CN115656870B - 一种变电站动力电缆漏电监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种变电站动力电缆漏电监测方法及系统，提出了基于空间矢量转换的剩余电流差值计算方法，在保证计算精度的同时，节省了双端信号同步的数据预处理步骤。然后建立了基于双端剩余电流及单相漏电流监测量的长段动力电缆漏电故障类型判断机制，基于所提出的剩余电流差流、单相漏电流、空间矢量圆半径变化率三个指标，准确的诊断出了电缆的漏电状态及类型。仿真及实测数据的分析均对算法的有效性及优越性进行了验证，本发明可为变电站动力电缆的漏电故障分析提供有益帮助。
Description
技术领域
本发明属于变电站技术领域，具体涉及一种基于空间矢量复合判断指标的变电站动力电缆漏电监测方法及系统。
背景技术
漏电故障是引发高压变电站火灾事故的主要原因之一，对于变电站内设备的漏电状态进行监测是变电站运维工作的重点。承载变电站内负荷主要用能需求的长段动力电缆因其长度长(跨接交流室与开关场)、铺设环境相对恶劣，使得其相比于站内短电缆发生绝缘问题的概率更大，也更易导致漏电故障的发生。因此，亟需对长段动力电缆的漏电状态进行监测，通过对监测数据的深入分析，实现对电缆漏电故障的准确判断，以及时有效采取有针对性的运维措施。
在现场实际中，一般采用剩余电流互感器(ResidualCurrentTransformer，RCT)来对变电站内设备的漏电状态进行监测，并通过监测数据来判断是否有漏电故障发生。目前，对于长段动力电缆的漏电故障监测如图2所示，椭圆红圈处为电缆剩余电流的采集位置，也就是RCT的安装位置。对于长段动力电缆漏电情况的监测需采用双端剩余电流监测方法，在电缆的首端(M侧)、末端(N侧)均装设RCT，两端剩余电流的差值则可反映两监测点之间动力电缆的漏电状态。两监测点以远端通信的方式将剩余电流数据传递至变电站漏电监测系统平台，相关漏电数据的计算分析集中在系统平台完成。
目前，对于漏电问题的研究主要集中于低压配电网领域，并未涉及对变电站内长段动力电缆漏电故障的检测与分析。在工程实际中，借鉴配网漏电故障的监测经验，对于变电站长段动力电缆漏电状态的监测采用首、尾两端剩余电流的监测布点方式，在对两端信号进行同步后，以两端剩余电流的差值来检测电缆的漏电故障。然而，基于剩余电流的故障检测方式仅对不平衡(包括单相、两相)漏电故障有效，而对于三相漏电故障则无能为力。以电缆沟积水浸泡引起的单相漏电发展为三相漏电的故障为例，在单相漏电阶段，系统可以准确的检测出故障并告警，而当故障演变为三相时，不平衡电流消失，两端剩余电流均大幅减小，两端剩余电流的差值亦将大幅减小，告警信号也随即消失。该情况严重影响了变电运维人员对漏电故障的判断，从而贻误对故障处理的时机。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种变电站动力电缆漏电监测方法及系统，提出了基于空间矢量转换的剩余电流差值计算方法，在保证计算精度的同时，节省了双端信号同步的数据预处理步骤。然后建立了基于双端剩余电流及单相漏电流监测量的长段动力电缆漏电故障类型判断机制，基于所提出的剩余电流差流、单相漏电流、空间矢量圆半径变化率三个指标，准确地诊断出了电缆的漏电状态及类型。仿真及实测数据的分析均对算法的有效性及优越性进行了验证，此研究成果可为高压变电站相关设备的漏电故障分析提供有益帮助。
本发明采用如下的技术方案。
一种变电站动力电缆漏电监测方法，包括以下步骤：
步骤1，基于空间矢量变换，计算长段动力电缆漏电故障剩余电流空间矢量；
步骤2，基于空间矢量复合判据，对长段动力电缆漏电进行综合判断。
