基于直流分量-主频分量占比与幅相测度的故障选线方法

摘要

基于直流分量‑主频分量占比与幅相测度的故障选线方法，该方法利用Prony算法将单相接地故障后故障线路和非故障线路的暂态零序电流分解为衰减的直流分量、工频分量和衰减的暂态主频分量，并计算直流分量与主频分量的比值为直流分量‑主频分量占比λ，计算主频分量的幅值比与相位比的综合量值为幅相测度C，基于直流分量‑主频分量占比λ与幅相测度C的比较构成配电网故障选线判据。该故障选线方法原理简洁，综合两种互补判据，可靠性高，且不受过渡电阻、故障合闸角等因素的影响；同时该方法仅比较各支路的零序电流，应用在工程上容易实现。

权利要求

1.基于直流分量-主频分量占比与幅相测度的故障选线方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：系统发生单相接地故障时，测量系统各支路的零序电流；并利用Prony算法完成暂态零序电流的分解，计算衰减直流分量、主频分量的幅值、相位、频率、衰减因子；计算完成后进入步骤2；

步骤2：分别计算各支路直流分量与主频分量的比值，定义为直流分量-主频分量占比λi，其中i为1,2，…n条支路；计算完成后进入步骤3；

步骤3：分别比较λi与λset的关系，λset为直流分量-主频分量占比阈值；当λi>λset时，则认定该支路i为故障线路；否则进入步骤4；

步骤4：分别计算各支路主频分量幅值比与相位差；并将相位差转换为与180°的比值，计算两比值之和为幅相测度Ci，其中i为1,2，…n条支路，计算完成后进入步骤5；

步骤5：分别比较Ci与Cset的关系，Cset为幅相测度阈值；当Ci>Cset时，则认定该支路i为故障线路；否则认定故障发生在母线侧，结束选线。

2.根据权利要求1所述基于直流分量-主频分量占比与幅相测度的故障选线方法，其特征在于：所述步骤2中，直流分量-主频分量占比 其中Iid、Iip分别为第i条支路零序电流中衰减直流分量、主频分量在一个工频周期内的有效值。

3.根据权利要求1所述基于直流分量-主频分量占比与幅相测度的故障选线方法，其特征在于：所述步骤3中，考虑到故障发生在低故障合闸角时，故障支路直流分量大于主频分量，λset设置为1。

4.根据权利要求1所述基于直流分量-主频分量占比与幅相测度的故障选线方法，其特征在于：所述步骤4中，幅相测度Ci＝Kip+Mip，其中Kip、Mip分别为第i条支路零序电流中主频分量的幅值比和相位比；幅值比 其中I0ip为第i条支路主频分量的幅值，其中，θ0ip为第i条支路主频分量的初相位，θ0p为所有支路中趋于一致性

的相位集的平均值；Ks为幅值比阈值，取自差动保护制动系数，为0.5-0.7。

5.根据权利要求1所述基于直流分量-主频分量占比与幅相测度的故障选线方法，其特征在于：所述步骤5中，幅相测度综合了幅值比和相位比判据，其幅相测度阈值Cset为2倍的Ks，取1.0-1.4；Ks表示幅值比阈值。

6.如权利要求1-5任意一项所述的故障选线方法，其特征在于：应用于复杂的接地配电网系统。

说明书

基于直流分量-主频分量占比与幅相测度的故障选线方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统继电保护领域，特别涉及一种基于直流分量-主频分量占比与幅相测度的故障选线方法。

背景技术

[0002] 我国中低压配电网大多采用中性点经消弧线圈接地方式运行，对于中性点经消弧线圈接地的系统，由于消弧线圈的补偿作用，故障线路零序电流的稳态特征趋于非故障线路，即使暂态单一信息也难完全区分故障与非故障线路，导致故障选线准确较低。

[0003] 国内外研究人员针对经消弧线圈接地系统的故障选线做了大量的研究，取得了较好的效果。故障选线方法大致分为稳态选线方法和暂态选线方法，其中暂态选线方法最为突出，有以下几类主流方法：一类是时频分析法，其原理是把故障暂态信号分解至多个频带暂态分量，提取有效频带信息，基于故障特征判断故障线路。信号处理方法主要有小波变换法，Hilbert-Huang换法，S变换法等；一类是零序能量法，其依据故障线路能量绝对值最大，能量极性与非故障线路能量极性相反的特性构建选线判据。但在实际系统中，阻性分量在暂态信号中比例较小，在金属性单相接地故障选线中存在不足；一类是暂态电流特征频带法，通过分析系统各线路分布参数模型谐振特性，选取故障特征频带，利用各线路在特征频段上故障线路零序电流的幅值与健全线路电流差距大，极性相反的特征完成故障选线。但该方法在低故障合闸角单相接地故障选线仍存在不足。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是：传统的选线原理存在当系统单相接地故障发生低故障合闸角时选线难及高阻故障下选线可靠性不高的问题。这些问题表明传统的选线原理仍存在不足，在应用到工程中实现困难。本发明提出一种基于直流分量-主频分量占比与幅相测度的故障选线方法，该故障选线方法原理简洁，综合两种互补判据，可靠性高，且不受过渡电阻、故障合闸角等因素的影响；同时该方法仅比较各支路的零序电流，应用在工程上容易实现。

