本发明公开了一种分布式配电网单相接地故障定位方法，采用基于同步采样和全态(稳态+暂态)故障特征量综合分析技术，包括同步采样方法、故障稳态分量启动和防抖方法、故障录波传输和合成方法、基于奇异值分解的故障初始时刻确定方法、基于暂态分量纵向相关系数分析的故障区段定位方法，本发明采用以上分布式综合技术和方法解决了配电网单相接地故障定位的难题。
1.一种分布式配电网单相接地故障定位方法，其特征在于：其方法包括以下步骤：S1)同步采样方法，所述同步采样方法为基于GPS的同步采样方法，即所有装置的采样脉冲均是经过GPS的1pps同步的，同时同步校准内部时钟，保证所有装置的采样和录波数据的同步性；
S2)基于故障稳态分量的启动和防抖方法，即采用半波真有效值法计算零序电压，当零序电压大于启动门槛时，启动故障录波进程，并延时防抖时间t毫秒后，再次进行稳态故障分量判断，如果满足条件则判断有单相接地发生并生成故障录波文件，否则判断为短路故障或者为干扰信号，丢弃本次录波数据；
S3)故障录波传输和合成方法，即本装置生成录波文件后，将录波文件传输到相邻装置，并在接收到相邻装置录波文件后根据录波启动时刻合成录波合成文件；
S4)基于奇异值分解的故障初始时刻确定方法，即对录波合成文件中提取零序电压分量进行奇异值分解，获得零序电压近似信号和细节信号，可以确定故障初始时刻；
S5)基于暂态分量纵向相关系数分析的故障区段定位方法，即通过奇异值分解法确定故障初始时刻后，以初始时刻为基准向后取1/4周波采样点，对录波合成文件中零序电流暂态分量进行相关系数分析，并根据分析结果确定故障区段。
2.根据权利要求1所述的分布式配电网单相接地故障定位方法，其特征在于，所述步骤S1)中同步采样方法为基于GPS的同步采样方法，具体包括：(A1)由高精度晶振输出的振荡信号经整形、变换调理后，得到满足采样要求的时钟信号CLK1；
(A2)CLK1时钟信号每隔1s被GPS的1PPS信号同步一次，保证CLK1脉冲前沿与GPS时间同步；
(A3)CLK1时钟信号经过分频后输出采样信号FSK，各装置都是用同步后的FSK时钟信号进行采样，确保各装置采样的同步性；
(A4)装置接收GPS的1pps信号和对时报文，校准装置内部时钟。
3.根据权利要求1所述的分布式配电网单相接地故障定位方法，其特征在于，步骤S2)中，录波采样点数不小于80点/周波，录波周期设定为故障发生前3周波，故障发生后2周波，保证录波文件能准确捕捉故障暂态分量。
4.根据权利要求3所述的分布式配电网单相接地故障定位方法，其特征在于，所述步骤S2)中故障稳态分量启动方法的具体步骤为；
(B1)基于半波真有效值法计算零序电压，公式如下：
式中U0half是零序电压半波有效值，u0j是零序电压的第j个采样数据，N为10ms内零序电压的总的采样个数；
(B2)当判断U0half满足式(2)后，判断发生故障，开始启动故障录波；
式中U0half是零序电压半波有效值，Uset是零序电压启动门槛；
5.根据权利要求4所述的分布式配电网单相接地故障定位方法，其特征在于，故障稳态分量的防抖具体方法如下：(C1)录波启动后，延时Tset毫秒后再次进行稳态故障分量判断，Tset为录波防抖时间定值；
(C2)如果零序电压故障分量和相电流故障分量满足式(3)条件，则判断有单相接地发生，将RAM区的故障录波数据保存到FLASH中，并生成录波文件，如果不满足，丢弃本次录波数据；
式中U0half是是零序电压半波有效值，Uset是零序电压启动门槛，IA、IB、IC是A相电流有效值、B相电流有效值、C相电流有效值，Iset是相电流动作门槛；
(C3)故障录波文件采用COMTRADE格式，COMTRADE是IEEE标准电力系统暂态数据交换通用格式，包括配置文件(.cfg)、数据文件(.dat)。
