單端輻射型配電網單相接地故障的定位方法與流程

2023-11-05 18:19:47 2

本發明屬於電網故障定位技術領域，特別涉及了單端輻射型配電網單相接地故障的定位方法。

背景技術：

隨著智能配電網建設的推進，故障定位技術對於迅速查找故障，快速恢復供電時間，降低各方經濟損失有著重要意義。配電網的拓撲比較複雜，其線路連接方式也是多種多樣，各種不平衡性普遍存在，這些因素給故障定位帶來了許多挑戰。

根據故障定位的範圍，單端輻射型配網故障定位方法可主要分為兩大類：一類是故障區域大體估計法，包括選線、分支(區段)以及線路段定位方法；另一類是故障位置精確計算法，又可分為阻抗法和行波法。基於行波的故障定位方法一般利用故障發生後的暫態行波信息，採用一定的數學方法識別行波首波頭或者其後波頭的達到時刻，並根據配網拓撲信息，構建特定的故障定位判據來求解。

傳統行波法應用於配電網故障定位存在的主要問題有：(1)配電線路複雜的拓撲結構導致行波折反射規律較為複雜；(2)在配網中精確確定行波首波頭到達時間及行波波速較為困難；(3)行波法對測量同步性要求較高；(4)行波高頻分量的幅值衰減和相位滯後規律複雜，其值較難精確計算。

技術實現要素：

為了解決上述背景技術提出的技術問題，本發明旨在提供單端輻射型配電網單相接地故障的定位方法，克服傳統行波法實現複雜、同步性要求高等缺陷。

為了實現上述技術目的，本發明的技術方案為：

單端輻射型配電網單相接地故障的定位方法，包括以下步驟：

(1)在故障發生前，預先建立單端輻射型配電網系統的仿真模型，在系統子站母線處模擬單相接地故障，採集各饋線首端和末端處零模電壓行波首波頭信號，並提取這些信號中頻率為ω的高頻信號的幅值和相位；

(2)對於任一饋線，計算該饋線首端與末端的零模電壓行波首波頭信號中頻率為ω的高頻信號的幅值比以及相位差絕對值，得到n維幅值比向量和n維相位差向量，n為配電網系統中的饋線數；

(3)對於混合饋線，設某混合饋線由n段不同波阻抗線路組成，則該混合饋線的波阻抗不連續點的數目為n+1，分別在這n+1個點處模擬單相接地故障，採集n+1次該混合饋線首端和末端處零模電壓行波首波頭信號，並提取這n+1次信號中頻率為ω的高頻信號的幅值和相位，計算n+1次信號首端與末端的零模電壓行波首波頭信號中頻率為ω的高頻信號的幅值比以及相位差絕對值，得到n+1維幅值比向量和n+1維相位差向量；

(4)實際配電網發生故障後，按照步驟(1)的方法提取各饋線首端和末端處零模電壓行波首波頭信號中頻率為ω的高頻信號的幅值和相位，並按照步驟(2)的方法得到實際故障後的n維幅值比向量和n維相位差向量；

(5)計算步驟(2)得到的幅值比與步驟(4)得到的同一饋線的幅值比的比值，以及步驟(2)得到的相位差絕對值與步驟(4)得到的同一饋線的相位差絕對值的比值，得到n維幅值比比值向量和n維相位差比值向量；

(6)分別找出n維幅值比比值向量、n維相位差比值向量中的最大元素，若兩個向量的最大元素對應的是同一饋線，則該饋線即為故障線路，若兩個向量的最大元素對應的是不同饋線，則將n維幅值比比值向量的最大元素對應的饋線作為故障線路；

(7)若故障線路為混合饋線，將步驟(4)得到的n維幅值比向量和n維相位差向量中該故障線路對應的元素與步驟(3)得到n+1維幅值比向量和n+1維相位差向量中所有元素進行比較，從n+1維幅值比向量和n+1維相位差向量中找出滿足下式的元素：

sarm≥a≥sarm+1

spdw≤p≤spdw+1

上式中，a為步驟(4)得到的n維幅值比向量中故障線路對應的元素，p為步驟(4)得到的n維相位差向量中故障線路對應的元素，sarm為n+1維幅值比向量中的第m個元素，spdw為n+1維相位差向量中的第w個元素，m,w∈[1,n]，若sarm與spdw對應的是同一線路段，則該線路段為故障線路的故障線路段，若sarm與spdw對應的是不同線路段，則sarm對應的線路段為故障線路的故障線路段；

(8)若故障線路為分支饋線，提取該分支饋線各分支點處零模電壓行波首波頭信號中頻率為ω的高頻信號的復向量；

(9)計算各分支點零模電壓行波首波頭信號中頻率為ω的高頻信號的復向量的能量，則能量最大的分支即為該故障線路的故障分支。

進一步地，在採集零模電壓行波首波頭信號時，需要確定計算數據窗，其確定方法如下：

(a)找尋零模行波信號的突變點，設測量點處採集的零模行波信號向量為u0＝[u1,u2,...,uk-1,uk,uk+1,...,ul]，其中l為信號總長度，若故障零模行波突變點為k，則應該同時滿足如下兩式：

