用于暂态录波型故障指示器的缺陷识别方法与流程

1.本发明属于电力设备技术领域，具体涉及一种用于暂态录波型故障指示器的缺陷识别方法。


背景技术：

2.配电线路单相接地故障频发，暂态录波型故障指示器因能接快速定位地故障区段，缩短故障处理时间，提升运维效率得到了大规模的应用。同一母线出线上安装的所有暂态录波型故障指示器在接地故障发生时能触发电流、电场的三相同步录波，并均将故障录波文件上报给配电自动化主站，主站结合故障录波文件和线路拓扑，完成故障定位并下发给运维班组。
3.但通过回看上报的故障录波波形，发现故障发生时录波文件存在上报完整率不足、正常状态下零序电流偏大、不同录波文件下三相电压波形特征不对应等现象，暴露出暂态录波型故障指示器存在离线、安装不合规、通讯异常等缺陷。这种情况下的故障区段研判准确性与可信性大大降低，因此如何识别分析暂态录波型故障指示器的缺陷，保证故障定位工作全链条可靠是亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种用于暂态录波型故障指示器的缺陷识别方法。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于暂态录波型故障指示器的缺陷识别方法，包括：获取主站故障录波文件；通过故障录波文件的数量判断是否存在设备离线情况；通过故障录波文件数据的完整性判断是否存在采集单元离线情况；获取故障录波文件中a相的第i个极值时刻点t1、第i+1个极值时刻点t4，以及位于t1-t4之间b相的极值时刻点t2、c相极值时刻点的t3；依据t1、t2和t3判断故障指示器是否存在反向安装或错相安装情况；获取所有故障录波文件中abc三相电压在故障时刻的故障波形；通过不同故障录波文件间同相故障波形的对比确定故障指示器是否存在错相安装情况。
6.进一步的，所述极值时刻点均为峰值时刻点，或所述极值时刻点均为谷值时刻点。
7.进一步的，依据t1、t2和t3判断故障指示器是否反向安装的方法包括：t1,t2,t3不是公差为d的等差序列，且t1,t2,t3不能组成公差为d的等差序列，d为周期的三分之一。
8.进一步的，依据t1、t2和t3判断故障指示器是否错相安装的方法包括：t1,t2,t3不是公差为d的等差序列，且t1,t2,t3能够组成公差为d的等差序列，d为周期的三分之一。
9.进一步的，所述故障波形为abc三相在故障时刻后1-3个周波的电压波形。
10.进一步的，通过不同故障录波文件间同相故障波形的对比确定故障指示器是否存在错相安装情况：将所有故障录波文件的故障波形在同相间做对比，若同相间有不一致情况，则归类一致的故障波形，确定数量非最多的一类故障波形为异常波形，判断异常波形对应的故障指示器的采集单元错相安装。
11.进一步的，所述第i个极值时刻点中，i∈{1,2,3}。
12.进一步的，通过故障录波文件数据的完整性判断是否存在采集单元离线情况的方法包括：若某相电流和电压在12个周波的测量量均为零，则说明该相对应的所述采集单元存在离线情况。
13.进一步的，还通过所述故障指示器的掉线遥信项判断是否存在通信异常情况。
14.进一步的，还通过所述故障指示器采集单元的掉线遥信项判断是否存在通信异常情况。
15.目前我国10kv配电网普遍采用中性点不接地或者经过消弧线圈接地的运行方式，即小电流接地方式。而在小电流接地系统中，有80%的系统故障为单相接地故障。在小电流接地系统中发生单相接地短路故障时故障电流较小，不需要保护判据立即启动切断故障，所以配电系统可以继续带电运行1到2小时，但是非故障相线路的对地电压将升高为线电压，会对线路和设备的绝缘造成较大的威胁和负担，甚至有可能发展成多点接地故障。另外，随着用户对电能质量和供电可靠性要求的提高，以及为保证人身及故障点附近电力设备的安全需要，要求配电系统具有快速进行故障识别、定位以及及时恢复供电的性能，以便电力工作人员及时发现并清除接地故障点。
16.我国配电网具有电压等级多、网络结构复杂、安全环境较差等特点，尤其在一些山区、农村等地的配电线路长、运行环境差、维修成本高，单纯的靠电力工作人员进行人力巡线来切除故障点的方法不仅工作量大而且时间长、成本高，无法满足配电系统在故障后快速恢复供电的性能，所以部分故障指示设备开始逐渐在配电线路上使用，其中暂态录波型故障指示器则是目前一种随着通信技术发展而出现的新型故障指示器。
