逆變型分布式電源接入配電網的故障定位方法與流程

2024-03-24 02:12:08

本發明屬於配電網故障診斷技術領域，具體涉及一種逆變型分布式電源接入配電網的故障定位方法。

背景技術：

電力系統停電事故中，絕大多數是由於配電網故障造成的。因此，配電網發生故障後，準確地測定故障位置對提高配電網供電可靠性具有十分重要的意義。然而隨著分布式電源的廣泛接入，配電網由傳統的輻射型網絡結構變成雙端甚至多端電源供電的複雜網絡結構，特別針對通過電力電子變流器併網的逆變型分布式電源(Inverter-Interfaced Distributed Generator,IIDG)所接入的配電網，配電網故障特性不同於傳統配電網，因此應用於配電網的傳統故障定位方法將不再適用。而與此同時，大量依靠電力電子元器件接入的配電網的逆變型分布式電源對故障較為敏感，長期運行在故障條件下將嚴重影響分布式電源的使用壽命。因此，亟需要研究適用於分布式電源接入的配電網的故障定位方法。

已有的配電網故障定位方法存在以下一些問題：其一，應用饋線電壓信息進行故障定位，脫離了低壓配電網虧線上通常無電壓互感器接入的實際，故障定位方法的可操作性較差；其二，未準確反映分布式電源的輸出特性，將分布式電源作為恆流源處理，影響到故障定位特別是精確故障定位的準確性；其三，多數故障定位僅僅滿足粗略的故障定位要求，並未達到精確故障定位的目標，不能滿足含分布式電源接入的配電網運行的需求。

綜上，需研究符合工程實際的故障定位方法，滿足逆變型分布式電源接入後配電網的精確故障定位需求。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種逆變型分布式電源接入配電網的故障定位方法，解決了現有故障定位不夠精確的問題。

本發明所採用的技術方案是，一種逆變型分布式電源接入配電網的故障定位方法，逆變型分布式電源接入配電網的典型模型中包括兩條饋線：饋線1和饋線2；饋線1分別連接A母線、B母線、C母線，將饋線1所在線路劃分為AB段、BC段；饋線2分別連接A母線、D母線，饋線2所在線路為AD段；該故障定位方法包括以下步驟：

步驟1，粗略故障定位

1)假設故障發生在AB區間，確定故障電流初始值；

2)將故障電流初始值帶入故障定位方程式(7)，求解方程得到故障位置m1(1)、m2(1)

a·m2+b·m+c＝0 (7)

a＝Im(0.5[Vu-s]tZ·Ysh[If]*)

b＝Im(-[Iu-s]tZ[If]*)

c＝Im([Vu-s]t[If]*)

式中，m為故障距離，If為故障電流，Vu-s、Iu-s分別是故障點上遊的首端三相電壓及電流的列向量，Z、Ysh分別是線路的單位阻抗矩陣及單位線路等效對地電容矩陣；

3)將m1(1)、m2(1)帶入式(9)對故障電流進行更新，重新帶入故障定位方程，求解得到故障位置m1(2)和m2(2)，依次類推，進行迭代計算，求解m1(i)和m2(i)；

Iu-m＝-C(m)Vu-s+D(m)Iu-s (9)

C(m)＝mYsh+0.25m3Ysh·Z·Ysh

D(m)＝E+0.5m2Z·Ysh

式中，E為3階單位矩陣；

4)對於步驟3)每次求解出的故障位置m1(i)和m2(i)，都先要判斷其斂散性，如果滿足以下條件：

|m1(i)-m1(i-1)|＜δ

|m2(i)-m2(i-1)|＜δ

則m1、m2收斂，直接至步驟5)；如果不收斂，返回至步驟3)，繼續進行迭代計算和收斂性判斷，直至m1、m2收斂；上式中，δ為收斂半徑；

5)判斷m1、m2的值是否在區間AB的範圍內，如果在區間AB內，保存故障位置m1、m2；若不在，說明該區間無故障點；

6)按照步驟1)～5)同樣的方法分別對BC、AD段進行故障定位，得到滿足條件的可能故障位置；

步驟2，精確故障定位

將粗略故障定位得到的第i個故障點對應的故障電流Ii-f視為注入電流源，形成迴路電流方程，得到第i個故障點對應的變電站出線電壓的計算值Vi-AC；計算變電站出線計算電壓Vi-AC與實測電壓VA之間誤差；按照該方法依次計算出步驟1得到的每個故障點對應的誤差值，其中誤差值最小對應的故障點為精確故障點。

其中，步驟2具體按照以下步驟實施：

1)將粗略故障定位得到的第i個可能故障點視為配電網新的節點，形成與新系統一致的節點導納矩陣Yi；

2)將粗略故障定位得到的第i個故障點對應的故障電流Ii-f視為注入電流源，形成迴路電流方程，得到第i個故障點對應的變電站出線電壓的計算值Vi-AC：

其中，為A母線的自阻抗，為A母線與B母線之間的互阻抗，為A母線與第i個故障點之間互阻抗，IS為變電站出線總電流，為各個饋線首端電流之和；

3)通過下式計算變電站出線計算電壓Vi-AC與實測電壓VA之間誤差:

