一种基于自适应差值接地算法的配电网故障保护方法

摘要

本发明涉及一种基于自适应差值接地算法的配电网故障保护方法，其特征在于包括以下步骤：在中压配电线路每条馈线的各监测点安装边缘计算装置，任取一座配电房作为中心监测点，安装中心边缘计算装置；采集线路上的三相暂态电流信号，对信号进行处理，采用自适应差值接地算法判断是否发生接地故障，并将结果上传至中心边缘计算装置；进行接地故障区段定位；对发生接地故障馈线的相关断路器下发跳闸指令，完成故障线路隔离，对联络开关发出合闸指令，实现非故障区域恢复供电。该方法克服了现有接地故障定位方法存在的实施困难、安装成本高，现场实施不灵活以及受环境影响误差较大，准确度难于保证等问题。

权利要求

1.一种基于自适应差值接地算法的配电网故障保护方法，其特征在于，包括以下步骤：在中性点非有效接地的中压配电线路每条馈线的各监测点安装边缘计算装置，任取一座配电房作为中心监测点，安装中心边缘计算装置；

边缘计算装置采集线路上的三相暂态电流信号，对信号进行处理，采用自适应差值接地算法判断是否发生接地故障，并将结果上传至中心边缘计算装置；

中心边缘计算装置根据各边缘计算装置上传的接地故障判定结果进行接地故障区段定位；

中心边缘计算装置完成接地故障区段定位后，对发生接地故障馈线的相关断路器下发跳闸指令，完成故障线路隔离，对联络开关发出合闸指令，实现非故障区域恢复供电；

所述接地故障是指单相接地故障；

所述自适应差值接地算法判断是否发生接地故障的步骤如下：对三相暂态电流信号进行离散采样，采样长度为半周波即10毫秒；

计算每相暂态电流信号采样值的相累加和∑|IAn|、∑|IBn|、∑|ICn|，以及每两相之间暂态电流信号采样值差值绝对值的差值累加和∑|IABn|、∑|IACn|、∑|IBCn|；

将差值累加和分别与所有相累加和比较：若差值累加和同时大于所有相累加和，则将该差值累加和赋值1；若差值累加和同时小于所有相累加和，则将该差值累加和赋值0；

若差值累加和有两个1，一个0，判定为界内故障，即接地故障信号流过本边缘计算装置；若差值累加和有两个0或者三个0时，判定为界外故障，即接地故障信号未流过本边缘计算装置。

2.根据权利要求1所述的基于自适应差值接地算法的配电网故障保护方法，其特征在于，所述中心边缘计算装置根据各边缘计算装置上传的接地故障判定结果进行接地故障区段定位的步骤如下：

根据两相邻边缘计算装置相对于电源或负荷的位置及两相邻边缘计算装置上报的有无接地故障信号进行接地故障区段定位，若电源侧的边缘计算装置有接地故障信号，而负荷侧的边缘计算装置无接地故障信号，即判定接地故障处于这两个边缘计算装置之间。

3.根据权利要求1所述的基于自适应差值接地算法的配电网故障保护方法，其特征在于，所述对发生接地故障馈线的相关断路器下发跳闸指令，完成故障线路隔离，对联络开关发出合闸指令，实现非故障区域恢复供电的步骤如下：所述中心边缘计算装置向发生接地故障的两相邻边缘计算装置发送分闸指令，控制所述边缘计算装置内断路器分闸，隔离故障；

所述中心边缘计算装置向该馈线上其他边缘计算装置发送合闸指令，将电源供电到非故障区域；

所述中心边缘计算装置将故障定位、故障隔离、故障恢复结果上传到主站，通知运维人员查看处理结果。

4.根据权利要求1所述的基于自适应差值接地算法的配电网故障保护方法，其特征在于，所述边缘计算装置采集线路上的三相暂态电流信号通过以下两种方式之一实现：方式一：三相电流互感器通过ADC芯片同步采样获取三相暂态电流信号；

方式二：电流互感器安装于架空线路，互感器内部集成采样与无线通信功能，并将采样数据通过无线信号传输到汇集单元，由汇集单元合成三相暂态电流信号。

5.根据权利要求1所述的基于自适应差值接地算法的配电网故障保护方法，其特征在于，所述对三相暂态电流信号进行离散采样的采样频率为256点每周波。

6.根据权利要求1所述的基于自适应差值接地算法的配电网故障保护方法，其特征在于，所述边缘计算装置对采集线路上的三相暂态电流信号进行的处理包括对三相暂态电流信号进行硬件滤波，通过硬件滤波电路滤除其工频信号与干扰信号。