17.在电网运行过程中，出于对电力系统故障定位和诊断快速性、准确性的要求，需要准确、实时的获取线路电压、线路电流、线路负荷以及线路运送功率等电气量，方便电力工作人员及时了解电力系统的运行状况，在电力系统故障时能够及时做出正确的反应。暂态录波型故障指示器是基于传统性能单一的故障指示器进行改进的一款具有实时录波性能的故障指示器。它可以记录故障发生前、故障发生时以及故障发生后的电力系统参数和电气量波形，将它们实时发送到主站，方便工作人员在最短的时间内发现故障，进行正确的故障定位和及时的故障修复。
18.暂态录波型故障指示器一般包括与abc三相一对一匹配的三个采集单元和一个汇集单元，采集单元均与汇集单元通信连接。当故障指示器检测到线路故障时，汇集单元将采集单元所采集的故障时刻的数据传输至配电自动化主站的后台。采集单元的安装既需要与对应的相线相匹配，还需要按照统一潮流方向进行安装，流过采集单元的电流方向需要与场强方向正相关。但目前部分母线上并未设置三相标识，因此采集单元被错相安全或反向安装情况时有发生。当采集单元被反向安装时，零序电流合成值偏大，影响接地故障研判的准确性。当采集单元被错相安装时，将无法准确定位到发生接地故障的相线。
19.另外，暂态录波型故障指示器的采集单元与汇集单元之间、汇集单元与配电自动
化主站多采用无线通信，但在高压电附近复杂的电磁环境下，无线通信可能会出现不稳定的情况，造成暂态录波型故障指示器离线或某采集单元离线，影响暂态录波型故障指示器的正常工作。
20.因此，为了使暂态录波型故障指示器充分发挥作用，提升配电网单相接地故障研判的准确率，必须对暂态录波型故障指示器的离线、反向、错相等缺陷进行识别。
21.设备或采集单元的离线情况可以通过故障录波文件的数量及完整性判断，采集单元的反向和错相情况可以通过故障录波文件的波形判断。在采集单元反向与部分错相的情况下，暂态录波型故障指示器所记录故障录波文件与正常的三相交流电波形差异巨大，因此可以通过与正常波形的对比识别反向安装等缺陷。现有技术中波形对比的方法有很多，但波形对比的算法实现难度偏大、负担也较大，因此针对反向安装及部分错相安装等容易识别的缺陷，本技术采用提取波形中关键特征进行对比的方式实现。具体的，正常三相电波形中，abc三相电流波形或电压波形连续的峰值或谷值之间的时刻差为周期的三分之一，本技术基于此，首先判断录波文件中abc三相依次相邻的三个极值时刻点是否是公差为周期三分之一的等差数列。
22.但是，当上述判断为否时，虽然一定说明故障录波文件中abc三相数据异常，但仍需要区分三相数据异常的原因是由于反向还是错相；当上述判断为是时，也不能证明故障录波文件中abc三相的数据就是正常的，仍可能存在错相情况。
23.因此，本技术在判断三个极值时刻点是否是公差为周期三分之一的等差数列的基础上，再次判断三个极值时刻点能否组成公差为周期三分之一的等差数列。若能组成，说明abc三相的数据仍是正常的数据，仅是因为顺序错乱，即采集单元错相安装。如果不能组成，则说明abc三相数据中某相数据为异常的反向数据，可以确定采集单元被反向安装。
24.在部分错相的故障录波文件中，三个极值时刻点仍是公差为周期三分之一的等差数列，因此，对于三个极值时刻点是公差为周期三分之一的等差数列的情况，仍需要继续对波形进行验证来排除可能的错相情况。
25.在母线发生单相接地故障时，母线下所有故障指示器同相的电压故障波形一致，不同相之间的电压故障波形不一致。基于此，本技术最后获取所有录波文件中abc三相电压的故障波形，确定其中一个正确安装故障指示器的故障波形为基准波形，通过比较其他录波文件中故障波形是否与基准波形一致，来判断对应故障指示器是否存在错相安装情况。
26.与现有技术相比，本发明有益效果如下：本技术能够对暂态录波型故障指示器可能存在的设备离线（故障指示器离线）、采集单元离线、通信异常（汇集单元与主站通信异常、采集单元与汇集单元通信异常）、设备反向（采集单元被反向安装）、设备错相（采集单元被错相安装）等缺陷进行识别，为配电网单相接地故障处置能力提升提供依据。
