逆变型分布式电源接入配电网的故障定位方法与流程

本发明属于配电网故障诊断技术领域，具体涉及一种逆变型分布式电源接入配电网的故障定位方法。

背景技术：

电力系统停电事故中，绝大多数是由于配电网故障造成的。因此，配电网发生故障后，准确地测定故障位置对提高配电网供电可靠性具有十分重要的意义。然而随着分布式电源的广泛接入，配电网由传统的辐射型网络结构变成双端甚至多端电源供电的复杂网络结构，特别针对通过电力电子变流器并网的逆变型分布式电源(Inverter-Interfaced Distributed Generator,IIDG)所接入的配电网，配电网故障特性不同于传统配电网，因此应用于配电网的传统故障定位方法将不再适用。而与此同时，大量依靠电力电子元器件接入的配电网的逆变型分布式电源对故障较为敏感，长期运行在故障条件下将严重影响分布式电源的使用寿命。因此，亟需要研究适用于分布式电源接入的配电网的故障定位方法。

已有的配电网故障定位方法存在以下一些问题：其一，应用馈线电压信息进行故障定位，脱离了低压配电网亏线上通常无电压互感器接入的实际，故障定位方法的可操作性较差；其二，未准确反映分布式电源的输出特性，将分布式电源作为恒流源处理，影响到故障定位特别是精确故障定位的准确性；其三，多数故障定位仅仅满足粗略的故障定位要求，并未达到精确故障定位的目标，不能满足含分布式电源接入的配电网运行的需求。

综上，需研究符合工程实际的故障定位方法，满足逆变型分布式电源接入后配电网的精确故障定位需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种逆变型分布式电源接入配电网的故障定位方法，解决了现有故障定位不够精确的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种逆变型分布式电源接入配电网的故障定位方法，逆变型分布式电源接入配电网的典型模型中包括两条馈线：馈线1和馈线2；馈线1分别连接A母线、B母线、C母线，将馈线1所在线路划分为AB段、BC段；馈线2分别连接A母线、D母线，馈线2所在线路为AD段；该故障定位方法包括以下步骤：

步骤1，粗略故障定位

1)假设故障发生在AB区间，确定故障电流初始值；

2)将故障电流初始值带入故障定位方程式(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[V_u-s]^tZ·Y_sh[I_f]^*)

b＝Im(-[I_u-s]^tZ[I_f]^*)

c＝Im([V_u-s]^t[I_f]^*)

式中，m为故障距离，I_f为故障电流，V_u-s、I_u-s分别是故障点上游的首端三相电压及电流的列向量，Z、Y_sh分别是线路的单位阻抗矩阵及单位线路等效对地电容矩阵；

3)将m₁(1)、m₂(1)带入式(9)对故障电流进行更新，重新带入故障定位方程，求解得到故障位置m₁(2)和m₂(2)，依次类推，进行迭代计算，求解m₁(i)和m₂(i)；

I_u-m＝-C(m)V_u-s+D(m)I_u-s (9)

C(m)＝mY_sh+0.25m³Y_sh·Z·Y_sh

D(m)＝E+0.5m²Z·Y_sh

式中，E为3阶单位矩阵；

4)对于步骤3)每次求解出的故障位置m₁(i)和m₂(i)，都先要判断其敛散性，如果满足以下条件：

|m₁(i)-m₁(i-1)|＜δ

|m₂(i)-m₂(i-1)|＜δ

则m₁、m₂收敛，直接至步骤5)；如果不收敛，返回至步骤3)，继续进行迭代计算和收敛性判断，直至m₁、m₂收敛；上式中，δ为收敛半径；

5)判断m₁、m₂的值是否在区间AB的范围内，如果在区间AB内，保存故障位置m₁、m₂；若不在，说明该区间无故障点；

6)按照步骤1)～5)同样的方法分别对BC、AD段进行故障定位，得到满足条件的可能故障位置；

步骤2，精确故障定位

将粗略故障定位得到的第i个故障点对应的故障电流I_i-f视为注入电流源，形成回路电流方程，得到第i个故障点对应的变电站出线电压的计算值V_i-AC；计算变电站出线计算电压V_i-AC与实测电压V_A之间误差；按照该方法依次计算出步骤1得到的每个故障点对应的误差值，其中误差值最小对应的故障点为精确故障点。

其中，步骤2具体按照以下步骤实施：

1)将粗略故障定位得到的第i个可能故障点视为配电网新的节点，形成与新系统一致的节点导纳矩阵Y_i；

2)将粗略故障定位得到的第i个故障点对应的故障电流I_i-f视为注入电流源，形成回路电流方程，得到第i个故障点对应的变电站出线电压的计算值V_i-AC：

其中，为A母线的自阻抗，为A母线与B母线之间的互阻抗，为A母线与第i个故障点之间互阻抗，I_S为变电站出线总电流，为各个馈线首端电流之和；

3)通过下式计算变电站出线计算电压V_i-AC与实测电压V_A之间误差:

