本发明涉及电力系统领域，特别涉及一种基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统。
背景技术：
在我国6～66kv电网中，主要采用中性点非有效接地方式，即中性点不接地或经消弧线圈接地的接地方式，采用这两种接地方式的电网一般称为小电流接地电网。
小电流接地电网中，最常见的故障时单相接地故障，占总故障的80％以上。单相接地故障发生后，正常两相的相对地电压会升高到线电压，这会引起全电网电压升高，造成电网潜在的绝缘薄弱环节被击穿，至使单相接地故障发展成为相间短路故障，引起线路跳闸、危害设备、人员安全，严重影响电网的可靠运行。
因此，当电网发生单相接地故障时，必须尽快找到发生单相接地的线路，即进行“接地选线”，以期尽快排除故障，防止故障扩大，保证设备、人员安全，使电网安全运行。
现有的选线，大体上可以分为暂态法、注入法等，其中：
暂态法，主要对接地过程中电压、电流信号中包含的高频暂态信号进行分析，找到所有支路中暂态信号最大的支路，即为接地支路。暂态法的核心是接地过程中暂态信号的提取，由于每次接地的暂态信号频段是不同的，对应的需要提取的接地暂态信号也是不同的。但暂态法从计算量、以及算法实现上，只能对某一频段的信号进行提取，这就造成暂态法对部分接地故障识别错误。同时，对于接地电阻较高的故障，由于电阻的抑制作用，此时没有明显的暂态过程，提取暂态信号比较困难，暂态法也就无法使用。
注入法，是向电网的零序回路注入一个特殊的信号，此信号只能由接地回路流回电网，只要检测到这个特殊的信号，那这个特殊信号所在的支路就是接地支路。注入法实施时，初选线设备外，还需要在电网中额外增加信号注入设备，无疑增加了设备成本。同时为保证注入的信号不对电网本身产生负面影响，注入的信号不能太大，加上电网本身对注入信号的损耗，实际能反馈到电网的特殊信号已经很小，检测困难。
文献cn103048582a描述了一种基于负序阻抗角的单相接地选线方法，它通过采集电网的三相电压以及各支路的三相电流，计算出各支路负序阻抗的相角，再使用负序阻抗相角的范围来判断接地支路。但实际上支路的负序分量主要出现在相间短路过程、而非单相接地过程。单相接地过程更本质的是零序回路的阻抗。文献cn105067948a描述了一种小电流接地选线装置及单相接地检测方法，它通过检测线路阻抗变化及电压电流相位差来实现的接地选线装置。它计算的阻抗是基频(50hz)下的负载复阻抗的幅值、电压电流相角差实际就是负载复阻抗的相角。不论是负序阻抗、还是负载阻抗，都受线路的负载情况、故障过程影响严重，不同的线路负载、不同的故障过程，都会有不同负序阻抗、负载阻抗，即不同的阻抗幅值、阻抗相角。因此值仅凭借负序或负载阻抗相角实际上难以准确判断接地支路。
文献103207352a描述了一种利用选线阻抗幅值特性实现配电网单相接地的故障选线方法。它测量中电阻投切前后的电网零序电压、以及各支路零序电流，然后将投切中电阻前的零序电流折算到投切中电阻后的零序电流，最后计算出所谓“选线阻抗”。其实质是中电阻产生的电流只能由接地支路流回系统，引起接地支路的电流增大；而正常支路折算后的电流近似不变。因此接地支路的“选线阻抗”较小，正常支路的“选线阻抗”较大。但实际运行中，尤其是高阻接地时，由于中性点电压较低，中电阻投入后产生的电流增量小，计算出的“选线阻抗”将会比较高，与正常支路的“选线阻抗”难以区分，选线准确度因此大打折扣。
由此可见，不论暂态法、还是注入法，还是现有的基于阻抗的选线，都存在无法处理的盲点、或存在受线路运行工况影响、受接地过程的影响等问题。只有找到不依赖于电网运行工况、不依赖于具体接地过程、不依赖于额外设备，依靠线路本身的特性来进行选线才是最可靠的。
技术实现要素：
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，本系统通过测量接地发生后电网中各支路的与接地过程、外加信号均无关，只体现支路自身特性的对地零序阻抗，实现在小电流接地电网可靠、准确、快速的选出接地线路，从而提高电网运行安全性、可靠性，并保证设备安全、人员安全。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，其特征在于，包括：数据采集模块、频谱分析模块、阻抗计算模块、以及选线算法模块；
所述数据采集模块，用于采集阻抗检测所需要的电网零序电压、支路零序电流信号。并将采集到的电网零序电压、支路零序电流信号传输给所述频谱分析模块、选线算法模块。
