CN113567803B - 基于Tanimoto相似度的小电流接地故障定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Tanimoto相似度的小电流接地故障定位方法及系统，其方法包括：提取故障线路上故障后预设时间窗内各检测点的暂态零序电流数据；根据所述时间窗内各均分的时间段内的暂态零序电流数据计算得到各检测点在各时间段的暂态零序电流幅值；判断故障线路是否为多分支线路或无分支线路：若故障线路为多分支线路，则计算多分支线路中各分支节点前后相邻的检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度，选取其中一个分支线路作为故障支路；若故障线路为无分支线路，则该无分支线路为故障支路；计算故障支路上各相邻检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度，判断故障所在的区段；本发明具有易于检测，成本较低等优点。

Description

基于Tanimoto相似度的小电流接地故障定位方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于Tanimoto相似度的小电流接地故障定位方法及系统，属于配电网故障定位技术领域。

背景技术

我国配电网广泛采用中性点不接地及中性点经消弧线圈接地等小电流接地方式。此外，配电网结构复杂，运行工况多变，易发生线路故障，其中发生单相接地故障的概率达到80％。当发生单相接地故障时，健全线路电压突增，可能引发相间短路和电力中断等更为严重的故障。快速、精确的故障定位有利于故障的小范围隔离与快速检修，对于配电网的安全、稳定、高效运行有着重要的意义。

根据所利用的故障信号类型，接地故障定位技术可以分为两大类：利用稳态量和暂态量的定位方法。我国配电网主要为小电流接地系统，发生故障时稳态量较小，故障特征微弱，导致此类方法易产生误判，主动式稳态量定位方法如信号注入、投切电阻等需增加额外装置。相比之下，接地故障瞬间暂态信息更丰富，电流幅值更大，易于检测，成本较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于Tanimoto相似度的小电流接地故障定位方法及系统，引入Tanimoto相似度刻画故障线路各相邻检测点幅值序列之间的差异，并进行故障区段定位，具有易于检测且成本较低的优点。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种基于Tanimoto相似度的小电流接地故障定位方法，包括：

提取故障线路上故障后预设时间窗内各检测点的暂态零序电流数据；

根据所述时间窗内各均分的时间段内的暂态零序电流数据计算得到各检测点在各时间段的暂态零序电流幅值；

判断故障线路是否为多分支线路或无分支线路：若故障线路为多分支线路，则计算多分支线路中各分支节点前后相邻的检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度，根据计算结果选取其中一个分支线路作为故障支路；若故障线路为无分支线路，则该无分支线路为故障支路；

计算故障支路上各相邻检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度，根据计算结果判断故障所在的区段，完成对故障支路上故障的定位；

其中，所述区段按照配电网线路上沿线安装的采集测量终端划分，相邻两个采集测量终端之间的线路为一个区段，每个采集测量终端作为一个检测点。

优选的，所述预设时间窗为1/2或1个工频周波。

优选的，所述故障线路的确定包括当发生单相接地故障后，根据变电站出口终端设备所采集的零序电压突变特征以及三相电压关系确定。

优选的，所述根据所述时间窗内各均分的时间段内的暂态零序电流数据计算得到各检测点在各时间段的暂态零序电流幅值包括：

每个时间段内暂态零序电流数据包括每个时间段内每个时刻检测点的暂态零序电流幅值，每个时间段检测点的暂态零序电流幅值的计算公式如下：

其中，I_0i为第i个时间段检测点的暂态零序电流幅值，i＝1，2，…，m，m为时间段总数；i₀(k)为第i个时间段内的第k时刻检测点的暂态零序电流幅值；n为第i时间段内检测点的个数。

优选的，所述Tanimoto相似度的计算包括：

对相邻检测点x和x+1的暂态零序电流幅值序列I_x和I_x+1进行归一化处理，其公式如下：

其中，I_x＝{I_01x，I_02x，......，I_0mx}，I_0ix为x检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；I_x+1＝{I_01x+1，I_02x+1，......，I_0mx+1}，I_0ix+1为x+1检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；I_x+2＝{I_01x+2，I_02x+2，......，I_0mx+2}，I_0ix+2为x+2检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；为归一化处理后的x检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；/>为归一化处理后的x+1检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；max(max(·))为求取最大值函数；

根据检测点x和x+1归一化处理后的暂态零序电流幅值和/>计算Tanimoto相似度/>其计算公式如下：

。

优选的，所述根据计算结果选取其中一个分支线路作为故障支路包括：

选取多分支线路中各分支节点前后相邻的检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度最大的分支线路作为故障支路。

