本申請(qǐng)涉及配電網(wǎng)故障檢測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種配網(wǎng)線路故障類型識(shí)別方法。
背景技術(shù)：
：近年來(lái)隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不斷進(jìn)步，對(duì)電力資源的需求也越來(lái)越大。配電網(wǎng)是直接分配電能的網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)榕潆娋W(wǎng)直接面向用戶，其供電可靠性和安全性對(duì)人們也越來(lái)越重要。10kv架空配電線路作為配電網(wǎng)的重要組成部分，其具有量大面廣線長(zhǎng)、絕緣水平低的特點(diǎn)，但是跳閘故障率卻居高不下。通過(guò)故障現(xiàn)場(chǎng)波形對(duì)配網(wǎng)線路故障類型準(zhǔn)確判斷，對(duì)提高配電線路的運(yùn)維水平、降低故障率具有重大意義。一方面可以更加快速準(zhǔn)確地判斷故障類型進(jìn)而解除故障，有利于配電線路運(yùn)維單位及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)維工作中的不足。另一方面通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)波形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史案例進(jìn)行特征量的比對(duì)分析，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)，為下一步制定有針對(duì)性的專項(xiàng)技術(shù)措施消除隱患提供依據(jù)。在配電網(wǎng)線路故障類型識(shí)別方面，國(guó)內(nèi)已有文獻(xiàn)針對(duì)高阻故障、單相接地故障、間歇性故障這幾類故障的識(shí)別、診斷與定位方法的研究，包括被動(dòng)式定位法、主動(dòng)式定位法、監(jiān)測(cè)定位法和智能定位法等。國(guó)外已有相關(guān)研究對(duì)由動(dòng)物、雷擊、樹(shù)木三種故障原因?qū)е碌墓收线M(jìn)行了分析，并提出了利用故障三相電壓電流波形進(jìn)行判別的依據(jù)，以及對(duì)由設(shè)備、動(dòng)物導(dǎo)致的線路故障電壓電流波形的時(shí)頻特性進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。目前針對(duì)不同故障類型的電弧特點(diǎn)提出具體定量的指標(biāo)來(lái)識(shí)別故障的診斷方法還未有相關(guān)的報(bào)道。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本申請(qǐng)的目的是為了解決上述針對(duì)不同故障類型電弧特點(diǎn)提出具體定量的指標(biāo)來(lái)識(shí)別故障的診斷方法的技術(shù)空白的問(wèn)題。為此，本發(fā)明實(shí)施例提供了如下技術(shù)方案：一種配網(wǎng)線路故障類型識(shí)別方法，所述識(shí)別方法包括如下步驟：s1獲取故障線路的電壓和電流波形；s2利用最小二乘法計(jì)算電弧電壓varc；s3對(duì)持續(xù)的單相接地故障求取方差，得到電弧電壓幅值穩(wěn)定段均值vzrc；s4將vzrc與設(shè)定閾值vset比較，識(shí)別配電網(wǎng)線路故障的類型?？蛇x地，所述配電網(wǎng)線路包括三相電路，所述三相電路通過(guò)相模變換解耦成正序等效電路、負(fù)序等效電路和零序等效電路?？蛇x地，所述正序等效電路、負(fù)序等效電路和零序等效電路的差分方程表達(dá)式如下：其中，vp、vn、vo分別為線路的正序、負(fù)序和零序等效電路中的左終端相電壓分量；vfp、vfn、vf0分別為正序、負(fù)序和零序等效電路中的故障相電壓分量；r為正負(fù)序等效電阻，r0為零序等效電阻；l為正負(fù)序等效電感，l0為零序等效電感；ip、in、i0分別為正序、負(fù)序和零序電路中的等效電流。可選地，所述故障線路的電壓表達(dá)式如下：vf＝va+raia(4)其中，vf為故障相電壓，va為電弧電壓，ra為故障電阻，ia為故障電流?？蛇x地，其特征在于，所述電弧電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：va(t)＝vasgn[i(t)]+ξ(t)(5)其中，va(t)和i(t)分別為電弧電壓和電流，va為方波的幅值，sgn為符號(hào)函數(shù)，ξ(t)為零均值白噪聲?？