High-impedance Grounding Fault  Detection Method for Distribution Network Considering Capacitor Switching Disturbance

HAN Zhaoru; SHI Fang; ZHANG Hengxu; JIN Zongshuai; YUN Zhihao

doi:10.7500/AEPS20240116008

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

High-impedance Grounding Fault Detection Method for Distribution Network Considering Capacitor Switching Disturbance

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- High-impedance Grounding Fault Detection Method for Distribution Network Considering Capacitor Switching Disturbance
- Automation of Electric Power Systems Vol. 48, Issue 21, Pages: 180-191(2024)
- 作者机构：
  
  山东大学电气工程学院，山东省济南市 250061
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52107109);Shandong Provincial Natural Science Foundation of China(ZR2021QE145)
- DOI：10.7500/AEPS20240116008
  CLC：
- Received：16 January 2024，
  
  Revised：2024-05-28，
  
  Published Online：23 September 2024，
  
  Published：10 November 2024
- 稿件说明：
移动端阅览
韩兆儒,石访,张恒旭等.考虑电容投切扰动的配电网高阻接地故障检测方法[J].电力系统自动化,2024,48(21):180-191.

HAN Zhaoru,SHI Fang,ZHANG Hengxu,et al.High-impedance Grounding Fault Detection Method for Distribution Network Considering Capacitor Switching Disturbance[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(21):180-191.
韩兆儒,石访,张恒旭等.考虑电容投切扰动的配电网高阻接地故障检测方法[J].电力系统自动化,2024,48(21):180-191. DOI： 10.7500/AEPS20240116008.

HAN Zhaoru,SHI Fang,ZHANG Hengxu,et al.High-impedance Grounding Fault Detection Method for Distribution Network Considering Capacitor Switching Disturbance[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(21):180-191. DOI： 10.7500/AEPS20240116008.

摘要

高阻接地故障的准确、可靠检测是配电网故障处理的难点，正常的电容投切操作可对其产生干扰。针对这一问题，文中提出了一种基于零序李萨如曲线分析的高阻接地故障抗扰检测方法。首先，理论推导了高阻接地故障与电容投切扰动的零序电气量，二者在传统时频域特征角度无规律性差异，从而明确了干扰原因；进一步，将零序电流、电压波形重构为零序李萨如曲线，提出了基于数学形态学理论的李萨如曲线轨迹形状畸变复杂度量化指标，并结合零序李萨如曲线面积概率分布规律设计自适应启动判据，给出了噪声场景下高阻接地故障的抗扰检测方法；最后，利用配电网电磁暂态仿真算例和真型故障试验验证了所提方法的有效性和可靠性。

Abstract

The accurate and reliable detection of high-impedance grounding fault (HIGF) is challenging in the fault handling of distribution networks

and the normal capacitor switching operations can cause interference. Addressing this problem

a disturbance-resistant detection method for HIGFs based on zero-sequence Lissajous curve analysis is proposed in this paper. First

the zero-sequence electrical quantities of HIGFs and capacitor switching disturbances are theoretically derived. There is no regular difference from the perspective of traditional time-frequency domain features between the two

thereby clarifying the cause of the interference. Further

the zero-sequence current and voltage waveforms are reconstructed into zero-sequence Lissajous curves. A quantitative index for the distortion complexity of the Lissajous curve trajectory shape based on the mathematical morphology theory is proposed

and an adaptive starting criterion is designed in combination with the probability distribution law of the zero-sequence Lissajous curve area. A disturbance-resistant detection method for HIGFs in the noise scenario is presented. Finally

the effectiveness and reliability of the proposed method are verified through electromagnetic transient simulation cases and real fault tests in the distribution network.

关键词

Keywords

references

GHADERI A ， GINN H L Ⅲ ， ALI MOHAMMADPOUR H . High impedance fault detection： a review ［J］. Electric Power Systems Research ， 2017 ， 143 ： 376 - 388 .