优选的，所述根据计算结果判断故障的区段包括：

选取故障支路上各相邻检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度的最小值，并判断该最小值是否小于预设阈值，

若是，则该最小值对应的相邻检测点之间的区段为故障的区段；

若否，则故障支路上最后一个检测点的下游区段为故障的区段。

优选的，所述预设阈值的范围为0.6-0.8。

第一方面，本发明提供了一种基于Tanimoto相似度的小电流接地故障定位系统，包括：

数据采集模块：提取故障线路上故障后预设时间窗内各检测点的暂态零序电流数据；

数据处理模块：根据所述时间窗内各均分的时间段内的暂态零序电流数据计算得到各检测点在各时间段的暂态零序电流幅值；

分支判断模块：判断故障线路是否为多分支线路或无分支线路：若故障线路为多分支线路，则计算多分支线路中各分支节点前后相邻的检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度，根据计算结果选取其中一个分支线路作为故障支路；若故障线路为无分支线路，则该无分支线路为故障支路；

区段定位模块：计算故障支路上各相邻检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度，根据计算结果判断故障所在的区段，完成对故障支路上故障的定位；

其中，所述区段按照配电网线路上沿线安装的采集测量终端划分，相邻两个采集测量终端之间的线路为一个区段，每个采集测量终端作为一个检测点。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明的一种基于Tanimoto相似度的小电流接地故障定位方法及系统，与现有技术方案相比，具有算法简单，主站定位速度快，成本低的特点，同时不受过渡电阻、故障位置、多分支线路结构的影响，定位精度高。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种基于Tanimoto相似度的小电流接地故障定位方法流程图；

图2是本发明实施例一提供的模型线路示意图；

图3是本发明实施例一提供的L₁线路各检测点暂态零序电流波形；

图4是本发明实施例一提供的L₄线路各检测点暂态零序电流波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

Tanimoto相似度，通过Tanimoto系数计算相似度，Tanimoto系数由Jaccard系数扩展而来。Jaccard相似系数(Jaccard similarity coefficient)用于比较有限样本集之间的相似性与差异性。Jaccard系数值越大，样本相似度越高。

实施例一：

故障线路的确定包括当发生单相接地故障后，根据变电站出口终端设备所采集的零序电压突变特征以及三相电压关系确定。

如图1所示，基于故障线路本实施例提出一种基于Tanimoto相似度的小电流接地故障定位方法，包括以下步骤：

S1、提取故障线路上故障后的预设时间窗(一般为1/2或1个工频周波)的各检测点的暂态零序电流数据。

S2、根据时间窗均分的每个时间段内暂态零序电流数据计算得到各个检测点在每个时间段的暂态零序电流幅值；具体为：

每个时间段内暂态零序电流数据包括每个时间段内每个时刻检测点的暂态零序电流幅值，则每个时间段检测点的暂态零序电流幅值包括如下公式：

其中，I_0i为第i个时间段检测点的暂态零序电流幅值，i＝1，2，…，m，m为时间段总数；i₀(k)为第i个时间段内的第k时刻检测点的暂态零序电流幅值；n为第i时间段内检测点的个数。

S3、判断故障线路为多分支线路或无分支线路，

若为多分支线路，则计算多分支线路中各分支节点前后相邻的检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度，选取多分支线路中各分支节点前后相邻的检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度最大的分支线路作为故障支路；

若为无分支线路，则该无分支线路为故障支路；

S4、计算故障支路上各相邻检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度，选取故障支路上各相邻检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度的最小值，并判断该最小值是否小于预设的阈值，

若是，则该最小值对应的相邻检测点之间的区段为故障的区段；

若否，则故障支路上最后一个检测点的下游区段为故障的区段；

阈值是考虑误差和裕度的经验值，一般可设为0.6-0.8。

区段按照配电网线路上沿线安装的采集测量终端划分，相邻两个采集测量终端之间的线路为一个区段，每个采集测量终端作为一个检测点。

S5、根据区段对故障支路上的故障进行定位；

在步骤S3和S4中，Tanimoto相似度的计算包括：

对相邻检测点x和x+1的暂态零序电流幅值序列I_x和I_x+1进行归一化处理(使序列中的数值范围落在[0，1]之间，以满足Tanimoto相似度要求)，其公式如下：

