一种基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法

1.本技术涉及接地故障监测技术领域，更具体地，涉及一种基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法。


背景技术：

2.在铁路项目的工程建设中，通常需要建设多个不同容量等级的变压器以及其他电力设备构成的变电站，这些变压器通常通过变电所与其他相关电力设备构成电气连接，从而构成变电所。在实际工程应用环境中，接地故障作为变电所的主要故障之一，如何及时准确的实现接地故障监测对铁路项目的电气设备正常运行有着至关重要的作用。进行变电所电阻接地故障的在线识别和监测，可以及时发现及时预警及时处理，从而消除故障隐患，减少停电事故的发生。准确有效的监测方式可将接地故障的处理提前到在线监控预警的阶段，有效地提高故障的预防能力，降低故障发生概率。
3.传统的接地故障监测通常需要在各个变压器上设置相应的接地故障监测电路或设备，这种传统监测方式只能在接地故障已经发生的时刻做出响应，具有一定的滞后性，导致变电站可能已经因接地故障而遭到一定损失，进而影响了变电站接地故障的及时响应效率。


技术实现要素：

4.针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，能够预先判断接地故障的发生，克服了传统接地故障监测方法存在的滞后性缺陷，从而缩短了应对接地故障的响应时间，并在一定程度上能够预先获知发生接地故障的可能，进而维护了变电站正常运行的稳定性。
5.为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，该方法包括以下步骤：获取变电所中各个变压器的地理位置，根据变压器的地理位置分布密度，将变电所所在区域划分为若干个观察区域；分别获取各个观察区域内变压器与高压线缆的拓扑结构，以及变压器的历史故障接地记录和变压器参数，计算变压器的故障影响系数；根据所述故障影响系数选取多个目标变压器，对每个目标变压器分别进行正常运行状态的电磁场强度仿真与接地故障状态的电磁场强度仿真，得到正常运行状态时观察区域的磁场分布结果与接地故障状态时观察区域的磁场分布结果；根据所述运行状态时观察区域的磁场分布结果与所述接地故障状态时观察区域的磁场分布结果划分接地故障的监测区域，并设置最低电磁场强度阈值；在监测区域内实时监测目标变压器的电磁场强度，当目标变压器的电磁场强度低于最低电磁场强度阈值时，发出接地故障预警信号。
6.进一步地，上述基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，所述获取变电
所中各个变压器的地理位置，根据变压器的地理位置分布密度，将变电所所在区域划分为若干个观察区域，具体包括：获取变电所中各个变压器的地理位置，通过密度聚类算法将变压器划分为若干个聚类集群；分别生成若干个聚类集群的曲线族，基于每个曲线族生成对应的包络线，将包络线以内区域划分为变电所的观察区域。
7.进一步地，上述基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，所述获取变电所中各个变压器的地理位置，通过密度聚类算法将变压器划分为若干个聚类集群，具体包括：获取变电所中各个变压器的地理坐标，随机选取任意一个变压器的坐标点；预先设置聚类集群的半径邻域和密度阈值，将该变压器坐标点视为核心点找出与核心点密度可达的所有变压器坐标点，形成一个聚类集群；在聚类集群以外的坐标点中重新选取核心点，并重复上述步骤，直至没有可以作为核心点的坐标点时结束。
8.进一步地，上述基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，所述计算变压器的故障影响系数，具体包括：根据各个观察区域内变压器与高压线缆的拓扑结构，确定每个变压器通过高压线缆连接的电力设备的邻接数量；将邻接数量与变压器的历史接地故障记录、变压器容量参数作为故障影响指标，并进行加权计算得到变压器的故障影响系数。
9.进一步地，上述基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，所述历史接地故障记录包括：变压器在预设历史时段内发生低压侧单相接地故障、低压侧两相接地故障、高压侧单相接地故障以及高压侧两相接地故障的总次数。
10.进一步地，上述基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，所述根据所述故障影响系数选取多个目标变压器的选取方式为：将观察区域内变压器故障影响系数由大到小的顺序排列，以预设比例选取故障影响系数较大的若干个目标变压器。
