專利名稱：基于暫態(tài)行波的高阻接地故障檢測方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)保護和控制技術領域，尤其涉及配電線路保護和故障檢測。
背景技術：
高阻接地故障的定義電力系統(tǒng)中載流導體(包括架空導線，電纜等)和一 些非金屬性導電的介質如道路、土壤、樹枝或者水泥建筑物等發(fā)生有害的接觸 的非正常運行狀況。因為介質本身的電氣特性限制了故障電流的大小，傳統(tǒng)的保 護裝置，如過電流保護，無法正確檢測。
一般的短路故障會引起很大的電流電壓的變化，配電系統(tǒng)中傳統(tǒng)的繼電保護 設備所關注的大都是這些明顯的工頻電流電壓量。然而相當一部分的配電系統(tǒng)故 障并非是金屬性的。這些電壓電流變化不足以被傳統(tǒng)保護檢測到的故障廣義上都 稱為高阻故障，高阻故障的電壓電流變化可能會很小，和負荷狀況類似，甚至低 于負荷引起的工頻電氣量的變化。盡管電流電壓變化小，對系統(tǒng)本身危害小，但 是高阻故障仍然會帶來很大的安全隱患如電弧高溫導致火災，跌落的導線導致 觸電事故等。因此，不同于傳統(tǒng)繼電保護切除短路故障以保護電力系統(tǒng)的概念， 高阻檢測的目的在于可靠地檢測并及時清除這種非正常的高阻接地狀態(tài)以保護人 身和財產(chǎn)的安全，防止高阻接地狀態(tài)發(fā)展成為其它更為嚴重的故障。
目前，高阻故障檢測主要有以下方法1)因為過渡電阻的非線性會引入諧 波，利用系統(tǒng)電流中的三次諧波以及諧波相對系統(tǒng)電壓的相位的方法構成檢測高 阻故障的方法，然而，由于配電系統(tǒng)中本身就有大量的背景諧波，會對該方法產(chǎn) 生很大的干擾，導致該方法的靈敏性不足，而且三次諧波并不是能夠確定高阻故 障的唯一明確的特征，該方法的可靠性也會受到影響。2)因為高阻故障電弧會產(chǎn) 生高頻噪聲，提出了采用采樣值變化量的絕對值來檢測高阻故障引起的高頻擾動 的方法，但是高頻噪聲并不是只有高阻故障才具有的唯一特征，有一些負荷設備 也會產(chǎn)生高頻噪聲，因此該方法的可靠性低。3)基于檢測單一的電氣量難以準確 和可靠檢測高阻故障，提出了基于專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡等人工智能技術的故障檢 測方法，但這些方法組織十分復雜，很多判據(jù)原理來自于實驗和經(jīng)驗。神經(jīng)網(wǎng)絡 作為一種的算法，需要大量的訓練，其意義也尚不明確。在實際應用中，人工智 能的方法并不被繼電保護系統(tǒng)推薦采用。而且，這類方法并沒有從原理上提出高 阻故障與正常運行狀況的顯著特征，從而不能從根本解決高阻故障檢測問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于為克服上述高阻故障檢測方法的缺陷，提出一種基于暫態(tài) 行波的高阻接地故障檢測方法，用于檢測電力系統(tǒng)中35kV及以下電壓等級的配電 線路發(fā)生的經(jīng)過高過渡電阻接地的故障。本方法提高了高阻故障檢測的靈敏性和 高阻故障檢測的可靠性。
本發(fā)明提出了一種基于暫態(tài)行波的高阻接地故障檢測方法，其特征在于，該 方法包括故障啟動和故障檢測兩部分。其中故障啟動采用暫態(tài)行波電氣量進行啟 動判斷，通過比較暫態(tài)行波電氣量與閾值的大小啟動故障檢測；故障檢測采用故 障分量進行判別，通過故障檢測算法輸出故障檢測結果。
該方法采用暫態(tài)行波電氣量啟動故障判斷，采用故障分量進行故障檢測。為 了消除電力系統(tǒng)正常運行時背景諧波的影響，采用了基于平均值的故障分量?；?于平均值的故障分量不同于傳統(tǒng)的故障分量，傳統(tǒng)的故障分量獲取中直接采用故 障前的電氣量作為基準，而基于平均值的故障分量獲取時故障前的電氣量為故障 前一段時間內電氣量的平均值。在故障檢測中利用了不同頻段的電氣量構成故障 檢測算法，包括高頻算法，其檢測故障后故障電弧的燃燒熄滅引起的高頻電氣 量特征，采用小波變換提取高頻電氣量特征實現(xiàn)基于高頻電氣量的故障檢測判據(jù)； 諧波算法，其檢測故障后故障電弧中的諧波特征，采用傅立葉變換提取諧波電氣 量的幅值和相位特征，實現(xiàn)基于諧波電氣量的故障檢測判據(jù)；以及基波算法，檢 測故障后電氣量的基波幅值，實現(xiàn)基于基波電氣量的故障檢測判據(jù)。在本發(fā)明的 方案中，以上三種算法既可單獨使用，也可組合使用，通過綜合判定邏輯，輸出 故障檢測結果。
