn)用非定項(xiàng)屬性決策原則，進(jìn)行單相接地故障施行判斷方法。其單相接地故障判斷準(zhǔn)確性達(dá)到100％，且穩(wěn)定性好。

附圖說明

圖1是本發(fā)明流程圖。

圖2是本發(fā)明單相接地故障判斷試驗(yàn)系統(tǒng)圖。

圖3是本發(fā)明線路1故障開關(guān)1小波高頻分析結(jié)果波形圖。

圖4是本發(fā)明線路2故障時開關(guān)1小波高頻分析結(jié)果波形圖。

圖5(a)、5(b)、5(c)、5(d)為某四級分段開關(guān)分段的短路故障動作分析示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明提出了一種新型單相接地故障判斷系統(tǒng)，其包括設(shè)于線路上的智能開關(guān)，其與主站通訊連接，用于判定該線路是否發(fā)生單相接地故障，當(dāng)發(fā)生接地故障時，及時向主站報(bào)告和/或向設(shè)定的運(yùn)行檢修人員手機(jī)發(fā)送故障信息；所述的智能開關(guān)采用小波方法判斷單相接地故障的單相接地故障判斷模塊、用于通訊的通訊模塊、用于實(shí)現(xiàn)線路通斷的開關(guān)模塊；所述的通訊模塊與主站之間通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)相連。

其中，單相接地故障判斷模塊采用小波方法分析單相接地故障暫態(tài)過程中的頻譜突變特征信息，得到一系列的突變數(shù)據(jù)，將這些多個特征量的突變量、突變方式歸入一個屬性判斷集合，在這個集合中應(yīng)用非定項(xiàng)屬性決策原則，即根據(jù)頻譜不同位置突變值選取不同的有效判據(jù)屬性，判斷所在線路是否發(fā)生接地故障。本技術(shù)方案要通過在試點(diǎn)變電站出線口上的普通柱上開關(guān)更換為帶有該單相接地判斷功能的智能柱上開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了對單相接地故障的準(zhǔn)確判斷，為配電網(wǎng)饋線自動化的實(shí)現(xiàn)提供了關(guān)鍵設(shè)備，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

以下結(jié)合附圖對本實(shí)施例的原理、方法作進(jìn)一步的說明：

1基于小波理論的單相接地故障判斷

1.1單向接地故障判斷原理

小電流接地配電網(wǎng)正常運(yùn)行時，不會出現(xiàn)零序電壓、零序電流。而當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，就會出現(xiàn)零序電壓、零序電流，其中零序電壓、零序電流從無到有是一個突變信號量，也包括其頻譜也會發(fā)生突變，這個突變在故障線路與非故障線中不相同，因此可以用于判斷是否出現(xiàn)單相接地、同時判定何相出現(xiàn)單相接地故障。

但是這個頻譜特征的突變，受限于時間窗口過于窄小，單純傅立葉窗頻譜分析效果并不好。小波對突變點(diǎn)的敏感特征適用于這種頻譜突變的分析，可以利用小波變換算法將該頻譜突變特征突出展現(xiàn)出來。

1.2小波理論

小波變換(Wavelet transform，WT)是一種變換分析方法，它繼承和發(fā)展了短時傅立葉變換局部化的思想，同時又克服了窗口大小不隨頻率變化等缺點(diǎn)，能夠提供一個隨頻率改變的“時間-頻率”窗口，主要特點(diǎn)是通過變換能夠充分突出問題某些方面的特征，能對時間(空間)頻率的局部化分析，通過伸縮平移運(yùn)算對信號(函數(shù))逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終達(dá)到高頻處時間細(xì)分，低頻處頻率細(xì)分，能自動適應(yīng)時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細(xì)節(jié)，成為信號時頻分析和處理的理想工具。小波分析對奇異信號非常敏感，特別適合分析奇異性強(qiáng)的電力系統(tǒng)暫態(tài)信號^[12-14]。

小波是由一個滿足以下條件的函數(shù)：

通過平移和放縮而產(chǎn)生的一個函數(shù)族：

式(2)中，Ψ(t)為小波基函數(shù)，a為尺度因子，b為平移因子。a、b決定的譜變化；改變b將改變要分析的信號區(qū)域；改變a將影響對信號的時間和頻率分辨率。

對一個連續(xù)的有限信號f(x)，其連續(xù)小波變換(Continue Wavelet Transform)定義式(3)所示：

為小波函數(shù)Ψ(t)的共軛。

考慮到實(shí)際觀測信號都是離散的，a、b也要進(jìn)行離散化，所以實(shí)際信號處理用的是離散小波變換。最常用的離散化方案是將a，b按2的冪次進(jìn)行二進(jìn)制離散，即取a＝2^j，b＝2^jk，則Ψ_ab(t)變?yōu)椋?/p>

Ψ_j,k(t)＝2^-j/2ψ(2^-jt-k) (4)

離散小波定義^[6，11]如式(5)所示：

1.3小波的分解與重構(gòu)