6.根据权利要求1所述的分布式配电网单相接地故障定位方法，其特征在于，所述步骤S3)中故障录波传输和合成方法的具体步骤为；
(D1)装置生成COMTRADE录波文件后，搜索邻近装置配置表中相邻节点信息，依次将配置文件(.cfg)、数据文件(.dat)文件以录波报文格式分帧传输到相邻节点；
(D2)相邻节点收到录波报文后检查报文的有效性和连续性，检查正确后发送应答报文；
(D3)装置收到应答帧后继续下一帧报文的传输，如果超时未收到应答帧，重新传输当前帧，直到录波文件传输完毕；
(D4)装置在接收到相邻装置的录波文件后，如果录波启动时刻相同或者误差小于一个周波，判断为同一次接地故障的录波，将录波通道及录波数据合成为录波合成文件。
7.根据权利要求1所述的分布式配电网单相接地故障定位方法，其特征在于，所述步骤S4)中基于奇异值分解的故障初始时刻确定方法，其具体步骤为；
(E1)对录波合成文件中提取包含接地暂态过程的零序电压采样值序列Uk＝u1u2u3......uk (4)
式中，uk为k点零序电压采样值，k为零序电压采样值数据窗长度；
式中，Ha为近似矩阵，反应零序电压信号的主要部分；Hd为细节矩阵，反应零序电压信号的细节部分；
(E4)由式(7)和(8)可获得零序电压信号近似部分Ua和细节部分UdUa＝[a11,(La1+La2)/2，a2k-1] (9)Ud＝[d11,(Ld1+Ld2)/2，d2k-1] (10)式中
(E5)选择零序电压细节部分Ud的第一个奇异点位置为接地故障初始时刻。
8.根据权利要求7所述的分布式配电网单相接地故障定位方法，其特征在于，所述步骤S5)中基于纵向相关系数分析的故障区段定位方法，其具体步骤为；
(F1)通过奇异值分解法确定故障初始时刻后，提取录波文件中零序电流，具体是以初始时刻为基准向后取1/4周波采样点，则此分量为包括暂态分量的零序电流，对此暂态零序电流进行相关系数分析，公式如下：式中ρj为本节点暂态零序电流与第j个相邻下游节点暂态零序电流间的相关系数，ik为本节点零序电流的第k个采样数据，为本节点零序电流的平均值，ijk为第j个相邻下游节点零序电流的第k个采样数据，为第j个下游节点零序电流的平均值，N为1/4周波内采样点个数；
(F2)根据上述相关系数ρj构成的序列判断故障区段，方法如下：如果本节点与相邻下游节点暂态零序初始极性相反，即相关系数为负，则该条线路区段为故障区段；如果本节点与所有相邻节点相关系数均为正，则该线路区段没有发生接地故障。
一种分布式配电网单相接地故障定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于同步采样和全态故障特征量综合分析技术，具体涉及一种分布式配电网单相接地故障定位的方法，属于配电网技术领域。
背景技术
[0002] 10kV配电网多为小电流接地系统，当发生单相接地时，三相电压依然保持平衡，因此具有不影响用户供电，系统能够继续运行的优势。在小电流接地系统中，单相接地故障是最常见的，约占80％以上，因此，当发生单相接地故障时快速、准确地定位故障点，对于提高配电网供电可靠性具有重要的意义。
[0003] 现有配电网单相接地故障定位技术可分为主动注入定位法和被动定位法两类，主动注入法又称信号注入法，理论可行，但需要附加专用的信号注入装置，现场实施困难。被动定位法不需要附加额外的设备，在现场易实现，但是线路发生单相接地故障时，故障信号叠加在负荷电流上，幅值小，并且系统中性点接地方式、接地过渡电阻及环境的电磁干扰等严重影响故障定位的准确性，使得配电网单相接地故障定位一直是个难题，故障定位也主要依靠人工巡检。
发明内容
