本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)配電網故障定位技術領域，尤其涉及一種小電流接地系統(tǒng)單相接地故障判定方法。

背景技術：

我國66kV及以下電壓等級的配電網大都采用中性點非有效接地方式，常將這種系統(tǒng)稱為小電流接地系統(tǒng)。該方式下電網發(fā)生單相接地故障時，故障電流小(特別是經消弧線圈接地系統(tǒng))，盡管規(guī)程允許繼續(xù)運行1～2小時，但是故障后非接地相的電壓變成線電壓，對系統(tǒng)絕緣帶來隱患和威脅，需要盡快切除故障線路，以避免發(fā)生兩點接地進而造成短路事故，還可能產生鐵磁諧振過電壓導致電壓互感器燒毀事故和電壓互感器回路熔斷器頻繁熔斷，嚴重威脅配電網的安全可靠性。根據(jù)統(tǒng)計配電網故障中70％為單相接地故障，因此在小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時正確而及時地把故障線路檢測出來，并直接自動切除故障線路或通過發(fā)信號由人工處理解除故障，對增強供電可靠性、實現(xiàn)配電自動化、提高供電質量及運行水平具有重要的實際意義。故障指示器作為一種經濟實用的故障檢測設備，被大量安裝在配電網線路上檢測短路和接地故障，再配合主站來實現(xiàn)配電線路的故障定位、隔離和恢復，可以有效地解決配網故障查找的難題，從而大大縮短故障停電時間，提高供電可靠性。故障指示器的接地故障檢測通常是通過電磁感應方法測量線路中的電流突變及持續(xù)時間判斷故障，或者通過首半波或5次諧波突變量判斷故障。五次諧波的檢測原理為：當線路發(fā)生接地的時候，首先接地相的電壓會降低，另外，由于發(fā)生接地，架空線和地面之間形成的虛擬電容被擊穿，線路中的五次諧波分量會發(fā)生變化，在一定的時間范圍內滿足這兩個條件，故障指示器認為線路發(fā)生了接地，指示器動作。首半波的檢測原理：當線路發(fā)生接地的時候，同樣接地相的電壓會降低；另外，虛擬電容被擊穿。所不同之處是采樣的數(shù)據(jù)不同，首半波檢測原理是檢測電容擊穿瞬間的暫態(tài)電流，然后采樣接地瞬間的電容電流與接地瞬間的電壓首半波進行比較，當接地瞬間的電容電流突變并且大于一定的數(shù)值，并且與接地瞬間的電壓首半波同相，同時接地相的電壓降低，則判斷為接地，否則認為沒有發(fā)生接地。信號注入法檢測原理：采用信號注入法的單相故障指示器需要在變電站安裝產生特殊信號的信號源，由信號源和故障指示器共同組成故障定位系統(tǒng)。單相接地信號源裝置實時監(jiān)測母線電壓和中性點電壓，當發(fā)生單相接地故障時向系統(tǒng)注入一個特殊低頻的信號。這樣在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，在母線和接地點之間除了接地產生的容性電流和消弧線圈的感性電流(如果系統(tǒng)接有消弧線圈)外，還有一個特殊的低頻注入的信號流過這個回路，而在非接地相、非接地線路、以及接地線路的非接地部分則沒有這個特殊的低頻注入的信號流過。故障指示器就是根據(jù)這個特殊的低頻注入的信號的特征進行單相接地的選線和定位。在故障指示器檢測到這個特殊的低頻信號后翻轉，指示在此回路有單相接地故障。而非接地相、非接地饋線以及接地饋線的非接地部分不會翻轉。但以上三種檢測原理都存在各自的不足：五次諧波的檢測原理存在以下缺陷：盡管理論上5次諧波在單相接地時有非常明顯的特征，但在實際運行過程中情況卻大有不同，據(jù)有關試驗，在不同電網，不同接地方式的63次接地試驗中對5次諧波電流在接地前后的變化進行的錄波數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：單相接地后故障出現(xiàn)的故障相5次諧波電流增加的比例為56.65％，5次諧波電流沒有變化的比例為41.6％，減少的比例為1.9％。這種大比例的5次諧波不變化或減少的現(xiàn)象，主要是受到實際運行中大量非線性設備運行、系統(tǒng)的干擾、諧波的污染，以及電網上大量存在的交流濾波器的影響所造成的，因此較難控制。所以五次諧波作為單相接地判據(jù)不可靠，只能作為輔助判據(jù)。首半波的檢測原理存在以下局限：此種方法是針對于接地故障發(fā)生后的首半波時間內，故障點處電流和電壓的幅值和方向均與正常情況下不同的理論，來進行故障判定的。但由于上述特征成立是基于故障發(fā)生在相電壓接近最大瞬時值的瞬間，因此此方法在理論上存在死區(qū)，當單相接地故障發(fā)生在相電壓過零點(即故障合閘角為0度)附近時首半波幅值很小，造成首半波判據(jù)失效，這時就采用故障電流直流分量來判斷接地故障，在申請人2015年提交的專利(CN201510552149-一種應用于FTU的分布式饋線自動化保護新方法)中提出了解決方法。其次單相接地瞬間電容充放電暫態(tài)電流頻率為300～3000Hz，所以對采樣頻率要求很高，對于架空線路要求采用頻率大于3KHz，對于電纜線路要求采用頻率大于6KHz。電容暫態(tài)電流特征頻率與系統(tǒng)運行工況、接地電阻、接地地點等相關，即特征頻率不固定，需要采用小波分析找出能量最大頻帶(即特征頻帶)，在特征頻帶內利用小波系數(shù)進行信號重構，再比較暫態(tài)電流、電壓首半波相位及暫態(tài)電流能量來判別接地故障，但故障指示器要精確獲取暫態(tài)電壓信號困難，所以一般只通過暫態(tài)電流能量是否大于閾值來判斷接地故障，由于根據(jù)運行工況來整定閾值困難，所以采用首半波檢測單相接地故障的準確率也不高。信號注入法檢測原理存在以下缺陷：釆用信號注入法檢測單相接地故障時，需要產生信號的信號源無疑增加了系統(tǒng)的復雜性，增加了安裝設備。而且信號源在系統(tǒng)中短時接入純阻性負荷的方式，相當于改變了中性點的接地方式，當裝置發(fā)生故障沒能及時退出時，容易擴大事故，引發(fā)更嚴重的相間短路故障，此外，人為的增大接地電流，會增大系統(tǒng)的安全隱患和對通訊系統(tǒng)的干擾。用戶從電網安全方面考慮，比較質疑這種做法，因此，雖然檢測準確率高，但使用風險大成本高的特點也限制了其廣泛應用。