本發(fā)明的特點及效果
1) 利用故障引起的暫態(tài)行波啟動故障檢測，提高高阻故障檢測的靈敏性；
2) 對高阻故障后電氣量進行從基波、諧波到高頻等大部分頻帶的全面分析， 提出了高阻故障檢測的綜合方法；
3) 在算法上，采用基于平均值的故障分量來消除背景諧波的干擾，采用小 波變換時頻定位來檢測電弧引起的畸變，提高高阻故障檢測的可靠性。


圖1是本發(fā)明的高阻故障檢測方法實施例框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的一種基于暫態(tài)行波的高阻故障檢測方法結合實施例詳細說明如
下
本發(fā)明所提的高阻故障檢測方法，包括啟動判別和故障判別兩部分，啟動判 別部分當檢測系統(tǒng)上有擾動發(fā)生時，啟動故障檢測；故障判別部分用于判別擾動 是否是高阻故障。本發(fā)明的具體實施如圖1所示。輸入信號為來自電力系統(tǒng)電流 互感器的電流信號(可為零序電流或相電流)。行波啟動輸入信號為電流信號，比 較暫態(tài)行波電氣量與閾值，啟動故障檢測算法判別，并開始計時，在規(guī)定時間內， 對擾動進行判斷結果。高頻算法輸入信號為電流信號，并對其進行高速采樣，接 著經(jīng)過小波變換提取高頻電氣量特征，并執(zhí)行高頻判據(jù)，最后輸出高頻算法判斷 結果。諧波算法和基波算法輸入信號為電流信號，并對其進行工頻采樣，接著通 過傅立葉變換計算幅值和相角，并執(zhí)行諧波判據(jù)和工頻判據(jù)，最后分別輸出諧波 算法和基波算法判斷結果。在本發(fā)明中以上三種算法可以單獨使用，也可以綜合 使用。如果是單獨使用，則到此，直接輸出故障檢測結果；如果是綜合使用，則 經(jīng)過綜合邏輯，輸出故障檢測結果。以下對本發(fā)明中的行波啟動和故障檢測算法 以及用于組合算法的綜合邏輯的實施例進行具體說明。
1. 行波啟動具體實施例 ' 行波啟動的輸入信號為電流信號，既可以是線路的零序電流，也可以是線路
的相電流。行波啟動對輸入信號進行帶通濾波處理，本發(fā)明中釆用通帶頻率為4 kHz 10 kHz的帶通濾波器，該帶通濾波器既可以采用硬件濾波器實現(xiàn)，也可以 采用軟件實現(xiàn)。對濾波后的信號與啟動閾值進行比較，如果濾波器輸出信號大于 閾值，則啟動故障檢測。啟動閾值的設定方法為首先根據(jù)線路參數(shù)計算10%線 路電壓時，在線路上能夠產(chǎn)生的行波電流值，為提高靈敏性，啟動閾值對應的濾 波結果設定為該行波電流值的一半。
2. 高頻算法具體實施例
高阻接地故障常伴隨電弧。交流電弧在電流過零點時，由于注入能量最小， 電弧電阻最大，因此，每當電弧電流過零時會有類似于熄滅狀態(tài)的畸變，而過零 后隨著電壓增加，又會引起重燃。由于熱慣性，這樣的熄滅和重燃狀態(tài)引起的波 形的高頻擾動會在過零點的附近周期的出現(xiàn)。
小波變換可有效提取這樣的高頻畸變特征。具體步驟如下首先對對應電弧 熄滅和重燃的周期性畸變的過零點附近的信號進行小波變換，對信號進行時頻分 析。接著提取小波變換高頻細節(jié)的模極大值，表示原始信號的高頻特征。最后對 過零點附近的時間窗內的模極大值進行絕對值求和，構成故障判據(jù)。
高頻算法的優(yōu)選實施方式輸入信號為零序電流，經(jīng)過50kHz的前置低通濾 波后，采樣頻率為10kHz，對應50Hz系統(tǒng)每個周波采集200點，循環(huán)存儲著兩個 周波的數(shù)據(jù)，每個周波計算一次，計算的內容包括l)檢測前兩個周波的過零點， 2)對前兩個周波的信號進行四層小波變換，并求對應第四層小波細節(jié)分量的模極 大值，3)對過零點附近設定的時間窗內的小波變換模極大值進行絕對值求和，本