蛇x地，所述電弧電壓幅值的表達(dá)式如下：其中，v1為為電弧電壓幅值，ε考慮到測(cè)量誤差和建模誤差的總誤差分量，kl＝(l0-l)/l，re＝(r0-r+kara)，l為正負(fù)序等效電感，l0為零序等效電感；r為正負(fù)序等效電阻，r0為零序等效電阻，ra為故障電阻，ka為比例系數(shù)；va為方波的幅值，sgn為符號(hào)函數(shù)，i0為零序電路中的等效電流，i為電弧電流?？蛇x地，所述故障線路包括近距離故障，所述近距離故障的電弧電壓幅值表達(dá)式如下：其中，r為正負(fù)序等效電阻，l為正負(fù)序等效電感，va為電弧電壓，i為電弧電流，sgn(i)為符號(hào)函數(shù)，即可選地，所述s2中求解varc的表達(dá)式如下：其中，vf為故障相電壓；if為故障相電流；l為正負(fù)序等效電感；r為正負(fù)序等效電阻；varc為電弧電壓；可選地，當(dāng)vzrc>vset時(shí)，判斷為設(shè)備引起的內(nèi)部故障；當(dāng)vzrc<vset時(shí)，判斷為樹(shù)木、車(chē)輛碰線引起的外部故障?？蛇x地，所述vset＝520v。本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案包括以下有益效果：本申請(qǐng)通過(guò)故障波形的具體電弧電壓計(jì)算公式，并根據(jù)不同故障類型的成因，針對(duì)不同故障類型的提出相應(yīng)的電弧電壓判據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障類型的識(shí)別。本申請(qǐng)為配電網(wǎng)線路故障類型識(shí)別提供新的方法，所提出的判據(jù)指標(biāo)和閾值計(jì)算方式簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確。附圖說(shuō)明為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實(shí)施例中相電力線路上的單相接地故障示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例中正序等效電路和負(fù)序等效電路圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中零序等效電路；圖4為本發(fā)明實(shí)施例中真實(shí)的電弧電壓和電弧電流波形；圖5為本發(fā)明實(shí)施例中單相故障電弧電壓幅值估算模型；圖6為本發(fā)明實(shí)施例中不同故障類型的故障電弧電壓幅值分布。具體實(shí)施方式此處的附圖被并入說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分，示出了符合本發(fā)明的實(shí)施例，并與說(shuō)明書(shū)一起用于解釋本發(fā)明的原理。為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。當(dāng)發(fā)生外部故障，即樹(shù)木或車(chē)輛碰線時(shí)會(huì)引起高壓放電，高壓電通過(guò)樹(shù)干等接地造成高壓?jiǎn)蜗嘟拥兀虼丝梢詫⑵淇醋魇遣⒙?lián)電弧故障；而由于絕緣老化以及接觸不良造成的設(shè)備故障可以看作是串聯(lián)電弧故障。串聯(lián)電弧模型和并聯(lián)電弧模型，其電弧長(zhǎng)度和電弧電壓均存在差別，所以可以通過(guò)研究配電線路的故障電弧模型來(lái)分析引起線路故障的具體原因，提出基于電弧電壓的具體定量的指標(biāo)與判據(jù)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障類型的識(shí)別。參見(jiàn)圖1～6，假設(shè)一個(gè)發(fā)生在配電線路中的單相接地電弧故障。圖1中，va、vb和vc是線路左終端的相電壓，ia、ib和ic是線路左終端的相電流，va是電弧電壓，ra是故障電阻，vf是故障相電壓。圖中的三相電路可以通過(guò)相模變換解耦成正序，負(fù)序和零序等效電路。正序和負(fù)序等效電路如圖2所示。在圖2中，r和l分別是正序和負(fù)序線路的電阻和電感。零序等效電路如圖3示。在圖3中，所有的變量和參數(shù)都是零序變量和參數(shù)。對(duì)于圖2和圖3中的等效電路，正序負(fù)序零序的差分方程表達(dá)式如下所示：其中，vp、vn、vo分別為線路的正序、負(fù)序和零序等效電路中的左終端相電壓分量；vfp、vfn、vf0分別為正序、負(fù)序和零序等效電路中的故障相電壓分量；r為正負(fù)序等效電阻，r0為零序等效電阻；l為正負(fù)序等效電感，l0為零序等效電感；ip、in、i0分別為正序、負(fù)序和零序電路中的等效電流。