一种传统配电网单相断线故障选线方法与流程

本发明涉及配电网故障选线技术领域，尤其涉及一种传统配电网单相断线故障选线方法。

背景技术：

断线故障因故障电流不明显，故障特征量难以检测，对输变电设备危害小，在电网运行维护中受重视的程度远不如短路故障。由于配电线路自身的特点，当某馈线发生单相断线故障时，引起的母线相电压、相电流变化不明显，从而不易被发现，但持续不对称运行将对用户产生不利影响。非全相运行时，虽然与短路故障相比后果一般较小，但是对电力系统的影响还是不应小视，应尽快确定故障线路并及时报警。目前中压配电网一般不会配置专门反应断线故障的保护装置，当断线故障发生时，只通过人工判断并进行相应的处理，往往带故障运行很长时间由用户反映后供电部门才发现故障，这与配电网自动化发展的趋势和智能配电网的发展并不相称。在实际运行维护中，因断线故障发生次数少，维护人员的相关经验也少，不能进行准确判断，延误事故处理，不利于电网安全运行。

近几年来断线故障发生频率呈现增高趋势，己不可忽视，需要对断线故障重视起来。随着用户对电能质量要求的提高，如何快速、准确地反应断线故障是供电部门应该考虑的一个课题。

传统的配电网多采用单电源辐射状供电网络。配电线路发生单相断线故障时，由于馈线的三相负荷不平衡，系统3U0电压一般会高于正常值。传统的配电网单相断线故障处理方法是以线运班巡线为主，线操班分段试拉馈线杆刀和测量部分配变低压侧三相电压为辅的方法来判定断线位置。然而，当线路较长时，线运班的巡线周期较长，杆变三相电压的实际测量也比较耗时，分段试拉杆刀定位故障区域的方法有时并不准确。

断线故障选线方面，已有如下方法：

(1)利用配电网发生单相断线故障时负序电流的一般变化规律，将负序电流和故障相电压乘积并对其进行前向积分，将积分值作为能量测度进行故障选线。

(2)以负序电压幅值为单相断线判据，结合负荷监测点到电源点的最小路径分析，从负荷监测仪获得数据，通过划定发生单相断线故障的可能区域和不可能区域，同时将这两个区域作差集运算，得出最小断线故障区域。

(3)在线路的监测点安装断线监测装置，周期性地三相同步采样配电线路三相电压、三相电流波形，通过计算比较电压电流的幅值相位关系来判断是否发生单相断线故障。

(4)对于单相断线及其断线加接地故障，以负序电流与正序电流的变化量为故障保护判据，考虑到在不对称短路与TA断线时系统中也含有负序电流与正序电流变化量，采用相电流变化量为辅助判据，实现对单相断线加接地复杂故障的检测功能，同时避免了不对称短路或TA断线时保护误动。对多相断线及其断线加接地复杂故障，用正序电流的变化量为故障保护判据，采用故障后相电流值为辅助判据，实现对多相断线故障的检测功能。

以上断线选线方法均利用断线时的相电压、相电流、负序电流和正序电流的变化特征，由两种或两种以上的特征量构成断线保护判据。但断线故障引起的电压、电流变化不明显，使依据上述电气量变化特征构成的断线保护判据的灵敏度不高。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述难题，提供了一种传统配电网单相断线故障选线方法，该方法深入挖掘断线故障电气特征量信息，通过对故障电气量进行数字信号处理，提取判据特征量，从而间接放大故障特征量，构成灵敏度高的断线保护判据。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种传统配电网单相断线故障选线方法，包括：