Error_i＝abs(V_i-AC-V_A)/abs(V_A)

4)重复步骤1)-3)，分别得到每个故障点对应的误差值，其中误差值最小对应的故障点为精确故障点。

进一步地，上述步骤1中收敛半径δ取10^-4。

本发明的有益效果是，(1)本发明的故障定位方法考虑了逆变型分布式电源的故障特性，仅利用变电站出线电压、各馈线首端电流及分布式电源并网电压就可实现精确故障定位，故障定位精度高。(2)该故障定位方法还考虑了线路的等效对地电容，该故障定位建立在较精确的线路模型基础上。(3)该故障定位方法不需要对故障类型进行判别，故障定位结果不受故障类型影响。

附图说明

图1为本发明中粗略故障定位原理示意图；

图2为本发明中含有逆变型分布式电源的典型配电网模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。

本发明首先建立一种考虑线路等效对地电容的故障定位方程，再利用该方程进行故障定位。

该故障定位方程的建立利用了通用的粗略故障定位模型，如图1粗略故障定位原理示意图所示，线路pq长度为l千米，距离线路首端m千米处发生横向故障时，故障点f将线路pq分为两部分，其中f点上游部分为u部分，f点下游部分为d部分，V_u-s、I_u-s分别是u部分的首端三相电压及电流的列向量(下文所涉及的电压、电流等电气量均为包含A、B、C三相信息的列向量)，V_u-m、I_u-m分别是u部分的末端三相电压及电流，V_d-s、I_d-s分别是d部分的首端三相电压及电流，V_d-m、I_d-m分别是d部分的末端三相电压及电流，I_f为故障电流。当考虑线路等效对地电容时，利用u部分的首端电压及首端电流，故障点f处的电压可表示为：

V_f＝D(m)V_u-s-B(m)I_u-s (1)

其中，

D(m)＝E+0.5m²Z·Y_sh (2)

B(m)＝mZ (3)

式中Z、Y_sh分别是线路pq的单位阻抗矩阵及单位线路等效对地电容矩阵，E为3阶单位矩阵，m为故障距离。

图1中，故障点处的复功率为：

S_f＝[V_f]^t[I_f]^* (4)

将式(2)、(3)带入式(4)可得：

S_f＝[V_u-s]^t[I_f]^*+0.5m²[V_u-s]^tZ·Y_sh[I_f]^*-m[I_u-s]^tZ[I_f]^* (5)

因过渡电阻的纯阻性性质，令故障点处的复功率虚部为零，即：

0＝Im([V_u-s]^t[I_f]^*+0.5m²[V_u-s]^tZ·Y_sh[I_f]^*-m[I_u-s]^tZ[I_f]^*) (6)

对式(6)进行整理，可得：

a·m²+b·m+c＝0 (7)

其中，

a＝Im(0.5[V_u-s]^tZ·Y_sh[I_f]^*)

b＝Im(-[I_u-s]^tZ[I_f]^*)

c＝Im([V_u-s]^t[I_f]^*)

式(7)即为本发明构建的考虑线路等效对地电容的故障定位方程，适用于任意类型的横向故障定位。将配电网中每一段区间线路的首端电压、电流及故障点处的故障电流分别带入式(7)，对其进行求解，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础上，针对逆变型分布式电源接入的配电网，研究其故障定位方法。图2所示为逆变型分布式电源接入配电网的典型模型，其中包括两条馈线：馈线1和馈线2。馈线1连接了三条母线：A母线、B母线、C母线，将馈线1所在线路划分为AB段、BC段；馈线2连接了两条母线：A母线、D母线，馈线2所在线路均为AD段。图2所示模型代表了逆变型分布式电源接入辐射状配电网的典型接线方式。并且依据配电网的实际假定：配电网故障前后的电压，各馈线的首端电流，以及配电网故障前后逆变型分布式电源的并网点电压均测量。

根据图2所示的典型逆变型分布式电源接入的配电网模型，本发明首先将馈线首端电压、电流以及分布式电源并网点电压测量值带入通用故障定位方程(7)，对配电网进行粗略故障定位；然后针对各个可能故障点发生故障时的配电网，建立回路电流方程解得配电网馈线首端电压，并将与实测量最接近的结果所对应的故障点作为精确的故障点。

本发明故障定位的具体步骤如下：

步骤1，粗略故障定位

1)假设故障发生在AB区间，利用式(8)确定故障电流初始值。

I_f＝I_ab-s-[I_ab-s]′ (8)