王鹏玮，徐丙垠，陈恒，等 . 零序电流互感器误差对小电流高阻接地保护影响及选型［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 12 ）： 154 - 162 .

WANG Pengwei ， XU Bingyin ， CHEN Heng ， et al . Influence of error of zero-sequence current transformer on small-current high-resistance grounding protection and type selection ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 12 ）： 154 - 162 .

WANG B ， CUI X . Nonlinear modeling analysis and arc high-impedance faults detection in active distribution networks with neutral grounding via petersen coil ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2022 ， 13 （ 3 ）： 1888 - 1898 .

王宾，崔鑫，董新洲 . 配电线路弧光高阻接地故障检测技术综述［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 1 ）： 96 - 107 .

WANG Bin ， CUI Xin ， DONG Xinzhou . Overview of arc high impedance grounding fault detection technologies in distribution system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 1 ）： 96 - 107 .

GAUTAM S ， BRAHMA S M . Detection of high impedance fault in power distribution systems using mathematical morphology ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2013 ， 28 （ 2 ）： 1226 - 1234 .

AUCOIN M ， RUSSELL B D . Detection of distribution high impedance faults using burst noise signals near 60 Hz ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 1987 ， 2 （ 2 ）： 342 - 348 .

CHRISTIE R D ， ZADEHGOL H ， HABIB M M . High impedance fault detection in low voltage networks ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 1993 ， 8 （ 4 ）： 1829 - 1836 .

耿建昭，王宾，董新洲，等 . 中性点有效接地配电网高阻接地故障特征分析及检测［J］. 电力系统自动化， 2013 ， 37 （ 16 ）： 85 - 91 .

GENG Jianzhao ， WANG Bin ， DONG Xinzhou ， et al . Analysis and detection of high impedance grounding fault in neutral point effectively grounding distribution network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2013 ， 37 （ 16 ）： 85 - 91 .

马帅，武志刚，高厚磊，等 . 适配高渗透率DG接入配电网的幅值比较式保护［J］. 电力系统保护与控制， 2019 ， 47 （ 4 ）： 43 - 50 .

MA Shuai ， WU Zhigang ， GAO Houlei ， et al . Amplitude comparison protection for distribution network with high permeability distributed generation ［J］. Power System Protection and Control ， 2019 ， 47 （ 4 ）： 43 - 50 .

王雪文，石访，张恒旭，等 . 基于暂态能量的小电流接地系统单相接地故障区段定位方法［J］. 电网技术， 2019 ， 43 （ 3 ）： 818 - 825 .

WANG Xuewen ， SHI Fang ， ZHANG Hengxu ， et al . A single-phase earth fault location method based on transient energy for non-effectively grounded system ［J］. Power System Technology ， 2019 ， 43 （ 3 ）： 818 - 825 .

XUE Y D ， CHEN X R ， SONG H M ， et al . Resonance analysis and faulty feeder identification of high-impedance faults in a resonant grounding system ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2017 ， 32 （ 3 ）： 1545 - 1555 .

韦明杰，石访，张恒旭，等 . 基于零序电流波形区间斜率曲线的配电网高阻接地故障检测［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 14 ）： 164 - 171 .

WEI Mingjie ， SHI Fang ， ZHANG Hengxu ， et al . Detection of high impedance grounding fault in distribution network based on interval slope curves of zero-sequence current ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 14 ）： 164 - 171 .

WANG B ， GENG J Z ， DONG X Z . High-impedance fault detection based on nonlinear voltage-current characteristic profile identification ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2018 ， 9 （ 4 ）： 3783 - 3791 .

刘科研，叶学顺，李昭，等 . 基于多分辨率小波变换的配电网高阻接地故障检测方法［J］. 高电压技术， 2023 ， 49 （ 10 ）： 4247 - 4256 .

