一种基于最值归一化的配电网单极接地故障检测方法及系统与流程

1.本发明属于接地故障检测技术领域，具体涉及一种基于最值归一化的配电网单极接地故障检测方法及系统。


背景技术：

2.现有检测直流电网单极接地故障的方案存在易受暂态电流特征幅值大小影响、不能同时实现选线选极、需额外引入母线电压、无法同时应对大电阻接地和极短线情况的问题。鉴于归一化方法可将原始数组转化为无量纲的相对值，且不会改变原始波形的凹凸性，因而具有不受原始数值幅值大小影响的优点。
3.因此，应用最值归一化方法挖掘辐射状mmc
‑
mvdc配电网中暂态特征的差异，构造具有耐过渡电阻能力的单极接地故障检测方法是值得深入研究的。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于最值归一化的配电网单极接地故障检测方法及系统，采用归一化方法将极电流突变量转化为无量纲的相对值，构造不受原始数据大小影响的选线选极判据，为仅利用电流特征实现辐射状mmc
‑
mvdc配电网线路故障、母线故障的选线选极奠定基础。
5.本发明采用以下技术方案：
6.一种基于最值归一化的配电网单极接地故障检测方法，包括以下步骤：
7.s1、采集配电网故障前和故障后各馈线的正极电流和负极电流；
8.s2、基于步骤s1采集的故障前和故障后各馈线的正极电流和负极电流，利用故障后极电流与故障前极电流相减得到馈线正、负极电流突变量；
9.s3、采用最值归一化方法对步骤s2得到的各馈线正、负极电流突变量进行归一化处理，经归一化处理后的各馈线正、负极电流突变量分布在[0,1]之间；
[0010]
s4、基于步骤s3归一化处理后的各馈线正、负极电流突变量分布特征，将归一化后各波形数据点与1/2的大小关系、再求和构造选线选极判据，实现辐射状mmc
‑
mvdc配电网单极接地故障检测。
[0011]
具体的，步骤s1中，配电网正常运行时，第k条线路保护安装处的正、负极电流i
pk
、i
nk
为：
[0012][0013]
其中，i
lk
为负荷电流。
[0014]
具体的，步骤s1中，配电网发生接地故障后，线路对地电容都通过故障点放电，故障线路故障极对地电容与故障点形成回路，故障点电流i
f
为全网馈线对地电容电流之和，极性与线路对地电容电流相反，配电网故障后流过健全线路正、负极电流为i
pk
′
、i
nk
′
，流过故障线路正、负极电流i
pk
′
、i
nk
′
。
[0015]
进一步的，故障点电流i
f
为：
[0016][0017]
其中，c
k
为正、负极对地等效电容，k为总馈线数，u
pk
为馈线k的正极电压，u
nk
为馈线k的负极电压。
[0018]
进一步的，流过健全线路的正、负极电流i
pk
′
、i
nk
′
为：
[0019][0020]
其中，u
′
pk
、u
′
nk
分别为故障后线路正、负极电压，i
pck
′
、i
nck
′
为故障时正、负极对地电容电流，i
lk
′
为故障时负荷电流，c
k
为正、负极对地等效电容。
[0021]
进一步的，流过故障线路的正、负极电流i
pk
′
、i
nk
′
为：
[0022][0023]
其中，u
′
pk
、u
′
nk
分别为故障后线路正、负极电压，i
pck
′
、i
nck
′
为故障时正、负极对地电容电流，i
lk
′
为故障时负荷电流，c
k
为故障线路正、负极对地等效电容。
[0024]
具体的，步骤s2中，各极电流突变量具体为：
[0025][0026]
其中，δi
pk
为馈线k正极电流突变量，δi
nk
为馈线k负极电流突变量，δi
pk
为馈线k正极电流突变量，δi
nk
为馈线k负极电流突变量，δu
p
、δu
n
分别为正、负极母线电压突变量，c
k
为故障线路正、负极对地等效电容，c
k
为正、负极对地等效电容，。
[0027]
具体的，步骤s4中，选线选极依据如下：
[0028][0029]
其中，d
nk
为馈线k负极对应的判据值，d
pk
为馈线k正极对应的判据值，d
jk
为馈线k的j极对应的判据值。
[0030]
进一步的，判据d
jk
为：
[0031][0032]
其中，m为所取数据窗内的总数据个数，为最值归一化后的相对值，m为采样点对应的序号。
[0033]
本发明的另一技术方案是，一种基于最值归一化的配电网单极接地故障检测系统，包括：
[0034]
采集模块，采集配电网故障前和故障后各馈线的正极电流和负极电流；
[0035]
突变模块，基于采集模块采集的故障前和故障后各馈线的正极电流和负极电流，利用故障后极电流与故障前极电流相减得到馈线正、负极电流突变量；
[0036]
归一化模块，采用最值归一化方法对突变模块得到的各馈线正、负极电流突变量进行归一化处理，经归一化处理后的各馈线正、负极电流突变量分布在[0,1]之间；
