基于零序全电流与全电压变化率互相关性分析的故障选线方法.pdf

16ElectricalAutomationPowerSystem&Automation电力系统及其自动化电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期基于零序全电流与全电压变化率互相关性分析的故障选线方法王铭，祝石林（1.山东石油化工学院，山东东营257000;2.青岛科技大学，山东青岛266002)摘要：为进一步提高配电网故障选线准确性，提出一种基于馈线零序全电流与母线零序全电压变化率互相关性分析的单相接地故障选线方法。通过分析中性点非有效接地系统中馈线零序电流和母线零序电压间关系，发现非故障馈线上零序全电流波形与母线零序全电压变化率波形变化趋势相同，而故障馈线上两者之间变化趋势相反或不存在明确的线性关系。首先，求取母线零序全电压变化率；然后，基于波形相似度原理定量分析各馈线零序全电流与母线零序全电压变化率的互相关系数；最后，构建互相关系数组，通过组内数据与阈值比较完成故障选线。仿真试验及现场数据分析结果表明，所提选线方法准确且适应性强。关键词：中性点非有效接地；接地故障；故障选线；全电流；电压变化率；互相关性D01:10.3969/j.issn.1000-3886.2023.04.006中图分类号TM862文献标志码A文章编号10 0 0-38 8 6（2 0 2 3)0 4-0 0 16-0 5Fault Line Selection Method Based on Correlation Analysis ofZero-sequence Full Current and Full Voltage Change RateWang Ming,Zhu Shilin?(1.Shandong University of Petrochemical Technology,Dongying Shandong 257000,China;2.Qingdao University of Science and Technology,Qingdao Shandong 266002,China)Abstract:In order to further increase the accuracy of fault line selection in distribution network,a single-phase-to-ground fault line selectionmethod based on cross-correlation analysis of feeder zero-sequence full current and bus zero-sequence full voltage change rate wasproposed.By analyzing the relationship between the zero-sequence current of the feeder and the zero-sequence voltage of the bus inthe non-effectively earthed neutral system,it was found that the zero-sequence full-current waveform on the non-faulted feeder and thezero-sequence full-voltage change on the bus had the same trend,while the change trend between the twos on the faulted feeder wasopposite or there was no clear linear relationship.First,the change rate of the bus zero-sequence full voltage was calculated;thenthe cross-correlation coefficient between the zero-sequence full current of each feeder and the change rate of the bus zero-sequence fullvoltage was quantitatively analyzed based on the waveform similarity principle;finally,construct the cross-correlation coefficientarray,and complete the fault line selection by comparing the data in the array with the threshold.The simulation test and field dataanalysis results show that the proposed line selection method is accurate and adaptable.Keywords:non-effectively earthed neutral;grounding fault;fault line selection;full current;voltage changing-rate;cross-correlation0引言我国中性点非有效接地配电网主要有中性点不接地和经消弧线圈接地两种方式，其故障以单相接地居多，因故障信号不稳定且较弱等原因，故障选线困难。