綜上所述，現(xiàn)有的故障指示器的故障誤報漏報率低。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種小電流接地系統(tǒng)單相接地故障判定方法，旨在解決現(xiàn)有的故障指示器的故障誤報漏報率低的問題。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種小電流接地系統(tǒng)單相接地故障判定方法，所述小電流接地系統(tǒng)單相接地故障判定方法根據(jù)電場強度突變和相電流突變來啟動單相接地故障判斷，利用形態(tài)梯度法來精確地確定故障起始時刻，實現(xiàn)三相電流的準確同步；對暫態(tài)電流信號濾波來確定暫態(tài)過程持續(xù)時間，利用自相關法來計算暫態(tài)電流的特征頻率；再根據(jù)故障相和非故障相暫態(tài)電流的相關性定位接地故障，實現(xiàn)應用于故障指示器的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障檢測。

進一步，所述小電流接地系統(tǒng)單相接地故障判定方法具體包括以下步驟：

步驟一，A相故障指示器電場傳感器檢測到電壓突降幅度大于閾值Vset，A相故障指示器向B相故障指示器和C相故障指示器發(fā)送信標幀，通知B、C相故障指示器自己檢測到電壓下降信息，B相故障指示器、C相故障指示器分別檢測本相電壓是否突升幅度超過閾值Vset1；