[0005] 本发明采取的技术方案为：

[0006] 基于直流分量-主频分量占比与幅相测度的故障选线方法，利用Prony算法将暂态零序电流分解为衰减的直流分量、工频分量和按指数规律衰减的暂态主频分量，并计算直流分量与主频分量的比值为直流分量-主频分量占比λ，计算主频分量的幅值比与相位差的综合量值为幅相测度C，基于直流分量-主频分量占比λ与幅相测度C的综合比较，构成配电网故障选线判据；

[0007] 当系统单相接地故障发生在低故障合闸角时，故障支路直流分量远大于主频分量，基于直流分量-主频分量占比λ大于阈值，完成低故障合闸角故障选线；

[0008] 当系统单相接地故障发生在高故障合闸角时，故障支路相比非故障支路，主频分量幅值较大相位相反，基于幅相测度C大于阈值，完成高故障合闸角故障选线。

[0009] 基于直流分量-主频分量占比与幅相测度的故障选线方法，包括直流分量-主频分量占比λ与幅相测度C综合的选线判据，利用不同故障合闸角下，支路零序电流主频分量与直流分量故障特征构建选线原理；利用直流分量-主频分量占比λ是否大于1，完成低故障合闸角下故障选线，利用幅相测度C是否大于2倍的Ks，完成高故障合闸角下故障选线。

[0010] 基于直流分量-主频分量占比与幅相测度的故障选线方法，包括以下步骤：

[0011] 步骤1：系统发生单相接地故障时，测量系统各支路的零序电流；并利用Prony算法完成暂态零序电流的分解，计算衰减直流分量、主频分量的幅值、相位、频率、衰减因子。

[0012] 计算完成后进入步骤2；

[0013] 步骤2：分别计算各支路直流分量与主频分量的比值，定义为直流分量-主频分量占比λi，其中i为1,2，…n条支路。计算完成后进入步骤3；

[0014] 步骤3：分别比较λi与λset的关系，λset为直流分量-主频分量占比阈值。当λi>λset时，则认定该支路i为故障线路；否则进入步骤4；

[0015] 步骤4：分别计算各支路主频分量幅值比与相位差；并将相位差转换为与180°的比值，计算两比值之和为幅相测度Ci，其中i为1,2，…n条支路，计算完成后进入步骤5；

[0016] 步骤5：分别比较Ci与Cset的关系，Cset为幅相测度阈值。当Ci>Cset时，则认定该支路i为故障线路；否则认定故障发生在母线侧，结束选线。

[0017] 所述步骤2中，直流分量-主频分量占比 其中Iid、Iip分别为第i条支路零序电流中衰减直流分量、主频分量在一个工频周期内的有效值。

[0018] 所述步骤3中，考虑到故障发生在低故障合闸角时，故障支路直流分量大于主频分量，λset设置为1。

[0019] 所述步骤4中，幅相测度Ci＝Kip+Mip，其中Kip、Mip分别为第i条支路零序电流中主频分量的幅值比和相位比。幅值比 其中I0ip为第i条支路主频分量的幅值，其中,θ0ip为第i条支路主频分量的初相位，θ0p为所有支路中趋于一致性
的相位集的平均值，Ks为幅值比阈值，取自差动保护制动系数，一般为0.5-0.7。

[0020] 所述步骤5中，幅相测度综合了幅值比和相位比判据，其幅相测度阈值Cset为2倍的Ks，取1.0-1.4。

[0021] 本发明基于直流分量-主频分量占比与幅相测度的故障选线方法，有益效果在于：

[0022] (1)、保护量采用直流分量与主频分量，综合利用故障信息，提高信号的利用率，保证了选线的可靠性。

[0023] (2)、不受过渡电阻和故障距离的影响，提高了选线的成功性。

[0024] (3)、适用于复杂的接地配电网系统，是一种比较理想可靠的选线方法。

附图说明

[0025] 图1为本发明流程图。

[0026] 图2为本发明消弧线圈接地系统模型图。

[0027] 图3为本发明的相位比较动作特性图。

[0028] 图4为本发明的消弧线圈接地系统仿真示意图。

[0029] 图5为本发明的λ值变化趋势图。

具体实施方式

[0030] 一种基于直流分量-主频分量占比与幅相测度的故障选线方法，包括直流分量-主频分量占比λ与幅相测度C综合的选线判据。本发明利用不同故障合闸角下，支路零序电流主频分量与直流分量故障特征构建选线原理。利用直流分量-主频分量占比λ是否大于1，完成低故障合闸角下故障选线，利用幅相测度C是否大于2倍的Ks，完成高故障合闸角下故障选线。