其中，I_x＝{I_01x，I_02x，......，I_0mx}，I_0ix为x检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；I_x+1＝{I_01x+1，I_02x+1，......，I_0mx+1}，I_0ix+1为x+1检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；I_x+2＝{I_01x+2，I_02x+2，......，I_0mx+2}，I_0ix+2为x+2检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；为归一化处理后的x检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；/>为归一化处理后的x+1检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；max(max(·))为求取最大值函数；

根据上述两个检测点归一化处理后的暂态零序电流幅值和/>计算Tanimoto相似度/>其公式如下：

。

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

如图2所示，在一个具体应用实例中，线路L₁、L₄为架空线路，L₂为电缆线路，L₃为架空电缆混合线路，线路参数见表1。

表1模型线路参数

设置L₁线路发生单相接地故障，对故障点f₁在不同过渡电阻条件下分别进行仿真，定位结果如表2所示。由表2可以看出，在不同过渡电阻下，故障区段两侧检测点幅值序列计算相似度最小，小于预设门槛值0.6～0.8，并且远远小于非故障区段两侧检测点相似度，故障点同侧相似度接近，定位结果正确。

表2定位结果

仿真L₁线路最末检测点下游发生单相接地故障f₂，过渡电阻200Ω，各检测点的暂态零序电流如图3所示，根据定位算法计算得到的数据处理结果如表3所示。

表3定位结果

可以看出，线路末端故障发生后各检测点的暂态零序电流波形相似度高，经数据压缩处理后计算得到的Tanimoto相似接近于1，各区段暂态零序电流幅值序列相似度接近，由此判断故障发生在该线路的最末区段。

当线路L₄分支上发生接地故障发生单相接地故障f₃时，接地电阻为200Ω，故障初相角为72°，故障线路相关检测点的暂态零序电流如图4所示，图中标注数字对应各检测点编号，各区段幅值序列相似度计算结果如表4所示。

表4定位结果

由图4和表4以看出，在分支节点处，上下检测点幅值序列Tanimoto相似度明显存在τ(2，5)≥τ(2，3)，2、3检测点的波形差别大，2、5检测点的波形差别小，选取相似度大即检测点2、5所在的支路为故障支路；再比较分支线路上的各区段两次检测点幅值序列相似度，如表4所示。其中[5，6]对应的相似度最小且远小于预设门槛，判定故障发生在[5，6]区段，跟理论分析结果一致，定位准确。

实施例二：

一种基于Tanimoto相似度的小电流接地故障定位系统，包括：

数据采集模块：提取故障线路上故障后的预设时间窗的各检测点的暂态零序电流数据；

数据处理模块：根据时间窗均分的每个时间段内暂态零序电流数据计算得到各个检测点在每个时间段的暂态零序电流幅值；

分支判断模块：判断故障线路为多分支线路或无分支线路，若为多分支线路，则计算多分支线路中各分支节点前后相邻的检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度，进而判断选取其中一个分支线路作为故障支路；若为无分支线路，则该无分支线路为故障支路；

区段判断模块：计算故障支路上各相邻检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度，进而判断故障的区段；

故障定位模块：根据区段对故障支路上的故障进行定位；

其中，区段按照配电网线路上沿线安装的采集测量终端划分，相邻两个采集测量终端之间的线路为一个区段，每个采集测量终端作为一个检测点。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种小电流接地故障定位方法，其特征在于，包括：

提取故障线路上故障后预设时间窗内各检测点的暂态零序电流数据；

根据所述时间窗内各均分的时间段内的暂态零序电流数据计算得到各检测点在各时间段的暂态零序电流幅值；

判断故障线路是否为多分支线路或无分支线路：若故障线路为多分支线路，则计算多分支线路中各分支节点前后相邻的检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度，根据计算结果选取其中一个分支线路作为故障支路；若故障线路为无分支线路，则该无分支线路为故障支路；

计算故障支路上各相邻检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度，根据计算结果判断故障所在的区段，完成对故障支路上故障的定位；

其中，所述区段按照配电网线路上沿线安装的采集测量终端划分，相邻两个采集测量终端之间的线路为一个区段，每个采集测量终端作为一个检测点；

所述根据所述时间窗内各均分的时间段内的暂态零序电流数据计算得到各检测点在各时间段的暂态零序电流幅值包括：

每个时间段内暂态零序电流数据包括每个时间段内每个时刻检测点的暂态零序电流幅值，每个时间段检测点的暂态零序电流幅值的计算公式如下：

其中，I_0i为第i个时间段检测点的暂态零序电流幅值，i＝1,2，…，m，m为时间段总数；i₀(k)为第i个时间段内的第k时刻检测点的暂态零序电流幅值；n为第i时间段内检测点的个数；