例時間窗設定為過零點前后25個時間點，4)將所求絕對值和閾值進行比較，給 出結果。如果超過閾值且持續(xù)超過一定時間，如五個周波，則認為發(fā)生電弧畸變， 否則認為無電弧畸變。閾值按照方波畸變整定，本例中，高頻閾值的設定按照10% 當前正常電流幅值數(shù)值對應的方波的第四層小波變換模極大值的兩倍。
為滿足故障檢測綜合邏輯的需要，對高頻算法結果進一步處理設定高頻算 法時間限，在設定的時間30秒內， 一方面對超過閾值滿足電弧畸變條件的狀態(tài)進 行計數(shù)(只計數(shù)狀態(tài)的變化的次數(shù))，同時對畸變狀態(tài)計時，當計數(shù)或計時之一滿 足各自的閾值，計數(shù)為超過10次，計時為超過15秒，算法輸出高阻故障確認， 如果僅僅有畸變狀態(tài)，而沒有滿足閾值，則認為高阻故障疑似，否則按照擾動和 無故障輸出。
3.諧波算法具體實施例
高阻故障常伴隨電弧，電弧中具有明顯的諧波特征，尤其是三次諧波電流。 諧波算法就是通過檢測電流中三次諧波的含量和三次諧波相對基波電流的相位差 來檢測高阻故障的。但由于正常運行的系統(tǒng)中也存在大量的諧波，所以，'基于諧 波電氣量檢測高阻故障首先需要克服系統(tǒng)正常運行諧波的影響。為了去除這樣的 背景諧波的干擾，本發(fā)明采用了基于平均值的故障分量作為諧波算法的輸入?；?br> 于平均值的故障分量的實現(xiàn)如下Ifault=I。u 6 t_I^，，其中Itauu為基于平均值的
故障分量，Iw一為當前采樣值，I一^為對應當前采樣值相位處的，前M個周波 (M為大于l的整數(shù)，本例中設定為500，對應前10秒)的該相位的所有采樣點 平均值。其中Lw的實現(xiàn)如下利用M個周波的采樣值，對相同相位的采樣值點 取其算術平均，計算出該M個周波的平均值序列。以上基于平均值的故障分量的 計算，每采樣一點更新一次。
諧波算法具體實現(xiàn)步驟如下采樣率為典型的每周波32點或24點即可，實 時獲取基于平均值的故障分量作為算法輸入；接著利用離散傅立葉變換實時計算 故障分量電流中的三次諧波和基波的幅值與相位；最后執(zhí)行故障判據(jù)如果基波 的幅值超過閾值，本例設定為10%的負荷電流，同時三次諧波的幅值和基波幅值 的比例超過閾值，本例設定為10%，而且三次諧波相電流對基波電流的相位差在 設定范圍內，本例為150°到210°，并且持續(xù)時間超過時間閾值，如五個周波，則 判定為故障狀態(tài)。
為滿足故障檢測綜合邏輯的需要，對諧波算法結果進一步處理設定算法時間 限，在設定的時間內，如30秒內， 一方面對故障狀態(tài)進行計數(shù)(只計數(shù)狀態(tài)的變 化的次數(shù))，另一方面同時對故障狀態(tài)計時，當計數(shù)或計時之一滿足各自的閾值， 如狀態(tài)變化達到10次，或總共持續(xù)時間達到15秒，算法輸出高阻故障確認，如 果僅僅有故障狀態(tài)，而沒有滿足閾值，則認為高阻故障疑似，否則按照擾動和無 故障輸出。 4. 基波算法具體實施例
在發(fā)生高阻接地時， 一般都不是金屬性的牢固接地，大都伴隨著間歇性的接 地過程，辨識接地狀態(tài)(如交流電弧燃起)和不接地狀態(tài)(如交流電弧熄滅)的 變化就構成了基波算法。
基波算法利用當前的基波幅值相對于基波平均幅值的增量來執(zhí)行判別。具體 實現(xiàn)過程為采樣頻率為典型的工頻采樣頻率，如每周波采樣24點或者32點； 對每一個采樣點，利用離散傅立葉變換計算當前基波幅值；接著計算當前基波幅
值增量，該增量為當前基波幅值與前一段時間如10秒內的基波幅值的平均值的 差。如果增量大于閾值則認為為燃弧狀態(tài)，否則為熄弧狀態(tài)，閾值設定為當前正 常的負荷電流。為配合綜合邏輯的需要，通過在復歸時限內對狀態(tài)變換行進計時
和計數(shù)來給出故障判斷狀態(tài)變化次數(shù)大于閾值如10次，則認為故障確認，狀態(tài)