離散小波分析常用到多分辨分析的信號分解算法，即將信號對時間、頻率進(jìn)行不同的多個尺度分解，再提取所需的特征。

信號處理中采集到的采樣信號，是原始信號的一個逼近近似，即使用采樣所得的一個階梯函數(shù)f_j來逼近；根據(jù)信號分析理論，該逼近信號f_j可分解為下列各分量之和^[7，12]：

f_j＝f_j-1+ω_j-1 (6)

f_j-1代表f_j中的低頻部分，ω_j-1代表f_j中的高頻部分，并且f_j-1還可以繼續(xù)分解為f_j-2和ω_j-2：

f_j＝f₀+ω₀+ω₁+…+ω_j-1 (7)

如此就實(shí)現(xiàn)了信號的多尺度分解，通過對各個成分做不同處理后重構(gòu)f_j，還可實(shí)現(xiàn)對信號的消噪、壓縮及濾波等操作。

1.4小波單相接地故障頻譜突變特征提取

小波分析中，Daubechies小波使用較多；該族小波常見有db1至db10十類；對于單相接地故障判斷，本實(shí)施例試驗(yàn)表明，采用db4-db9頻率突變分析較為合適，靈敏度較高。

1.5非定項(xiàng)屬性決策原則用于故障判斷

判斷某一事件性質(zhì)時，可能單個特征參數(shù)不起決定作用，而某幾個聯(lián)合對該事件性質(zhì)起到主要作用；基于多個不定項(xiàng)屬性對該事件性質(zhì)進(jìn)行判斷的原則，稱為非定項(xiàng)屬性決策原則；該原則常用于復(fù)雜事物的特性描述及判斷。

本實(shí)施例即是利用這個原則，將復(fù)雜多變的頻譜突變特性歸納到一個明確的接地故障結(jié)論中去。

運(yùn)用小波方法分析單相接地故障暫態(tài)過程中的頻譜突變特征信息，會得到一系列的突變數(shù)據(jù)，這些頻譜突變有多個屬性特征的變化，將這些多個特征量的突變量、突變方式歸入一個屬性判斷集合，在這個集合中應(yīng)用非定項(xiàng)屬性決策原則，即根據(jù)頻譜不同位置突變值選取不同的有效判據(jù)屬性，判斷所在線路是否發(fā)生接地故障，從而實(shí)現(xiàn)是否為該條線路發(fā)生接地故障的判斷。

2具體實(shí)現(xiàn)以及實(shí)際物理模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1判斷算法

根據(jù)上述原理，本發(fā)明流程如圖1所示，其包括以下步驟：

1)智能開關(guān)采集零序電壓與零序電流；

2)判斷零序電壓是否升高，若存在零序電壓升高，則進(jìn)入步驟3)；否則，返回步驟1)繼續(xù)采集；

3)取出零序電壓升高前后零序電流數(shù)據(jù)；

4)對零序電壓升高前后零序電流數(shù)據(jù)采用小波函數(shù)進(jìn)行高低頻分解；

5)找出突變點(diǎn)，計(jì)算突變點(diǎn)附近高低頻分量比值；

6)判斷是否有超過設(shè)定數(shù)量比例過閾值，若有，則判定該條線路出現(xiàn)單向接地故障，否則，返回步驟1)繼續(xù)采集。

2.2算法及功能部署

以上算法在柱上智能柱上開關(guān)上實(shí)現(xiàn)，在判定該開關(guān)發(fā)生單相接地故障時，向主站上傳故障消息，同時向設(shè)定的運(yùn)行檢修人員手機(jī)發(fā)送短信消息報(bào)告。主站只作為故障信息的詳細(xì)展示以及記錄統(tǒng)計(jì)功能使用，在主站不運(yùn)行的情況下，智能開關(guān)仍可以向設(shè)定的聯(lián)系人發(fā)送故障短信消息。在故障準(zhǔn)確判定的條件下，結(jié)合配電網(wǎng)饋線自動化理論，可以實(shí)現(xiàn)對故障的自動隔離與恢復(fù)。

2.3實(shí)際物理模擬試驗(yàn)分析

如圖2所示，其為用于驗(yàn)證本算法的具有兩條出線的實(shí)際物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，每條出線上都安裝一臺該智能開關(guān)，主變經(jīng)消弧線圈接地，系統(tǒng)總電容電流為15A；模擬試驗(yàn)如下：

(1)接地故障位于線路1：開關(guān)1測量得到線路1上三相電壓電流及零序電壓電流波形如圖3所示。故障發(fā)生后，線路1上零序電流為6.3A。圖3中下方是采用db4小波與db5小波對零序電流的高頻部分提取值波形。可以看出，在故障發(fā)生瞬間，零序電流有一個較高的高頻分量，提取出db小波高頻值，與該工頻周期內(nèi)小波其它段高頻值平均值進(jìn)行比較，得到一個倍數(shù)，db4-8小波得到的倍數(shù)值如表1所示，此處設(shè)置判斷故障的閾值為30，所有倍數(shù)值均超過30，可以判斷得到該開關(guān)所在線路即線路1為單相接地故障線路。