所述频谱分析模块，接收来自所述选线算法模块的启动命令、接收所述数据采集模块的电网零序电压、支路零序电流信号，并对这些信号进行频谱分析。频谱分析的结果，输入到阻抗计算模块。
所述阻抗计算模块，接收来自所述频谱分析模块的频谱分析结果，找到接地时的特征频段，并在特征频段内计算出各支路的特征阻抗，计算得到的各支路特征阻抗输入到选线算法模块。
所述选线算法模块，接收来自采集模块的电压信号，进行故障的识别，并在故障发生后启动所述频谱分析模块；接收来自阻抗计算模块的支路特征阻抗数据，并依据这些数据进行进行选线算法分析，从而判断出接地支路。
优选的，所述的基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，其特征在于，所述数据采集模块，采集电网零序电压、支路零序电流信号。为保证后续频谱分析、阻抗计算的准确，本模块采用了多路同步、高速采样的技术。其中：
多路同步采样，可以满足100路交流电压或电流、同步误差不超过1μs的全同步采集，保证后续频谱分析、阻抗计算时各交流量的相位误差最小；
多路高速采样，可以对每路交流电压或电流进行12.8khz以上的高速采集，保证后续频谱分析、阻抗计算有足够的频率带宽。
优选的，所述的基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，其特征在于，所述频谱分析模块，对电压及电流信号进行频谱分析。为处理接地过程中产生的高频信号，并避免此高频信号引起的频谱混叠，采用了加海明窗的快速傅里叶分析算法。
优选的，所述的基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，其特征在于，所述阻抗计算模块，以来自频谱分析模块的零序电压、零序电流信号的频谱特征数据为输入，计算出零序电压的特征频段、各支路的特征阻抗。其中：
所述零序电压的特征频段，是接地发生后，基于不同的接地过程，其所产生的零序电压信号频段是不同的，需要对每次接地找到其对应的接地最明显的频段。一般而言，将接地过程中，零序电压幅值最大的相邻3个频率点所包含的频率范围，是为所述零序电压的特征频段。所述特征频段的中心频率点为特征频率。相邻频率点的间隔频率均为50hz。
所述各支路的特征阻抗，是接地发生后的电网零序电压，与各支路的零序电流在特征频段内的各频率点的向量比值的向量和。由于特征频段一般包含3个频率点，特征阻抗的计算方法即为：
所述各支路的特征阻抗，在接地发生后，对接地支路而言，其反映的是其他正常支路的对地零序阻抗并联之和；对正常支路而言，其反映的是正常支路自身的对地零序阻抗。因此接地支路的特征阻抗是所有支路中最小的，且其阻抗方向与正常支路也差别最大。
优选的，所述的基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，其特征在于，所述选线算法模块，进一步包括：故障识别子模块、故障相判断子模块、选线判断子模块，其中：
所述故障识别子模块，接收来自数据采集模块的零序电压数据，然后采用均方根算法，计算出零序电压的有效值。当零序电压有效值超过预先设定故障电压值后，认为故障发生，此时记录故障发生的初始时间，并启动频谱分析模块；当零序电压恢复到设定的故障电压值以下时，认为故障结束，此时记录故障的结束时间，并停止频谱分析模块。
所述故障相判断子模块，接收来自与数据采集模块的系统三相电压数据，然后采用均方根算法，计算出各相电压的有效值。在所述故障识别子模块判断出故障发生后，本子模块将相电压最低的一相识别并记录为故障相。
所述选线判断子模块，接收来自于所述阻抗计算模块的各支路特征阻抗，先找到特征阻抗模值最小、且阻抗模值小于设定的阻抗最大值的前三个支路，然后在这三个支路中找到阻抗方向中两两相互之间相位差的最大的支路即为接地支路。找不到符合条件的支路，即判断为母线接地。
优选的，所述的基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，其特征在于，所述接地选线模块的选线结果包括：接地支路、接地母线、接地相别、接地时间以及恢复时间中的一种或多种；
所述接地支路用于指示出实际接地的支路，若无支路接地，则指示出母线接地；
所述接地母线用于指示出接地支路所在的母线；
所述接地相别用于指示出接地故障所发生的故障相别；
所述接地时间用于指示出接地故障发生的初始时间；
所述恢复时间用于指示出接地故障消失的结束时间。
