變電站接地網(wǎng)的分區(qū)域故障診斷方法
【專利說明】
[0001] 本申請要求申請日為2014年8月20日、申請?zhí)枮?01410412091. X、名稱為"變電 站接地網(wǎng)的分區(qū)域故障診斷方法"的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及電力信息技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種變電站接地網(wǎng)的分區(qū)域故障診 斷方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 變電站接地網(wǎng)通常用扁鋼或圓鋼水平敷設(shè)，排列成長孔型或方孔型，埋入地下 0. 6~0. 8m，其面積大體與發(fā)電廠和變電站的面積相同。接地網(wǎng)對電氣設(shè)備的安全運行至 關(guān)重要，近年來，由于接地網(wǎng)電氣性能降低而造成的變電站運行事故逐年增多，其中導(dǎo)體的 腐蝕、斷裂或者漏焊等是造成接地性能下降的潛在因素，若遇電力系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障， 將造成地網(wǎng)本身局部電位差和地網(wǎng)電位異常升高，除給運行人員的安全帶來威脅外，還可 能因反擊或電纜皮環(huán)流使得二次設(shè)備的絕緣遭到破壞，高壓竄入控制室，使監(jiān)測或控制設(shè) 備發(fā)生誤動或拒動而擴大事故，帶來巨大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響。由此可見，接地網(wǎng) 的故障已是電力系統(tǒng)安全運行的心腹大患，診斷接地網(wǎng)的斷點及地網(wǎng)的腐蝕情況已成為電 力部門的一項重大反事故措施。接地網(wǎng)的接地性能一般通過測量現(xiàn)場接地電阻的大小間接 判斷，但無法據(jù)此判斷接地網(wǎng)腐蝕情況，地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕甚至斷裂時，接地電阻仍可能正常。 即使接地電阻測量顯示異常，也無法得知故障的具體位置，而需要大規(guī)模開挖查找故障點， 工作量巨大且成本高昂。接地網(wǎng)故障診斷對于及時發(fā)現(xiàn)隱患并采取相應(yīng)措施具有指導(dǎo)意 義，由于受到可及節(jié)點數(shù)目及其分布位置的限制，這項工作的困難很大。
[0004] 目前，國內(nèi)外學(xué)者在接地網(wǎng)故障診斷領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些研究成果，主要體現(xiàn)在 兩類方法上：一類是基于電磁場法或地表電位的檢測方法，通過地表面的電磁場參數(shù)或電 位參數(shù)反饋信號等物理信號判斷地下導(dǎo)體的斷裂情況，其結(jié)果目前缺乏良好的判據(jù)，嚴重 依賴設(shè)備的精度以及易受到現(xiàn)場的干擾，且只能做出斷裂與否的診斷結(jié)果而無法獲知具體 的腐蝕情況。還有一類是基于電網(wǎng)絡(luò)理論建立接地網(wǎng)故障診斷方程的方法，通過對接地網(wǎng) 建立等效模型，基于該模型并應(yīng)用似功率守恒原理建立端口電阻值和支路電阻值的關(guān)系方 程，并采用最小二乘的迭代方法求解方程獲得非線性方程的最優(yōu)解。有學(xué)者進一步研究了 新型智能優(yōu)化算法在求解故障診斷方程中的應(yīng)用，取得了一定效果，但是由于故障診斷方 程的病態(tài)程度高，所能獲得的數(shù)據(jù)相對較少，上述方法得出的結(jié)果可靠性仍偏低。為提高診 斷可靠性，研究人員提出了根據(jù)接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)在可及節(jié)點處對網(wǎng)絡(luò)進行分層和約簡，得到 只含可及節(jié)點的本征接地網(wǎng)，并進一步采用逐層上溯的方法確定各個層次明晰支路支路的 電阻情況，降低了診斷方程的病態(tài)程度，但其中不確定支路仍然較多，而且算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 計算量非常大。
