专利名称：一种小电流接地系统单相接地故障区段定位方法
技术领域：
本发明涉及配电网故障诊断技术，特别是涉及一种小电流接地系统单相接地故障区段定位方法。
背景技术：
近年来，高压输电线路的故障测距研究工作取得了较大发展，已研制出的测距装置在全国电网得到了推广使用，取得了良好效果。但是，小电流接地系统相对于高压输电网而言，分支线路较多、网络拓扑结构复杂、易受过渡电阻等的影响，且小电流接地系统输电距离较短，尚无法实现高精度的故障定位。目前，从总体上来讲，小电流接地系统的故障定位问题研究有如下方法行波法、信号注入法、零序电流法、户外故障点探测法、阻抗法以及人工智能技术等。行波法尚无法解决暂态行波分量的准确提取、故障点反射波的识别与标定、波速度的确定、故障初始行波浪涌到达时刻的标定等。信号注入法适合于线路上只安装两相电流互感器的系统，注入信号受电压互感器容量、接地电阻、间歇性电弧等因素的影响较大，故障检测效果较差。户外故障点探测法根据接地点前后零序电流所产生的磁场大小确定故障点，但探测精度不高。阻抗法受路径阻抗、线路负荷和电源参数等因素的影响较大，仅适合于结构比较简单的线路，对于带有多条分支的线路，则无法排除伪故障点。人工智能技术，如，小波神经网络、模糊专家系统、支持向量机等方法，算法复杂、计算量大，且基本停留在实验室仿真阶段。由此可见，在现有技术中，不管小电流接地系统的结构复杂与否，尚无一种通用的故障检测方法能实现各种小电流接地系统单相接地故障区段的定位；即使有些故障检测方法能实现结构比较简单的小电流接地系统的故障点探测，但其检测精度也比较低。

发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种检测精度较高、通用性较好的小电流接地系统单相接地故障区段定位方法。为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为—种小电流接地系统单相接地故障区段定位方法，包括如下步骤步骤I、当小电流接地系统发生单相接地故障时，记录单相接地故障时刻前一个周期与后一个周期的零模电压及零模电流。步骤2、将单相接地故障时刻的暂态零模功率纯故障分量经经验模态分解后，选取出其最高频本征模态函数分量。步骤3、根据各检测点最高频本征模态函数分量的近似熵值，获取各检测区段最高频本征模态函数分量近似熵比例因子值。 步骤4、将各检测区段的本征模态函数分量近似熵比例因子值与主站中的预设第一阈值进行比较，若检测区段的本征模态函数分量近似熵比例因子值小于第一阈值，则该检测区段为故障区段；若检测区段的本征模态函数分量近似熵比例因子值大于第一阈值，则该检测区段为健全区段。综上所述，本发明所述小电流接地系统单相接地故障区段定位方法采用单相接地故障时刻的暂态零模功率纯故障分量作为单相接地故障的初始处理量，故本发明方法具有较高的抗干扰能力，检测精度较高；而且，本发明与小电流接地系统的结构复杂与否没有关系，因此本发明方法具有较好的通用性。


图1为本发明所述小电流接地系统单相接地故障区段定位方法的总体流程示意图。图2为本发明所述小电流接地系统单相接地故障零模网络等效电路。图3为本发明所述小电流接地系统单相接地时各检测点暂态零模电压波形示意图；其中，图(al)为A检测点暂态零模电压波形示意图，图(bl)为B检测点暂态零模电压波形示意图，图(Cl)为C检测点暂态零模电压波形示意图，图(dl)为D检测点暂态零模电压波形示意图。图4为本发明所述小电流接地系统单相接地时各检测点暂态零模功率波形示意图；其中，图(a2)为A检测点暂态零模功率波形示意图，图(b2)为B检测点暂态零模功率波形示意图，图(c2)为C检测点暂态零模功率波形示意图，图(d2)为D检测点暂态零模功率波形示意图。图5为本发明所述暂态零模功率纯故障分量经经验模态分解的流程示意图。图6为本发明所述检测点最高频本征模态函数分量的近似熵值的获取流程示意图。