一种自适应配电网接地故障研判方法及系统与流程

本发明属于配电网继电保护和接地故障检测，具体涉及一种自适应配电网接地故障研判方法及系统。

背景技术：

1、中性点经消弧线圈接地的配电网发生单相接地故障时，现有故障选线或就地研判通常基于母线零序电压和馈线零序电流进行处理，常用手段包括比较故障前后的稳态零序导纳或导纳角、提取故障后零序电流中的直流或暂态分量、利用暂态零序功率方向进行选线，以及在暂态特征较弱时对故障后的稳态零序有功功率进行多周期积分。对于需要兼顾不同故障工况的方案，还可根据故障后不同频率成分的相对强弱选择相应的稳态、直流或暂态判据。

2、现有技术仍存在以下核心技术问题：在低故障初始相角、高阻或极高阻接地、三相参数不对称、测量噪声或时间同步偏差等复杂工况下，不同稳态、直流和暂态故障特征的可用性会发生变化，现有研判方式难以在保证弱故障检测灵敏度的同时，避免在证据不足、暂态电压与暂态电流缺乏共同物理频率基础或者多种判据相互冲突时产生错误故障结论。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种自适应配电网接地故障研判方法及系统，以解决现有技术中存在的复杂工况下故障特征可用性变化而导致接地故障研判可靠性不足的问题。

2、为实现上述目的，采用如下方案：

3、本发明第一方面，提供了一种自适应配电网接地故障研判方法，包括：

4、获取母线零序电压和各馈线零序电流的故障前后同步采样数据，并基于故障前多个工频周期建立各馈线的稳态零序导纳角背景、直流模态背景、暂态频带背景能量和稳态零序有功功率背景；

5、根据故障前后稳态零序导纳角变化与由稳态零序导纳角背景确定的充分性门限进行判别，达到充分性门限时形成故障候选，未达到时对暂态零序电流进行模态分解，根据直流代表模态与暂态代表模态的相对能量确定特征主导状态；

6、在直流主导状态下，根据故障前后直流代表模态变化量及直流模态背景形成故障候选；

7、在暂态主导状态下，提取零序电压和零序电流的暂态代表模态，根据二者的频率匹配关系、相关关系、相对于暂态频带背景能量的能量条件和时间同步状态确定暂态特征是否可用；

8、暂态特征可用时，在共同分析频率确定暂态零序功率方向并形成故障候选；暂态特征不可用时，基于稳态零序有功功率背景逐周期累积稳态零序有功变化量，将累积量与由故障前有功波动和已累积周期数确定的判别门限比较，达到门限时形成故障候选，达到最大累积周期仍未达到时输出待核验；

9、根据各馈线的故障候选及母线-馈线拓扑关系确定故障馈线研判结果。

10、上述方案通过以同一馈线故障前背景作为故障后特征的参照，先判断稳态证据是否足够，再根据故障特征主导状态选择直流或暂态处理路径，并在暂态路径中增加电压、零序电流暂态代表模态的物理一致性和数据时间同步约束；当暂态证据不可用时，进一步转入基于故障前稳态有功背景的逐周期证据累积，最后结合母线-馈线拓扑关系确认故障馈线，解决了复杂工况下单一判据失效、暂态证据失真以及弱故障证据不足的问题，从而实现对不同故障工况的连续、自适应且具有安全降级能力的故障研判。

11、进一步的，根据零序电压和零序电流的暂态代表模态确定暂态特征是否可用，包括：分别从零序电压和零序电流的暂态类模态中选取能量最大的模态作为电压暂态代表模态和电流暂态代表模态；根据电压暂态代表模态的中心频率和电流暂态代表模态的中心频率确定相对频率偏差，并确定二者在同一暂态窗内的归一化相关系数或同频相干度；将电流暂态代表模态的能量与对应馈线的故障前同频带背景能量进行比较；在相对频率偏差不大于频率匹配阈值、归一化相关系数或同频相干度不小于相关性阈值、电流暂态代表模态的能量达到故障前同频带背景能量的预设倍数且零序电压和零序电流的暂态窗均处于有效时间同步状态时，确定暂态特征可用，否则确定暂态特征不可用。