所述Tanimoto相似度的计算包括：

对相邻检测点x和x+1的暂态零序电流幅值序列I_x和I_x+1进行归一化处理，其公式如下：

其中，I_x＝{I_01x，I_02x，……，I_0mx}，I_0ix为x检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；I_x+1＝{I_01x+1，I_02x+1，……，I_0mx+1}，I_0ix+1为x+1检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；I_x+2＝{I_01x+2，I_02x+2，……，I_0mx+2}，I_0ix+2为x+2检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；为归一化处理后的x检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；/>为归一化处理后的x+1检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；max(max(·))为求取最大值函数；

根据检测点x和x+1归一化处理后的暂态零序电流幅值和/>计算Tanimoto相似度/>其计算公式如下：

所述根据计算结果选取其中一个分支线路作为故障支路包括：

选取多分支线路中各分支节点前后相邻的检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度最大的分支线路作为故障支路；

所述根据计算结果判断故障的区段包括：

选取故障支路上各相邻检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度的最小值，并判断该最小值是否小于预设阈值，

若是，则该最小值对应的相邻检测点之间的区段为故障的区段；

若否，则故障支路上最后一个检测点的下游区段为故障的区段。

2.根据权利要求1所述的一种小电流接地故障定位方法，其特征在于，所述预设时间窗为1/2或1个工频周波。

3.根据权利要求1所述的一种小电流接地故障定位方法，其特征在于，所述故障线路的确定包括当发生单相接地故障后，根据变电站出口终端设备所采集的零序电压突变特征以及三相电压关系确定。

4.根据权利要求1所述的一种小电流接地故障定位方法，其特征在于，所述预设阈值的范围为0.6-0.8。

5.一种小电流接地故障定位系统，其特征在于，包括：

数据采集模块：提取故障线路上故障后预设时间窗内各检测点的暂态零序电流数据；

数据处理模块：根据所述时间窗内各均分的时间段内的暂态零序电流数据计算得到各检测点在各时间段的暂态零序电流幅值；

分支判断模块：判断故障线路是否为多分支线路或无分支线路：若故障线路为多分支线路，则计算多分支线路中各分支节点前后相邻的检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度，根据计算结果选取其中一个分支线路作为故障支路；若故障线路为无分支线路，则该无分支线路为故障支路；

区段定位模块：计算故障支路上各相邻检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度，根据计算结果判断故障所在的区段，完成对故障支路上故障的定位；

其中，所述区段按照配电网线路上沿线安装的采集测量终端划分，相邻两个采集测量终端之间的线路为一个区段，每个采集测量终端作为一个检测点；

所述根据所述时间窗内各均分的时间段内的暂态零序电流数据计算得到各检测点在各时间段的暂态零序电流幅值包括：

每个时间段内暂态零序电流数据包括每个时间段内每个时刻检测点的暂态零序电流幅值，每个时间段检测点的暂态零序电流幅值的计算公式如下：

其中，I_0i为第i个时间段检测点的暂态零序电流幅值，i＝1,2，…，m，m为时间段总数；i₀(k)为第i个时间段内的第k时刻检测点的暂态零序电流幅值；n为第i时间段内检测点的个数；

所述Tanimoto相似度的计算包括：

对相邻检测点x和x+1的暂态零序电流幅值序列I_x和I_x+1进行归一化处理，其公式如下：

其中，I_x＝{I_01x，I_02x，……，I_0mx}，I_0ix为x检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；I_x+1＝{I_01x+1，I_02x+1，……，I_0mx+1}，I_0ix+1为x+1检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；I_x+2＝{I_01x+2，I_02x+2，……，I_0mx+2}，I_0ix+2为x+2检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；为归一化处理后的x检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；/>为归一化处理后的x+1检测点第i时间段的暂态零序电流幅值；max(max(·))为求取最大值函数；

根据检测点x和x+1归一化处理后的暂态零序电流幅值和/>计算Tanimoto相似度/>其计算公式如下：

所述根据计算结果选取其中一个分支线路作为故障支路包括：

选取多分支线路中各分支节点前后相邻的检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度最大的分支线路作为故障支路；

所述根据计算结果判断故障的区段包括：

选取故障支路上各相邻检测点的暂态零序电流幅值序列的Tanimoto相似度的最小值，并判断该最小值是否小于预设阈值，

若是，则该最小值对应的相邻检测点之间的区段为故障的区段；

若否，则故障支路上最后一个检测点的下游区段为故障的区段。