图7为本发明实施例所述辐射状小电流接地系统。图8为本发明实施例中各检测点在不同电压初相角时的近似熵因子曲线示意图；其中，图(a3)为各检测点电压初相角为0°时近似熵因子曲线示意图，图(b3)为各检测点电压初相角为30°时近似熵因子曲线示意图，图(c3)为各检测点电压初相角为60°时近似熵因子曲线示意图示意图，图(d3)为各检测点电压初相角为90°时近似熵因子曲线示意图不意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。图I为本发明所述小电流接地系统单相接地故障区段定位方法的总体流程示意图。如图I所示，本发明所述小电流接地系统单相接地故障区段定位方法包括如下步骤步骤I、当小电流接地系统发生单相接地故障时，记录单相接地故障时刻前一个周期与后一个周期的零模电压及零模电流。步骤2、将单相接地故障时刻的暂态零模功率纯故障分量经经验模态分解(EMD，Empirical Mode Decomposition)后，选取出其最高频本征模态函数(IMF, Intrinsic ModeFunction)分量。步骤3、根据各检测点最高频本征模态函数分量的近似熵值，获取各检测区段最高频本征模态函数分量近似熵比例因子值。步骤4、将各检测区段的本征模态函数分量近似熵比例因子值与主站中的预设第一阈值进行比较，若检测区段的本征模态函数分量近似熵比例因子值小于第一阈值，则该检测区段为故障区段；若检测区段的本征模态函数分量近似熵比例因子值大于第一阈值，则该检测区段为健全区段。实际应用中，第一阈值可根据具体情况具体设定。总之，本发明所述小电流接地系统单相接地故障区段定位方法采用单相接地故障时刻的暂态零模功率纯故障分量作为单相接地故障的初始处理量，对初始处理量采用经验模态方法进行分解，得到含有充分单相接地故障信息的最高频本征模态函数分量；根据单相接地故障信息最高频本征模态函数分量的近似熵比例因子确定单相接地故障区段，与小电流接地系统的结构复杂度以及小电流接地系统中的设备组成没有关系，故本发明方法具有较高的抗干扰能力，检测精度较高，且具有较好的通用性。此外，本发明方法还具有成本低等特点。图2为本发明所述小电流接地系统单相接地故障零模网络等效电路。如图2所示，采用凯伦贝尔(Karrenbauer)变换将小电流接地系统由三相系统变为没有耦合的模量系统，A检测点、B检测点、C检测点、D检测点分别为四个检测点。在B检测点、C检测点之间的区段发生单相接地故障时，在单相接地故障点产生一个虚拟电压源U0f,小电流接地系统中会产生暂态零模电压与零模电流。图3为本发明所述小电流接地系统单相接地故障时各检测点暂态零模电压波形示意图；其中，图(al)为A检测点暂态零模电压波形示意图，图(bl)为B检测点暂态零模电压波形示意图，图(Cl)为C检测点暂态零模电压波形示意图，图(dl)为D检测点暂态零模电压波形示意图。如图3所示，A点、B点、C点、D点产生的暂态零模电压的初始极性一致。由此可知，暂态零模功率的初始极性与幅值在一定程度上由暂态零模电流来决定。单相接地故障发生时，在虚拟电压Utlf的作用下，单相接地故障点至母线端的暂态零模功率方向为由B检测点至A检测点，其暂态零模功率值为其余健全线路暂态零模功率值之和；单相接地故障点至负荷端的暂态零模功率方向为由C检测点至D检测点，其暂态零模功率值为单相接地故障线路的暂态零模功率值。实际应用中，健全线路零模功率方向为由母线至各负荷线路。图4为本发明所述小电流接地系统单相接地时各检测点暂态零模功率波形示意图；其中，图(a2)为A检测点暂态零模功率波形示意图，图(b2)为B检测点暂态零模功率波形示意图，图(c2)为C检测点暂态零模功率波形示意图，图(d2)为D检测点暂态零模功率波形示意图。如图4所示，单相接地故障点同侧两相邻检测点的暂态零模功率极性相同、幅值大小相近；单相接地故障点两侧的检测点的暂态零模功率极性与幅值的差别均较大。本发明中，步骤I之前还包括如下步骤步骤a、判断小电流接地系统的零序电压U(l(t)是否大于O. 15倍的母线额定电压Un:iuQ(t) > O. 15仏时，则执行步骤b ;当uQ(t)彡O. 15仏时，则返回步骤a。步骤b、判断电压互感器是否断线当电压互感器发生断线时，则发出电压互感器断线警告信息；当电压互感器没有发生断线时，则执行步骤C。