正序和負(fù)序等效線路的參數(shù)r和l是不依賴于頻率的，所以公式(1)和(2)是正確的。在公式(3)中，r0和l0是依照頻率線路參數(shù)，取決于許多因素，如桿塔結(jié)構(gòu)，土壤電阻率等。在我們所考慮的范圍內(nèi)，將線路參數(shù)近似為某一頻率下的線路參數(shù)處理。通過(guò)將式(1)、(2)和(3)相加可以得到：其中：kl＝(l0-l)/l可以提前計(jì)算出來(lái)。在故障位置的故障相電壓可以表示如下：vf＝va+raia(4)其中，vf為故障相電壓，va為電弧電壓，ra為故障電阻，ia為故障電流。在空氣中，電弧是一種等離子體放電現(xiàn)象。電弧的非線性振動(dòng)表現(xiàn)出的高頻分量使電弧電壓波形近似為一個(gè)矩形波(如圖4所示的真實(shí)的電弧電壓和電流波形)。則電弧電壓在數(shù)學(xué)上可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的表達(dá)式來(lái)表示出來(lái)：va(t)＝vasgn[i(t)]+ξ(t)(5)其中，va(t)和i(t)分別為電弧電壓和電流，分別va為方波的幅值，sgn是符號(hào)函數(shù)，ξ(t)是零均值白噪聲。因此，在等式(4)中，電弧電壓可以被假定為方波形狀，伴隨著隨機(jī)噪聲，表達(dá)式如式二所示，代入式(4)得到如下表達(dá)式：vf＝vasgn[i(t)]+raia+ξ(t)式二為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，本文假設(shè)ia＝kai0，其中ka是比例系數(shù)。如果僅僅需要推導(dǎo)電弧電壓幅值，我們不需要提前知道ka的值。通過(guò)以上公式，得到以下公式：其中，v1為為電弧電壓幅值，ε考慮到測(cè)量誤差和建模誤差的總誤差分量，kl＝(l0-l)/l，re＝(r0-r+kara)，l為正負(fù)序等效電感，l0為零序等效電感；r為正負(fù)序等效電阻，r0為零序等效電阻，ra為故障電阻，ka為比例系數(shù)；va為方波的幅值，sgn為符號(hào)函數(shù)，i0為零序電路中的等效電流，i為電弧電流。對(duì)于架空線的遠(yuǎn)端故障，因?yàn)樗鶞y(cè)量的電壓比電弧電壓大得多，所以以上表達(dá)式是適用的。但是當(dāng)發(fā)生近距離故障時(shí)，電弧電壓會(huì)顯著影響測(cè)量電壓v和電流i的性質(zhì)，使其失真。所以當(dāng)發(fā)生近距離故障時(shí)，以下表達(dá)式能更好地表示：其中，r為正負(fù)序等效電阻，l為正負(fù)序等效電感，va為電弧電壓，i為電弧電流，sgn(i)為符號(hào)函數(shù)，即基于式(7)的算法考慮到r和l，電弧電壓va(t)的計(jì)算值將更加精確。因此，可以建立如圖5所示的模型用來(lái)計(jì)算電弧電壓的幅值，該模型適用于單相故障。故障側(cè)監(jiān)測(cè)到的電壓vf可以用式(8)來(lái)表示，該公式適用于整個(gè)電壓和電流波形，可以利用最小二乘法求取該多因素決定的式子的解，得到電弧電壓varc。其中，其中，vf為故障相電壓；if為故障相電流；l為正負(fù)序等效電感；r為正負(fù)序等效電阻；varc為電弧電壓；n代表總采樣點(diǎn)數(shù)，則：式中，n0代表一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)，ncycle代表采樣周期數(shù)。則根據(jù)式得到電弧電壓計(jì)算公式如下：其中，j∈[1，ncycle×2-1]，利用最小二乘法求解，并計(jì)算方差:其中，j∈[1，ncycle×2-3]σ2(j)取最小值時(shí)，認(rèn)為電弧電壓幅值穩(wěn)定，取區(qū)間內(nèi)3個(gè)計(jì)算值的平均值作為該模型的電弧電壓vzrc。通過(guò)與設(shè)定閾值的比較，識(shí)別其為設(shè)備引起的內(nèi)部故障或樹(shù)木、車(chē)輛碰線引起的外部故障。當(dāng)vzrc>vset時(shí)，判斷為設(shè)備引起的內(nèi)部故障；當(dāng)vzrc<vset時(shí)，判斷為樹(shù)木、車(chē)輛碰線引起的外部故障。vset取520v。當(dāng)發(fā)生外部故障時(shí)，比如樹(shù)木或車(chē)輛碰線導(dǎo)致高壓電通過(guò)樹(shù)干等接地。因?yàn)闃?shù)與高壓線之間不是金屬硬連接，電氣的松弛連接會(huì)導(dǎo)致電弧產(chǎn)生。當(dāng)電氣線路在接點(diǎn)處存在松弛接觸，點(diǎn)間的電壓又足以擊穿空氣間隙時(shí)，就會(huì)形成空氣導(dǎo)電。如果接點(diǎn)空氣間隙較大，又恰逢處于電壓波形的峰值，此時(shí)空氣間會(huì)拉起電??