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于同步采样和全态稳态和暂态故障特征量综合分析技术，即一种实现分布式配电网单相接地故障定位的方法，解决了配电网单相接地故障定位的难题。
[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0006] 一种实现分布式配电网单相接地故障定位的方法，其包括同步采样方法、故障稳态分量启动和防抖方法、故障录波传输和合成方法、基于奇异值分解的故障初始时刻确定方法、基于暂态分量纵向相关系数分析的故障区段定位方法，其具体包括如下：
[0007] S1)同步采样方法；
[0008] 所述同步采样方法为基于GPS的同步采样方法，即所有装置的采样脉冲均是经过GPS的1pps同步的，同时同步校准内部时钟，保证所有装置的采样和录波数据的同步性。如下：
[0009] (A1)由高精度晶振输出的振荡信号经整形、变换调理后，得到满足采样要求的时钟信号CLK1；
[0010] (A2)CLK1时钟信号每隔1s被GPS的1PPS信号同步一次，保证CLK1脉冲前沿与GPS时间同步；
[0011] (A3)CLK1时钟信号经过分频后输出采样信号FSK，各装置都是用同步后的FSK时钟信号进行采样，确保各装置采样的同步性；
[0012] (A4)装置接收GPS的1pps信号和对时报文，校准装置内部时钟。
[0013] S2)故障稳态分量启动和防抖方法；
[0014] 所述故障稳态分量启动方法即采用半波真有效值法计算零序电压，当零序电压大于启动门槛时，启动故障录波进程；如下：
[0015] (B1)基于半波真有效值法计算零序电压，公式如下：
[0016]
[0017] 式中U0half是零序电压半波有效值，u0j是零序电压的第j个采样数据，N为10ms内零序电压的总的采样个数；
[0018] (B2)当判断U0half满足式(2)后，判断发生故障，开始启动故障录波；
[0019] U0half>Uset (2)
[0020] 式中U0half是是零序电压半波有效值，Uset是零序电压启动门槛。
[0021] (B3)此录波包含故障暂态过程，为了真实记录和还原暂态过程，录波周期为故障发生前3周波，故障发生后2周波；
[0022] (B4)录波信息临时保存在RAM数据存储区。
[0023] S3)所述故障稳态分量防抖技术的具体方法如下：
[0024] (C1)录波启动后，延时Tset毫秒(Tset为录波防抖时间定值)后再次进行稳态故障分量判断；
[0025] (C2)如果零序电压故障分量和相电流故障分量满足式(3)条件，则判断有单相接地发生，将RAM区的故障录波数据保存到FLASH中，并生成录波文件，如果不满足，丢弃本次录波数据；
[0026]
[0027] 式中U0half是是零序电压半波有效值，Uset是零序电压启动门槛，IA、IB、IC是A相电流有效值、B相电流有效值、C相电流有效值，Iset是相电流动作门槛。
[0028] (C3)故障录波文件采用COMTRADE格式，COMTRADE是IEEE标准电力系统暂态数据交换通用格式，包括配置文件(.cfg)、数据文件(.dat)。
[0029] S4)故障录波传输和合成方法；
[0030] 所述故障录波传输和合成方法即本装置生成录波文件后，将录波文件传输到相邻装置，并在接收到相邻装置录波文件后根据录波启动时刻合成录波合成文件，如下：
[0031] (D1)装置生成COMTRADE录波文件后，搜索邻近装置配置表中相邻节点信息，依次将配置文件(.cfg)、数据文件(.dat)文件以录波报文格式分帧传输到相邻节点；
[0032] (D2)相邻节点收到录波报文后检查报文的有效性和连续性，检查正确后发送应答报文；