Errori＝abs(Vi-AC-VA)/abs(VA)

4)重複步驟1)-3)，分別得到每個故障點對應的誤差值，其中誤差值最小對應的故障點為精確故障點。

進一步地，上述步驟1中收斂半徑δ取10-4。

本發明的有益效果是，(1)本發明的故障定位方法考慮了逆變型分布式電源的故障特性，僅利用變電站出線電壓、各饋線首端電流及分布式電源併網電壓就可實現精確故障定位，故障定位精度高。(2)該故障定位方法還考慮了線路的等效對地電容，該故障定位建立在較精確的線路模型基礎上。(3)該故障定位方法不需要對故障類型進行判別，故障定位結果不受故障類型影響。

附圖說明

圖1為本發明中粗略故障定位原理示意圖；

圖2為本發明中含有逆變型分布式電源的典型配電網模型。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明，但本發明並不限於這些實施方式。

本發明首先建立一種考慮線路等效對地電容的故障定位方程，再利用該方程進行故障定位。

該故障定位方程的建立利用了通用的粗略故障定位模型，如圖1粗略故障定位原理示意圖所示，線路pq長度為l千米，距離線路首端m千米處發生橫向故障時，故障點f將線路pq分為兩部分，其中f點上遊部分為u部分，f點下遊部分為d部分，Vu-s、Iu-s分別是u部分的首端三相電壓及電流的列向量(下文所涉及的電壓、電流等電氣量均為包含A、B、C三相信息的列向量)，Vu-m、Iu-m分別是u部分的末端三相電壓及電流，Vd-s、Id-s分別是d部分的首端三相電壓及電流，Vd-m、Id-m分別是d部分的末端三相電壓及電流，If為故障電流。當考慮線路等效對地電容時，利用u部分的首端電壓及首端電流，故障點f處的電壓可表示為：

Vf＝D(m)Vu-s-B(m)Iu-s (1)

其中，

D(m)＝E+0.5m2Z·Ysh (2)

B(m)＝mZ (3)

式中Z、Ysh分別是線路pq的單位阻抗矩陣及單位線路等效對地電容矩陣，E為3階單位矩陣，m為故障距離。

圖1中，故障點處的復功率為：

Sf＝[Vf]t[If]* (4)

將式(2)、(3)帶入式(4)可得：

Sf＝[Vu-s]t[If]*+0.5m2[Vu-s]tZ·Ysh[If]*-m[Iu-s]tZ[If]* (5)

因過渡電阻的純阻性性質，令故障點處的復功率虛部為零，即：

0＝Im([Vu-s]t[If]*+0.5m2[Vu-s]tZ·Ysh[If]*-m[Iu-s]tZ[If]*) (6)

對式(6)進行整理，可得：

a·m2+b·m+c＝0 (7)

其中，

a＝Im(0.5[Vu-s]tZ·Ysh[If]*)

b＝Im(-[Iu-s]tZ[If]*)

c＝Im([Vu-s]t[If]*)

式(7)即為本發明構建的考慮線路等效對地電容的故障定位方程，適用於任意類型的橫向故障定位。將配電網中每一段區間線路的首端電壓、電流及故障點處的故障電流分別帶入式(7)，對其進行求解，便可得到全部的可能故障位置。

在上述粗略故障定位原理的基礎上，針對逆變型分布式電源接入的配電網，研究其故障定位方法。圖2所示為逆變型分布式電源接入配電網的典型模型，其中包括兩條饋線：饋線1和饋線2。饋線1連接了三條母線：A母線、B母線、C母線，將饋線1所在線路劃分為AB段、BC段；饋線2連接了兩條母線：A母線、D母線，饋線2所在線路均為AD段。圖2所示模型代表了逆變型分布式電源接入輻射狀配電網的典型接線方式。並且依據配電網的實際假定：配電網故障前後的電壓，各饋線的首端電流，以及配電網故障前後逆變型分布式電源的併網點電壓均測量。

根據圖2所示的典型逆變型分布式電源接入的配電網模型，本發明首先將饋線首端電壓、電流以及分布式電源併網點電壓測量值帶入通用故障定位方程(7)，對配電網進行粗略故障定位；然後針對各個可能故障點發生故障時的配電網，建立迴路電流方程解得配電網饋線首端電壓，並將與實測量最接近的結果所對應的故障點作為精確的故障點。

本發明故障定位的具體步驟如下：

步驟1，粗略故障定位

1)假設故障發生在AB區間，利用式(8)確定故障電流初始值。

If＝Iab-s-[Iab-s]′ (8)