LIU Keyan ， YE Xueshun ， LI Zhao ， et al . Detection method of high resistance grounding fault in distribution network based on multi-resolution wavelet transform ［J］. High Voltage Engineering ， 2023 ， 49 （ 10 ）： 4247 - 4256 .

刘硕，刘灏，毕天姝，等 . 考虑高阻接地的配电网故障检测方法［J］. 电网技术， 2023 ， 47 （ 8 ）： 3438 - 3448 .

LIU Shuo ， LIU Hao ， BI Tianshu ， et al . Fault detection method of distribution network considering high impedance faults ［J］. Power System Technology ， 2023 ， 47 （ 8 ）： 3438 - 3448 .

韦明杰，张恒旭，石访，等 . 基于谐波能量和波形畸变的配电网弧光接地故障辨识［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 16 ）： 148 - 154 .

WEI Mingjie ， ZHANG Hengxu ， SHI Fang ， et al . Identification of arcing grounded fault in distribution network based on harmonic energy and waveform distortion ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 16 ）： 148 - 154 .

巩泉役，彭克，陈羽，等 . 基于电弧随机性和卷积网络的交流串联电弧故障识别方法［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 24 ）： 162 - 169 .

GONG Quanyi ， PENG Ke ， CHEN Yu ， et al . Identification method of AC series arc fault based on randomness of arc and convolutional network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 24 ）： 162 - 169 .

赵俊华，文福拴，黄建伟，等 . 基于大语言模型的电力系统通用人工智能展望：理论与应用［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 6 ）： 13 - 28 .

ZHAO Junhua ， WEN Fushuan ， HUANG Jianwei ， et al . Prospect of artificial general intelligence for power systems based on large language model： theory and applications ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 6 ）： 13 - 28 .

IZADI M ， MOHSENIAN-RAD H . A synchronized Lissajous-based method to detect and classify events in synchro-waveform measurements in power distribution networks ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2022 ， 13 （ 3 ）： 2170 - 2184 .

李建文，杨瑞卿，李戎，等 . “双高”配电网下变电站并联电容器灵活投切［J］. 电力系统及其自动化学报， 2023 ， 35 （ 2 ）： 132 - 139 .

LI Jianwen ， YANG Ruiqing ， LI Rong ， et al . Flexible switching of shunt capacitors in highly renewable and highly power electronics distribution network ［J］. Proceedings of the CSU-EPSA ， 2023 ， 35 （ 2 ）： 132 - 139 .

薛永端，李娟，徐丙垠 . 中性点经消弧线圈接地系统小电流接地故障暂态等值电路及暂态分析［J］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 22 ）： 5703 - 5714 .

XUE Yongduan ， LI Juan ， XU Bingyin . Transient equivalent circuit and transient analysis of single-phase earth fault in arc suppression coil grounded system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 22 ）： 5703 - 5714 .

方毅，薛永端，宋华茂，等 . 谐振接地系统高阻接地故障暂态能量分析与选线［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 19 ）： 5636 - 5645 .

FANG Yi ， XUE Yongduan ， SONG Huamao ， et al . Transient energy analysis and faulty feeder identification method of high impedance fault in the resonant grounding system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 19 ）： 5636 - 5645 .

王宾，崔鑫 . 中性点经消弧线圈接地配电网弧光高阻接地故障非线性建模及故障解析分析［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 11 ）： 3864 - 3872 .

WANG Bin ， CUI Xin . Nonlinear modeling and analytical analysis of arc high resistance grounding fault in distribution network with neutral grounding via arc suppression coil ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 11 ）： 3864 - 3872 .

杨庆，欧阳沙，司马文霞，等 . 真空断路器快速合-分闸操作10 kV并联电容器的过电压机理［J］. 高电压技术， 2014 ， 40 （ 10 ）： 3135 - 3140 .