[0005] 由于其變電站內(nèi)設(shè)備的接地引線是有限的，因此無論何種方法構(gòu)建的接地網(wǎng)故障 診斷方程都是欠定方程，得出的結(jié)果具有不確定性。就工程實際而言，如果能夠確定接地網(wǎng) 的故障區(qū)域位置，對于指導(dǎo)現(xiàn)場有針對性地開挖維護已經(jīng)十分有意義，因此，如何根據(jù)該等 效模型，使用一種新的方法來提高對接地網(wǎng)故障診斷的有效性和準確度，是目前特需解決 的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種變電站接地網(wǎng)的分區(qū)域故障診斷方法，該方法是一 種基于拓撲分層約簡的接地網(wǎng)分區(qū)域故障診斷方法，主題思想是針對接地網(wǎng)可及節(jié)點的分 布情況對接地網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)分區(qū)，根據(jù)分區(qū)結(jié)果對接地網(wǎng)進行分層約簡得到本征接地網(wǎng)，對 該本征接地網(wǎng)應(yīng)用故障診斷方程組模型和優(yōu)化算法計算得到各個支路電阻的變化值，根據(jù) 每條支路對應(yīng)的接地網(wǎng)區(qū)域判斷區(qū)域內(nèi)的故障情況，該方法避免求解方程組時的欠定問 題，顯著提高診斷結(jié)果的可靠性和準確性。
[0007] 為達到上述目的，本發(fā)明提供一種變電站接地網(wǎng)的分區(qū)域故障診斷方法，該方 法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1 :針對給定的接地網(wǎng)原始設(shè)計拓撲結(jié)構(gòu)，應(yīng)用電路網(wǎng)絡(luò)理論對接地網(wǎng)拓撲 結(jié)構(gòu)進行約簡，削去不可及節(jié)點，：將一個接地網(wǎng)分解為接地網(wǎng)、準元版塊、元版塊、元網(wǎng)絡(luò)、 可及接地網(wǎng)和本征接地網(wǎng)6個層次；
[0009] 步驟2 :根據(jù)準元版塊階段拓撲分解的結(jié)果劃分接地網(wǎng)的地理位置區(qū)域，并依次 編號；
[0010] 步驟3 :對本征接地網(wǎng)內(nèi)的每條支路逐層追溯各支路所在區(qū)域或由哪幾個區(qū)域約 簡得到，并在表格中記錄每個支路對應(yīng)的區(qū)域編號；
[0011] 步驟4 :根據(jù)接地網(wǎng)的原始設(shè)計數(shù)據(jù)，推算本征接地網(wǎng)的支路電阻的標稱值參數(shù)， 選擇公共節(jié)點，生成關(guān)聯(lián)矩陣A和支路導(dǎo)納矩陣Y ;
[0012] 步驟5:根據(jù)本征接地網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，搭建仿真電路模型，應(yīng)用充分量測方案，在電 路中選取節(jié)點i，j間施加直流源激勵'測試選定的可及節(jié)點的電壓U 1,，得到i，j間的端 口電阻Rl j;
[0013] 步驟6 :接地網(wǎng)故障后，節(jié)點i，j間的端口電阻測量值變?yōu)镽' ^，與接地網(wǎng)正常狀 態(tài)下可及端口電阻對比，得到端口電阻差值向量A R1 j，根據(jù)接地網(wǎng)故障診斷模型，建立故障 診斷方程組；
[0014] 步驟7 :應(yīng)用最小二乘優(yōu)化算法對故障診斷方程組進行求解，得到最后計算結(jié)果；
[0015] 步驟8 :根據(jù)步驟7中的求解結(jié)果，計算出本征接地網(wǎng)故障后支路電阻值相對標稱 值的倍數(shù)，根據(jù)各條本征支路故障情況和其對應(yīng)的區(qū)域判斷各個區(qū)域內(nèi)的故障情況。
[0016] 依照本發(fā)明較佳實施例所述的變電站接地網(wǎng)的分區(qū)域故障診斷方法，步驟1中：
[0017] 所述準元版塊是在一組可及節(jié)點處對接地網(wǎng)進行撕裂后得到的最小單元網(wǎng)絡(luò)；