[0037]
检测模块，基于归一化模块归一化处理后的各馈线正、负极电流突变量分布特征，将归一化后各波形数据点与1/2的大小关系、再求和构造选线选极判据，实现辐射状mmc
‑
mvdc配电网单极接地故障检测。
[0038]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0039]
本发明一种基于最值归一化的配电网单极接地故障检测方法，辐射状mmc
‑
mvdc配电网发生单极接地故障时，流过所有非故障极的电流突变量与流过故障极的电流突变量极性相反，采用最值归一化方法将正、负极电流突变量转化为无量纲的相对值，其具有不受原数据大小影响和不改变原始波形凹凸性等优点，利用归一化后故障线路和健全线路的差异构造选线选极判据。理论分析和pscad仿真表明，所提方法仅利用电流特征即可实现线路故障、母线故障的选线选极，且具有很强的耐过渡电阻能力，对负荷波动、极短线路、低采样率具有一定的自适应性。
[0040]
进一步的，步骤s1中，配电网正常运行时，正、负极母线电压几乎不变，线路对地电容相当于开路，第k条线路保护安装处的正、负极电流i
pk
、i
nk
为大小相等、极性相反的穿越性负荷电流，即正常运行时正、负极仅为负荷电流、且电流幅值恒定不变。。
[0041]
进一步的，步骤s1中，配电网发生接地故障后，正、负极电压的动态变化导致线路对地电容都通过故障点放电，各馈线正、负极电流不再是恒定不变的负荷电流，故障前后变化的正、负极电流为寻找故障线路与健全线路的差异提供可能性。
[0042]
进一步的，故障点电流i
f
为全网各馈线对地电容电流之和，极性与各馈线对地电容电流相反，为权利要求7中得到各馈线正、负极电流突变量仅为线路对地电容电流和故障线路故障极电流突变量为所有非故障极电流突变量之和、且极性相反提供理论依据。
[0043]
进一步的，健全线路的正、负极电流i
pk
′
、i
nk
′
表达式相同，都为本极线路对地电容电流和负荷电流之和。说明故障后健全线路正、负极电流由负荷电流和本线路对地电容电流共同构成，为步骤s2准确求取健全线路正、负极电流突变量提供理论基础。
[0044]
进一步的，故障线路的正、负极电流i
pk
′
、i
nk
′
表达式是不同的，故障线路健全极电流为本极线路对地电容电流和负荷电流，故障线路故障极电流为本极线路对地电容电流、故障点馈入电流和负荷电流之和，两者极性相反。说明故障线路健全极的极电流由负荷电流和线路对地电容电流构成，构成形式与健全线路相同；而故障线路故障极电流由负荷电
流、线路对地电容电流和故障点馈入电流三部分构成，构成形式与健全线路、故障线路健全极不同，为步骤s2准确求取故障线路正、负极电流突变量提供理论基础。
[0045]
进一步的，步骤s2中，各极电流突变量的大小和极性体现了健全线路和故障线路暂态电流的差异。
[0046]
进一步的，步骤s4中，选线选极依据的设置为识别不同类型故障提供理论依据。
[0047]
进一步的，判据d
jk
利用归一化后的极电流突变量相对值进行单极接地故障检测，不仅运算量小，还可仅利用电流特征实现故障选线、选极和识别母线故障。
[0048]
综上所述，本发明只利用1ms短数据窗即可准确检测单极接地故障，运算量小，保护性能优良。
[0049]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0050]
图1为单端辐射状配电网示意图；
[0051]
图2为l3首端发生金属性接地时的电流波形和选线结果示意图，其中，(a)为极电流波形，(b)为极电流突变量波形，(c)为归一化处理，(d)为选线选极结果；
[0052]
图3为母线接地时的电流波形和选线结果示意图，其中，(a)为极电流波形，(b)为极电流突变量波形，(c)为归一化处理，(d)为选线选极结果；
[0053]
图4为不同过渡电阻下的选线选极结果示意图；
[0054]
图5为无故障和有故障时负荷波动的图形对比图，其中，(a)为无故障，(b)为有故障；
[0055]
图6为极短线路下的选线结果图，其中，(a)为金属性接地，(b)为经300ω电阻接地；
[0056]
图7为采样率为10khz时的选线选极结果图，其中，(a)为归一化处理，(b)为选线选极结果。
具体实施方式
[0057]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0058]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0059]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0060]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0061]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例
绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0062]
请参阅图1，本发明一种基于最值归一化的配电网单极接地故障检测方法，包括以下步骤：
[0063]
s1、计算并采集单端辐射状配电网故障前后各馈线正、负极电流；
[0064]
请参阅图1，i
pk
、i
nk
为第k条线路保护安装处正、负极电流，i
lk
为负荷电流，c
k
为正、负极对地等效电容，i
pck
、i
nck
为正、负极对地电容电流；c
k
为故障线路正、负极对地等效电容，i
pk
、i
nk
、i
lk
、i
pck
、i
nck
为对应电流；i
f
为故障点电流；加
“′”
表示故障时相应的电压、电流。
[0065]
a、正常运行时，正、负极母线电压几乎不变，线路对地电容相当于开路，即i
pck
、i
nck
＝0(k＝1,...,k)，各极电流为：
[0066][0067]
即正常运行时，各馈线正、负极上会流过大小相等、极性相反的穿越性负荷电流，且电流幅值恒定不变。
[0068]
b、发生接地故障后，正、负极电压的动态变化导致线路对地电容都通过故障点放电。
[0069]
健全线路正极电容放电路径如图1中白色箭头所示，负极电容放电路径如图1中黑色箭头所示。故障线路健全极电容放电路径如图1中橙黄色箭头所示；故障极对地电容与故障点形成回路，放电路径如图1中i
nck
所示。即故障点电流i
f
为全网馈线对地电容电流之和，极性与线路对地电容电流相反，表达式为
[0070][0071]
故障后，流过健全线路各馈线正、负极电流i
pk
′
、i
nk
′
为：
[0072][0073]
流过故障线路各馈线正、负极电流i
pk
′
、i
nk
′
为：
[0074][0075]
其中，u
′
pk
、u
′
nk
分别为故障后线路正、负极电压。
[0076]
s2、由故障状态下的电气量与故障前正常运行状态下的电气量相减，得到各极电流突变量；
[0077]
单端辐射状mmc
‑
mvdc配电网中各馈线为同一母线上的出线，它们的电压变化量是
一样的，因此，各极电流突变量表达式为
[0078][0079]
其中，δu
p
、δu
n
分别为正、负极母线电压突变量。
[0080]
即辐射状mmc
‑
mvdc配电网发生单极接地故障时，流过所有非故障极的电流突变量都仅为本线路对地电容电流，流过故障极的电流突变量为所有非故障极电容电流之和，两者极性相反。
[0081]
s3、采用最值归一化方法对原始数据进行归一化处理；
[0082]
馈线任一极线路第m个点的极电流突变量归一化处理方程为
[0083][0084]
其中，m∈[1,m]，j取p或n，min(δi
jk
)为指标j的最小值，max(δi
jk
)为指标j的最大值，m为所取数据窗内的总数据个数。
[0085]
由式(6)知，即归一化不会改变各极电流突变量的凹凸性，各馈线仍满足原来的突变特性；且与原来较小的数据相比，归一化会明显增大故障线路故障极和所有非故障极间的暂态特征差异。
[0086]
s4、比较归一化后的结果，构造辐射状mmc
‑
mvdc单极接地故障检测判据。
[0087]
利用归一化后各波形数据点与1/2的大小关系、再求和构造选线选极判据，判据形式如下：
[0088][0089]
选线选极依据如下：
[0090][0091]
利用归一化后的极电流突变量相对值进行单极接地故障检测，运算量小，还利用电流特征实现故障选线、选极和识别母线故障。
[0092]
本发明再一个实施例中，提供一种基于最值归一化的配电网单极接地故障检测系统，该系统能够用于实现上述基于最值归一化的配电网单极接地故障检测方法，具体的，该基于最值归一化的配电网单极接地故障检测系统包括采集模块、突变模块、归一化模块以
及检测模块。
[0093]
其中，采集模块，采集配电网故障前和故障后各馈线的正极电流和负极电流；
[0094]
突变模块，基于采集模块采集的故障前和故障后各馈线的正极电流和负极电流，利用故障后极电流与故障前极电流相减得到馈线正、负极电流突变量；
[0095]
归一化模块，采用最值归一化方法对突变模块得到的各馈线正、负极电流突变量进行归一化处理，经归一化处理后的各馈线正、负极电流突变量分布在[0,1]之间；
[0096]
检测模块，基于归一化模块归一化处理后的各馈线正、负极电流突变量分布特征，将归一化后各波形数据点与1/2的大小关系、再求和构造选线选极判据，实现辐射状mmc
‑
mvdc配电网单极接地故障检测。
[0097]
本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field
‑