优选地，步骤1中，空间矢量可表示为电流幅值|Im|与空间单位矢量乘积的形式：
空间矢量在幅值上保留了原三相系统信号的大小，在角度上，忽略了三相系统中的A、B、C方向的相位角信息，仅保留了能够体现信号周期变化的角频率。
步骤1中，将空间矢量圆半径RM的变化率作为故障状态演变检测的依据，计算公式可表达为：
RM(t)＝ImM(t)
其中RM表示电缆首端剩余电流空间矢量圆半径，t为采样点时刻，Δt为采样步长，Δt取值为0.00167s，lR表示RM的变化率。
优选地，步骤2中，进行漏电状态及类型判断依靠三个漏电指标量：①电缆首尾两端剩余电流差流指标；②单相漏电流指标(不失一般性，这里选用A相漏电流指标)；③RM变化率lR指标。计算判据如下：
RM-RN＞IT
|lR|＞lRT
其中IT为漏电判断门槛值，取为10mA，IMA为A相M侧电流值，Ie为该长段动力电缆的额定电流值，IAgT1表示相电流告警值，IAgT2表示重负荷下相电流告警值，为IAgT1的k倍，有IAgT2＝k*IAgT1；k为电流系数，取值范围为1.5到2.5；lRT为RM变化率检测阈值，取值为0.5。
一种变电站动力电缆漏电监测系统，包括空间矢量计算模块、漏电综合判断模块。
空间矢量计算模块，在幅值上保留原三相系统信号的大小，忽略三相系统中各个方向的相位角信息，构建漏电故障下的剩余电流空间矢量作为故障状态演变监测的依据；
漏电综合判断模块，建立剩余电流差流指标、单相漏电流指标以及空间矢量圆半径变化率指标，利用上述三个指标进行综合判定，判断当前电缆的漏电状态，包括单相漏电故障，两相漏电故障，三相漏电故障的判定。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，
本发明采用一种基于空间矢量复合判据的变电站动力电缆漏电监测算法，将剩余电流监测结果进行空间矢量变换，然后计算剩余电流的差值，在保证计算精度的同时，节省了传统方法中对双端信号同步的数据预处理步骤。然后计算剩余电流空间矢量圆半径变化率，将空间矢量圆半径变化率与剩余电流差流、A相漏电流三个指标共同组成电缆漏电故障类型判断机制，可有效实现对电缆三相漏电故障的判断，弥补了现有方法的不足。
附图说明
图1为本发明一种变电站动力电缆漏电监测方法流程图；
图2为变电站长段动力电缆漏电监测示意图；
图3为单相及三相漏电故障剩余电流空间矢量示意图；
图4为本发明中的漏电状态判断机制示意图；
图5为本发明实施例中的变电站动力长电缆仿真拓扑图；
图6为本发明实施例中的M和N侧剩余电流波形图；
图7为本发明实施例中的单相漏电故障时M侧剩余电流空间矢量图；
图8为发生单相漏电故障时lR的变化示意图；
图9为故障演变后M和N侧剩余电流波形图；
图10为故障演变后M侧剩余电流空间矢量图；
图11为故障演变后lR的变化示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、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，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，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它实施例，都属于本发明的保护范围。
一种变电站动力电缆漏电监测方法，如图1所示，包括以下步骤。
步骤1，基于空间矢量变换，计算长段动力电缆漏电故障剩余电流空间矢量。
空间矢量变换是由克拉克变换演变而来，主要应用于永磁同步电机控制领域中对旋转磁场的简化分析：