[0031] 如图1所示，本发明提供的一种基于直流分量-主频分量占比与幅相测度的故障选线方法，为方便于说明，具体实施方式中以消弧线圈系统单相接地模型为例。选线的具体实施包括如下步骤：

[0032] 步骤1：如图2所示，对于有n条支路的消弧线圈接地系统，当系统发生单相接地故障时，测量系统各支路的零序电流 并利用Prony算法完成暂态零序电流 的分解计。I0ip、α0ip、ω0ip、 依次为暂态主频分量 的幅值、衰减因子、频率和相位；I0id、α0id为直流分量 的幅值和衰减因子；

[0033] 计算完成后进入步骤2；

[0034] 步骤2：分别计算各支路直流分量与主频分量的比值，定义为直流分量-主频分量占比λi，其中i为1,2，…n条支路。λi计算方法如下：

[0035] 对于故障后任意时刻t1，取其前一工频周期为数据窗口，计算直流分量与主频分量占比，λ为暂态零序电流在t1时刻前一个工频周期T内直流衰减分量有效值与暂态主频分量有效值之比，即：

[0036]

[0037] 式中：Iid、Iip分别为第i条支路零序电流中衰减直流分量、主频分量在一个工频周期内的有效值；I0ip、α0ip、ω0ip、 依次为暂态主频分量 的幅值、衰减因子、频率和相位；I0id、α0id为直流分量 的幅值和衰减因子。

[0038] 对于直流分量-主频分量占比的求取，采用故障后的一个工频周期为数据窗口，其中主频分量有效值Iip的门槛值Iset为1A。当主频分量主频信号有效值Iip低于1A时，主频分量信号较为微弱，此时可以认为λ值无效，保护将不再计算该值。

[0039] 计算完成后进入步骤3；

[0040] 步骤3：分别比较各支路λi与λset的关系，λset为直流分量-主频分量占比阈值。当λi>λset时，则认定该支路i为故障线路；否则进入步骤4。考虑到故障发生在低故障合闸角时，故障支路直流分量大于主频分量，λset设置为1。

[0041] 步骤4：基于故障支路主频分量电流幅值大的特征，构建主频分量幅值比，幅值相位测度构建如下：

[0042] 对于n条支路系统，理想状态下，故障线路的主频零序电流等于所有健全线路零序电流之和；借用差动制动特性的思想，选取所有线路主频分量幅值和的一半为基准值，构造幅值测度函数。即线路i对应的幅值比为：

[0043]

[0044] 式中，Kip为第i条支路零序电流中主频分量的幅值比；I0ip为第i条支路主频分量的幅值； 为所有支路主频分量的幅值和。考虑误差的影响，基于差动保护制动系数整定原则，此时构建故障线路的幅值比较判据：

[0045] Kip>Ks        (3)

[0046] 式中Ks取自差动保护制动系数，一般为0.5-0.7；

[0047] 基于故障支路主频分量电流相位相反的特征，构建主频分量相位比，构建方式如下：

[0048] 故障线路主频分量相位与非故障线路相差180°左右；而健全线路间相位较为接近。为实现上述理论分析，计算所有支路中趋于一致性的相位集的平均值θ0p，并借助于方向保护构建思想，如图3中，以θ0p为同向最大灵敏角，以θ0p±90°为同向动作区域，其他区域为反向动作区域，构建相位比较动作特性。当检测线路主频分量相位θ0ip(第i条支路主频分量的初相位)与θ0p的差值落入同向区，则判定该线路为健全线路；当差值落入反向区，则判定该线路为故障线路；

[0049] 在构建相位比较动作方程时，为和幅值比较保持一致，本发明设置如下处理；对于任意线路的主频分量相位θ0i，其同向比较判据为|θ0ip-θ0p|≤90°，反向比较判据为|θ0ip-θ0p|>90°。

[0050] 对于故障线路存在

[0051]

[0052] 令 意味着故障线路判据：

[0053] Mip>Ks         (4)