(1)假设变电站母线共带有n条馈线，采集各馈线出口处的三相相电流，计算各馈线的负序电流；

(2)将计算得到的各馈线的负序电流的幅值与负序整定值进行比较，当负序电流的幅值大于负序整定值时启动步骤(3)；否则，返回步骤(1)；

(3)对各馈线的负序电流进行EMD分解，得到各阶本征模态分量IMF；并计算各阶本征模态分量IMF对应的瞬时幅值波形；

(4)分别计算各馈线设定阶数的本征模态分量IMF在故障前、后各m个周波的瞬时幅值之和，以及各馈线在故障前、后各m个周波的瞬时幅值之和的变化量；

(5)根据各馈线在故障前、后各m个周波的瞬时幅值之和的变化量的大小判断出断线故障线路。

进一步地，所述步骤(2)中，负序整定值根据躲过其他馈线单相断线故障时本馈线上产生的负序电流进行整定。

进一步地，所述负序整定值I_2.set＝k_k|i₂|；其中，k_k为可靠系数。

进一步地，所述步骤(3)中对各阶本征模态分量IMF分别进行Hilbert变换，得到其相应的瞬时幅值波形。

进一步地，所述步骤(4)中，分别计算各馈线二阶本征模态分量IMF₂在故障前和故障后的瞬时幅值之和。

进一步地，所述步骤(5)中，将各馈线在故障前、后各m个周波的瞬时幅值之和的变化量由大到小进行排序，选取前三条馈线作为疑似断线故障线路。

进一步地，所述步骤(5)中，将各馈线在故障前、后各m个周波的瞬时幅值之和的变化量由大到小进行排序，选取变化量最大者为断线故障线路。

本发明的有益效果：

在架空配电线路单相断线故障选线中，以负序电流和负序电流希尔伯特-黄变换的二阶本征模态分量结合构成选线判据，有以下应用效果：

(1)单相断线故障发生后，故障线路产生的负序电流由故障点流向母线，与非故障线路上的负序电流方向相反，故障线路上的负序电流大于非故障线路上的负序电流，特征明显。

(2)采用希尔伯特-黄变换，取负序电流二阶本征模态分量在故障前后各m个周波的瞬时幅值之和的突变量作为判据，该判据特征量在故障前后变化量增大，且能与非故障线路可靠区分，灵敏度高。而且调整m的数值，可以调整灵敏度。m值越大，灵敏度越高。

(3)单相断线故障后产生的负序电流不受中性点运行方式的影响，因此本发明选用的选线判据在各种中性点接地方式下均有效。

(4)该方法不受负荷性质的影响，在线路带动力负荷、非动力负荷以及综合性负荷情况下均能有效地检测出单相断线故障，可靠性高。

附图说明

图1为单相断线故障系统接线示意图；

图2为本发明断线故障选线流程示意图；

图3为10kV配电系统仿真模型示意图；

图4(a)为针对动力负荷的仿真结果:负序电流IMF2的瞬时幅值；

图4(b)为针对动力负荷的仿真结果:故障前和故障后负序电流的S_IMF；

图5(a)为针对非动力负荷的仿真结果:负序电流IMF2的瞬时幅值；

图5(b)为针对非动力负荷的仿真结果:故障前和故障后负序电流的S_IMF；

图6(a)为针对综合性负荷的仿真结果:负序电流IMF2的瞬时幅值；

图6(b)为针对综合性负荷的仿真结果:故障前和故障后负序电流的S_IMF。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

架空配电线路发生单相断线故障时的简化系统如附图1所示。经理论推导发现，线路发生单相断线故障后，保护安装处的相电压和相电流变化不明显。故障线路的断线相负序电流变化显著，数值上要比非故障相的负序电流大得多。若Z_H1＝Z_H2(非动力负荷)，故障相的负序电流变化量和正序电流的变化量相等；若Z_H1>Z_H2(动力负荷或综合性负荷)，则负序电流变化量的值要大于正序电流变化量的值。此时，若利用负序电流变化量作为断线故障的保护判据要比利用正序电流具有更大的优越性。

在配电网的各种负荷类型中，无外乎动力负荷、非动力负荷以及综合性负荷三种，因此，在单相断线故障发生后，均有负序电流变化量大于等于其正序电流变化量。从理论上来讲，直接对故障发生瞬间的负序电流变化量进行分析比较即可识别出故障线路，但有时灵敏度不够高。因此本发明从负序电流中提取断线故障前后变化明显的特征量作为单相断线选线判据，提高断线保护的灵敏度。

希尔伯特-黄变换具有良好的自适应性、快速性，在处理非线性、非平稳信号具有无可比拟的优越性，因此非常适合分析配电线路发生单相断线故障时产生的暂态突变信号。

本发明对断线故障前后的负序电流进行希尔伯特-黄变换，把负序电流二阶本征模态分量在故障前后各m个周波的瞬时幅值之和的突变量作为判据，实现高灵敏度的单相断线故障选线。