目前，基于该类系统的故障特征，形成了稳态分量法及暂态分量法等选线方法。其中，稳态分量法在中性点经消弧线圈接地系统中选线效果不佳甚至失效。暂态分量法主要利用暂态能量和暂态方向等特征量进行选线。与稳态信号相比，暂态信号更加丰富，但稳定性差且易受过渡电阻和噪声等影响。同时也因忽略了工频电气量，容易遗漏故障信息，尤其在高阻接地时，因暂态信息量不足，单纯利用高频暂态电气量的选线方法有可能受限1-3针对上述问题，本文通过分析零序电流与零序电压关系，构建了基于馈线零序全电流曲线与母线零序全电压变化率曲线互定稿日期：2 0 2 2-0 5-31基金项目：东营市科技发展基金项目（DJ2021011）相关性分析的选线方法，仿真和现场实例验证了选线方法有效1配电网单相接地故障特征中性点非有效接地系统单相接地故障等效零序网络见图1，开关K闭合为经消弧线圈接地方式，打开为不接地方式。假设第k条馈线故障，在图1中：io为该馈线出口处零序电流；io、Co jOnlo13RuoKuofCokColCojCoi图1单相接地故障等效零序网络17ElectricalAutomationPowerSystem&Automation电力系统及其自动化电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期分别为非故障馈线j的出口零序电流和对地分布电容，j=1,2，n，j+k;Lp 为3倍消弧线圈电感；uo为母线零序电压；ioLp为消弧线圈零序电流。故障时相当于故障点处附加虚拟电源。由于线路分布电容和电感存在，零序电流可能包含大量高频分量，也可能包含大量低频分量，尤其是工频分量。相电压零值附近故障时，电感影响大，衰减直流分量（包括工频分量）占主导；相电压峰值附近故障时，电容影响大，暂态高频占主导。确切地说，故障零序电流具有全时频特性，充分利用故障信息有望进一步提高选线准确性。2零序全电流与零序全电压关系分析2.1非故障馈线零序电气量特征对于有几条馈线的中性点经消弧线圈接地系统，当某馈线单相接地时，母线零序全电压可视为工频零序电压和暂态零序电压uon叠加4。因线路自身感抗相比于对地容抗较小，方便起见，仅考虑对地容抗。当馈线k故障时，非故障馈线的零序全电流为工频零序电流和暂态零序电流叠加，与母线零序全电压的关系为：duoL(t)duon(t)du(t)io,=ioL-j(t)+ioH-(t)=(1)dtdtdt式中：io,为馈线j的零序全电流；ioL-ivioH-分别为其工频和暂态零序电流；uo为母线零序全电压；uoL为工频零序电压；uon为暂态零序电压。可知，非故障馈线零序全电流与母线零序全电压瞬时变化率呈正比例关系，比例系数为线路自身对地电容。2.2故障馈线零序电气量特征中性点经消弧线圈接地系统多运行于过补偿下。工频状态下系统感抗与容抗满足（P+1)LpC=1(C,为馈线对地分布电容总和，P为补偿度）。消弧线圈工频零序电流ioL-Lp为：ioL-Lp(t)=-(P+1)ioL-(t)+ie(t)=j=lj+k-(P+1)C,duor(t)(2)dt式中：ioL-Lp为消弧线圈工频零序电流；ick为故障线路故障点至母线间电容上的工频零序电流。故障馈线工频零序电流ioL-k为：ioL-(t)=-oL-(0)+,ioL-;(t)=j=1j+kduo.(t)(Cok+PC,(3)dt式（3）表明，故障馈线工频零序电流与母线工频零序电压变化率呈正比例，比例系数与消弧线圈补偿方式、补偿程度及对地分布电容有关。单相接地故障时，除产生工频稳态分量外，还产生高频电容电流及低频电感电流，两者组成故障暂态分量。故障馈线暂态电流为非故障馈线和消弧线圈暂态电流ioH-Lp相加，方向与非故障馈线暂态电流相反nioH-k(t)=-LioH-(t)+ioH-Lp(t)i=1,i+kduoH（t)1(Col:-C,)uoH(t)dt(4)dtLp式中：ioH-Lp为消弧线圈暂态零序电流。因此，故障馈线零序全电流为：duoL（t）iok(t)=ioL-k(t)+ioH-k(t)=(Cok+PC+dtduoH（t)1(Cok-CdtLPuon(t)dt(5)式中：io为故障馈线出口处零序电流。io由三部分组成，前两项分别与工频及暂态电压分量变化率呈正比，但比例系数不同，第三项与暂态零序电压呈积分关系。