11.进一步地，上述基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，通过工频磁场有限元算法进行所述正常运行状态的电磁场强度仿真与接地故障状态的电磁场强度仿真，并根据所述正常运行状态时观察区域的磁场分布结果与接地故障状态时观察区域的磁场分布结果分别生成正常运行状态的电磁场强度分布云图与接地故障状态电磁场强度分布云图。
12.进一步地，上述基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，在所述正常运行状态的电磁场强度分布云图中确定最低电磁场强度阈值的第一封闭分界线；在所述接地故障状态电磁场强度分布云图中确定最低电磁场强度阈值的第二封闭分界线；将第一封闭分界线以外且第二分界线以内的区域作为监测区域。
13.进一步地，上述基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，所述变压器在变电所的安置方式包括裸露安置与封闭安置；进一步地，上述基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，当所述变压器
在变电所的安置方式为裸露安置时，所述电磁场强度仿真的范围为：以裸露母线为辐射中心，以距离裸露母线上的若干辐射点的第一长度为半径形成的区域；当所述变压器在变电所的安置方式为封闭安置时，所述电磁场强度仿真的范围为：以封闭钢板外壳为辐射中心，以距离封闭钢板外壳上的若干辐射点第二长度为半径形成的区域。
14.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明提供的基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，分别对变压器进行正常运行状态的电磁场强度仿真和接地故障状态的电磁场强度仿真，得到正常运行状态时观察区域的磁场分布结果与接地故障状态时观察区域的磁场分布结果，根据磁场分布结果设置最低电磁场强度阈值，并对变电所进行分区域监测，当监测区域中变压器周边电磁场强度低于最低电磁场强度阈值时，能够发出接地故障预警信号。本技术能够预先判断接地故障的发生，克服了传统接地故障监测方法存在的滞后性缺陷，使相关检修人员能够及时对变电站可能发生的接地故障进行提前响应，从而缩短了应对接地故障的响应时间，并在一定程度上能够预先获知发生接地故障的可能，进而维护了变电站正常运行的稳定性。
附图说明
15.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本技术实施例提供的一种基于电磁场分布的变电所接地故障检测方法的流程示意图。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
18.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
19.本技术提供了一种基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，图1为本技术实施例提供的一种基于电磁场分布的高压电缆接地故障检测方法的流程示意图。请参阅图1，该方法包括以下步骤：（1）获取变电所中各个变压器的地理位置，根据变压器的地理位置分布密度，将变电所所在区域划分为若干个观察区域。
20.具体地，获取变电所中各个电压起的地理坐标，通过密度聚类算法将变压器划分
为若干个聚类集群。在一个具体的实施例中，密度聚类算法采用dbscan算法，dbscan算法通过任意选取数据集中的某个数据对象，查询给定半径的邻域密度，如果邻域密度超过给定阈值则将其定义为一个聚类，并对其邻域数据对象进行同样的密度计算，然后进行聚类扩展与合并。
21.本技术的具体做法为：随机选取任意一个变压器的坐标点，预先设置聚类集群的半径邻域和密度阈值，将该变压器坐标点视为核心点找出与核心点密度可达的所有变压器坐标点，形成一个聚类集群；其中，密度可达指的是选取的变压器坐标点在核心点的半径邻域内，且其邻域密度不超过密度阈值。在聚类集群以外的变压器坐标点中重新选取核心点，并重复上述步骤，直至没有可以作为核心点的变压器坐标点时结束，得到若干个聚类集群。
22.分别生成若干个聚类集群的曲线簇，基于每个曲线簇生成对应的包络线，将包络线以内区域划分为变电所的观察区域。
23.在电力系统中，当某一变压器发生接地故障时，变压器的分布密度越大时，彼此之间的电磁场强度波动就越大。在此基础上，本实施例根据变电所中各个变压器的分布密度，将变压器划分为多个聚类集群，以聚类集群为单位信息电磁场强度的分布，进而通过电磁场强度的变化即使发生聚类集群中接地故障的发生。以聚类集群为单位进行分析，一方面有利于快速缩小接地故障的发生范围及影响范围，另一方面能通过某一变压器的周边电磁场变化反映其他距离较近的变压器的接地故障发生情况。