7.根据权利要求6所述的基于自适应差值接地算法的配电网故障保护方法，其特征在于，

所述硬件滤波电路由一级抗干扰滤波电路和二级带通滤波电路两级滤波电路组成。

8.根据权利要求7所述的基于自适应差值接地算法的配电网故障保护方法，其特征在于，

所述一级抗干扰滤波电路通过两个TVS管(Z1、Z3)组成的电路对共模浪涌冲击进行滤波，通过一个TVS管(Z2)组成的电路对差模浪涌冲击进行滤波，通过电阻(R2、R6)和电容(C1、C4)组成的电路对共模干扰信号进行滤波，通过电阻(R2、R6)和电容(C2)组成的电路对差模干扰信号进行波滤；所述二级带通滤波电路由低通滤波器和有源高通滤波器组成。

9.根据权利要求8所述的基于自适应差值接地算法的配电网故障保护方法，其特征在于，所述二级带通滤波器的选频范围为200Hz到2000Hz之间。

说明书

一种基于自适应差值接地算法的配电网故障保护方法

技术领域

[0001] 本发明涉及配电自动化技术领域，尤其涉及一种基于自适应差值接地算法的配电网线路接地故障定位、接地故障隔离与保护方法。

背景技术

[0002] 我国配电网多采用中性点非有效接地方式，当线路产生单相接地故障时，故障特征电流微弱，接地点位置的准确定位与故障的隔离是长期以来的技术难题。目前主要技术
方案有暂态零序电流接地故障定位算法，零序电压导数与零序电流极性特征值算法。

[0003] 公告号为CN109507529B的发明专利公开了一种基于故障指示器的小电流接地故障判别定位方法，包括采集单元对时并同步；采集单元同步触发并采集电流和电压；计算零
序电流、零序电压和零序电压对时间的导数值；计算故障时刻的零序电流暂态极性特征值
和零序电压对时间的导数值的暂态极性特征值；计算各个故障指示器的小电流接地故障特
征值并判断是否发生故障；对发生的小电流接地故障的位置进行定位。

[0004] 公开号为CN112415325A的发明专利申请公开了一种基于边缘计算的单相接地故障区段辨识方法，适用于电网电力系统故障分析使用。首先在电网系统的每条支路上精度
设置测量点，并在相应线路首端配置边缘计算节点，各测量节点之间距离定义为一个区段，
当支路上发生单相接地故障时，各测量节点记录并上传零序电流幅值至边缘计算节点，并
利用零序电流信号进行差值计算，最终生成矩阵，再利矩阵中的相邻数值的差值从而判断
对应支路上的测量点处出现故障。该发明申请应用边缘计算，根据故障线路与非故障线路
零序电流幅值沿线分布的差异进行故障区段辨识，确定故障区段。

[0005] 上述两份技术文献所公开的技术方案存在问题是：

[0006] 1)采用暂态零序电流接地故障定位算法，需要在线路上安装监测终端，各监测终端将零序电流录波文件上传到主站进行综合判断，主站根据各监测点的零序电流相位与幅
值进行比较计算接地位置。这种算法要求监测终端的录波文件准确无误，并对各录波文件
的时钟准确要求极高，项目实施时监测终端与主站为不同厂家，出现定位不准确时难于判
别责任方，导致项目实施困难，实际运行效果不佳。

[0007] 2)采用零序电压导数与零序电流极性特征值算法，不要求将数据上传主站判断，但依赖于零序电压的采集，在监控设备上就必须安装零序电压传感器，零序电压传感器安
装成本较高，现场实施不灵活，不适合批量应用，也有的通过电场感应方式采集合成零序电
压，但电场感应易受环境影响，并且误差较大，准确度难于保证。

发明内容

[0008] 本发明要解决的技术问题是，提供一种能够避免现有配电网接地故障定位隔离技术方案中暂态零序电流接地故障定位法对监测终端录波文件准确度以及对各录波文件时
钟准确度要求极高、实施困难，以及零序电压导数与零序电流极性特征值法依赖于零序电
压的采集，在监控设备上就必须安装零序电压传感器，导致安装成本高，现场实施不灵活，
不适合批量应用，而通过电场感应方式采集合成零序电压易受环境影响误差较大，准确度
难于保证等诸多问题的配电网线路接地故障定位、隔离与保护方法。