步骤C、判断消弧线圈是否发生串联谐振当消弧线圈发生串联谐振时，则调节消弧线圈以防止其发生串联谐振；当消弧线圈没有发生串联谐振时，则判定小电流接地系统发生接地故障。本发明中，步骤2中，所述单相接地故障时刻的暂态零模功率纯故障分量为单相故障接地时刻的暂态零模电压纯故障分量与暂态零模电流纯故障分量的向量积；其中，单相故障接地时刻的暂态零模电压纯故障分量为所述单相故障时刻后一个周期的零模电压与所述单相故障时刻前一个周期的零模电压之差，单相故障接地时刻的暂态零模电流纯故障分量为所述单相故障时刻后一个周期的零模电流与所述单相故障时刻前一个周期的零模电流之差。图5为本发明所述暂态零模功率纯故障分量经经验模态分解的流程示意图。如图5所示，步骤2中，所述将接地故障时刻的暂态零模功率纯故障分量s (t)经经验模态分解包括如下步骤步骤21、取i = O,P = O时，将暂态零模功率纯故障分量X (t)作为第一待分解信号Sl (t)，第一待分解信号S1 (t)中所有极大值构成的上包络线信号I11 (t)与其所有极小值
构成的下包络线信号l12(t)求和，得到第一包络均值信号
权利要求
1.一种小电流接地系统单相接地故障区段定位方法，其特征在于，所述单相接地故障区段定位方法包括如下步骤 步骤I、当小电流接地系统发生单相接地故障时，记录单相接地故障时刻前一个周期与后一个周期的零模电压及零模电流； 步骤2、将单相接地故障时刻的暂态零模功率纯故障分量经经验模态分解后，选取出其最高频本征模态函数分量； 步骤3、根据各检测点最高频本征模态函数分量的近似熵值，获取各检测区段最高频本征模态函数分量近似熵比例因子值； 步骤4、将各检测区段的本征模态函数分量近似熵比例因子值与主站中的预设第一阈值进行比较，若检测区段的本征模态函数分量近似熵比例因子值小于第一阈值，则该检测区段为故障区段；若检测区段的本征模态函数分量近似熵比例因子值大于第一阈值，则该检测区段为健全区段。
2.根据权利要求I所述的小电流接地系统单相接地故障区段定位方法，其特征在于，所述步骤I之前还包括如下步骤 步骤a、判断小电流接地系统的零序电压U(l(t)是否大于O. 15倍的母线额定电压Un :当U0⑴>0. 15仏时，则执行步骤b ;当uQ(t)彡O. 15仏时，则返回步骤a ; 步骤b、判断电压互感器是否断线当电压互感器发生断线时，则发出电压互感器断线警告信息；当电压互感器没有发生断线时，则执行步骤c ; 步骤C、判断消弧线圈是否发生串联谐振当消弧线圈发生串联谐振时，则调节消弧线圈以防止其发生串联谐振；当消弧线圈没有发生串联谐振时，则小电流接地系统发生单相接地故障。
3.根据权利要求I所述的小电流接地系统单相接地故障区段定位方法，其特征在于，步骤2中，所述单相接地故障时刻的暂态零模功率纯故障分量为单相故障接地时刻的暂态零模电压纯故障分量与暂态零模电流纯故障分量的向量积；其中，单相故障接地时刻的暂态零模电压纯故障分量为所述单相故障时刻后一个周期的零模电压与所述单相故障时刻前一个周期的零模电压之差，单相故障接地时刻的暂态零模电流纯故障分量为所述单相故障时刻后一个周期的零模电流与所述单相故障时刻前一个周期的零模电流之差。