24.（2）分别获取各个观察区域内变压器与高压线缆的拓扑结构，以及变压器的历史故障接地记录和变压器参数，计算变压器的故障影响系数。
25.具体地，根据各个观察区域内变压器与高压线缆的拓扑结构，确定每个变压器通过高压线缆连接的电力设备的邻接数量；将邻接数量与变压器的历史接地故障记录、变压器容量参数作为故障影响指标，并进行加权计算得到变压器的故障影响系数。其中，历史接地故障记录包括变压器在预设历史时段内发生低压侧单相接地故障、低压侧两相接地故障、高压侧单相接地故障以及高压侧两相接地故障的总次数。
26.（3）根据所述故障影响系数选取多个目标变压器，对每个目标变压器分别进行正常运行状态的电磁场强度仿真与接地故障状态的电磁场强度仿真，得到正常运行状态时观察区域的磁场分布结果与接地故障状态时观察区域的磁场分布结果。
27.具体地，将计算得到的变压器的故障系数由从大到小的顺序排列，故障影响系数大的变压器表示其发生接地故障的概率要更大，因此以一定的比例抽取故障系数较大的若干个变压器，作为监测的目标变压器。
28.进一步地，通过工频磁场有限元算法进行正常运行状态的电磁场强度仿真与接地故障状态的电磁场强度仿真，并根据正常运行状态时观察区域的磁场分布结果与接地故障状态时观察区域的磁场分布结果分别生成正常运行状态的电磁场强度分布云图与接地故障状态电磁场强度分布云图。其中，电磁场强度仿真的运行参数包括变压器的容量、高压侧额定电流、低压侧额定电流、高压侧故障相电流、低压侧故障相电流以及变压器所在变电所的安置方式。
29.其中，变压器在变电所的安置方式包括裸露安置与封闭安置。当变压器在变电所的安置方式为裸露安置时，电磁场强度仿真的范围为：以裸露母线为辐射中心，以距离裸露母线上的若干辐射点的第一长度为半径形成的区域；当变压器在变电所的安置方式为封闭
安置时，所述电磁场强度仿真的范围为：以封闭钢板外壳为辐射中心，以距离封闭钢板外壳上的若干辐射点第二长度为半径形成的区域。
30.本实施例通过 comsol 软件实现变电站周边电磁场分布的仿真，comsol 软件能够采用有限元仿真的方式进行电磁场强度的仿真，有限元法的基本思想是：将偏微分方程描述的定解问题转化为变分问题或加权余量方程，利用剖分插值，将变分问题离散化为多元函数的极值问题或直接展开加权余量方程，构成代数方程组，之后求解该方程组得出边值问题的近似解。本实施例利用 comsol 软件对铁路变电所的工频电磁场辐射进行仿真分析，其包括前处理、加载与求解、通用后处理等主要部分对整个仿真过程进行阶段划分。前处理是指有限元仿真的前期准备工作，主要包含仿真模型的建立、模型材料参数设置、求解问题边界条件的选取以及网格剖分；加载与求解设置是对已经建立好的模型选择求解频率、求解步长、求解精度等设置；后处理指数据处理，并将有限元计算结果通常用云图等形式展示。
31.（4）根据所述运行状态时观察区域的磁场分布结果与所述接地故障状态时观察区域的磁场分布结果划分接地故障的监测区域，并设置最低电磁场强度阈值。
32.具体地，在正常运行状态的电磁场强度分布云图中确定最低电磁场强度阈值的第一封闭分界线；在接地故障状态电磁场强度分布云图中确定最低电磁场强度阈值的第二封闭分界线；将第一封闭分界线以外且第二分界线以内的区域作为接地故障的监测区域。
33.（5）在监测区域内实时监测目标变压器的电磁场强度，当目标变压器的电磁场强度低于最低电磁场强度阈值时，发出接地故障预警信号。
34.需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。
35.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
36.以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
37.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
38.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其特征在于，包括：获取变电所中各个变压器的地理位置，根据变压器的地理位置分布密度，将变电所所在区域划分为若干个观察区域；分别获取各个观察区域内变压器与高压线缆的拓扑结构，以及变压器的历史故障接地记录和变压器参数，计算变压器的故障影响系数；根据所述故障影响系数选取多个目标变压器，对每个目标变压器分别进行正常运行状态的电磁场强度仿真与接地故障状态的电磁场强度仿真，得到正常运行状态时观察区域的磁场分布结果与接地故障状态时观察区域的磁场分布结果；根据所述运行状态时观察区域的磁场分布结果与所述接地故障状态时观察区域的磁场分布结果划分接地故障的监测区域，并设置最低电磁场强度阈值；在监测区域内实时监测目标变压器的电磁场强度，当目标变压器的电磁场强度低于最低电磁场强度阈值时，发出接地故障预警信号。