上式中，uk-2,uk-1,uk均不為零，ε為設定的閾值；

(b)選取突變點k前100個採樣點及其後x個採樣點作為計算數據窗，其中x由下式確定：

上式中，lmin為配電網中所有饋線中最短饋線的長度，v為頻率為ω的高頻零模電壓行波的波速。

進一步地，所述閾值ε＝2。

進一步地，採用s變換提取零模電壓行波首波頭信號中頻率為ω的高頻信號的幅值、相位和復向量。

進一步地，零模電壓行波首波頭信號中高頻信號的頻率ω＝45khz。

進一步地，在步驟(9)中，各分支點零模電壓行波首波頭信號中頻率為ω的高頻信號的復向量的能量的計算公式如下：

上式中，s為某分支點零模電壓行波首波頭信號中頻率為ω的高頻信號的復向量，e為s的能量，amp(s)表示求s的模值。

採用上述技術方案帶來的有益效果：

本發明的核心在於通過模擬仿真預先建立母線及混合饋線各連接點故障時各饋線首、末端零模電壓行波首波頭高頻分量的幅值比和相位差陣列，再利用s變換快速、精確提取所需頻率分量的相位。本發明實施簡單，便於實現，由於只需提取某一頻率的幅值和相位，因此無需零模電壓行波波速和暫態行波首波頭到達時刻，且無需精確同步測量，具有較高的工程實踐意義。

附圖說明

圖1為典型單端輻射型混合線路配電網示意圖；

圖2為本發明方法的流程圖；

圖3為仿真驗證所搭建單端輻射型混合線路配網模型示意圖；

圖4為電弧電流仿真波形圖；

圖5為饋線1末端測量點原始信號及考慮10μs、30μs、50μs同步測量誤差的信號圖。

具體實施方式

以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。

典型的單端輻射型混合線路配電網如下圖1所示，本發明提出了一種針對單端輻射型配電網單相接地故障的定位方法，步驟如圖2所示。

步驟1：在故障發生前，預先建立單端輻射型配電網系統的仿真模型，在系統子站母線處模擬單相接地故障，採集各饋線首端和末端處零模電壓行波首波頭信號，採用s變換提取這些信號中頻率為ω的高頻信號的幅值和相位。預先設定ω＝45khz。

步驟2：對於任一饋線，計算該饋線首端與末端的零模電壓行波首波頭信號中頻率為ω的高頻信號的幅值比以及相位差絕對值，得到n維幅值比向量ar和n維相位差向量pd，n為配電網系統中的饋線數。

步驟3：對於混合饋線，設某混合饋線由n段不同波阻抗線路組成，則該混合饋線的波阻抗不連續點的數目為n+1，分別在這n+1個點處模擬單相接地故障，採集n+1次該混合饋線首端和末端處零模電壓行波首波頭信號，並提取這n+1次信號中頻率為ω的高頻信號的幅值和相位，計算n+1次信號首端與末端的零模電壓行波首波頭信號中頻率為ω的高頻信號的幅值比以及相位差絕對值，得到n+1維幅值比向量sar和n+1維相位差向量spd。

步驟4：實際配電網發生故障後，按照步驟1的方法提取各饋線首端和末端處零模電壓行波首波頭信號中頻率為ω的高頻信號的幅值和相位，並按照步驟2的方法得到實際故障後的n維幅值比向量rar和n維相位差向量rpd。

步驟5：計算步驟2得到的幅值比與步驟4得到的同一饋線的幅值比的比值，以及步驟2得到的相位差絕對值與步驟4得到的同一饋線的相位差絕對值的比值，得到n維幅值比比值向量car和n維相位差比值向量cpd。

步驟6：分別找出car、cpd中的最大元素，若兩個向量的最大元素對應的是同一饋線，則該饋線即為故障線路，若兩個向量的最大元素對應的是不同饋線，則將car中的最大元素對應的饋線作為故障線路。

步驟7：若故障線路為混合饋線，將步驟4得到的rar和rpd中該故障線路對應的元素與步驟3得到的sar和spd中所有元素進行比較，從sar和spd中找出滿足下式的元素：

sarm≥a≥sarm+1

spdw≤p≤spdw+1

上式中，a為rar中故障線路對應的元素，p為rpd中故障線路對應的元素，sarm為sar中的第m個元素，spdw為spd中的第w個元素，m,w∈[1,n]，若sarm與spdw對應的是同一線路段，則該線路段為故障線路的故障線路段，若sarm與spdw對應的是不同線路段，則sarm對應的線路段為故障線路的故障線路段。