上式中，Iab-s、[Iab-s]′分別為故障後和故障前AB段線路首端測量三相電流。

2)將步驟1)中的故障電流初始值帶入故障定位方程式(7)，求解方程得到故障位置m1(1)、m2(1)(即下次迭代的初始值)。

3)將m1(1)、m2(1)帶入式(9)對故障電流進行更新，重新帶入故障定位方程，求解得到故障位置m1(2)和m2(2)，依次類推，進行迭代計算，即，進行第i次迭代時，將m1(i-1)和m2(i-1)帶入式(9)對故障電流進行更新，重新帶入故障定位方程，求解得到故障位置m1(i)和m2(i)。

Iu-m＝-C(m)Vu-s+D(m)Iu-s (9)

上式中，Vu-s、Iu-s分別是u部分的首端三相電壓及電流的列向量(下文所涉及的電壓、電流等電氣量均為包含A、B、C三相信息的列向量)，Iu-m是u部分的末端三相電流。C(m)、D(m)的定義如下：

C(m)＝mYsh+0.25m3Ysh·Z·Ysh (10)

D(m)＝E+0.5m2Z·Ysh (11)

上式中，Z、Ysh分別是線路pq的單位阻抗矩陣及單位線路等效對地電容矩陣，E為3階單位矩陣，m為故障距離。

4)對於步驟3)每次求解出的故障位置m1(i)和m2(i)，都先要判斷其斂散性。如果滿足以下條件：

|m1(i)-m1(i-1)|＜δ (12)

|m2(i)-m2(i-1)|＜δ (13)

則m1、m2收斂，直接至步驟5)；如果不收斂，返回至步驟3)，繼續進行迭代計算和收斂性判斷，直至m1、m2收斂。其中，δ為收斂半徑，取10-4。

5)判斷m1、m2的值是否在區間AB的範圍內，如果在區間AB內，保存故障位置m1、m2，若不在區間AB的範圍內，說明該區間沒有故障點。

6)假設故障發生在BC區間，按照步驟1)～5)同樣的方法對BC段進行故障定位，得到滿足條件的可能故障位置m3、m4。

7)假設故障發生在AD區間，按照步驟1)～5)同樣的方法對AD段進行故障定位，得到滿足條件的可能故障位置m5、m6。

步驟2，精確故障定位

8)將粗略故障定位得到的第i個可能故障點視為配電網新的節點，形成與新系統一致的節點導納矩陣Yi；

9)將粗略故障定位得到的第i個故障點對應的故障電流Ii-f視為注入電流源，形成迴路電流方程，得到第i個故障點對應的變電站出線電壓的計算值Vi-AC：

其中，為A母線的自阻抗，為A母線與B母線之間的互阻抗，為A母線與第i個故障點之間互阻抗，IS為變電站出線總電流，為各個饋線首端電流之和。

10)通過式(15)計算變電站出線計算電壓Vi-AC與實測電壓VA之間誤差:

Errori＝abs(Vi-AC-VA)/abs(VA) (15)

11)重複步驟8-10，分別得到t個(可能故障點得個數)故障點對應的誤差值，其中誤差值最小對應的故障點為精確故障點。

實施例

拓撲結構如圖2所示的10kV配電網，模型中IIDG的容量為0.5MW，架空線路參數為r1＝0.27Ω/km，x1＝0.35Ω/km，線路等效對地電容參數C設置為3.18μF/km。饋線1末端負荷為1.3MVA，饋線2末端負荷為2.6MVA，功率因數為0.85。線路AB、BC、AD的長度分別為8km、4km、3km。AB段5km處發生單相接地故障(過渡電阻為0)時，故障定位的步驟如下：

1.粗略故障定位

1)假設故障發生在AB區間，利用式(8)確定故障電流初始值。

2)將該故障電流初始值帶入故障定位方程式(7)，求解方程得到故障位置m1(1),m2(1)。

3)將m1(i-1)和m2(i-1)帶入式(9)對故障電流進行更新，重新帶入故障定位方程，進行下次迭代求解得到故障位置m1(i)和m2(i)。

3)判斷m1(i)和m2(i)的收斂性，若不收斂則不斷迭代直至滿足收斂條件。得到AB段可能的故障點距離A母線4.9992km，BC段可能的故障點距離B母線0.0033km。AD段無可能故障點。

2.精確故障定位(如表1所示)

4)將線路AB上距離A母線4.9992km的故障點和線路BC上距離B母線0.0033km的故障點分別視為配電網新的節點，分別形成與新系統一致的節點導納矩陣Yi；

5)計算得到將線路AB上距離A母線4.9992km的故障點和線路BC上距離B母線0.0033km的故障點發生故障時，計算得到的A母線電壓與實測電壓的誤差分別為9.65％和10.33％。

因此，精確的故障位置為距離A母線4.9992km的位置。

表1可能的故障點及精確故障點

從表1中可以看到，本文所提的故障定位方法可以有效排除偽故障點，實現精確定位。