2.如权利要求1所述的基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，所述获取变电所中各个变压器的地理位置，根据变压器的地理位置分布密度，将变电所所在区域划分为若干个观察区域，具体包括：获取变电所中各个变压器的地理位置，通过密度聚类算法将变压器划分为若干个聚类集群；分别生成若干个聚类集群的曲线族，基于每个曲线族生成对应的包络线，将包络线以内区域划分为变电所的观察区域。3.如权利要求2所述的基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，所述获取变电所中各个变压器的地理位置，通过密度聚类算法将变压器划分为若干个聚类集群，具体包括：获取变电所中各个变压器的地理坐标，随机选取任意一个变压器的坐标点；预先设置聚类集群的半径邻域和密度阈值，将该变压器坐标点视为核心点找出与核心点密度可达的所有变压器坐标点，形成一个聚类集群；在聚类集群以外的坐标点中重新选取核心点，并重复上述步骤，直至没有可以作为核心点的坐标点时结束。4.如权利要求1所述的基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，所述计算变压器的故障影响系数，具体包括：根据各个观察区域内变压器与高压线缆的拓扑结构，确定每个变压器通过高压线缆连接的电力设备的邻接数量；将邻接数量与变压器的历史接地故障记录、变压器容量参数作为故障影响指标，并进行加权计算得到变压器的故障影响系数。5.如权利要求4所述的基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，所述历史接地故障记录包括：变压器在预设历史时段内发生低压侧单相接地故障、低压侧两相接地故障、高压侧单相接地故障以及高压侧两相接地故障的总次数。6.如权利要求1所述的基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，所述根据所述故障影响系数选取多个目标变压器的选取方式为：将观察区域内变压器故障影响系数由大到小的顺序排列，以预设比例选取故障影响系
数较大的若干个目标变压器。7.如权利要求1所述的基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，通过工频磁场有限元算法进行所述正常运行状态的电磁场强度仿真与接地故障状态的电磁场强度仿真，并根据所述正常运行状态时观察区域的磁场分布结果与接地故障状态时观察区域的磁场分布结果分别生成正常运行状态的电磁场强度分布云图与接地故障状态电磁场强度分布云图。8.如权利要求7所述的基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，在所述正常运行状态的电磁场强度分布云图中确定最低电磁场强度阈值的第一封闭分界线；在所述接地故障状态电磁场强度分布云图中确定最低电磁场强度阈值的第二封闭分界线；将第一封闭分界线以外且第二分界线以内的区域作为监测区域。9.如权利要求1所述的基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，所述变压器在变电所的安置方式包括裸露安置与封闭安置。10.如权利要9所述的基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，其中，当所述变压器在变电所的安置方式为裸露安置时，所述电磁场强度仿真的范围为：以裸露母线为辐射中心，以距离裸露母线上的若干辐射点的第一长度为半径形成的区域；当所述变压器在变电所的安置方式为封闭安置时，所述电磁场强度仿真的范围为：以封闭钢板外壳为辐射中心，以距离封闭钢板外壳上的若干辐射点第二长度为半径形成的区域。

技术总结
本申请公开了一种基于电磁场分布的变电所接地故障监测方法，包括：获取变电所中变压器的地理位置，将变电所所在区域划分为若干个观察区域；计算变压器的故障影响系数；根据故障影响系数选取多个目标变压器，对每个目标变压器分别进行正常运行状态的电磁场强度仿真与接地故障状态的电磁场强度仿真，得到磁场分布结果；根据磁场分布结果划分接地故障的监测区域，并设置最低电磁场强度阈值；在监测区域内实时监测目标变压器的电磁场强度，当目标变压器的电磁场强度低于最低电磁场强度阈值时，发出接地故障预警信号。本申请克服了传统接地故障监测方法存在的滞后性缺陷，缩短了应对接地故障的响应时间，维护了变电站正常运行的稳定性。定性。定性。


技术研发人员：张华志 方春华 熊伟 孙建明 王青元 唐波 宋文胜
受保护的技术使用者：三峡大学 西南交通大学
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/8/13