步驟8：若故障線路為分支饋線，通過s變換提取該分支饋線各分支點處零模電壓行波首波頭信號中頻率為ω的高頻信號的復向量。

步驟9：計算各分支點零模電壓行波首波頭信號中頻率為ω的高頻信號的復向量的能量，則能量最大的分支即為該故障線路的故障分支：

上式中，s為某分支點零模電壓行波首波頭信號中頻率為ω的高頻信號的復向量，e為s的能量，amp(s)表示求s的模值。

要進行故障定位，首先需要準確提取零模行波首波頭信號。配網中波阻抗不連續點的存在會使得傳播至此處的初始零模行波發生折反射，如果初始零模行波首波頭信號的計算數據窗長度選擇不合適的話，則其信號中會包含一定成分的反射分量。本發明確定計算數據窗的方法如下：

(1)找尋零模行波信號的突變點，設測量點處採集的零模行波信號向量為u0＝[u1,u2,...,uk-1,uk,uk+1,...,ul]，其中l為信號總長度，若故障零模行波突變點為k，則應該同時滿足如下兩式：

上式中，uk-2,uk-1,uk均不為零，ε為設定的閾值，經仿真實驗，ε取值為2時，可以保證在各種情況下準確得到故障零模行波信號突變點。

(2)選取突變點k前100個採樣點及其後x個採樣點作為計算數據窗，其中x由下式確定：

上式中，lmin為配電網中所有饋線中最短饋線的長度，v為頻率為ω的高頻零模電壓行波的波速，該值不需要精確計算，可以取為光速。根據這個原則，x取值為10可以適應各種情況。

仿真驗證

為了驗證本發明的正確性，在pscad上搭建了一個10kv單端輻射型混合線路配電網，如圖3所示。為了方便起見，所有架空線均採用同一配置，而所有電纜也採用相同的配置，採用精確的依頻特性相位模型來表徵實際中的架空線與電纜。各個饋線的測量點布置如前所述，採樣頻率均為1mhz。通過在母線和混合連接饋線1特定點處模擬故障後，所得到的選線及線路段定位標準幅值比和相位差陣列，如下表1所示。本文所有表格中的相角差單位均為弧度。為了驗證各種因素對本文方法的影響，分別在不同的中性點接地方式、故障電阻、故障初相角、電弧及同步測量誤差存在的情況下進行了仿真。

表1故障選線及線路段定位標準幅值比和相位差陣列

1.不同中性點接地方式、故障電阻、故障距離的影響

為了驗證這幾個因素對本發明的影響，分別在饋線1的電纜和饋線3的架空線不同位置處，中性點不接地和中性點經消弧線圈接地兩種不同接地方式下，故障電阻為10ω、200ω、500ω時，一共42種不同情況下進行a相接地故障仿真，如表2(a)和2(b)所示。

表2(a)實際故障發生在饋線1電纜不同位置時的計算結果

表2(b)實際故障發生在饋線3架空線不同位置時的計算結果

別為故障發生在在饋線1電纜和饋線3架空線不同位置時的計算結果，其中故障距離指故障點距離饋線首端子站母線的距離。從表中結果可看出，該方法不受以上因素影響。

2.電弧存在時的影響

為了驗證單相接地時產生的電弧對本文方法的影響，採用最符合實際現場狀況的控制論電弧模型。在中性點不接地時，不同的饋線的不同位置處施加a相接地電弧故障，測得的電弧電流如圖4所示，從圖中可看出，電弧故障發生時刻約為50ms，故障瞬間產生電流尖峰脈衝信號，待電弧穩定後，電弧電流波形整體上呈現正負不對稱性且每個周波存在兩次「零休」現象。仿真結果如表3所示，表中的故障距離指故障點到饋線首端子站母線處的距離。從表中可以看出，即使發生電弧故障，該方法仍然能夠可靠工作。

表3不同故障位置處發生電弧故障時的計算結果

3.同步測量誤差的影響

為了驗證同步測量誤差對本文算法的影響，將各饋線首端測量點測得的零模電壓行波信號保持不變，而將末端測量點測得的零模電壓行波首波頭信號在原有基礎上分別向後推遲10、30、50個點，並在系統中性點不接地的情況下，分別在饋線1電纜、饋線2架空線、饋線3架空線的中點處模擬單相電弧型接地故障。圖5為饋線1電纜中點處發生電弧接地時，將饋線1末端測量點處獲得的零模電壓行波信號向後推遲10、30、50個點所得到的信號圖。最終計算結果如表4所示，其中sme為同步測量誤差。信號數據窗的確定只與突變點有關，因此實際上同步測量誤差對本文方法無影響，從表中也可以看出這一點。

表4考慮同步測量誤差時的計算結果

實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護範圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護範圍之內。