对于常规配电网，通常有C2Cok，即C-CoCo+PC。另外，故障初期暂态分量起主导作用，暂态量幅值大且变化速度快，故障馈线零序全电流与母线零序全电压变化率间关系主要受第二项影响，两者间呈近似相反变化趋势，同时因积分项存在，规律性较差。中性点经消弧线圈接地中，故障暂态量与振荡频率有关。当暂态频率大于3倍工频时，可忽略消弧线圈感抗影响5。实际分析中，当故障点过渡电阻较小时，电容充电快，谐振频率高，图1等同于中性点不接地系统，L支路可视为打开。故障馈线零序全电流与母线零序全电压变化率满足式（6），两者比例系数仍为负。duo(t)ior(t)=-(Cz-Cok(6)dt3基于互相关性分析的故障选线算法3.1零序全电流与零序全电压变化率互相关性分析经上述分析可知，非故障馈线零序全电流与母线零序全电压变化率之间比例系数为正。实际上，受线路阻抗、故障点上游分布电容等影响，零序全电流与全电压变化率并非严格意义上的线性关系，但却具有较高相似性，两者关系曲线如图2 所示。10050050-100L-0.20-0.15-0.10-0.0500.050.100.150.20电压变化率/(10*kVs)图2非故障馈线零序全电流与全电压变化率关系曲线相关性分析用来研究波形或信号间的相似性，互相关系数p用以衡量不同信号的相关度。p接近1,两波形高度正相关；p接近-1,两波形高度负相关;p等于0 时，两波形非线性相关6。为描述馈线i=1,2，,n）的零序全电流与母线零序全电压变化率之间的相关性，利用互相关系数对其进行量化：duo(n)N（n）111R;=toi(n)(7)dtdtn=1n=式中:R,为互相关系数；n为采样点数，n=1,2，,N；i o（n）uo:（n）分别为第i条馈线零序全电流以及母线零序全电压的离散形式。线路故障时，非故障馈线零序全电流波形与母线零序全电压18ElectricalAutomationPowerSystem&Automation电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期电力系统及其自动化变化率波形变化趋势相同,正相关特性明显，互相关系数较大；而故障馈线上两者之间具有相反的变化趋势或无线性关系，其互相关系数小于0 或接近于0；母线故障时，所有馈线都为非故障馈线，零序全电流曲线与全电压变化率曲线均高度正相关。据此，基于相关系数中对低度正相关的界定，考虑到测量误差等影响因素，本文设定选线阈值M=0.3。接地故障发生时，计算所有馈线零序全电流与母线零序全电压变化率的互相关系数，形成具有n个元素的互相关系数序列数组R。当R内各元素均为大于阈值M时，判断为母线故障；否则，判断最小值所在馈线为故障馈线3.2故障选线步骤基于零序全电流与零序全电压变化率互相关性分析的故障选线步骤如下。（1）实时检测母线零序电压，当零序电压有效值大于保护整定值时，启动选线程序。(2)获取自故障时刻起至0.0 4s的馈线零序电流和母线零序电压。（3）利用差分法计算时间窗内母线零序电压变化率。（4）运用式（7）计算各馈线零序电流与母线零序电压变化率的互相关系数，形成数组R。(5)将数组R中各元素R（i=1,2，,n）与阈值M进行比较,若Num（R,M）=n,确定为母线故障；否则,判断数组内数值最小者所在线路为故障馈线。4仿真建模及选线算例建立一10 kV中性点经消弧线圈接地仿真系统，馈线L、L分别为纯电缆（12 km）、纯架空（2 0 km），Lz（10 k m 电缆+8 km架空）、L（8 k m 电缆+10 km架空）为混合馈线，系统运行于8%过补偿方式。馈线L，发生单相接地故障，过渡电阻为50 2，故障距离10km，仿真得到各馈线零序全电流以及零序全电压变化率波形，如图3所示。对非故障馈线而言，零序全电流与母线零序全电压变化率近似同相位，两者之间高度相似，而故障馈线则具有近似反相位特点。图4分别为L，和L，零序全电流与全电压变化率关系曲线。可见，故障馈线零序全电流与全电压变化率间呈近似负比例系数变化趋势，且因故障馈线暂态电流大于非故障馈线，其关系曲线变化范围更大。分别求取各馈线零序全电流与母线零序全电压变化率间的互相关系数，得到互相关系数序列数组R=0.969,0.968，-0.9 6 6，0.968，因Num（R,0.3）=3,可判断为馈线故障。数组中R、R2、R4对应的L，、L2、L4三条馈线的互相关系数近似相等且接近1，说明其零序全电流与零序电压变化率高度正相关，为非故障馈线；R，0.3，可判断第三条馈线为故障馈线。