[0009] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于自适应差值接地算法的配电网故障保护方法，其特征在于包括以下步骤：

[0010] 在中压配电线路每条馈线的各监测点安装边缘计算装置，任取一座配电房作为中心监测点，安装中心边缘计算装置；

[0011] 边缘计算装置采集线路上的三相暂态电流信号，对信号进行处理，采用自适应差值接地算法判断是否发生接地故障，并将结果上传至中心边缘计算装置；

[0012] 中心边缘计算装置根据各边缘计算装置上传的接地故障判定结果进行接地故障区段定位；

[0013] 中心边缘计算装置完成接地故障区段定位后，对发生接地故障馈线的相关断路器下发跳闸指令，完成故障线路隔离，对联络开关发出合闸指令，实现非故障区域恢复供电。

[0014] 上述步骤中，对所述自适应差值接地算法判断是否发生接地故障的步骤如下：

[0015] 对三相电流进行离散采样；

[0016] 计算每相电流采样值的相累加和∑|IAn|、∑|IBn|、∑|ICn|，以及每两相之间电流采样值差值绝对值的差值累加和∑|IABn|、∑|IACn|、∑|IBCn|；

[0017] 将差值累加和分别与所有相累加和比较：若差值累加和同时大于所有相累加和，则将该差值累加和赋值1；若差值累加和同时小于所有相累加和，则将该差值累加和赋值0；

[0018] 若差值累加和有两个1，一个0，判定为界内故障，即接地故障信号流过本边缘计算装置；

[0019] 若差值累加和有两个0或者三个0时，判定为界外故障，即接地故障信号未流过本边缘计算装置。

[0020] 上述步骤中，所述中心边缘计算装置根据各边缘计算装置上传的接地故障判定结果进行接地故障区段定位的步骤如下：

[0021] 根据两相邻边缘计算装置相对于电源或负荷的位置及两相邻边缘计算装置上报的有无接地故障信号进行接地故障区段定位，若电源侧的边缘计算装置有接地故障信号，
而负荷侧的边缘计算装置无接地故障信号，即判定接地故障处于这两个边缘计算装置之
间。

[0022] 上述步骤中，所述对发生接地故障馈线的相关断路器下发跳闸指令，完成故障线路隔离，对联络开关发出合闸指令，实现非故障区域恢复供电的步骤如下：

[0023] 所述中心边缘计算装置向发生接地故障的两相邻边缘计算装置发送分闸指令，控制所述边缘计算装置内断路器分闸，隔离故障；

[0024] 所述中心边缘计算装置向该馈线上其他边缘计算装置发送合闸指令，将电源供电到非故障区域；

[0025] 所述中心边缘计算装置将故障定位、故障隔离、故障恢复结果上传到主站，通知运维人员查看处理结果。

[0026] 上述步骤中，所述边缘计算装置采集线路上的三相暂态电流信号通过以下两种方式之一实现：

[0027] 方式一：三相电流互感器通过ADC芯片同步采样获取三相暂态电流信号；

[0028] 方式二：电流互感器安装于架空线路，互感器内部集成采样与无线通信功能，并将采样数据通过无线信号传输到汇集单元，由汇集单元合成三相暂态电流信号。

[0029] 上述步骤中，所述对三相电流进行离散采样的采样频率为256点每周波，采样长度为半周波即10毫秒。

[0030] 上述步骤中，所述边缘计算装置对采集线路上的三相暂态电流信号进行的处理包括对三相暂态电流信号进行硬件滤波，通过硬件滤波电路滤除其工频信号与干扰信号。

[0031] 上述步骤中，所述硬件滤波电路由一级抗干扰滤波电路和二级带通滤波电路两级滤波电路组成。

[0032] 上述步骤中，所述一级抗干扰滤波电路通过两个TVS管Z1、Z3组成的电路对共模浪涌冲击进行滤波，通过一个TVS管Z2组成的电路对差模浪涌冲击进行滤波，通过电阻R2、R6
和电容C1、C4组成的电路对共模干扰信号进行滤波，通过电阻R2、R6和电容C2组成的电路对
差模干扰信号进行波滤；所述二级带通滤波电路由低通滤波器和有源高通滤波器组成。