YANG Qing ， OUYANG Sha ， SIMA Wenxia ， et al . Mechanism of overvoltage induced by fast switching on-off 10 kV shunt capacitors using vacuum circuit breakers ［J］. High Voltage Engineering ， 2014 ， 40 （ 10 ）： 3135 - 3140 .

魏旭，周志成，谢天喜，等 . 真空断路器投入并联电容器的过电压分析及防护［J］. 高电压技术， 2014 ， 40 （ 10 ）： 3193 - 3198 .

WEI Xu ， ZHOU Zhicheng ， XIE Tianxi ， et al . Analysis and protection against overvoltages caused by vacuum circuit breakers switching on shunt capacitors ［J］. High Voltage Engineering ， 2014 ， 40 （ 10 ）： 3193 - 3198 .

袁涛，唐瑭，司马文霞，等 . 融合实测数据的配网断路器投切暂态过电压建模方法［J］. 高电压技术， 2021 ， 47 （ 5 ）： 1555 - 1563 .

YUAN Tao ， TANG Tang ， SIMA Wenxia ， et al . Switching transient overvoltage modeling method for circuit breaker in distribution networks based on measured data ［J］. High Voltage Engineering ， 2021 ， 47 （ 5 ）： 1555 - 1563 .

关永刚，唐琦雯，刘卫东，等 . 40.5 kV真空断路器开断并联电抗器时过电压的产生机制［J］. 中国电机工程学报， 2012 ， 32 （ 33 ）： 124 - 132 .

GUAN Yonggang ， TANG Qiwen ， LIU Weidong ， et al . Overvoltage mechanism of switching off shunt reactors for

5 kV vacuum circuit breakers ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2012 ， 32 （ 33 ）： 124 - 132 .

GAO J ， WANG X H ， WANG X W ， et al . A high-impedance fault detection method for distribution systems based on empirical wavelet transform and differential faulty energy ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2022 ， 13 （ 2 ）： 900 - 912 .

WANG X W ， WEI X X ， GAO J ， et al . High-impedance fault detection method based on stochastic resonance for a distribution network with strong background noise ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2022 ， 37 （ 2 ）： 1004 - 1016 .

李庚银，罗艳，周明，等 . 基于数学形态学和网格分形的电能质量扰动检测及定位［J］. 中国电机工程学报， 2006 ， 26 （ 3 ）： 25 - 30 .

LI Gengyin ， LUO Yan ， ZHOU Ming ， et al . Power quality disturbance detection and location based on mathematical morphology and grille fractal ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2006 ， 26 （ 3 ）： 25 - 30 .

IZADI M ， MOHSENIAN-RAD H . Characterizing synchronized Lissajous curves to scrutinize power distribution synchro-waveform measurements ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2021 ， 36 （ 5 ）： 4880 - 4883 .

JIN Z S ， ZHANG H X ， SHI F ， et al . A robust and adaptive detection scheme for interharmonics in active distribution network ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2018 ， 33 （ 5 ）： 2524 - 2534 .

WEI M J ， LIU W S ， SHI F ， et al . Distortion-controllable arc modeling for high impedance arc fault in the distribution network ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2021 ， 36 （ 1 ）： 52 - 63 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Detection and Location Method of Single-phase-to-ground Fault in Distribution Network Based on Zero-sequence Transient Fault Component

Detection and Type Identification of Single-phase Series Ferroresonance in Neutral Point Solid Grounding Power Grid

Equivalent Model and Grounding Fault Detection Method for Distribution Lines with Asymmetry Parameters

Related Author

LI Lin

GAO Houlei

YUAN Tong

PENG Fang

Chao ZHANG

Bin WANG

Hai ZHANG

Zongjie LIU

Related Institution

School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology

State Key Laboratory of Power System Operation and Control (Tsinghua University)

Jining Power Supply Company of State Grid Shandong Electric Power Company

College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University

Hunan Key Laboratory of Smart Grid Operation and Control (Changsha University of Science and Technology)

⁰