27.本技术依次通过故障录波文件的数量验证、录波文件的完整性验证、录波文件中波形关键特征的验证、以及录波文件中故障波形的一致性验证，来一步步的识别暂态录波型故障指示器的缺陷。整个验证过程由简单到复杂，在执行过程中，能够逐步识别具有缺陷的故障指示器，最终减少后续复杂验证过程中待验证录波文件数量，从而提高执行效率。
28.本技术针对采集单元的反向安装及部分错相安装情况，提取波形中三相的极值时刻点作为验证的关键特征，并最终利用三相的极值时刻点是否是公差为周期三分之一的等
差数列，以及能否组成公差为周期三分之一的等差数列来判断采集单元的反向安装及部分错相安装缺陷。并且对通过上述验证的录波文件，仍采用故障波形对比的方式，验证是否还存在其他的错相安装缺陷。
附图说明
29.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
30.图1：暂态录波型故障指示器的示意图；图2：本发明的流程图之一；图3：本发明的流程图之二；图4：本发明的故障录波文件示意图之一（采集单元离线缺陷）；图5：本发明的故障录波文件示意图之二（采集单元反向缺陷）；图6：本发明的故障录波文件示意图之三（采集单元错相缺陷）；图7：本发明的故障录波文件示意图之四（正常波形）；图8：本发明的故障录波文件示意图之五（采集单元错相缺陷）。
具体实施方式
31.为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。
32.本技术文件中，部分语句和附图中以“故障指示器”或“设备”指代暂态录波型故障指示器。
33.如图1所示为暂态录波型故障指示器的结构示意图，包括采集单元和汇集单元。三个采集单元一对一的安装在相匹配的相线上，汇集单元与三个采集单元通信连接。当故障指示器检测到线路故障时，汇集单元将采集单元所采集的故障前后时刻的数据传输至配电自动化主站的后台。故障指示器在实际工程应用中必须确保采集单元的准确安装，采集单元必须按照统一潮流方向分相进行安装。但在故障指示器设备故障、通信不稳定等原因会导致各种离线缺陷，特别是在母线缺少三相标识的情况下，采集单元时常发生错相或反向安装问题。因此，故障指示器的常见缺陷包括：设备离线（故障指示器离线）、采集单元离线、通信异常（汇集单元与主站通信异常、采集单元与汇集单元通信异常）、设备反向（采集单元被反向安装）、设备错相（采集单元被错相安装），本技术则用于识别上述缺陷。
34.参阅图2-图8，本实施例的目的是提供一种用于暂态录波型故障指示器的缺陷识别方法。所述识别方法包括：步骤s1，获取故障录波文件。
35.当某母线发生单相接地故障时，母线中安装的故障指示器能够对故障发生前后电流、电压的三相同步录波，并将录波文件自动传输至配电自动化主站。故障指示器的录波文件包含故障前4个周波，故障后8个周波的数据。用于故障检测的零序电流则由abc三相的电流合成，当故障指示器有缺陷时，将影响零序电流的准确性。
36.本步骤从配电自动化主站自动获取同一母线上安装的所有故障指示器所上报的
故障录波文件。
37.步骤s2，通过故障录波文件的数量判断是否存在设备离线情况。
38.统计所获取的故障录波文件的个数，用m表示；统计该条母线下安装的所有故障指示器数量，用n表示。
39.若m《n，则代表有故障指示器未传输故障录波文件。通过将故障录波文件与所安装故障指示器的对比，确定未上报故障录波文件的缺陷故障指示器。随后查询主站后台，查看该缺陷故障指示器在两小时内是否有掉线遥信项，若存在掉线遥信项，则判断该故障指示器的缺陷状态为设备离线；若不存在掉线遥信项，则说明这些缺陷故障指示器与主站之间存在通信异常或通信不稳定的情况，判断该故障指示器的缺陷状态为通信异常。
40.掉线遥信项是用于监测设备是否失去连接或通信中断的遥信参数，用于指示设备或信号源处于离线或通信故障状态。
41.若m=n，则继续执行后续步骤。
42.步骤s3，通过故障录波文件数据的完整性判断是否存在采集单元离线情况。
43.依次提取单个故障录波文件，读取该故障录波文件中abc三相在12个周波内电流和电压的测量量，如果某相的测量量全为零，则说明该相安装的采集单元出现异常。随后查询主站后台，查看该异常采集单元在两小时内是否有掉线遥信项，若存在掉线遥信项，则判断对应故障指示器的缺陷状态为采集单元离线；若不存在掉线遥信项，则说明这些采集单元与汇集单元之间存在通信异常或通信不稳定的情况，判断对应故障指示器的缺陷状态为通信异常。