[0018] 所述元版塊由準元版塊中的串、并聯(lián)支路合并得到，同時保留所有的可及節(jié)點；
[0019] 所述元網(wǎng)絡(luò)是將元版塊中每一塊通過電路等效變換轉(zhuǎn)變?yōu)橹缓杉肮?jié)點的等效 網(wǎng)絡(luò)；
[0020] 所述可及接地網(wǎng)是全部元網(wǎng)絡(luò)中具有相同節(jié)點的支路進行連接構(gòu)成的只含可及 節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)；
[0021] 所述本征接地網(wǎng)是由可及接地網(wǎng)中的全部并聯(lián)支路合并得到，其任意兩個可及節(jié) 點間至多有一條支路，稱為本征支路。
[0022] 步驟3具體為：由于本征接地網(wǎng)內(nèi)的每條支路均為由所有準元版塊中的幾個版塊 內(nèi)的支路經(jīng)過電路等效變換后得到的，而每個準元版塊對應(yīng)原始接地網(wǎng)中的一個區(qū)域。因 此，根據(jù)電路等效變換過程，對本征接地網(wǎng)內(nèi)的每條支路逐層追溯其所在區(qū)域或由哪幾個 準元版塊內(nèi)的支路變換得到，并根據(jù)其所在區(qū)域或這些準元版塊對應(yīng)于步驟2中各區(qū)域的 編號，在表格中記錄每個支路對應(yīng)的區(qū)域編號。
[0023] 依照本發(fā)明較佳實施例所述的變電站接地網(wǎng)的分區(qū)域故障診斷方法，步驟4中， 具體為根據(jù)接地網(wǎng)的原始設(shè)計數(shù)據(jù)計算出原始接地網(wǎng)各個支路的電阻值，原始接地網(wǎng)各 個支路在經(jīng)過電路的等效變換后得到接準元版塊、元版塊、元網(wǎng)絡(luò)、可及接地網(wǎng)和本征接地 網(wǎng)，依據(jù)電路等效變換原理，逐層計算各層次接地網(wǎng)的各個支路的電阻值，最后推算得到本 征接地網(wǎng)的支路電阻的標稱值參數(shù)；隨后，選擇公共節(jié)點并定義A為選定一個參考節(jié)點后 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)矩陣；Y b為支路導(dǎo)納矩陣；Yn為節(jié)點導(dǎo)納矩陣；支路導(dǎo)納矩陣與節(jié)點導(dǎo)納矩陣之 間具有以下關(guān)系：
[0024] Yn=A*Yb*AT (1)
[0025] 式中，At為關(guān)聯(lián)矩陣A的轉(zhuǎn)置矩陣。
[0026] 依照本發(fā)明較佳實施例所述的變電站接地網(wǎng)的分區(qū)域故障診斷方法，步驟5具體 為：
[0027] 設(shè)一個正常的接地網(wǎng)模型N具有b+Ι條支路，n+1個節(jié)點，對該接地網(wǎng)等效電阻 網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點和支路按以下規(guī)則編號：節(jié)點編號：以最終拓撲圖為準，至上而下，至左而 右，進行編號，最后一個節(jié)點不編號，并將其設(shè)為基準點，測量時也不允許使用；支路編號： 以最終拓撲圖為準，至上而下，至左而右，進行編號，先對橫向支路編號，再對縱向支路編 號。第b+Ι條支路連接在接地引線的i，j端，在第i，j端口加上直流電流源激勵，其電流值 為'根據(jù)電路原理求R l j,定義Ib為支路電流矩；U n為節(jié)點電壓列向量；I "為節(jié)點的電流源 列向量，非激勵節(jié)點的電流值為〇 ;
[0028] 電阻網(wǎng)絡(luò)的基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律方程表示為：
[0029] AIb= 0 (2)
[0030] Ub= ATUn (3)
[0031] 式中Ub表示節(jié)點b的電壓。
[0032] 結(jié)合公式（1)、（2)、（3)可以得到
[0033] YnUn= I η (4)
[0034] 端口電阻Rl j計算式為：
[0035] Rij=U^1Zl0 (5)
[0036] 式中Ub+1表示節(jié)點b+Ι的電壓。
[0037] 依照本發(fā)明較佳實施例所述的變電站接地網(wǎng)的分區(qū)域