12、上述进一步方案通过在形成暂态功率方向之前对电压暂态代表模态和电流暂态代表模态进行频率、相关性、能量及时间同步的联合验证，解决了不同频率来源或弱噪声模态被直接组合形成虚假功率方向的问题，从而提高暂态功率方向输入证据的物理一致性和冲突识别可靠性。

13、进一步的，暂态特征不可用时基于稳态零序有功功率背景逐周期累积稳态零序有功变化量，包括：根据对应馈线故障前多个工频周期的稳态零序有功功率确定故障前有功均值和故障前有功标准差；获取馈线零序电流互感器的极性方向，并根据极性方向确定方向系数；对于故障后的第m个稳态工频周期，根据该周期的稳态零序有功功率与故障前有功均值之差以及方向系数确定第m个周期的方向性有功变化量；对第1个至第n个周期的方向性有功变化量进行累加得到累积量，并按照故障前有功标准差和已累积周期数n确定第n个周期对应的判别门限；若累积量达到判别门限，则停止继续累积并形成故障候选；若未达到，则增加累积周期，直至达到最大累积周期。

14、上述进一步方案通过将同一馈线故障后的方向性有功变化量按周期连续累积，并利用该馈线故障前有功波动限定不同累积周期下的判别门限，解决了极高阻或暂态不足时单个稳态周期故障有功量过弱的问题，从而在无需主观综合评分的条件下提高弱故障的时间累积可分辨性，并避免强故障无必要地等待固定观察周期。

15、进一步的，按照故障前有功标准差和已累积周期数n确定判别门限，包括：按照下式确定第j条馈线在累积n个周期时的判别门限：

16、

17、其中，为第j条馈线在累积n个周期时的判别门限，为第j条馈线的故障前有功标准差，为预设统计系数；累积量按照下式确定：

18、

19、其中，为第j条馈线第m个故障后稳态工频周期的方向性有功变化量，m=1，…，n。

20、上述进一步方案通过使判别门限与本馈线故障前有功波动水平及当前累积周期数相联系，解决了固定门限在不同噪声背景和不同观察长度下尺度不一致的问题，从而使稳态有功累积过程具有与背景随机波动相适配的判别尺度。

21、进一步的，在暂态特征可用时确定暂态零序功率方向，包括：在电压暂态代表模态和电流暂态代表模态的频率匹配关系成立的频带内确定共同分析频率；分别在共同分析频率处对零序电压和零序电流进行单频离散傅里叶变换，得到零序电压复相量和零序电流复相量；根据零序电压复相量与零序电流复相量的共轭乘积确定暂态复功率，并取暂态复功率的实部得到暂态有功功率方向测度；按照馈线零序电流互感器的极性方向对暂态有功功率方向测度进行方向归一化，并根据方向归一化后的暂态有功功率方向测度形成故障候选。

22、上述进一步方案通过在已经验证具有共同频率基础的零序电压和零序电流上进行同频相量提取和功率方向计算，并统一电流互感器极性方向，解决了频率错配或安装极性差异导致功率方向符号不一致的问题，从而提高暂态方向判据的稳定性。

23、进一步的，根据直流代表模态与暂态代表模态的相对能量确定特征主导状态，包括：根据各模态的中心频率将模态划分为直流类模态、工频类模态和暂态类模态，并分别从直流类模态和暂态类模态中选取能量最大的模态作为直流代表模态和暂态代表模态；根据直流代表模态能量与暂态代表模态能量的比值确定特征主导状态；当比值不小于第一主导状态阈值时，确定为直流主导状态；当比值不大于第二主导状态阈值时，确定为暂态主导状态；当比值位于第二主导状态阈值与第一主导状态阈值之间时，确定为主导性不明确状态；在主导性不明确状态下分别执行直流分支处理和暂态分支处理，在仅一个分支获得有效研判依据时采用该分支，在两个分支得到一致结论时采用一致结论，在两个分支结论冲突时进入补充检测。

24、上述进一步方案通过在直流主导与暂态主导之间设置主导性不明确状态，并对该状态采用有效性条件和结论一致性规则处理，解决了能量比接近分界值时二元硬切换导致处理路径抖动或冲突的问题，从而提高工况边界附近的路径适应性和冲突处理可靠性。