优选的，所述的基于阻抗检测的小电流接地电网选线，其特征在于，所述频谱分析模块、所述阻抗计算模块，仅需要在接地故障发生后运行。在电网未发生接地故障时，依电网自身的电气特点，电网零序电压很小，各支路零序电流也很小，此时计算出的特征频率、特征阻抗是不准确的，不能用于选线算法计算。只有当系统发生单相接地，零序电压、各支路零序电流足够高时，计算出的特征频段、特征阻抗才足够精确，此时才可以用于选线计算。
优选的，所述的基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，其特征在于，其中所述阻抗、特征阻抗，是指线路的零序回路的对地零序复阻抗。其反映的是线路自身的阻抗特性，只与线路自身的电气设计参数、制造过程、安装位置相关，与具体接地过程、电网运行条件无关，可以明确的作为特征信号用来识别接地故障，通过计算此特征阻抗，即可快速准确的判断出接地支路。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明的一种基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，是基于电网中各支路自身的阻抗特性，只与线路自身的电气设计参数、制造过程、安装位置相关，与电网运行工况、具体接地过程、外加信号无关，从而能够依据各支路阻抗特性的不同，可靠、准确、快速的选出接地线路。
(2)本发明的一种基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，可以广泛适用于各类6～66kv电网系统，包括中性点经消弧线圈接地、中性点不接地系统，可以很好的匹配现有系统中采用了中电阻、小电阻、主动式消弧线圈(消弧柜)等设备时的选线需要。满足各类现场运行工况的选线需要。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明的较佳实施例的组成系统的各模块框图；
图2为本发明的较佳实施例的系统内部数据流向图；
图3为本发明的较佳实施例的频谱分析模块结构框图；
图4为本发明的较佳实施例的阻抗计算模块结构框图；
图5为本发明的较佳实施例的选线算法模块结构框图；
图6为本发明的较佳实施例的算例波形图。
图7为本发明的较佳实施例的电压频谱图。
图8为本发明的较佳实施例的接地支路电流频谱图。
图9为本发明的较佳实施例的特征阻抗计算结果图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
结合图1，对本发明的一种基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统的实施例进行详细描述，如图1所示，包括：数据采集模块1、频谱分析模块2、阻抗计算模块3、以及选线算法模块4；其中数据采集模块1，用于采集阻抗检测所需要的电网零序电压、支路零序电流信号。并将采集到的电网零序电压、支路零序电流信号传输给频谱分析模块2、选线算法模块4；频谱分析模块2，接收来自选线算法模块3的启动命令、接收数据采集模块1的电网零序电压、支路零序电流信号，并对这些信号进行频谱分析。频谱分析的结果，输入到阻抗计算模块3；阻抗计算模块3，接收来自频谱分析模块2的频谱分析结果，找到接地时的特征频段，并在特征频段内计算出各支路的特征阻抗，计算得到的各支路特征阻抗输入到选线算法模块4；选线算法模块4，接收来自采集模块1的电压信号，进行故障的识别，并在故障发生后启动频谱分析模块2；接收来自阻抗计算模块3的支路特征阻抗数据，并依据这些数据进行选线算法分析，从而判断出接地支路。
本实施例中，采集了电网的三相电压ua、ub、uc，零序电压u0，4条支路的零序电流，即支路i-1电流i01、支路i-2电流i02、支路i-3电流i03、支路i-4电流i04。并在支路i-1上进行了接地故障模拟。
以下对上述实施例中各个模块的具体实现进行详细描述：
1、数据采集模块，如图2所示：
此模块采集了来自电网的三相电压ua、ub、uc，零序电压u0，4条支路的零序电流i01、i02、i03、i04。对采集得到的结果，数据采集模块1将三相电压ua、ub、uc，零序电压u0数据输入到选线算法模块4；数据采集模块1将零序电压u0，4条支路的零序电流i01、i02、i03、i04输入到频谱分析模块。
数据采集模块的采集速率为12.8khz，所有电压、电流信号的采集完全同步，各信号之间的时间同步误差不超过1μs，从而可以有效的保证后续的频谱分析、接地选线所需信号的准确。
2、频谱分析模块，如图2、3所示：
此模块从数据采集模块1接收零序电压u0，4条支路的零序电流i01、i02、i03、i04，并对各零序电压、零序电流信号进行加海明窗的fft运算，有效的减少高频信号引起的频谱混叠对信号分析产生影响，从而得到各零序电压、零序电流信号准确的频谱特征。