表1線路1故障時db4-8小波分析結(jié)果倍數(shù)表

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

(2)接地故障位于線路2：開關(guān)1測量得到線路1上三相電壓電流及零序電壓電流波形如圖4所示。故障發(fā)生后，線路1上零序電流為3.2A。圖4中下方同樣是采用db4小波與db5小波對零序電流的高頻部分提取值波形。db4-8小波得到的倍數(shù)值如表2所示。此處設(shè)置判斷故障的閾值為30，所有倍數(shù)值均不超過該值，可以判斷該開關(guān)所在線路即線路1不是單相接地故障線路。

實(shí)際模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了本實(shí)施例所提方法的準(zhǔn)確性。

表2：線路2故障時db4-8小波分析結(jié)果倍數(shù)表

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

3山區(qū)配電網(wǎng)饋線自動化實(shí)際投運(yùn)驗(yàn)證

3.1山區(qū)配電網(wǎng)饋線自動化基本結(jié)構(gòu)

山區(qū)線路多采用架空線，線路距離長，用戶分散，線路上安裝的智能開關(guān)與主站的信息通訊一般不采用專網(wǎng)光纖通訊，而是通過公網(wǎng)運(yùn)營商提供的通訊信道進(jìn)行，如常見的GPRS以及短信通訊。此類通訊條件的通訊穩(wěn)定性不高，信息實(shí)時性也難以保證，因此配電網(wǎng)自動化適合采用分布式方案，此時要實(shí)現(xiàn)線路上故障自動定位與隔離，需要應(yīng)用電壓時間型策略^[3，10]。

圖5為某四級分段開關(guān)分段的短路故障動作分析示意：

圖5(a)：正常運(yùn)行時，除聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于斷開狀態(tài)外，其余開關(guān)均處于閉合狀態(tài)。

圖5(b)：線路上開關(guān)2與開關(guān)3之間發(fā)生單相接地故障，站內(nèi)開關(guān)保持閉合狀態(tài)不動，開關(guān)2判斷接地故障后跳閘切除故障，開關(guān)3，開關(guān)4因失電分閘。

圖5(c)：開關(guān)2進(jìn)行重合，因單相接地故障仍存在，開關(guān)2重合不成功，開關(guān)2重合不成功后閉鎖，開關(guān)3探測到開關(guān)2重合不成功，也閉鎖，從而實(shí)現(xiàn)對故障區(qū)段的隔離。

圖5(d)：開關(guān)4自動合閘，恢復(fù)非故障段通電。

從該動作行為分析，短路判斷是分布式配電自動化方案中的核心關(guān)鍵內(nèi)容。

3.2單相接地故障跳閘延時

在試運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，有超過一半的單相接地故障為暫時性故障，在一兩分鐘甚至更短時間內(nèi)即會自行消失。因此對于單相接地故障的分閘應(yīng)設(shè)置相對較長延時時間，這樣可以避免因這種暫時性的單相接地故障造成系統(tǒng)的頻繁停電的問題。

3.3試點(diǎn)運(yùn)行結(jié)果分析

試點(diǎn)位于浙江余姚大嵐35kV變電站，該變電站有7回出線，均處于山區(qū)，易發(fā)生故障。自2015年8月起在這7條出線上安裝帶單相接地功能的智能柱上開關(guān)以來，發(fā)生的單相接地故障運(yùn)行記錄如表3所示。

從實(shí)際運(yùn)行結(jié)果可以看出，該算法在實(shí)際應(yīng)用中有很高的判斷準(zhǔn)確度，除第一次故障因算法配置不合適未正確判斷外，之后經(jīng)過修正的算法實(shí)現(xiàn)了故障的準(zhǔn)確判斷，判斷準(zhǔn)確率達(dá)到100％；所有故障未出現(xiàn)非故障線路的單相接地故障誤報(bào)現(xiàn)象；說明該算法具有很高的穩(wěn)定性。

表3大嵐變單相接地判斷情況表

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

4結(jié)論

本實(shí)施例提出的配電網(wǎng)單相接地新型判斷方法，首先通過了實(shí)際物理模擬試驗(yàn)；在山區(qū)實(shí)際配電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際驗(yàn)證中，排除第一次因算法配置不合適未正確判斷后，其單相接地故障判斷準(zhǔn)確率達(dá)到了100％，且未再出現(xiàn)誤報(bào)。

從試點(diǎn)運(yùn)行情況表的備注可以看出，產(chǎn)生單相接地的原因很多；由于目前尚未采用基于本智能開關(guān)的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)，不僅形成了停電，也造成了供電設(shè)備的損毀。因此，及早實(shí)施基于本智能開關(guān)的配電網(wǎng)自動化，不僅條件成熟，而且對提高配電網(wǎng)可靠性、減少停電及設(shè)備故障等效益可觀，推廣意義很大。

以上圖所示的一種新型單相接地故障判斷系統(tǒng)及其工作方法是本發(fā)明的具體實(shí)施例，已經(jīng)體現(xiàn)出本發(fā)明實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和進(jìn)步，可根據(jù)實(shí)際的使用需要，在本發(fā)明的啟示下，對其進(jìn)行形狀、結(jié)構(gòu)等方面的等同修改，均在本方案的保護(hù)范圍之列。