發(fā)生兩次以上變化，但不足10次則是故障疑似，否則判定是擾動或正常操作。
5. 故障檢測綜合邏輯實施例
雖然結合行波啟動，上述三種算法中任何一種都可以單獨構成本發(fā)明提出的 高阻檢測方案，但是由于高阻故障的隨機性和故障特征的復雜性，沒有一個單一 而確定的故障特征，上述三種算法都只能對某一類的高阻故障準確反映，而難以 全面的反映所有類型高阻故障，如果能夠綜合上述三種算法，有望更為準確可靠地 檢測出高阻故障。
本發(fā)明提出的故障檢測組合算法，是將上述算法的輸出綜合起來， 一個典型
的綜合邏輯上述三種算法中每一種算法的輸出都有高阻故障、高阻故障疑似 和無故障三種情況。各種輸出情況都有對應的分值，綜合邏輯通過分值求和計算 實現(xiàn)最終結果輸出如規(guī)定每種算法的高阻故障輸出分值為1，高阻疑似分值為0， 無故障分值為-1，三種算法的分值相加， 一旦結果大于1則判定為高阻故障；否 則輸出無故障。
權利要求
1、一種基于暫態(tài)行波的高阻接地故障檢測方法，其特征在于，該方法包括故障啟動和故障檢測兩部分，其中故障啟動采用暫態(tài)行波電氣量進行啟動判斷，通過比較暫態(tài)行波電氣量與閾值的大小啟動故障檢測；故障檢測采用故障分量進行判別，通過故障檢測算法輸出故障檢測結果。
2、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述用于啟動判斷的暫態(tài)行 波電氣量的頻率范圍為4kHz到10kHz。
3、 根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述的故障分量采用基于平 均值的故障分量，該故障分量獲得的方法為首先，利用M個周波的采樣值，對 相同相位的采樣值點取其算術平均，計算出該M個周波的平均值序列；接著利用 當前采樣值與對應相位的M個周波的平均值序列的做差獲得基于平均值的故障分 量。
4、 根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述故障檢測采用歯頻算法， 其實現(xiàn)步驟為輸入信號為電流信號，對輸入信號進行高頻采樣循環(huán)存儲著多個 周波的數(shù)據(jù)，每個周波計算一次，計算的內容包括1)檢測四個周波的過零點， 2)對四個周波的信號進行四層小波變換，并求對應模極大值，3)對過零點附近設定的時間窗內的小波變換模極大值進行絕對值求和，4)將所求絕對值和閾值進 行比較，給出結果；如果超過閾值且持續(xù)超過一定時間，則認為發(fā)生故障，否則 認為無故障。
5、 根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述故障檢測采用諧波算法，其實現(xiàn)步驟為輸入信號為電流信號，對輸入信號進行工頻采樣，實時獲取故障 分量作為算法輸入；接著利用離散傅立葉變換實時計算故障分量的三次諧波和基 波的幅值與相位；最后執(zhí)行故障判據(jù)如果基波的幅值超過闡值，同時三次諧波 的幅值和基波幅值的比例超過閾值，而且三次諧波相對基波的相位差在設定范圍 內，并且持續(xù)時間超過時間閾值，則判定為故障狀態(tài)。
6、根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，所述故障分量采用基于平均值的故障分量，其獲取過程如下ifault=i。u t—:u，，其中Ifault為基于平均值的故障分量，1。u^t為當前采樣值，1^，為對應當前采樣值相位處的，前M個周波(M 為大于l的整數(shù))的該相位的所有采樣點平均值；其中I自^的實現(xiàn)如下利用M 個周波的釆樣值，對相同相位的采樣值點取其算術平均，計算出該M個周波的平 均值序列。
7、根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述故障檢測采用基波算法，其實現(xiàn)步驟為輸入信號為電流信號，對其進行工頻采樣，對每一個采樣點，利用離散傅立葉變換計算當前基波幅值；接著計算當前基波幅值增量，該增量為當 前基波幅值與前一段時間內的基波幅值的平均值的差；如果增量大于閾值則認為 為燃弧狀態(tài)，否則為熄弧狀態(tài)；再通過在復歸時限內對狀態(tài)變換行進計時和計數(shù) 來給出故障判斷狀態(tài)變化次數(shù)大于閾值則認為故障確認。