programmable gatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于基于最值归一化的配电网单极接地故障检测方法的操作，包括：
[0098]
采集配电网故障前和故障后各馈线的正极电流和负极电流；基于采集的故障前和故障后各馈线的正极电流和负极电流，利用故障后极电流与故障前极电流相减得到馈线正、负极电流突变量；采用最值归一化方法对各馈线正、负极电流突变量进行归一化处理，经归一化处理后的各馈线正、负极电流突变量分布在[0,1]之间；基于归一化处理后的各馈线正、负极电流突变量分布特征，将归一化后各波形数据点与1/2的大小关系、再求和构造选线选极判据，实现辐射状mmc
‑
mvdc配电网单极接地故障检测。
[0099]
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non
‑
volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
[0100]
可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关基于最值归一化的配电网单极接地故障检测方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：
[0101]
采集配电网故障前和故障后各馈线的正极电流和负极电流；基于采集的故障前和故障后各馈线的正极电流和负极电流，利用故障后极电流与故障前极电流相减得到馈线正、负极电流突变量；采用最值归一化方法对各馈线正、负极电流突变量进行归一化处理，
经归一化处理后的各馈线正、负极电流突变量分布在[0,1]之间；基于归一化处理后的各馈线正、负极电流突变量分布特征，将归一化后各波形数据点与1/2的大小关系、再求和构造选线选极判据，实现辐射状mmc
‑
mvdc配电网单极接地故障检测。
[0102]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0103]
仿真验证
[0104]
在pscad中搭建含3条馈线的
±
7.5kv中压直流配电网模型进行仿真验证。采样频率取20khz，低通滤波器的截止频率取600hz，数据窗长取1ms。
[0105]
1)动作行为分析
[0106]
图2为线路l3首端0.4km处发生n极金属性接地故障时的电流波形和选线结果。
[0107]
图3为母线n极发生金属性接地故障时的电流波形和选线结果。
[0108]
由图2、图3中的d
jk
值与式(4)中的选线选极依据进行比较，很容易选出故障线路、故障极。
[0109]
2)算法性能分析
[0110]
图4为馈线l3中点n极经不同过渡电阻接地时的选线结果。由图4知，过渡电阻从0ω增大到20ω的过程中，极电流突变量减小，但各馈线d
jk
的绝对值逐渐增大，说明归一化放大了故障极与非故障极间的特征差异；随着过渡电阻到300ω，线路l1、l2的负极电流突变量在3.5～3.501s内由负值逐渐增大到正值，因而归一化的相对值分布在1/2中线上的点相对其他无故障馈线较少，导致d
jk
的值减小。
[0111]
图5为线路l3无故障和有故障时负载减小的波形对比图。由图5知，故负荷波动不会影响单极接地故障检测结果。
[0112]
图6为线路l1长度为0.5km、l3中点n极金属性接地和经300ω过渡电阻接地时的选线结果。由图6知，极短线路不影响不同过渡电阻下的选线结果，即所提方法不受线路长度的影响。
[0113]
图7为采样率为10khz、l3首端0.4km处发生n极金属性接地故障时归一化处理波形和选线选极结果。图7(b)与图2(d)比较可知，尽管前者的d
jk
数值降低，但仍能准确选出故障线路、故障极。因而，所提方法对低采样率具有一定的自适应性。
[0114]
综上所述，本发明一种基于最值归一化的配电网单极接地故障检测方法及系统，仅利用电流特征实现故障选线选极，且具有很强的耐过渡电阻能力，对负荷波动、极短线路、低采样率具有自适应性，具有一定的工程实用价值。
[0115]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产
品的形式。
[0116]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0117]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0118]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0119]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。