；如果接點(diǎn)空氣間隙較小，那么即使電壓不大，空氣也可能被擊穿進(jìn)而產(chǎn)生電弧。這樣在接觸的地方會(huì)引起空氣的持續(xù)電離，隨著觸頭的不斷拉開(kāi)，電弧越長(zhǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度越小，電弧的弧阻抗越大，壓降越大。而由于車(chē)輛引起的電弧因?yàn)槠浞烹娋嚯x較長(zhǎng)，所以電壓幅值普遍更大。一般情況下，空氣間隙中的放電多在接地體和導(dǎo)電體的最短路徑之間發(fā)生，但是由于故障時(shí)散發(fā)的煙塵和熱量形成的通道絕緣強(qiáng)度很低，所以放電常不沿桿塔-導(dǎo)線間隙或者絕緣子串發(fā)生，而是沿著距離相對(duì)較長(zhǎng)的煙火通道發(fā)生，電弧越長(zhǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度越小，其壓降也就越大。相比較而言，設(shè)備故障等內(nèi)部故障是由于絕緣體長(zhǎng)期受熱，導(dǎo)線之間產(chǎn)生泄露電流或火花放電，它們產(chǎn)生的熱量使絕緣裂解，在導(dǎo)線之間形成導(dǎo)電的碳化通道進(jìn)而引起電弧，所以可以看作是串聯(lián)電弧故障。因?yàn)椴淮嬖谂c外界的接觸，因此電弧較短，電弧電壓要小于外部故障引起的電弧電壓，進(jìn)而可以利用此特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部故障與外部故障的區(qū)分。如下表所示，本申請(qǐng)利用美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)(epri)提供的113個(gè)配電線路故障案例進(jìn)行驗(yàn)證，其中包括70組設(shè)備老化導(dǎo)致的故障，25組樹(shù)木壓迫導(dǎo)致的單相故障以及18組車(chē)輛碰線導(dǎo)致的單相接地故障。監(jiān)測(cè)記錄的數(shù)據(jù)包括三相相電壓、三相電流以及中性線電流。統(tǒng)計(jì)113組數(shù)據(jù)的電弧電壓幅值分布，結(jié)果如圖6所示。將其批次投入本發(fā)明系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)成功101組，成功率達(dá)到89％。故障類型測(cè)試樣本數(shù)校驗(yàn)成功校驗(yàn)失敗成功率設(shè)備老化引起的故障7063790％樹(shù)木、車(chē)輛引起的故障4338588％總計(jì)1131011289％通過(guò)故障現(xiàn)場(chǎng)波形對(duì)配網(wǎng)線路故障類型準(zhǔn)確判斷，對(duì)提高配電線路的運(yùn)維水平、降低故障率具有重大意義。本申請(qǐng)?zhí)岢鲆环N新型的基于電弧電壓的配網(wǎng)線路單相接地故障類型識(shí)別方法，通過(guò)研究配電線路的故障電弧模型來(lái)分析引起線路故障的具體原因，提出基于故障波形的具體電弧電壓計(jì)算公式，并根據(jù)不同故障類型的成因，針對(duì)不同故障類型的提出相應(yīng)的電弧電壓判據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障類型的識(shí)別。本申請(qǐng)所提出的判據(jù)指標(biāo)和閾值計(jì)算方式簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確，經(jīng)過(guò)故障現(xiàn)場(chǎng)錄波數(shù)據(jù)計(jì)算驗(yàn)證，優(yōu)于現(xiàn)有故障識(shí)別方法。以上所述僅是本申請(qǐng)實(shí)施例的具體實(shí)施方式，使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解或?qū)崿F(xiàn)本申請(qǐng)。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本申請(qǐng)的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本申請(qǐng)將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。應(yīng)當(dāng)理解的是，本申請(qǐng)并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的內(nèi)容，并且可以在不脫離其范圍進(jìn)行各種修改和改變。本申請(qǐng)的范圍僅由所附的權(quán)利要求來(lái)限制。當(dāng)前第1頁(yè)12