其中α和β为矢量空间坐标系中的实部和虚部，零序分量在本发明中不做考虑。则空间矢量可表示为：
根据磁动势守恒的原则，三相坐标转换为两相静止坐标后，磁动势保持不变，相应的磁动势大小和周期与三相静止坐标相同。因此，转换后的空间矢量可理解为随着角频率变化且半径大小保持不变的矢量圆。倘若三相电流的表达式为：
其中ω为角频率，则相应的空间矢量可表示为电流幅值|Im|与空间单位矢量乘积的形式：
由此可知，空间矢量在幅值上保留了原三相系统信号的大小，在角度上，忽略了三相系统中的A、B、C方向的相位角信息，仅保留了能够体现信号周期变化的角频率。在空间矢量的变换中，应用对象需满足在A、B、C三相静止坐标系内呈正弦分布。因此，本发明将M侧、N侧剩余电流监测信号按照0°、－120°、120°做相位延迟，处理为三相对称信号，将其转换为空间矢量后，再计算两侧信号的剩余电流差流。对应于公式中，剩余电流的幅值|ImM|、|ImN|可由采样数据得出。应用该方法可以很好地避免相角差(由信号传输延时引起)对两端剩余电流差值计算的影响，有效节省了数据处理步骤。
单相漏电故障和三相漏电故障的M侧的剩余电流空间矢量可分别表达为半径为RM1、RM3的空间矢量圆，如图3所示。
图3中Re和Im分别表示矢量坐标的实轴和虚轴。故障类型演变前后M侧的空间矢量轨迹形成了一组同心圆，单相漏电故障的剩余电流幅值RM1较大(外圆)，三相漏电故障RM3则较小(内圆)。当漏电状态未发生变化时，M侧剩余电流空间矢量圆的半径RM也不会发生变化。当由单相漏电向三相漏电故障演变时，RM会发生明显的减小，如图中虚线箭头所示。将半径RM的变化率作为故障状态演变检测的依据，计算公式可表达为：
RM(t)＝ImM(t)
其中RM表示M侧剩余电流空间矢量圆半径，t为采样点时刻，Δt为采样步长，由于实际变电站内RCT采样频率为0.6kHz(也就是每30°采一个点)，因此，Δt取值为0.00167s。lR表示RM的变化率。
步骤2，基于空间矢量复合判据，对长段动力电缆漏电进行综合判断。
为实现对长段动力电缆所有漏电故障类型的准确检测，本发明在图2传统长段动力电缆漏电监测的基础上增加了对A相漏电流的监测，分别在M侧、N侧加装了单相电流CT，以两端电流|ImMA|、|ImNA|作差得到|IAg|。长段动力电缆漏电状态及类型判断机制，如图4所示。在进行漏电状态及类型判断前需要对三个漏电指标量进行计算：①M、N两端剩余电流差流指标；②单相漏电流指标(不失一般性，这里选用A相漏电流指标)；③RM变化率lR指标。计算判据如下：
RM-RN＞IT
|lR|＞lRT
其中IT为漏电判断门槛值，可取为10mA，IMA为A相M侧电流值，Ie为该长段动力电缆的额定电流值，IAgT1表示相电流告警值，IAgT2表示重负荷下相电流告警值，为IAgT1的k倍，即有IAgT2＝k*IAgT1。k为电流系数，经验值为1.5-2.5，可根据不同变电站的实际情况取值，取值为30mA。lRT为RM变化率检测阈值，取值为0.5。
如图4所示，工程实际中，漏电监测系统会每间隔固定时段计算一次漏电指标，通过三个指标所发出的告警指示即可判断当前电缆的漏电状态，分别是剩余电流差流指标、A相漏电流指标、RM变化率lR指标。当不平衡(单相及两相)漏电故障发生时，M、N侧剩余电流差流能够清楚的反应不平衡电流的变化，相应的指标剩余电流差流指标和RM变化率lR指标也能够给出准确的判断。当三相漏电发生时，若该事件是由不平衡故障演变而来的，RM变化率lR指标则会出现明显的变化；若不是，则A相漏电流指标会对此做出反应。
实施例1：