步驟二、A相故障指示器利用灰度形態(tài)梯度濾波器對電壓突變時刻前2周波和后6周波的三相電流進行濾波處理，記濾波處理后出現(xiàn)第一個脈沖的時刻為故障發(fā)生時刻t0，也即是電磁暫態(tài)過程的起始時刻；對三相電流形態(tài)梯度濾波處理獲得的故障時刻應當為同一時刻，利用獲得的精確的故障發(fā)生時刻實現(xiàn)對三相故障指示器異步采樣的相電流同步對齊；使用灰度形態(tài)梯度濾波器；

步驟三、依據(jù)求出的故障發(fā)生時刻，求各相電流故障分量，并保存數(shù)據(jù)；將上面得到故障分量減去第6個周波的數(shù)據(jù)得到相電流的暫態(tài)純故障分量；在Δi_p的第5、6個周波數(shù)據(jù)中選取信號的最大幅值，最大值視為與測量相關的噪聲的最大值；接著對Δi_p數(shù)據(jù)從尾端向始端同測量噪聲最大值進行比較，將超過測量噪聲10％的第一個采樣信號選為暫態(tài)過程的結束時刻t1；

步驟四、由暫態(tài)過程的起始時刻t0和結束時刻t1確定暫態(tài)過程，對暫態(tài)過程的暫態(tài)純故障分量信號進行自相關處理來估計其瞬態(tài)頻率；計算暫態(tài)純故障分量信號的自相關系數(shù)；

步驟五、采用特征頻率f_s為中心頻率的帶通濾波器對A、B、C相電流的暫態(tài)純故障分量進行濾波處理，得到A、B、C相的特征頻率下的暫態(tài)純故障分量數(shù)據(jù)然后分別求與與的互相關系數(shù)M_AB、M_AC，再求均值當時判定饋線發(fā)生單相接地故障，單相接地保護動作；當時判定饋線沒有發(fā)生單相接地故障；K_M推薦取0.75。

進一步，所述步驟一中若超過閾值Vset1，記錄下電壓突變時刻前2周波和后4周波相電流信息，并將記錄下電流信息發(fā)送給A相故障指示器；A相接收到B、C相信息后，也記錄下電壓突變時刻前2周波和后6周波相電流信息。

進一步，所述步驟二中使用的灰度形態(tài)梯度濾波器為：

上式中g(x)為結構元素，f(x)為待處理原始信號，表示利用結構元素g(x)對f(x)做開運算，(fΘg)(x)表示利用結構元素g(x)對f(x)做閉運算。采用遞增結構元素：g＝[0.05 0.1 0.6]。

進一步，所述步驟三中根據(jù)下式求各相電流故障分量，并保存數(shù)據(jù)：

Δi＝i_后-i_前；

式中i_后為故障時刻后采集的故障電流瞬時值，i_前為故障時刻前采集的負荷電流瞬時值。

進一步，所述步驟三中將得到故障分量減去第6個周波的數(shù)據(jù)得到相電流的暫態(tài)純故障分量：

Δi_p＝Δi-Δi(6)。

式中Δi(6)為相電流故障分量的第6個周波數(shù)據(jù)。

進一步，所述步驟四中由下式計算暫態(tài)純故障分量信號的自相關系數(shù)：

式中N為暫態(tài)過程的數(shù)據(jù)長度，m為延時，m＝0,1,…,N-1。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種應用所述小電流接地系統(tǒng)單相接地故障判定方法的故障指示器。