上式中，I_ab-s、[I_ab-s]′分别为故障后和故障前AB段线路首端测量三相电流。

2)将步骤1)中的故障电流初始值带入故障定位方程式(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)将m₁(1)、m₂(1)带入式(9)对故障电流进行更新，重新带入故障定位方程，求解得到故障位置m₁(2)和m₂(2)，依次类推，进行迭代计算，即，进行第i次迭代时，将m₁(i-1)和m₂(i-1)带入式(9)对故障电流进行更新，重新带入故障定位方程，求解得到故障位置m₁(i)和m₂(i)。

I_u-m＝-C(m)V_u-s+D(m)I_u-s (9)

上式中，V_u-s、I_u-s分别是u部分的首端三相电压及电流的列向量(下文所涉及的电压、电流等电气量均为包含A、B、C三相信息的列向量)，I_u-m是u部分的末端三相电流。C(m)、D(m)的定义如下：

C(m)＝mY_sh+0.25m³Y_sh·Z·Y_sh (10)

D(m)＝E+0.5m²Z·Y_sh (11)

上式中，Z、Y_sh分别是线路pq的单位阻抗矩阵及单位线路等效对地电容矩阵，E为3阶单位矩阵，m为故障距离。

4)对于步骤3)每次求解出的故障位置m₁(i)和m₂(i)，都先要判断其敛散性。如果满足以下条件：

|m₁(i)-m₁(i-1)|＜δ (12)

|m₂(i)-m₂(i-1)|＜δ (13)

则m₁、m₂收敛，直接至步骤5)；如果不收敛，返回至步骤3)，继续进行迭代计算和收敛性判断，直至m₁、m₂收敛。其中，δ为收敛半径，取10^-4。

5)判断m₁、m₂的值是否在区间AB的范围内，如果在区间AB内，保存故障位置m₁、m₂，若不在区间AB的范围内，说明该区间没有故障点。

6)假设故障发生在BC区间，按照步骤1)～5)同样的方法对BC段进行故障定位，得到满足条件的可能故障位置m₃、m₄。

7)假设故障发生在AD区间，按照步骤1)～5)同样的方法对AD段进行故障定位，得到满足条件的可能故障位置m₅、m₆。

步骤2，精确故障定位

8)将粗略故障定位得到的第i个可能故障点视为配电网新的节点，形成与新系统一致的节点导纳矩阵Y_i；

9)将粗略故障定位得到的第i个故障点对应的故障电流I_i-f视为注入电流源，形成回路电流方程，得到第i个故障点对应的变电站出线电压的计算值V_i-AC：

其中，为A母线的自阻抗，为A母线与B母线之间的互阻抗，为A母线与第i个故障点之间互阻抗，I_S为变电站出线总电流，为各个馈线首端电流之和。

10)通过式(15)计算变电站出线计算电压V_i-AC与实测电压V_A之间误差:

Error_i＝abs(V_i-AC-V_A)/abs(V_A) (15)

11)重复步骤8-10，分别得到t个(可能故障点得个数)故障点对应的误差值，其中误差值最小对应的故障点为精确故障点。

实施例

拓扑结构如图2所示的10kV配电网，模型中IIDG的容量为0.5MW，架空线路参数为r₁＝0.27Ω/km，x₁＝0.35Ω/km，线路等效对地电容参数C设置为3.18μF/km。馈线1末端负荷为1.3MVA，馈线2末端负荷为2.6MVA，功率因数为0.85。线路AB、BC、AD的长度分别为8km、4km、3km。AB段5km处发生单相接地故障(过渡电阻为0)时，故障定位的步骤如下：

1.粗略故障定位

1)假设故障发生在AB区间，利用式(8)确定故障电流初始值。

2)将该故障电流初始值带入故障定位方程式(7)，求解方程得到故障位置m₁(1),m₂(1)。

3)将m₁(i-1)和m₂(i-1)带入式(9)对故障电流进行更新，重新带入故障定位方程，进行下次迭代求解得到故障位置m₁(i)和m₂(i)。

3)判断m₁(i)和m₂(i)的收敛性，若不收敛则不断迭代直至满足收敛条件。得到AB段可能的故障点距离A母线4.9992km，BC段可能的故障点距离B母线0.0033km。AD段无可能故障点。

2.精确故障定位(如表1所示)

4)将线路AB上距离A母线4.9992km的故障点和线路BC上距离B母线0.0033km的故障点分别视为配电网新的节点，分别形成与新系统一致的节点导纳矩阵Y_i；

5)计算得到将线路AB上距离A母线4.9992km的故障点和线路BC上距离B母线0.0033km的故障点发生故障时，计算得到的A母线电压与实测电压的误差分别为9.65％和10.33％。

因此，精确的故障位置为距离A母线4.9992km的位置。

表1可能的故障点及精确故障点

从表1中可以看到，本文所提的故障定位方法可以有效排除伪故障点，实现精确定位。