变电站长段动力电缆的仿真拓扑如图5所示。所用变低压侧为0.4kV，低压侧负载短路损耗Pd＝18.1kW，短路电压百分比Ud％＝6％，所用变低压侧进线母线铜排(缆)参数为RL0＝21.42mΩ，XL0＝19.62mΩ，负荷为60kW主变风冷系统(50％功率(2组投入)，功率因数为0.92)，动力电缆型号为ZC-YJV22-0.6kV/1kV四芯铠装电缆，长度设为250m。由于M侧交流室与N侧开关场之间电缆沟内易出现绝缘问题，因此，本实施例电缆的中点125m处为漏电故障发生位置，设动力电缆通信延时为5ms(相位滞后90°)。实际系统的漏电流采样率为0.6kHz。以发生概率最高的单相漏电故障为例，并讨论由单相漏电演变为三相漏电的全故障过程中漏电检测指标的变化特性。整体仿真时长为1s，在0.2s时发生单相漏电故障，并于0.4s时演变为三相漏电故障。
当单相漏电故障发生时，如图6所示为M和N侧剩余电流波形，在故障发生0.2s后，M侧剩余电流出现了明显的增大，其峰值达到了57.4mA，相应的M和N侧差流也会随之增大。
将M侧剩余电流进行空间矢量变换，如图7所示。图中灰色圆点为稳态时采样点对应的空间矢量点，RM值较小的为正常状态(内圆)，RM值较大的为单相漏电状态(外圆)，圆圈连线则表达了从正常状态到单相漏电之间的暂态过渡过程，由箭头方向可以清楚地看到在单相漏电发生后，电缆从正常态向单相漏电变化的过程。同时，外圆空间矢量点的RM值远大于指标①的漏电告警门槛值IT与RN的和(虚线圆圈)。
相应的RM变化率lR计算结果如图8所示，在暂态过渡过程中，lR指标发生了剧烈的变化。而除过渡过程外，漏电发生前、后的稳定状态lR指标接近0。本实施例将lR指标的检测阈值设置为0.5，由图8可知，由过渡过程而导致的lR指标变化能够清晰地反应电缆单相漏电故障的发生。
在相同的位置，0.4s时故障发生了演变，如图9所示为相应的M和N侧剩余电流波形，与前述第二节分析一致，M侧剩余电流突然减小，与0.2s前的正常状态相近。
与图7类似，图10为故障演变后剩余电流差值空间矢量图，外圆为单相漏电状态，内圆为三相漏电状态，圆圈连线及箭头方向可以清楚的表达从单相漏电演变到三相漏电的暂态过渡过程。
相应的lR计算结果如图11所示，与图8类似，lR指标值在故障演变前、后接近0，通过0.5的指标阈值检测，漏电监测系统能够准确地捕捉电缆漏电故障的演变。
进一步，根据漏电判断机制，本实施例对所有漏电故障类型的三个指标结果进行统计，如下表所示。
注：/为接近0，故在此不做统计
表中指标的计算结果均取故障过程中的最大值。由表中数据可知，本发明所提出的漏电故障判断机制能够明确的指示出不同的漏电故障类型，指示类型结果与图4中不同类型的判断机制一致。
实施例2：
以2021年第二、三季度江苏省内某500kV变电站两条长段动力电缆的漏电监测数据对本发明所提方法进行有效性分析。同时，将未进行对时的剩余电流差动法(方法一)、经对时后的剩余电流差动法(方法二)以及本发明所述方法(方法三)进行对比。方法一与方法二均已在实际系统中上线运行。则相应的数据统计结果如下表所示。
根据漏电监测历史数据可知，相比于其他季节，夏季由于其高温潮湿的特点，是漏电事故发生最易发生的时间。在两个季度内实际共发生了2起长段动力电缆漏电事件，其中有1起由A相单相漏电故障演变为了三相漏电故障。因此，系统应发出的告警次数为3次。采用方法一对历史数据进行分析时，发生了11次漏电误警告，未发生漏警告。这是由于两点原因导致：一是未对信号延时进行修正，电缆首尾两端剩余电流差值计算误差较大，二是由于漏电门槛值IT较低，漏电告警反应较灵敏。相比于方法一，方法二增加了信号同步的处理步骤，大幅提高了对不平衡漏电故障的检测准确度。但是两种方法均不具备检测三相漏电故障的能力。最后，应用本发明所提方法，在无需进行信号同步预处理的条件下，准确检测出了2起不平衡漏电故障。同时，准确反映了其中1起漏电故障所发生的故障演变，更加细致的分析了故障动力电缆的绝缘状态，能够有效提升变电运检人员的事故处置效率。