本發(fā)明提供的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障判定方法，通過精確確定單相接地故障時電容充放電電容電流暫態(tài)過程起止時刻，對電容電流暫態(tài)過程進行自相關分析確定電容電流暫態(tài)過程的特征頻率；相比利用小波分析比較不同頻帶能量來確定特征頻帶的方法，本發(fā)明實現(xiàn)起來更方便，更易應用于故障指示器?，F(xiàn)有故障指示器直接利用電場或電流突變來確定故障時刻，當故障電流中混雜有開關拉合閘引起的脈沖噪聲時直接根據(jù)電流突變確定的故障時刻將不準確，本發(fā)明應用的形態(tài)梯度法可以有效濾除脈沖噪聲，能更準確定位故障時刻，實現(xiàn)了三相故障指示器異步采樣數(shù)據(jù)的同步對齊。本發(fā)明利用故障相和非故障相特征頻率下暫態(tài)電容電流的相關分析來定位單相接地故障，不受運行方式、接地地點、接地電阻等影響，相比現(xiàn)在故障指示器采用的閾值比較方法，無需現(xiàn)場整定和調試，能大大提高故障判別準確率，解決現(xiàn)有故障指示器故障誤報漏報率高的問題，大大提高饋線自動化水平。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障判定方法流程圖。

圖2是本發(fā)明實施例提供的單相接地暫態(tài)電流分布示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例提供的利用形態(tài)梯度MMG識別故障發(fā)生時刻；

圖中：虛線為小電流接地系統(tǒng)線路1A相發(fā)生單相接地時A相電流波形，點實線為形態(tài)梯度濾波后的波形。

圖4是本發(fā)明實施例提供的線路1三相電流暫態(tài)純故障分量的自相關曲線；小電流接地系統(tǒng)線路1A相接地故障(a)為線路1的A相電流暫態(tài)純故障分量的自相關曲線；(b)為線路1的B相電流暫態(tài)純故障分量的自相關曲線；(c)為饋線1的C相電流暫態(tài)純故障分量的自相關曲線。

圖5是本發(fā)明實施例提供的實施例1的實施流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結合附圖對本發(fā)明的應用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障判定方法包括以下步驟：

S101：根據(jù)電場強度突變和相電流突變來啟動單相接地故障判斷，利用形態(tài)梯度法來精確地確定故障起始時刻，從而實現(xiàn)三相電流的準確同步；

S102：對暫態(tài)電流信號濾波來確定暫態(tài)過程持續(xù)時間，利用自相關法來計算暫態(tài)電流的特征頻率；

S103：再根據(jù)故障相和非故障相暫態(tài)電流的相關性定位接地故障，實現(xiàn)應用于故障指示器的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障檢測。

下面結合具體實施例對本發(fā)明的應用原理作進一步的描述。

小電流接地系統(tǒng)中，中性點是不接或經消弧線圈接地，本發(fā)明具體實施時，檢測單相接地故障時，由三相的三只指示器組成一組共同配合監(jiān)測。以架空線為例，在安裝現(xiàn)場，在架空線路同一地點的A、B、C三相上，分別安裝A相故障指示器、B相故障指示器和C相故障指示器，在靠近故障指示器的電力塔架上安裝通信終端，通信終端、A相故障指示器、B相故障指示器和C相故障指示器內均設置433MHz或2.4GHz無線通信模塊，每只故障指示器與另外兩只故障指示器及通信終端之間通過無線通信模塊通信。每只故障指示器具有線路電流檢測和線路電場檢測傳感器，可以實時檢測線路電流和電壓。如圖5所示，下面以A相發(fā)生單相接地為例：

步驟一、A相故障指示器電場傳感器檢測到電壓突降幅度大于閾值Vset，A相故障指示器向B相故障指示器和C相故障指示器發(fā)送信標幀，通知B、C相故障指示器自己檢測到電壓下降信息，B相故障指示器、C相故障指示器分別檢測本相電壓是否突升幅度超過閾值Vset1，若超過閾值Vset1，記錄下電壓突變時刻前2周波和后4周波相電流信息，并將記錄下電流信息發(fā)送給A相故障指示器。A相接收到B、C相信息后，也記錄下電壓突變時刻前2周波和后6周波相電流信息。