25、进一步的，在直流主导状态下根据故障前后直流代表模态变化量及直流模态背景形成故障候选，包括：分别确定对应馈线故障前直流代表模态和故障后直流代表模态在一个工频周期内的平均值，并根据两个平均值之差的绝对值确定直流模态变化量；根据故障前多个工频周期的直流代表模态平均值确定直流模态背景标准差，并根据直流模态背景标准差确定直流判别门限；当直流模态变化量达到直流判别门限时形成故障候选。

26、上述进一步方案通过比较同一馈线故障前后的直流代表模态变化并以本馈线故障前直流波动建立门限，解决了线路固有直流偏置、三相不对称及传感器零漂造成绝对直流量难以直接比较的问题，从而提高低故障初始相角工况下直流分支的抗偏置能力。

27、进一步的，在进行暂态特征处理之前，对故障前后同步采样数据进行数据有效性判断和时间对齐，包括：检查零序电压和零序电流的时间戳连续性、采样窗口起止时刻、采样点数、饱和状态及缺失点状态；对于满足修复条件的离散缺失采样点，按照统一时间轴进行插值重采样；对于连续缺失超过预设长度、发生采样饱和、时钟失锁或者零序电压与零序电流的时间偏差超过最大允许同步误差的数据段，将对应数据段标记为无效；被标记为无效的数据段不参与暂态零序功率方向计算，并触发重新同步、延长检测窗或者输出待核验。

28、上述进一步方案通过在暂态特征提取之前建立数据有效、可修复和无效的处理路径，并限制无效数据进入功率方向计算，解决了缺失采样、饱和或时间错位在相量和方向计算中被放大的问题，从而提高数据时序一致性及待核验状态的可追溯性。

29、本发明第二方面，提供了一种自适应配电网接地故障研判系统，包括：

30、同步采集与背景基线模块，用于获取母线零序电压和各馈线零序电流的故障前后同步采样数据，并基于故障前多个工频周期输出各馈线的稳态零序导纳角背景、直流模态背景、暂态频带背景能量和稳态零序有功功率背景；

31、稳态充分性及主导状态判别模块，用于根据故障前后稳态零序导纳角变化和稳态零序导纳角背景确定是否形成故障候选，并在未形成故障候选时对暂态零序电流进行模态分解，根据直流代表模态与暂态代表模态的相对能量输出特征主导状态；

32、直流分支判别模块，用于在直流主导状态下，根据故障前后直流代表模态变化量和直流模态背景输出故障候选；

33、暂态物理一致性验证模块，用于在暂态主导状态下，根据零序电压和零序电流暂态代表模态的频率匹配关系、相关关系、相对于暂态频带背景能量的能量条件及时间同步状态输出暂态特征可用状态或暂态特征不可用状态；

34、分支研判模块，用于在暂态特征可用状态下于共同分析频率确定暂态零序功率方向并输出故障候选，以及在暂态特征不可用状态下基于稳态零序有功功率背景逐周期累积稳态零序有功变化量，根据累积量与判别门限的比较结果输出故障候选或待核验；

35、拓扑确认与结果输出模块，用于根据各馈线的故障候选及母线-馈线拓扑关系输出故障馈线研判结果。

36、上述第二方面与第一方面基于相同发明构思，各模块按照数据采集、背景建立、门控判别、分支研判以及拓扑确认的顺序传递数据和中间结果，能够实现与第一方面相同或相应的复杂工况接地故障自适应研判技术效果。

37、进一步的，系统还包括处置后复检模块；处置后复检模块用于在故障馈线被切除或完成故障处置后，重新获取母线零序电压和剩余馈线零序电流；当母线零序电压下降至返回门限以下且剩余馈线均不再满足故障条件时，输出复检通过结果；当母线零序电压仍持续满足接地故障启动条件或者剩余馈线中存在满足故障条件的馈线时，输出复检未通过结果，并在排除已断开馈线后重新触发同步采集与背景基线模块、稳态充分性及主导状态判别模块、直流分支判别模块、暂态物理一致性验证模块和分支研判模块进行故障研判。

38、上述进一步方案通过在故障处置后重新利用母线零序电压和剩余馈线零序电流验证故障是否消除，并在复检未通过时排除已断开馈线后重新执行研判流程，解决了一次性研判不能识别误选线、多点接地或故障未完全消除的问题，从而形成处置前后可验证的闭环故障研判过程。