本发明提出的架空配电线路单相断线故障选线流程如附图2所示。设变电站母线共带有n条馈线，选线过程具体描述如下：

(1)采集各馈线出口处的三相相电流，应用对称分量法计算出各馈线的负序电流i_2k(k＝1,2,...n)；

(2)各馈线的负序电流的幅值|i_2k|与负序整定值I_2.set比较，大于定值时启动步骤(3)；否则，回到步骤(1)。该整定值按躲过其他馈线单相断线故障时本馈线上产生的负序电流i₂进行整定，即I_2.set＝k_k|i₂|，其中k_k为可靠系数。

(3)对各馈线的负序电流i_2k进行EMD分解，得到各阶本征模态分量IMF。

(4)取各阶IMF进行Hilbert变换，得其相应的瞬时幅值波形。经验证发现，二阶本征模态分量IMF₂的瞬时幅值在故障前和故障后变化最为显著；

(5)分别计算各馈线IMF_2.k在故障前后各m个周波的瞬时幅值之和，计算公式如下：

其中：为第k条馈线故障前m个周波的IMF₂瞬时幅值之和；为第k条馈线故障后m个周波的IMF₂瞬时幅值之和；N为一个周波内的采样点数。由于本文中配电系统工作频率为50Hz，采样频率设为1000Hz，因此N＝20。

(6)计算每条馈线故障前后各m个周波的瞬时幅值之和的变化量Δ_IMF2.k。

(7)可有两种方式判断断线故障线路：第一种，Δ_IMF2.k最大者为断线故障线路；第二种，各馈线的变化量Δ_IMF2.k按从大到小顺序排序，前三个对应疑似断线故障线路。

以PSCAD/EMTDC作为仿真建模工具，以MATLAB作为算法处理工具，采用附图3所示的10kV配电系统仿真模型，分别在系统带动力负荷、非动力负荷和综合性负荷三种不同的情况下，对10kV架空线路单相断线故障进行仿真。其中，以型号为Y160M2-2的三相异步电动机作为动力负荷，以2.5MW阻性负载作为非动力负荷，以恒功率负载2.5MW+0.2Mvar作为综合性负荷；t＝0.4s时L1线路A相发生断线故障。

由希尔伯特黄变换原理可知，前几阶本征模态分量IMF包含了原始信号的主要信息。当线路发生单相断线故障时，对负序电流进行EMD分解，可以得到若干阶IMF。这里选用前四阶IMF进行分析。采样前四阶IMF在故障前后各一个周期内的瞬时幅值之和分别如图4(b)、图5(b)和图6(b)所示。可以看出，无论是动力负荷、非动力负荷还是综合性负荷，发生单相断线故障后，二阶本征模态分量在一个周期内的瞬时幅值之和变化得最为明显。因此选用S_IMF2的变化量作为判断单相断线故障的特征量。

负序电流二阶本征模态IMF2的瞬时幅值分别如图4(a)、图5(a)和图6(a)所示。由图可知，发生故障后，IMF2瞬时幅值迅速增大，并随着时间逐渐趋于稳定。因此，可采样故障发生前后各m个周波的IMF2的瞬时幅值作为研究对象，其中m＝1，2，3，......。

故障线路与非故障线路中二阶本征模态分量IMF2的瞬时幅值在m个周期内采样值之和及其故障前后的变化量分别如附表1和附表2所示，表中共取了故障前后各1至10个周波内瞬时幅值之和及其变化量。由附表1和附表2可见，取的周期数越多，故障线路故障前后瞬 时幅值之和的变化量越大，保护就越灵敏。而非故障线路的变化量在故障前后变化明显小于故障线路的。

附表1 故障线路二阶本征模态分量IMF2的瞬时幅值在m个周期内采样值之和(其中，m＝1,2,...,10)

附表2 非故障线路二阶本征模态分量IMF2的瞬时幅值在m个周期内采样值之和(其中，m＝1,2,...,10)

为便于比较本发明所提断线保护判据的灵敏性，列出故障线路与非故障线路中负序电流幅值在故障前后的变化量如附表3和附表4所示。从附表3和附表4可见，故障线路的负序电流幅值及其故障前后的变化量也大于非故障线路的，但与本发明所提出的判据的变化量的相比，小得多。因此，选用负序电流二阶本征模态分量IMF在故障前后各m个周波的瞬时幅值之和的变化量作为判断，能够可靠地选出断线线路，具有很高的灵敏度。

附表3 故障线路负序电流幅值在故障前后的变化

附表4 非故障线路负序电流幅值在故障前后的变化

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。