一种变电站动力电缆漏电监测系统，包括空间矢量计算模块、漏电综合判断模块。
空间矢量计算模块，在幅值上保留原三相系统信号的大小，忽略三相系统中各个方向的相位角信息，构建漏电故障下的剩余电流空间矢量作为故障状态演变监测的依据；
漏电综合判断模块，建立剩余电流差流指标、单相漏电流指标以及空间矢量圆半径变化率指标，利用上述三个指标进行综合判定，判断当前电缆的漏电状态，包括单相漏电故障，两相漏电故障，三相漏电故障的判定。
本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种变电站动力电缆漏电监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，基于空间矢量变换，计算长段动力电缆漏电故障剩余电流空间矢量；
步骤2，基于空间矢量复合判据，对长段动力电缆漏电进行综合判断，进行漏电状态及类型判断依靠三个漏电指标量：①电缆首尾两端剩余电流差流指标；②单相漏电流指标；③RM变化率指标；所述复合判据为：
其中，RM表示动力电缆M侧剩余电流空间矢量圆半径，RN表示动力电缆N侧剩余电流空间矢量圆半径，IT为漏电判断门槛值，|IAg|为动力电缆两侧电流差的绝对值，IMA为A相M侧电流值，Ie为该动力电缆的额定电流值，IAgT1表示相电流告警值，IAgT2表示重负荷下相电流告警值，表示动力电缆M侧剩余电流空间矢量圆半径变化率绝对值，为RM变化率检测阈值。
2.根据权利要求1所述的一种变电站动力电缆漏电监测方法，其特征在于：
步骤1中，空间矢量可表示为电流幅值|Im|与空间单位矢量乘积的形式：
空间矢量在幅值上保留了原三相系统信号的大小，在角度上，忽略了三相系统中的A、B、C方向的相位角信息，仅保留了能够体现信号周期变化的角频率。
3.根据权利要求1所述的一种变电站动力电缆漏电监测方法，其特征在于：
将空间矢量圆半径RM的变化率作为故障状态演变检测的依据，计算公式可表达为：
其中RM表示电缆首端剩余电流空间矢量圆半径，t为采样点时刻，∆t为采样步长，∆t取值为0.00167s，表示RM的变化率。
4.根据权利要求1所述的一种变电站动力电缆漏电监测方法，其特征在于：
步骤2中，
漏电判断门槛值IT取为10mA， IAgT2=k* IAgT1，k为电流系数，取值范围为1.5到2.5；变化率检测阈值取值为0.5。
5.一种变电站动力电缆漏电监测系统，运行根据权利要求1-4任一项所述的一种变电站动力电缆漏电监测方法，包括空间矢量计算模块、漏电综合判断模块，其特征在于：
空间矢量计算模块，在幅值上保留原三相系统信号的大小，忽略三相系统中各个方向的相位角信息，构建漏电故障下的剩余电流空间矢量作为故障状态演变监测的依据；
漏电综合判断模块，建立剩余电流差流指标、单相漏电流指标以及空间矢量圆半径变化率指标，利用上述三个指标进行综合判定，判断当前电缆的漏电状态，包括单相漏电故障，两相漏电故障，三相漏电故障的判定。
6.一种终端，包括处理器及存储介质；其特征在于：
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1-4任一项所述方法的步骤。
7.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-4任一项所述方法的步骤。
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