此模块分析得到的各零序电压、零序电流信号准确的频谱数据，输入到阻抗计算模块3中。
此模块的运行与停止受选线算法模块4的控制，在接地发生后，选线算法模块4会启动频谱分析模块2的运行；而接地消失后，选线算法模块4会停止频谱分析模块2的运行。
此模块的一个频谱分析结果实例，如图7、8所示。其中图7为零序电压u0的频谱分析结果，图8为接地的支路i-1的电流频谱分析结果。
3、阻抗计算模块，如图2、4所示：
此模块利用频谱分析模块2传来的零序电压u0、4条支路的零序电流i01、i02、i03、i04的频谱信号，首先找到电压u0频谱中电压模值最大的频率为中心频率，然后以前后相邻的两个频率(以50hz记)共同组成特征频段；然后对电流i01、i02、i03、i04在此特征频段中计算各支路对应的线路特征阻抗r1、r2、r3、r4、。由于特征频段包含3个频率点，特征阻抗的计算方法即为：
计算得到的各支路特征阻抗输入到选线算法模块4。
此模块的一个阻抗分析结果实例，如图9所示。
4、选线算法模块，如图2、5所示：
此模块接收来自数据采集模块1的电网三相电压ua、ub、uc，零序电压u0信号，以及来自阻抗计算模块3的各条支路的特征阻抗r1、r2、r3、r4。
此模块首先计算零序电压u0的有效值，判断零序电压u0是否超过设定的接地故障启动电压，如果超过启动电压，则认为电网单相接地。此时记录故障发生时间、启动故障相的判断，并同时启动频谱分析模块2。其中，故障相判断，是采用均方根算法，计算三相电压ua、ub、uc的有效值，以电压有效值最低的相位故障相。
此模块在判断出电网发生单相接地、启动频谱分析模块2，并由阻抗计算模块3得到各支路特征阻抗r1、r2、r3、r4后，找到阻抗模值最小的前3个支路、并在这3个支路中找到阻抗方向与其他支路差别最大的支路即为接地支路。同时，故障支路所在的母线即为接地母线。
此模块在接地过程中持续监测零序电压u0的有效值，当零序电压u0值低于设定的接地故障启动电压后，认为接地消失。此时，记录接地消失时间、停止频谱分析模块运行。
此模块记录的接地发生时间、接地消失时间、接地故障相、接地支路、接地母线共同构成一个完整的选线结果。
此模块的一个分析实例，如图6、7、8、9所示。其中图6为接地故障的波形；图7为零序电压u0的频谱分析结果；图8为接地的支路i-1的电流频谱分析结果；图9为阻抗分析结果，可见正是接地支路i-1的阻抗最小，方向也与其他正常支路差别最大。
上述实施例的一种基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，实现了对各类小电流接地电网中的单相接地故障支路的准确、快速判断。可以广泛适用于各类6～66kv电网系统，包括中性点经消弧线圈接地、中性点不接地系统，可以很好的匹配现有系统中采用了中电阻、小电阻、主动式消弧线圈(消弧柜)等设备时的选线需要。满足各类现场运行工况的选线需要。有助于提高电网的安全可靠运行，降低单相接地故障对设备、人员的危害。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。
1.一种基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，其特征在于，包括：数据采集模块、频谱分析模块、阻抗计算模块、以及选线算法模块；
所述数据采集模块，用于采集阻抗检测所需要的电网零序电压、支路零序电流信号；并将采集到的电网零序电压、支路零序电流信号传输给所述频谱分析模块、选线算法模块；
所述频谱分析模块，接收来自所述选线算法模块的启动命令、接收所述数据采集模块的电网零序电压、支路零序电流信号，并对这些信号进行频谱分析；频谱分析的结果，输入到阻抗计算模块；
所述阻抗计算模块，接收来自所述频谱分析模块的频谱分析结果，找到接地时的特征频段，并在特征频段内计算出各支路的特征阻抗，计算得到的各支路特征阻抗输入到选线算法模块；
所述选线算法模块，接收来自采集模块的电压信号，进行故障的识别，并在故障发生后启动所述频谱分析模块；接收来自阻抗计算模块的支路特征阻抗数据，并依据这些数据进行选线算法分析，从而判断出接地支路。
2.根据权利要求1所述的基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，其特征在于，所述数据采集模块，采集电网零序电压、支路零序电流信号；为保证后续频谱分析、阻抗计算的准确，数据采集模块采用了多路同步、高速采样的技术；其中：