44.如图4所示的故障录波文件中，c相的电压和电流数据均为零，说明对应故障指示器安装在c相上的采集单元出现异常。
45.对于通信异常的故障指示器，因检查其两小时内的遥测量，以排查通信异常原因。
46.如果所读取的故障录波文件中abc三相在12个周波内电流和电压数据均非全零，则继续执行后续步骤。
47.步骤s4，获取故障录波文件中a相的第i个极值时刻点t1、第i+1个极值时刻点t4，以及位于t1-t4之间b相的极值时刻点t2、c相极值时刻点的t3；i∈{1,2,3}。
48.极值时刻点，是指测量量（电流或电压）位于峰值（极大值）或谷值（极小值）时的时刻，该时刻可以是与基准时刻（如该故障录波文件中的故障时刻）之间的差值，单位为ms。本步骤的极值时刻点均选择峰值时刻点，或均选择谷值时刻点。为了排除故障对测量量的影响，应选择故障前的极值时刻点，由于故障录波文件中包含故障前的4个周波，因此i∈{1,2,3}。
49.步骤s5，依据t1、t2和t3判断故障指示器是否存在反向安装或错相安装情况。
50.由于abc三相正常的相序差为120
°
，abc三相相邻的极值点的时刻差d为t*120/360=t/3，t为母线中交流电周期（也为t1-t4之间时刻差），即d为周期的三分之一。在工频50hz的情况下，交流电周期t为20ms，d为6.67ms。因此，在故障指示器及其采集单元正常的情况下，t1-t2应为d，t2-t3也应为d，即t1,t2,t3,t4组成公差为d的等差数列。
51.因此，当t1,t2,t3不是公差d的等差数列时，说明故障录波文件中abc三相数据异常。随后对t1,t2,t3进行升序排序，判断排序结果是不是公差为d的等差数列，即判断t1,t2,t3能不能组成公差d的等差数列，如果不能，则判定该故障指示器内某采集单元反向（安
装方向错误）；如果能，则判断该故障指示器的采集单元错相，即安装在错误的相线上。
52.如图5所示的故障录波文件中，工频为50hz，ab两相中测量量相邻的极值的时刻差小于周期t的三分之一，因此abc三相相邻极值时刻无法组成公差为6.67ms的等差数列，说明该故障指示器内某采集单元反向。
53.如图6所示的故障录波文件中，工频为50hz，所选取的极值时刻点为t1,t2,t3不是公差为6.67ms的等差数列。但升序排序后的t1,t3,t2则是公差为6.67ms的等差数列，说明该故障指示器内采集单元错相安装。
54.但在某些采集单元错相安装的情况下，如abc三相的对应的采集单元被依次安装到bca三相上，步骤s4中所获取的t1,t2,t3仍是公差为d的等差数列，因此利用本步骤s5无法排除这种错相情况。而后续步骤则用于识别类似的错相安装情况。
55.如果在上述过程中t1,t2,t3是公差为d的等差数列，则继续执行后续步骤。
56.步骤s6，获取所有故障录波文件中abc三相电压在故障时刻的故障波形。
57.在母线发生单相接地故障时，故障发生后电压的瞬时波形为故障波形，故障波形为abc三相故障时刻后在1-3个周波的电压波形。
58.步骤s7，通过不同故障录波文件间同相故障波形的对比确定故障指示器是否存在错相安装情况。
59.在母线发生单相接地故障时，母线下所有故障指示器同相的电压故障波形一致，不同相之间的电压故障波形不一致。基于此，本步骤获取所有录波文件中abc三相电压的故障波形，通过不同故障录波文件间故障波形的对比，来判断这些故障指示器是否存在错相安装情况。
60.具体的，依次获取所有故障录波文件中a相、b相和c相电压的故障波形，分别将同相之间的故障波形做对比，若同相间故障波形的变化均一致，则判断该故障指示器暂未发现缺陷。若同相间有不一致情况，则归类同相间波形一致的故障波形，可确定其中数量最多的一类故障波形为正常波形，其他故障波形为异常波形，判断异常波形对应的故障指示器的采集单元错相安装。
61.波形对比可采用互相关、相位相关等算法，或目视对比判断，在此不做限制。
62.如图7、图8所示的故障录波文件中，0ms处为故障时刻，图7和图8中的故障波形不一致，若通过统计确定图7中故障波形为正常波形，则可确定图8中故障波形为异常波形，说明图8所对应的故障指示器中采集单元被错相安装。