[0033] 上述步骤中，所述二级带通滤波器的选频范围为200Hz到2000Hz之间。

[0034] 本发明的有益效果在于：在线路上安装边缘计算装置，在边缘计算装置内通过自适应差值接地算法计算出是否有接地故障产生，并将接地故障信号的结果上传到中心边缘
计算装置，中心边缘计算装置根据各边缘计算装置的接地信号快速判断接地位置，并对故
障位置断路器发出跳闸指令，完成接地故障隔离，进一步对联络开关发出合闸指令，完成非
故障区域恢复供电。自适应差值接地算法仅根据相电流进行计算，不需要各监测终端录波
文件，实施容易，在各边缘计算装置无需零序电压参与计算，不需要安装零序电压互感器，
成本低，现场实施简便，适应于批量应用，也不需要采用电场感应方式合成零序电压，避免
了合成零序电压的误差。自适应差值接地算法采用差值累加和方法，不需要设置参数，现场
运行与管理方便。接地故障定位与故障隔离，不依赖于远程主站分析，而是由中心边缘计算
装置进行分析与处理，降低了对远程主站的通信与处理要求，远程主站与设备厂家之间的
责任界限清晰，有利于提高系统运行与维护管理效率，进而提高了运行的可靠性。

附图说明

[0035] 图1是按照本发明一实施方式进行配电网线路接地故障定位、接地故障隔离与保护的流程图；

[0036] 图2是实现图1中边缘计算装置采集线路上的三相暂态电流信号，对信号进行处理，采用自适应差值接地算法判断是否发生接地故障的流程图；

[0037] 图3是按照本发明一实施方式在配电网布置边缘计算装置以及故障定位与保护系统工作示意图；

[0038] 图4示意提供了在本发明一实施方式中对相电流进行滤波的滤波电路原理图。

具体实施方式

[0039] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发
明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施
例，都属于本发明保护的范围。

[0040] 应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整
体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

[0041] 还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

[0042] 图1是按照本发明一实施方式进行配电网线路接地故障定位、接地故障隔离与保护的流程图。

[0043] 在步骤S101，在中压配电线路每条馈线的各监测点安装边缘计算装置，任取一座配电房作为中心监测点，安装中心边缘计算装置。例如，在图3所示的配电网布置边缘计算
装置以及故障定位与保护系统工作示意图中，由电源1和电源2组成双电源10kV配电网，配
电网有三条馈线，分别为馈线1，馈线2，馈线3。在每条馈线上安装边缘计算装置(简称边缘
装置)，在馈线1安装F11、F12、F13、F14边缘装置，在馈线2安装F21、F22、F23、F24安装边缘装
置，在馈线3安装F31、F32、F33边缘装置，并安装一台中心边缘计算装置F34(简称中心装
置)，每台边缘计算装置配套有断路器，可对短路与接地故障进行投切。

[0044] 在步骤S102，边缘计算装置采集线路上的三相暂态电流信号，对信号进行处理，采用自适应差值接地算法判断是否发生接地故障，并将结果上传至中心边缘计算装置。

[0045] 在图2中示意出实现上述步骤的所包含的具体步骤，包括步骤S201至步骤S206：在步骤S201，边缘计算装置采集线路上的三相暂态电流信号通过以下两种方式之一实现：(方
式一)三相电流互感器通过ADC芯片同步采样获取三相暂态电流信号；(方式二)电流互感器
安装于架空线路，互感器内部集成采样与无线通信功能，并将采样数据通过无线信号传输
到汇集单元，由汇集单元合成三相暂态电流信号。

[0046] 在步骤S202，边缘计算装置对采集的线路上三相暂态电流信号进行滤波，包括对三相暂态电流信号进行硬件滤波，通过硬件滤波电路滤除其工频信号与干扰信号。如图4所
示，硬件滤波电路由一级抗干扰滤波电路和二级带通滤波电路两级滤波电路组成。其中，一
级抗干扰滤波电路通过两个TVS管Z1、Z3组成的电路对共模浪涌冲击进行滤波，通过一个
TVS管Z2组成的电路对差模浪涌冲击进行滤波，通过电阻R2、R6和电容C1、C4组成的电路对
共模干扰信号进行滤波，通过电阻R2、R6和电容C2组成的电路对差模干扰信号进行波滤；二
级带通滤波电路由低通滤波器和有源高通滤波器组成，其选频范围为200Hz到2000Hz之间。
采用该滤波电路对线路上三相暂态电流信号进行滤波后，能够较好的排除工频和噪声干
扰。