5选线方法适用性分析5.1故障位置的影响将故障点分别设置在缆线混合系统中的不同位置，选线结果如表1所示63L0L2-3-600.010.020.030.040.05t/s40200-20-400500100015002.000采样点数/个图3零序全电流与全电压变化率波形864V/电20-2-4-6-8-60-45-30-15015304560电压变化率/（10*kV.s）图4零序全电流与全电压变化率关系曲线表1不同故障馈线的选线结果故障故障故障初过渡选线RRRR4馈线距离/km相角（）电阻/0结果L290120-0.9660.9700.970 0.970LL8701200.9650.9720.9710.972LIL34500.9690.9630.9570.967LL213605000.613-0.6060.5540.608LL590500.9410.9410.9390.941L,L5901500.926 0.926-0.9240.926LL448010000.672 0.6720.6710.666L4L41765300.6300.6300.617-0.628L4由表1可知，虽然故障位置发生变化，但各非故障馈线零序电流与零序电压变化率曲线的互相关系数依然均为正值，而故障馈线互相关系数均为负值。两者区别明显，能够准确实现故障选线。5.2过渡电阻的影响配电网中10%以上故障为高阻接地。高阻接地暂态过程更短或故障后直接进入稳态，单纯利用暂态量作为判据的选线方法19ElectricalAutomation下转第2 2 页）PowerSystem&Automation电力系统及其自动化电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期因信息不足易失效。目前，对于配电网高阻接地故障没有权威的划分标准,实际应用中可根据故障成因等因素,将经1k2及以上过渡电阻的故障认为是高阻接地故障。本文就不同过渡电阻进行仿真，故障发生在馈线L3上，故障初相角为45，故障距离7 km。选线结果如表2 所示。表2不同过渡电阻选线结果过渡电阻/QR,R2R,R4选线结果00.8520.8480.8500.850正确3000.9010.8940.8990.898正确2.5000.8300.8140.8220.828正确50000.8050.788-0.7940.805正确基于波形互相关性分析的故障选线方法同时涵盖了稳态和暂态电气量信息，且互相关系数大小主要受波形相位变化而非幅值大小变化影响。因此，在高阻接地故障且故障初相角较低的情况下区分仍然明显5.3弧光接地故障选线情况中性点非有效接地系统接地故障时常伴有电弧产生。弧光接地具有较强的随机性、间歇性，电流和电压间呈高度非线性关系。本文在电磁暂态分析程序中运用脉冲开关和脉冲信号源建立弧光接地模型。图5为弧光故障零序全电流与全电压变化率波形对比图。非故障馈线零序全电流与母线零序全电压变化率曲线在变化趋势上基本保持一致，而故障馈线近似相反。1000-10000.020.040.060.080.100.12t/s（a）故障线路零序电流500-5000.020.040.060.080.100.12t/s（b）非故障线路零序电流3 0000-300000.020.040.060.080.100.12t/s（c）母线电压变化率图5弧光故障零序全电流与全电压变化率波形对比模拟架空馈线L，发生间歇性弧光接地故障，表3的选线结果表明，基于零序全电流与电压变化率互相关性分析的选线方法同样适用于弧光接地故障。5.4现场故障数据分析为进一步证实选线方法有效性，运用国网山东电力公司故障现场数据对本文方法进行验证。本组数据采集于某市10 kV变电站，系统为单母线分段运行方式，I段母线带有四条出线，分别为城北线L、工业线L2、西顺河线L，及备用线。2 0 19 年3月故障表3弧光接地故障选线结果过渡故障R选线RR2R4电阻/2初相角/（）结果50900.7070.7010.6830.699正确500900.6320.666-0.6580.630正确1000750.6280.6340.6390.629正确2.500600.6690.6910.6330.641正确5000500.6730.611-0.6060.698正确发生在单母线分段后I段母线的工业线L2，备用线未投人。现场录波采集到三条馈线零序电流及母线零序电压如图6 所示。图7 为求取的母线零序全电压瞬时变化率，其波形与健全馈线Li、L零序电流相似性较高。1000之0-1000500-501000-100500-5000.050.100.15t/s图6零序电压及电流波形400200-200-400-6000500100015002000采样点数/个图7母线电压变化率波形分别计算三条馈线零序全电流与母线零序全电压变化率的互相关系数，得到互相关系数组R=0.768，-0.7 37,0.6 9 4，可准确判断故障馈线为第二条馈线工业线6结束语本文根据馈线零序全电流与母线零序全电压变化率之间的互相关性分析实现故障选线、理论分析、仿真及现场数据验证，可得以下结论。（1）利用故障后零序全部电气量进行选线，有利于获取更全面的故障信息，相比于仅利用部分故障信息的选线方法，其选线适用故障条件更为宽广。