[0054] 式中Ks同上。

[0055] 综合幅值比方程与相位差方程，构建幅相测度，构建方式如下：

[0056] 在实际工程应用中，存在着不同程度的干扰信号，尽管可以采取一些滤波措施，但仍会引入一些误差到主频分量信息提取中。为了增加故障选线的可靠性，提出将零序电流主频分量的幅值比比较判据与相位差比较判据进行综合，构建幅相测度，共同作用在选线中。

[0057] 其中，

[0058] Ci＝Kip+Mip               (5)

[0059] 基于幅相测度，构建故障选线判据二：

[0060] Ci>2Ks        (6)

[0061] 式(5),(6)中，Ci为幅相测度；Kip、Mip分别为第i条支路零序电流中主频分量的幅值比和相位比；Ks为幅值比阈值，取自差动保护制动系数，一般为0.5-0.7。

[0062] 式(5),(6)中，幅值相位测度的定义相比较单个判据(3)、(4)方程，综合了两者量度，其能够达到互补的优势。如当一个方程满足，而另一个方程不满足(可能存在灵敏度不足)，选线无法判定。但基于式(6)判据，建立了一个明确的测度，当幅值比或者相位差存在任意一个强度较大时，即使一个灵敏度不足，综合测度选线判据本身仍具有较好的灵敏度。

[0063] 步骤5：当Ci>2Ks时，则判定对应支路i为故障线路，否则判定系统故障发生在母线侧，故障选线结束。

[0064] 为进一步说明和验证本专利所提出的方法，利用仿真软件MATLAB搭建图4所示35kv配电网多馈出线模型进行仿真验证，并别设定架空线路、电缆线路和混合线路发生单相接地故障，模型包含5条馈出线，变压器中性点通过消弧线圈接地，变压器采用过补偿方式运行。其中架空馈线l1＝15km，l2＝20km；电缆馈线l3＝12km，l4＝20km；线-缆混合馈线l5＝17km,其中架空馈线7km，电缆馈线10km。故障分别发生在架空线l1、电缆馈线l3、混合馈线l5的k1、k2、k3位置，距离母线分别为3km、5km、10km。

[0065] 系统在k1点发生过渡电阻为0Ω，故障合闸角0°的单相接地故障。选定仿真数据窗口为故障后两个工频周期。对于时间窗口内任意时刻点t，取其前一个工频周期计算各线路λ值。各时刻点构成的λ曲线变化趋势如图5所示。

[0066] 图5中，对于故障线路，在0～20ms，Prony计算时均包含了故障前的数据，此时的数据拟合误差较大，属于不可信区间，故保护不处理该数据。λ输出为0。在故障一个工频周期后，Prony算法进入正常计算，λ大于1，此后λ值呈现逐渐增大的趋势，在T1时刻时，λ曲线达到峰值。T1时刻后，由于主频信号的有效值低于1A，保护不再计算，λ输出为0。对于非故障线路，由于不含直流分量，λ输出几乎为0，尽管有一些纹波，其值也很小。综上，采取故障后一周波数据的λ进行判断，具有足够灵敏度反映故障线路。结论，作为低故障合闸角故障选线依据，基于λ值的判据具有较高的可靠性。

[0067] 仿真系统在k1、k2、k3点发生不同故障条件下单相接地故障，故障线路λ值计算结果如表1所示。

[0068]

[0069] 由表1可知，对于故障合闸角0°～30°时的低阻故障，故障线路λ值均大于1，满足判据一要求，选线均正确无误；对于500Ω高阻接地故障，在故障合闸角30°附近时，其λ值为小于1的数值，基于λ值的低故障角选线可靠性降低，选线判据的适用角度范围变小,选线灵敏度明显不足。

[0070] 对于单相接地故障发生非低故障合闸角附近时，基于λ的选线原理失去效果，故障线路λ值趋于0，与健全线路的λ值趋于一致，需要通过主频分量综合测度完成选线，其结果如表2所示。

[0071]

[0072] 由表2可知，基于幅值相位测度C的选线原理都能够正确完成选线，且不受故障距离、过渡电阻的影响。对于任意故障条件下的非低故障合闸角故障，故障线路的C输出在[1.5,2.0]之间，均大于整定值2KS(KS＝0.7)，满足故障线路的判据要求。对于高阻故障，C值输出仍达到1.5以上，仍满足判据要求。

[0073] 对于母线侧故障的识别，仿真模拟不同故障条件下母线侧故障，选线结果如表3所示。

[0074]

[0075] 由表3可知，对于不同故障条件下的母线侧故障，各馈出线的Ci值在0.2～0.5之间，均小于整定值2KS(KS＝0.5)。选线原理均能正确反应母线侧故障，保证选线的可靠性。对于母线侧故障的识别，也同样不受过渡电阻、故障距离的影响。