63.当然，部分母线中安装的故障指示器数量较少，当不同录波文件间同相故障波形不一致时，可能无法利用统计的方式确定正常波形或异常波形，此时可由工作人员观察故障波形情况人工确定，或由运维人员现场确定。
64.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种用于暂态录波型故障指示器的缺陷识别方法，其特征在于：包括：获取主站故障录波文件；通过故障录波文件的数量判断是否存在设备离线情况；通过故障录波文件数据的完整性判断是否存在采集单元离线情况；获取故障录波文件中a相的第i个极值时刻点t1、第i+1个极值时刻点t4，以及位于t1-t4之间b相的极值时刻点t2、c相极值时刻点的t3；依据t1、t2和t3判断故障指示器是否存在反向安装或错相安装情况；获取所有故障录波文件中abc三相电压在故障时刻的故障波形；通过不同故障录波文件间同相故障波形的对比确定故障指示器是否存在错相安装情况。2.根据权利要求1所述的用于暂态录波型故障指示器的缺陷识别方法，其特征在于：所述极值时刻点均为峰值时刻点，或所述极值时刻点均为谷值时刻点。3.根据权利要求1所述的用于暂态录波型故障指示器的缺陷识别方法，其特征在于：依据t1、t2和t3判断故障指示器是否反向安装的方法包括：t1,t2,t3不是公差为d的等差序列，且t1,t2,t3不能组成公差为d的等差序列，d为周期的三分之一。4.根据权利要求1所述的用于暂态录波型故障指示器的缺陷识别方法，其特征在于：依据t1、t2和t3判断故障指示器是否错相安装的方法包括：t1,t2,t3不是公差为d的等差序列，且t1,t2,t3能够组成公差为d的等差序列，d为周期的三分之一。5.根据权利要求1所述的用于暂态录波型故障指示器的缺陷识别方法，其特征在于：所述故障波形为abc三相在故障时刻后1-3个周波的电压波形。6.根据权利要求1所述的用于暂态录波型故障指示器的缺陷识别方法，其特征在于：通过不同故障录波文件间同相故障波形的对比确定故障指示器是否存在错相安装情况：将所有故障录波文件的故障波形在同相间做对比，若同相间有不一致情况，则归类一致的故障波形，确定数量非最多的一类故障波形为异常波形，判断异常波形对应的故障指示器的采集单元错相安装。7.根据权利要求1所述的用于暂态录波型故障指示器的缺陷识别方法，其特征在于：所述第i个极值时刻点中，i∈{1,2,3}。8.根据权利要求1所述的用于暂态录波型故障指示器的缺陷识别方法，其特征在于：通过故障录波文件数据的完整性判断是否存在采集单元离线情况的方法包括：若某相电流和电压在12个周波的测量量均为零，则说明该相对应的所述采集单元存在离线情况。9.根据权利要求1所述的用于暂态录波型故障指示器的缺陷识别方法，其特征在于：还通过所述故障指示器的掉线遥信项判断是否存在通信异常情况。10.根据权利要求1所述的用于暂态录波型故障指示器的缺陷识别方法，其特征在于：还通过所述故障指示器采集单元的掉线遥信项判断是否存在通信异常情况。

技术总结
本发明提供了一种用于暂态录波型故障指示器的缺陷识别方法，属于电力设备领域。包括：获取主站故障录波文件；通过故障录波文件的数量判断是否存在设备离线情况；通过故障录波文件数据的完整性判断是否存在采集单元离线情况；获取故障录波文件中A相的第i个极值时刻点t1、第i+1个极值时刻点t4，以及位于t1-t4之间B相的极值时刻点t2、C相极值时刻点的t3；依据t1、t2和t3判断故障指示器是否存在反向安装或错相安装情况；获取所有故障录波文件中ABC三相电压在故障时刻的故障波形；通过不同故障录波文件间同相故障波形的对比确定故障指示器是否存在错相安装情况。本申请能够识别暂态录波型故障指示器的离线、反向或错相等缺陷。反向或错相等缺陷。反向或错相等缺陷。


技术研发人员：胡誉蓉 刘昊 郭祥富 贺翔 张凯 郭剑黎 彭磊 李哲 马建伟 赵健 魏小钊 郭志民 田杨阳 席晟哲 耿俊成 毛万登 陈岑 李暖暖
受保护的技术使用者：国网河南省电力公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/28