8、根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述故障檢測采用組合算法， 其實現(xiàn)步驟包括第一步對輸入信號分別進行高頻算法、諧波算法和基波算法判 斷，第二步對輸出結果進行綜合邏輯判斷；所述的高頻算法實現(xiàn)步驟為輸入信 號為電流信號，對輸入信號進行工頻采樣，實時獲取故障分量作為算法輸入；接 著利用離散傅立葉變換實時計算故障分量的三次諧波和基波的幅值與相位；最后 執(zhí)行故障判據(jù)如果基波的幅值超過閾值，同時三次諧波的幅值和基波幅值的比 例超過閾值，而且三次諧波相對基波的相位差在設定范圍內，并且持續(xù)時間超過 時間閾值，則判定為故障狀態(tài)；并設定高頻算法時間限，在設定的時間內， 一方 面對超過閾值滿足故障發(fā)生條件的狀態(tài)進行計數(shù)(只計數(shù)狀態(tài)的變化的次數(shù))，同 時對故障發(fā)生狀態(tài)計時，當計數(shù)或計時之一滿足各自的閾值，算法輸出高阻故障 確認，如果僅僅有故障狀態(tài)，而沒有滿足閾值，則認為高阻故障疑似，吝則按照 擾動和無故障輸出；其中的，波算法實現(xiàn)步驟為輸入信號為電流信號，對輸入 信號進行工頻采樣，實時獲取故障分量作為算法輸入；接著利用離散傅立葉變換 實時計算故障分量的三次諧波和基波的幅值與相位；最后執(zhí)行故障判據(jù)如果基 波的幅值超過閾值，同時三次諧波的幅值和基波幅值的比例超過閾值，而且三次 諧波相對基波的相位差在設定范圍內，并且持續(xù)時間超過時間閾值，則判定為故 障狀態(tài)；并在設定的時間內， 一方面對故障狀態(tài)進行計數(shù)(只計數(shù)狀態(tài)的變化的 次數(shù))，另一方面同時對故障狀態(tài)計時，當計數(shù)或計時之一滿足各自的閾值，算法 輸出高阻故障確認，如果僅僅有故障狀態(tài)，而沒有滿足閾值，則認為高阻故障疑 似，否則按照擾動和無故障輸出；其中基波算法實現(xiàn)如下輸入信號為電流信號， 對其進行工頻采樣，對每一個采樣點，利用離散傅立葉變換計算當前基波幅值； 接著計算當前基波幅值增量，該增量為當前基波幅值與前一段時間內的基波幅值 的平均值的差；如果增量大于閾值則認為為燃弧狀態(tài)，否則為熄弧狀態(tài)；再通過 在復歸時限內對狀態(tài)變換行進計時和計數(shù)來給出故障判斷狀態(tài)變化次數(shù)大于閾 值則認為故障確認，狀態(tài)發(fā)生兩次以上變化，但不足則是故障疑似，否則判別是 擾動或正常操作；其中的綜合邏輯實現(xiàn)如下規(guī)定每種算法的高阻故障輸出分值 為l,高阻疑似分值為0，無故障分值為-1，三種算法的分值相加， 一旦結果大于 1則判定為高阻故障；否則輸出無故障。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于暫態(tài)行波的高阻接地故障檢測方法，屬于電力系統(tǒng)保護和控制技術領域；該方法包括故障啟動和故障檢測兩部分，其中故障啟動采用暫態(tài)行波電氣量進行啟動判斷，通過比較暫態(tài)行波電氣量與閾值的大小啟動故障檢測。故障檢測采用故障分量進行判別，通過故障檢測算法輸出故障檢測結果。在高阻故障判斷中可采用三種算法，1)高頻算法；2)諧波算法；3)基波算法。三種算法既可以單端使用，也可以組合使用，判定高阻故障。本方法全面檢測了高阻故障發(fā)生時可能引起的各個主要頻段的信息，并利用暫態(tài)行波判斷啟動，具有準確、可靠、靈敏的特點。
文檔編號G01R31/08GK101187687SQ20071030372
公開日2008年5月28日 申請日期2007年12月21日 優(yōu)先權日2007年12月21日
發(fā)明者韜 崔, 施慎行, 董新洲 申請人:清華大學