（2）选线方法不受故障距离和过渡电阻等因素影响，能实现弧光接地情况下的故障选线，选线适用性强（3）故障选线信号容易获得，无需分离基波分量和暂态分量，有利于提高选线速度和开发选线装置。22ElectricalAutomation上接第19 页）PowerSystem&Automation电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期电力系统及其自动化3.2平台性能测试3.2.1平台性能测试环境在平台性能测试过程中，使用VC+语言构建平台性能测试环节，对平台的电力在线技术监督情况进行分析。测试环境硬件配置如下：CPUIntel3.6GHz；RA M 8 G B。设定9 组不同的故障样本，完成平台测试内容，并对测试结果加以分析。3.2.2平台性能测试过程采用预设的平台性能测试样本，对平台运行效果加以分析。将数据输入平台中，统计平台故障数据识别量以及正判量，作为评价平台在线技术监督效果的主要标准。此两组指标计算过程设定如下：W=Q/W(9)V=T/Q(10)式中：为平台输出的识别率；Q为平台各组别中的数据识别量；W为各组别中的数据总量；u为平台输出的正判率；T为识别结果中正确的故障类别识别结果。将识别率与正判率的基础数据取值范围设定为94.00%,96.00%，则测试结果在此区间内，可证实平台具有的应用效果。根据上述设定，完成平台性能测试。3.2.3平台性能测试结果分析根据上述设定内容完成平台测试环节，并将测试结果与文献3方法和文献4方法进行性能对比，其中测试的识别率结果如图4所示，正判率结果如图5所示。由图4和图5可知，本文设计平台的识别率与正判率测试结果均符合预设要求，在9 4%9 6%之间。且本文平台的识别率与正判率均高于文献3方法和文献4方法。主要是本文设计的平台应用了电力信号数据挖掘处理技术，更容易完成电力信100r本文平台方法文献3方法一文献4方法9896（%）/率咕94929088123456789测试组序号图4识别率测试结果参考文献：【1王建元，朱永涛，秦思远。基于方向行波能量的小电流接地系统故障选线方法J：电工技术学报，2 0 2 1，36（19）：40 8 5-40 9 6。【2 赖平，周想凌，邱丹小电流接地系统暂态电流频率特性分析及故障选线方法研究J.电力系统保护与控制，2 0 15，43（4）：51-57.【3苏小青，余锐，白杰，等利用暂态零序电流波形特征的谐振接地系统故障选线方法J：电力电容器与无功补偿，2 0 19，40（4）：106-111.100r本文平台方法文献3方法文献4方法9896(%)/率味工亚94929088123456789测试组序号图5正判率测试结果号数据分类。可见，本文设计平台的监督结果输出可靠。平台性能更出众，应用效果更佳。4丝结束语本文设计了一种基于数据挖掘的电力在线技术监督平台。通过硬件和软件设计，挖掘电力信号数据，实现了电力在线技术监督预警。最后通过性能测试，得到了比传统方法更高的电力信号故障识别率和正判率，表明本文设计平台监督结果输出更可靠，性能测试结果好,应用效果好。在日后的研究中还需对平台在不同的应用环境中进行性能测试，进一步优化系统软件，力求得到最优监督结果。参考文献：【1张国斌，张叔禹，刘永江，等基于大数据与人工智能技术的电力在线技术监督平台建设方案J热力发电，2 0 19，48（9）：9 410 0.【2 刘炎，夏向阳，李明德，等高压电力电缆轨迹法在线监测方法J电力科学与技术学报，2 0 19，34（3）：2 0 2-2 10.【3聂春雷，肖忠良基于大数据与人工智能技术的电力在线监督平台设计J.通信电源技术，2 0 2 0，37（6）：12 3-12 4.【4龙建平，张志勇，赵全中，等火电厂环保远程技术监督平台的设计与应用J广西电力，2 0 2 0，43（2）：7 0-7 4.【5曹明良，李国和，冯，等基于电力系统大数据治理的软件数据平台设计与研究J.计算技术与自动化，2 0 2 0，39（3）：135-139.【6 杨政，尹春林，蔡迪，等。一种基于成词率和谱聚类的电力文本领域词发现方法J.电子技术应用，2 0 2 1，47（10）：2 9-32；37【7 李俊楠，李伟，李会君，等基于大数据云平台的电力能源大数据采集与应用研究J电测与仪表，2 0 19，56（12）：10 4-10 9.【作者简介】郝金鹏（19 8 5一），男，黑龙江尚志人，本科，高级工程师，研究方向：输电设备运维检修及技术监督管理。4冯光，管廷龙，王磊，等利用电流电压导数线性度关系的小电流接地系统接地故障选线J.电网技术，2 0 2 1，45（1）：2 1-2 9.【5刘谋海，方涛，姜运，等基于暂态主频分量相关性分析的故障选线方法J电力系统保护与控制，2 0 16，44（2）：7 4-7 9.【6 刘柱，曹敏，董涛基于波形相似度的小电流接地故障选线J.电力系统保护与控制，2 0 17，45（2 1）：8 9-9 5.【作者简介】王铭（19 7 7 一），女，山东烟台人，硕士，副教授，从事配电网自动化技术研究工作。