多路同步采样，可以满足100路交流电压或电流、同步误差不超过1μs的全同步采集，保证后续频谱分析、阻抗计算时各交流量的相位误差最小；
多路高速采样，可对每路交流电压或电流进行12.8khz以上的高速采集，保证后续频谱分析、阻抗计算有足够的频率带宽。
3.根据权利要求1所述的基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，其特征在于，所述频谱分析模块，对零序电压及零序电流信号进行频谱分析；为处理接地过程中产生的高频信号，并避免由此高频信号引起的频谱混叠，采用了加海明窗的快速傅里叶分析算法。
4.根据权利要求1所述的基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，其特征在于，所述阻抗计算模块，以来自频谱分析模块的零序电压、零序电流信号的频谱特征数据为输入，计算出零序电压的特征频段、各支路的特征阻抗；其中：
零序电压的特征频段，是接地发生后，基于不同的接地过程，其所产生的零序电压信号频段是不同的，需要对每次接地过程找到其对应的接地特征最明显的频段；将接地过程中，零序电压幅值最大的相邻3个频率点所包含的频率范围，是为所述零序电压的特征频段；所述特征频段的中心频率点为特征频率；相邻频率点的间隔频率均为50hz；
各支路的特征阻抗，是接地发生后的电网零序电压，与各支路的零序电流在特征频段内的各频率点的向量比值的向量和；由于特征频段一般包含3个频率点，特征阻抗的计算方法即为：
各支路的特征阻抗，在接地发生后，对接地支路而言，其反映的是其他正常支路的对地零序阻抗并联之和；对正常支路而言，其反映的是正常支路自身的对地零序阻抗；因此接地支路的特征阻抗是所有支路中最小的，且其阻抗方向与正常支路也差别最大。
5.根据权利要求1所述的基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，其特征在于，所述选线算法模块，进一步包括：故障识别子模块、故障相判断子模块、选线判断子模块，其中：
所述故障识别子模块，接收来自数据采集模块的零序电压数据，然后采用均方根算法，计算出零序电压的有效值；当零序电压有效值超过预先设定故障电压值后，认为故障发生，此时记录故障发生的初始时间，并启动频谱分析模块；当零序电压恢复到设定的故障电压值以下时，认为故障结束，此时记录故障的结束时间，并停止频谱分析模块；
所述故障相判断子模块，接收来自与数据采集模块的系统三相电压数据，然后采用均方根算法，计算出各相电压的有效值；在所述故障识别子模块判断出故障发生后，本子模块将相电压最低的一相识别并记录为故障相；
所述选线判断子模块，接收来自于所述阻抗计算模块的各支路特征阻抗，先找到特征阻抗模值最小、且阻抗模值小于设定的阻抗最大值的前三个支路，然后在这三个支路中找到阻抗方向中两两相互之间相位差的最大的支路即为接地支路；找不到符合条件的支路，即判断为母线接地。
6.根据权利要求1或5所述的基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，其特征在于，所述接地选线模块的选线结果包括：接地支路、接地母线、接地相别、接地时间以及恢复时间中的一种或多种；
所述接地支路用于指示出实际接地的支路，若无支路接地，则指示出母线接地；
所述接地母线用于指示出接地支路所在的母线；
所述接地相别用于指示出接地故障所发生的故障相别；
所述接地时间用于指示出接地故障发生的初始时间；
所述恢复时间用于指示出接地故障消失的结束时间。
7.根据权利要求1～6任一所述的基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，其特征在于，所述频谱分析模块、所述阻抗计算模块，仅需要在接地故障发生后运行；在电网未发生接地故障时，依电网自身的电气特点，电网零序电压很小，各支路零序电流也很小，此时计算出的特征频率、特征阻抗是不准确的，不能用于选线算法计算；只有当系统发生单相接地，零序电压、各支路零序电流足够高时，计算出的特征频段、特征阻抗才足够精确，此时才可以用于选线计算。
8.根据权利要求1～7任一所述的基于阻抗检测的小电流接地电网选线系统，其特征在于，其中所述阻抗、特征阻抗，是指线路的零序回路的对地零序复阻抗；其反映的是线路自身的阻抗特性，只与线路自身的电气设计参数、制造过程、安装位置相关，与具体接地过程、电网运行情况无关，可以明确的作为特征信号用来识别接地故障，通过计算此特征阻抗，即可快速准确的判断出接地支路。
技术总结