[0033] (D3)装置收到应答帧后继续下一帧报文的传输，如果超时未收到应答帧，重新传输当前帧，直到录波文件传输完毕；
[0034] (D4)装置在接收到相邻装置的录波文件后，如果录波启动时刻相同或者误差小于一个周波，判断为同一次接地故障的录波，将录波通道及录波数据合成为录波合成文件。
[0035] S5)基于奇异值分解的故障初始时刻确定方法；
[0036] 所述基于奇异值分解的故障初始时刻确定方法，即对录波合成文件中提取零序电压分量进行奇异值分解，获得零序电压近似信号和细节信号，可以确定故障初始时刻，如下；
[0037] (E1)对录波合成文件中提取包含接地暂态过程的零序电压采样值序列[0038] Uk＝[u1u2u3……uk] (4)
[0039] 式中，uk为k点零序电压采样值，k为零序电压采样值数据窗长度。
[0040] (E2)构造Hankel形式矩阵Hk如下：
[0041]
[0042] (E3)对矩阵Hk矩阵进行奇异值分解可得：
[0043] Hk＝USVT＝Ha+Hd (6)
[0044]
[0045]
[0046] 式中，Ha为近似矩阵，反应零序电压信号的主要部分；Hd为细节矩阵，反应零序电压信号的细节部分。
[0047] (E4)由式(7)和(8)可获得零序电压信号近似部分Ua和细节部分Ud
[0048] Ua＝[a11,(La1+La2)/2，a2k-1] (9)
[0049] Ud＝[d11,(Ld1+Ld2)/2，d2k-1] (10)
[0050] 式中
[0051] La1＝[a12 …… a1k-1] (11)
[0052] La2＝[a21 …… a2k-2] (12)
[0053] Ld1＝[d12 …… d1k-1] (13)
[0054] Ld2＝[d21 …… d2k-2] (14)
[0055] (E5)选择零序电压细节部分Ud的第一个奇异点位置为接地故障初始时刻。
[0056] S6)基于暂态分量纵向相关系数分析的故障区段定位方法；
[0057] 所述于暂态分量纵向相关系数分析的故障区段定位方法，即通过奇异值分解法确定故障初始时刻后，以初始时刻为基准向后取1/4周波采样点，对录波合成文件中零序电流暂态分量进行相关系数分析，并根据分析结果确定故障区段，如下：
[0058] (F1)通过奇异值分解法确定故障初始时刻后，提取录波文件中零序电流，具体是以初始时刻为基准向后取1/4周波采样点，则此分量为包括暂态分量的零序电流，对此暂态零序电流进行相关系数分析，公式如下：
[0059]
[0060] 式中ρj为本节点暂态零序电流与第j个相邻下游节点暂态零序电流间的相关系数，ik为本节点零序电流的第k个采样数据，为本节点零序电流的平均值，ijk为第j个相邻下游节点零序电流的第k个采样数据，为第j个下游节点零序电流的平均值，N为1/4周波内采样点个数。
[0061] (F2)根据上述相关系数ρj构成的序列判断故障区段，方法如下：
[0062] 如果本节点与相邻下游节点暂态零序初始极性相反，即相关系数为负，则该条线路区段为故障区段；如果本节点与所有相邻节点相关系数均为正，则该条线路区段没有发生接地故障。
[0063] 本发明是采用基于同步采样和全态(稳态+暂态)故障特征量综合分析方法，包括同步采样方法、故障稳态分量启动和防抖方法、故障录波传输和合成方法、基于奇异值分解的故障初始时刻确定方法、基于暂态分量纵向相关系数分析的故障区段定位方法，采用以上分布式综合技术和方法解决了配电网单相接地故障定位的难题，本发明对于单相接地故障定位具有定位准确，自动化程度高的优势，具有良好的应用前景。
附图说明
[0064] 图1为本发明的故障稳态分量启动和防抖技术实现流程图。
具体实施方式