4.根据权利要求I所述的小电流接地系统单相接地故障区段定位方法，其特征在于，步骤2中，所述将接地故障时刻的暂态零模功率纯故障分量s (t)经经验模态分解包括如下步骤 步骤21、取i = O、P = O时，将暂态零模功率纯故障分量x(t)作为第一待分解信号Sl(t)，第一待分解信号Sl(t)中所有极大值构成的上包络线信号I11 (t)与其所有极小值构成的下包络线信号l12(t)求和，得到第一包络均值信号岬(O =^1(0+/^)]; 步骤22、获取第i分解均差信号ddt) = Si (t)-m, (t);其中，i为自然数，Si (t)为第i待分解信号，(t)为第i包络均值信号，Iil (t)、li2 (t)分别为第i待分解信号Si (t)中所有极大值构成的上包络线信号与其所有极小值构成的下包络线信号；步骤23、判断i > I是否成立如果不成立，则执行步骤24 ;如果成立，则执行步骤26 ；步骤24、判断第一分解均差信号Cl1 (t)的极值点个数与过零点个数之差是否小于或等于1，第一分解均差信号Cl1 (t)的所有极大值构成的上包络线信号与其所有极小值构成的下包络线信号的平均值在任意时刻是否均为O :如果第一分解均差信号Cl1 (t)的极值点个数与过零点个数之差小于或等于1，且第一分解均差信号Cl1 (t)的所有极大值构成的上包络线信号与其所有极小值构成的下包络线信号的平均值在任意时刻均为O，则执行步骤27 ;如果第一分解均差信号Cl1 (t)的极值点个数与过零点个数之差大于1，且第一分解均差信号Cl1 (t)的所有极大值构成的上包络线与其所有极小值构成的下包络线的平均值存在不为O的情况，则执行步骤25;步骤 25、取 i = i+Ι,令 Si (t) = d(i_D (t),返回步骤 22 ； 步骤26、判断
5.根据权利要求4所述的小电流接地系统单相接地故障区段定位方法，其特征在于，步骤3中,所述各检测点包括1、2、. . .、j、. . .、η、. . .、k、. . .、m ;其中，j、n、k、m均为自然数，且j≤k≤m, η表示m个检测点中的任一检测点，η = I, 2, . . . , j, . . . , k, . . . , m ；步骤3中，所述检测点最高频本征模态函数分量的近似熵值的获取方法包括如下步骤步骤31、根据第j个检测点最高频本征模态函数分量IMFlj(t)的N点序列IMFlj(I)、IMFlj⑵.....IMFlj (a).....IMFlj (N)与第k个检测点最高频本征模态函数分量IMFlk⑴的N点序列IMFlk(I)、IMFlk(2)、…、IMFlk(b)、…、IMFlk(N)构建距离矩阵D，距离矩阵D中的任一元素Xab由下式确定
6.根据权利要求5所述的小电流接地系统单相接地故障区段定位方法，其特征在于，所述步骤31之前，还包括 步骤30、经验模态分解完成后得到的
7.根据权利要求5所述的小电流接地系统单相接地故障区段定位方法，其特征在于，所述各检测区段最高频本征模态函数分量近似熵比例因子值为
全文摘要
本发明提供一种小电流接地系统中单相接地故障区段定位方法，包括步骤1、当小电流接地系统发生单相接地故障时，记录单相接地故障时刻前一个周期与后一个周期的零模电压及零模电流；步骤2、将单相接地故障时刻的暂态零模功率纯故障分量经经验模态分解后，选取出其最高频本征模态函数分量；步骤3、根据各检测点最高频本征模态函数分量的近似熵值，获取各检测区段最高频本征模态函数分量近似熵比例因子值；步骤4、将各检测区段的本征模态函数分量近似熵比例因子值与主站中的预设第一阈值进行比较，查找发生单相接地故障的区段。本发明具有检测精度高、通用性好的特点，可广泛应用于电力系统中。
文档编号G01R31/08GK102621449SQ201210080299
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月16日 优先权日2012年3月16日
发明者何金朋, 封海潮, 张涛, 张玉均, 朱贞卫, 李玉东, 王晓卫, 田书, 程志磊 申请人:河南理工大学