[0047] 在步骤S203，对滤波处理后的三相电流进行离散采样，采样频率为256点每周波，采样长度为半周波即10毫秒。该采样频率和采样长度能够保证离散采样后得到的三相电流
数据不失真，并且数据处理量最小。

[0048] 在步骤S204，计算每相电流采样值的相累加和∑|IAn|、∑|IBn|、∑|ICn|，以及每两相之间电流采样值差值绝对值的差值累加和∑|IABn|、∑|IACn|、∑|IBCn|。

[0049] 其中，

[0050]

[0051] IAn为A相电流滤波后某采样点离散值，IBn为B相电流滤波后某采样点离散值，ICn为C相电流滤波后某采样点离散值，|IABn|为A相采样点值减B相采样点的绝对值，|IACn|为A相
采样点值减C相采样点的绝对值，|IBCn|为B相采样点值减C相采样点的绝对值。

[0052] 在步骤S205，将差值累加和分别与所有相累加和比较：若差值累加和同时大于所有相累加和，则将该差值累加和赋值1；若差值累加和同时小于所有相累加和，则将该差值
累加和赋值0。即，若∑|IABn|>∑|IAn|、∑|IBn|、∑|ICn|，赋值1；若∑|IACn|>∑|IAn|、∑|IBn
|、∑|ICn|，赋值1；若∑|IBCn|>∑|IAn|、∑|IBn|、∑|ICn|，赋值1；若∑|IABn|<∑|IAn|、∑|IBn
|、∑|ICn|，赋值0；若∑|IACn|<∑|IAn|、∑|IBn|、∑|ICn|，赋值0；若∑|IBCn|<∑|IAn|、∑|IBn
|、∑|ICn|，赋值0。

[0053] 在步骤S206，若差值累加和有两个1，一个0，判定为界内故障，即接地故障信号流过本边缘计算装置；若差值累加和有两个0或者三个0时，判定为界外故障，即接地故障信号
未流过本边缘计算装置。例如，图3中装置F21根据上述方法，计算出AB、AC差值累加和为1，
BC差值累加和为0，则判定F21装置A相接地故障，同时判定F21所在馈线2产生了接地故障。

[0054] 图1中，在步骤S103，中心边缘计算装置根据各边缘计算装置上传的接地故障判定结果进行接地故障区段定位。具体步骤如下：中心边缘计算装置根据两相邻边缘计算装置
相对于电源或负荷的位置及两相邻边缘计算装置上报的有无接地故障信号进行接地故障
区段定位，若电源侧的边缘计算装置有接地故障信号，而负荷侧的边缘计算装置无接地故
障信号，即判定接地故障处于这两个边缘计算装置之间。例如在图3中，装置F21计算出AB、
AC差值累加和为1，BC差值累加和为0，则判定F21装置A相接地故障，同时判定F21所在馈线2
产生了接地故障；馈线2上的装置F22、F23、F24的AB、AC、BC差值累加和为0，故均无接地故障
产生；馈线1和馈线3上的装置F11、F12、F13、F14、F31、F32、F33、F34的AB、AC、BC差值累加和
为0，均无接地故障产生；中心装置F34根据以上结果定位出接地故障位于F21与F22之间。

[0055] 在步骤S104，中心边缘计算装置完成接地故障区段定位后，对发生接地故障馈线的相关断路器下发跳闸指令，完成故障线路隔离，对联络开关发出合闸指令，实现非故障区
域恢复供电。具体步骤是：中心边缘计算装置向发生接地故障的两相邻边缘计算装置发送
分闸指令，控制所述边缘计算装置内断路器分闸，隔离故障；所述中心边缘计算装置向该馈
线上其他边缘计算装置发送合闸指令，将电源供电到非故障区域；所述中心边缘计算装置
将故障定位、故障隔离、故障恢复结果上传到主站，通知运维人员查看处理结果。在图3的的
具体实例中，中心装置完成故障选线与定位后，将故障点前后的开关控制分闸，即对F21和
F22分闸，隔离故障，并将联络开关F24控制合闸，将电源2供电到非故障区域。中心装置将故
障定位、故障隔离、故障恢复结果上传到主站，通知运维人员查看处理结果。

[0056] 本发明实施例可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

[0057] 实施例对本方案进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于
本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之
处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。