[0065] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0066] 本实施例是一种实现分布式配电网单相接地故障定位的方法，包括同步采样方法、故障稳态分量启动和防抖方法、故障录波传输和合成方法、基于奇异值分解的故障初始时刻确定方法、基于暂态分量纵向相关系数分析的故障区段定位方法，其具体包括如下：
[0067] S1)同步采样方法；
[0068] 所述同步采样方法为基于GPS的同步采样方法，即所有装置的采样脉冲均是经过GPS的1pps同步的，同时同步校准内部时钟，保证所有装置的采样和录波数据的同步性。如下：
[0069] (A1)由高精度晶振输出的振荡信号经整形、变换调理后，得到满足采样要求的时钟信号CLK1；
[0070] (A2)CLK1时钟信号每隔1s被GPS的1PPS信号同步一次，保证CLK1脉冲前沿与GPS时间同步；
[0071] (A3)CLK1时钟信号经过分频后输出采样信号FSK，各装置都是用同步后的FSK时钟信号进行采样，确保各装置采样的同步性；
[0072] (A4)装置接收GPS的1pps信号和对时报文，校准装置内部时钟。
[0073] S2)故障稳态分量启动和防抖方法；
[0074] 如图1所示为故障稳态分量启动和防抖方法实现流程图，包括以下步骤：
[0075] (B1)基于半波真有效值法计算零序电压，公式如下：
[0076]
[0077] 式中U0half是零序电压半波有效值，u0j是零序电压的第j个采样数据，N为10ms内零序电压的总的采样个数；
[0078] 由于接地发生时会产生丰富的谐波分量，真有效值计算法可以准确检测故障谐波分量，因此采用基于半波真有效值的零序电压启动算法可以在发生故障时快速启动录波，保证录波文件能准确捕捉故障暂态分量。
[0079] B2)判断录波启动标志Fq是否等于1，如果等于1，录波已启动，执行B5),否则执行B3)；
[0080] B3)判断U0half是否满足式(2)，如果满足，判断发生故障，执行B4)，否则，执行B10)；
[0081] U0half>Uset (2)
[0082] 式中U0half是是零序电压半波有效值，Uset是零序电压启动门槛。
[0083] B4)置启动标志Fq＝1,清防抖延时计数Td＝0，开始故障录波，执行B10)；
[0084] 此录波包含故障暂态过程，为了真实记录和还原暂态过程，录波采样点数不小于80点/周波，录波周期为故障发生前3周波，故障发生后2周波。
[0085] B5)判断延时计数Td
[0086] B6)延时计数：Td＝Td+TΔ，TΔ为调用本流程的中断时间计数，执行B10)；
[0087] B7)判断零序电压故障分量U0half和相电流故障分量IA、IB、IC是否满足式(3)，如果满足执行B8)，否则执行B9)；
[0088]
[0089] B8)判断发生单相故障，置保存标志，将RAM区数据保存在FLASH，生成录波文件，清启动标志，Fq＝0，执行B10)；
[0090] 录波文件采用COMTRADE格式，包括配置文件(.cfg)、数据文件(.dat)。
[0091] B9)未发生单相接地故障，置删除标志，删除RAM区录波数据，清启动标志，Fq＝0；
[0092] B10)结束；
[0093] S3)故障录波传输和合成方法；
[0094] 所述故障录波传输和合成方法即本装置生成录波文件后，将录波文件传输到相邻装置，并在接收到相邻装置录波文件后根据录波启动时刻合成录波合成文件，如下：
[0095] (D1)装置生成COMTRADE录波文件后，搜索邻近装置配置表中相邻节点信息，依次将配置文件(.cfg)、数据文件(.dat)文件以录波报文格式分帧传输到相邻节点；
[0096] (D2)相邻节点收到录波报文后检查报文的有效性和连续性，检查正确后发送应答报文；