步驟二、A相故障指示器利用灰度形態(tài)梯度濾波器對電壓突變時刻前2周波和后6周波的三相電流進行濾波處理，記濾波處理后出現(xiàn)第一個脈沖的時刻為故障發(fā)生時刻t0，也即是電磁暫態(tài)過程的起始時刻。圖3為小電流接地系統(tǒng)線路1的A相發(fā)生單相接地故障時，利用形態(tài)梯度濾波器精確定位故障發(fā)生時刻的曲線圖。虛線為A相的相電流曲線，點畫線為利用形態(tài)梯度濾波器濾波處理后的曲線，可以清晰看到故障發(fā)生時刻為濾波處理后曲線的第一個脈沖對應時刻。顯然，對三相電流形態(tài)梯度濾波處理獲得的故障時刻應當為同一時刻，故可以利用獲得的精確的故障發(fā)生時刻實現(xiàn)對三相故障指示器異步采樣的相電流同步對齊。使用的灰度形態(tài)梯度濾波器為：

上式中g(x)為結構元素，f(x)為待處理原始信號，表示利用結構元素g(x)對f(x)做開運算，(fΘg)(x)表示利用結構元素g(x)對f(x)做閉運算。采用遞增結構元素：g＝[0.05 0.1 0.6]。

步驟三、依據(jù)步驟一求出的故障發(fā)生時刻，根據(jù)下式求各相電流故障分量，并保存數(shù)據(jù)：

Δi＝i_后-i_前；

式中i_后為故障時刻后采集的故障電流瞬時值，i_前為故障時刻前采集的負荷電流瞬時值。

理論研究和工程試驗表明，實際小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時，一般在故障發(fā)生后3～4個周波，其暫態(tài)分量已經很小，可以認為電磁暫態(tài)過程基本結束。將上面得到故障分量減去第6個周波的數(shù)據(jù)可以得到相電流的暫態(tài)純故障分量：

Δi_p＝Δi-Δi(6)；

式中Δi(6)為相電流故障分量的第6個周波數(shù)據(jù)。

在Δi_p的第5、6個周波數(shù)據(jù)中選取信號的最大幅值，這個最大值可以視為與測量相關的噪聲的最大值。接著對Δi_p數(shù)據(jù)(6周波的數(shù)據(jù)序列)從尾端向始端同測量噪聲最大值進行比較，將超過測量噪聲10％的第一個采樣信號選為暫態(tài)過程的結束時刻t1。

步驟四、由暫態(tài)過程的起始時刻t0和結束時刻t1確定暫態(tài)過程，對暫態(tài)過程的暫態(tài)純故障分量信號進行自相關處理來估計其瞬態(tài)頻率。由下式計算暫態(tài)純故障分量信號的自相關系數(shù)：

式中N為暫態(tài)過程的數(shù)據(jù)長度，m為延時，m＝0,1,...,N-1。相關函數(shù)達到最小值時的相關函數(shù)時間值與正衰減的正弦輸入信號的半周期長度相符，所以由相關函數(shù)最小值的延時時間的采樣頻率可以得到暫態(tài)過程的頻率估計值f_s。如圖4，為諧振接地系統(tǒng)線路1的A相單相接地故障時，A、B、C相電流暫態(tài)純故障分量自相關曲線，采樣率為4.8KHz，A相的最小值出現(xiàn)在延遲采樣點6處，于是可以得到暫態(tài)過程的頻率估計值

步驟五、采用特征頻率f_s為中心頻率的帶通濾波器對A、B、C相電流的暫態(tài)純故障分量進行濾波處理，從而得到A、B、C相的特征頻率下的暫態(tài)純故障分量數(shù)據(jù)然后分別求與與的互相關系數(shù)M_AB、M_AC，再求均值當時判定饋線發(fā)生單相接地故障，單相接地保護動作；當時判定饋線沒有發(fā)生單相接地故障。經過大量仿真實驗驗證分析，綜合考慮可靠性和靈敏性，K_M推薦取0.75。

由圖2所示的單相接地暫態(tài)電流分布可知，單相接地點后端線路的暫態(tài)電流分布同非故障線路相同，故利用本發(fā)明提出的單相接地故障判據(jù)接地點后的故障指示器不動作，而故障接地點前的故障指示器動作，從而實現(xiàn)了單相接地的故障選線和故障定位功能。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。