[0097] (D3)装置收到应答帧后继续下一帧报文的传输，如果超时未收到应答帧，重新传输当前帧，直到录波文件传输完毕；
[0098] (D4)装置在接收到相邻装置的录波文件后，如果录波启动时刻相同或者误差小于一个周波，判断为同一次接地故障的录波，将录波通道及录波数据合成为录波合成文件。
[0099] S4)基于奇异值分解的故障初始时刻确定方法；
[0100] 所述基于奇异值分解的故障初始时刻确定方法，即对录波合成文件中提取零序电压分量进行奇异值分解，获得零序电压近似信号和细节信号，可以确定故障初始时刻，如下；
[0101] (E1)对录波合成文件中提取包含接地暂态过程的零序电压采样值序列[0102] Uk＝[u1 u2 u3 ……uk] (4)
[0103] 式中，uk为k点零序电压采样值，k为零序电压采样值数据窗长度。
[0104] (E2)构造Hankel形式矩阵Hk如下：
[0105]
[0106] (E3)对矩阵Hk矩阵进行奇异值分解可得：
[0107] Hk＝USVT＝Ha+Hd (6)
[0108]
[0109]
[0110] 式中，Ha为近似矩阵，反应零序电压信号的主要部分；Hd为细节矩阵，反应零序电压信号的细节部分。
[0111] (E4)由式(7)和(8)可获得零序电压信号近似部分Ua和细节部分Ud
[0112] Ua＝[a11,(La1+La2)/2，a2k-1] (9)
[0113] Ud＝[d11,(Ld1+Ld2)/2，d2k-1] (10)
[0114] 式中
[0115] La1＝[a12 …… a1k-1] (11)
[0116] La2＝[a21 …… a2k-2] (12)
[0117] Ld1＝[d12 …… d1k-1] (13)
[0118] Ld2＝[d21 …… d2k-2] (14)
[0119] (E5)选择零序电压细节部分Ud的第一个奇异点位置为接地故障初始时刻。
[0120] S5)基于暂态分量纵向相关系数分析的故障区段定位方法；
[0121] 所述于暂态分量纵向相关系数分析的故障区段定位方法，即通过奇异值分解法确定故障初始时刻后，以初始时刻为基准向后取1/4周波采样点，对录波合成文件中零序电流暂态分量进行相关系数分析，并根据分析结果确定故障区段，如下：
[0122] (F1)通过奇异值分解法确定故障初始时刻后，提取录波文件中零序电流，具体是以初始时刻为基准向后取1/4周波采样点，则此分量为包括暂态分量的零序电流，对此暂态零序电流进行相关系数分析，公式如下：
[0123]
[0124] 式中ρj为本节点暂态零序电流与第j个相邻下游节点暂态零序电流间的相关系数，ik为本节点零序电流的第k个采样数据，为本节点零序电流的平均值，ijk为第j个相邻下游节点零序电流的第k个采样数据，为第j个下游节点零序电流的平均值，N为1/4周波内采样点个数。
[0125] (F2)根据上述相关系数ρj构成的序列判断故障区段，方法如下：
[0126] 如果本节点与相邻下游节点暂态零序初始极性相反，即相关系数为负，则该条线路区段为故障区段；如果本节点与所有相邻节点相关系数均为正，则该条线路区段没有发生接地故障。
[0127] 本节点定义说明：本节点是用于实现本发明所描述的分布式配电网单相接地故障定位方法的配电装置；
[0128] 上游节点、下游节点定义说明：假设只有主电源供电，以该电源的功率流出方向为功率正方向，以本节点为中心，连接所有与本节点有物理连接的相邻节点，如果从某节点到本节点的支路电流方向与功率正方向一致，则该节点为上游节点，如果电流方向与功率正方向相反，则此类节点为下游节点。
[0129] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
