一种基于电流极性比较的主动配电网故障定位方法及系统与流程

本发明属于电力系统电力线路故障定位的技术领域，尤其涉及一种基于电流极性比较的主动配电网故障定位方法及系统。

背景技术：

在电力系统中，故障的快速、准确定位是一个非常重要的环节，以保证电力系统的正常运行进而降低系统平均停电持续时间指标。

随着大量分布式电源(Distributed Generation，DG)接入配电网，配电网的规划、运行和控制等环节已成为智能配电网的热点问题。能够实现主动规划、主动管理和主动控制等功能的主动配电网技术无疑是解决这些问题的新思路。主动配电网由原来的含单一电源的辐射状网络变成了一个正常运行时功率与故障电流双向流动的有源网络，致使传统的保护和控制方法失效。主动配电网在发生故障时要求迅速实现故障隔离和非故障区域的供电恢复，而实现故障隔离和供电恢复的前提是故障定位，因此，研究主动配电网故障定位具有重要的意义。

传统的故障定位方法主要有阻抗法、电流比幅法、电流比相法、行波法和智能化方法等。阻抗法由于配电网的阻抗受环境因素影响较大，故障定位精度受限。电流比幅法仅适用于不含分布式电源的传统配电网，在主动配电网中失效。电流比相法虽然适用于含分布式电源的配电网，但是需要有电压互感器配合，而配电网馈电线路上一般不装设电压互感器，不能应用于主动配电网。行波法虽然不受分布式电源的影响，但是行波波头识别较困难。智能化方法是采用遗传算法、粒子群优化算法和神经网络等智能算法提高故障定位的搜索速度和容错能力，但是不适用于含分布式电源的主动配电网。

传统配电网中具有馈线终端单元(Feeder Terminal Unit，FTU)，但是FTU仅实现其数据采集的功能，FTU将采集到的数据上传至控制中心，由控制中心进行信息处理和智能决策，在控制中心中进行分析判断实现对配电网中线路故障的识别与定位，FTU根据控制中心的指令进行故障的隔离。在传统配电网中FTU没有主动控制功能，然而包含分布式电源的主动配电网要求配电终端和电力用户主动参与电网的管理和控制，要求FTU具有主动控制功能，实现故障定位和故障隔离。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，克服传统的故障定位方法无法应用于含有分布式电源的主动配电网中，或传统的故障定位方法在应用于主动配电网过程中故障定位精度低、识别困难、需要额外安装设备的问题，提供一种基于电流极性比较的主动配电网故障定位方法及系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于电流极性比较的主动配电网故障定位方法，所述方法步骤包括：

(1)主动配电网馈线各检测点的FTU实时检测馈线的相电流和零序电流，每个所述FTU依次根据其连续三个采样的相电流值和零序电流的变化量判断该检测点是否发生故障；

如果是，启动故障定位，进入步骤(2)；如果否，故障定位结果为无，进入步骤(6)；

(2)故障起始点的FTU记录自故障起始时刻开始的半个周波的电流信号，其他检测点的FTU以故障起始点FTU的故障起始时刻作为数据起始点，进行数据同步，记录半个周波的电流信号；

(3)各个检测点的FTU分别根据其记录的半个周波的电流信号计算电流极性值；

(4)从主动配电网馈线起始点起，各检测点FTU依次获取与本检测点相邻的下游检测点FTU计算的电流极性值，并且计算本检测点的电流极性值与下游检测点电流极性值的差值，并且根据该电流极性值的差值的绝对值判断本检测点与其下游检测点之间是否为故障区段；

(5)计算步骤(4)中判断出的故障区段中检测点的可信度，当可信度较低时进行故障定位容错处理，得到故障定位结果；

(6)将故障定位结果发送至控制中心。

优选的，所述步骤(1)的具体步骤为：

(1-1)：判断主动配电网的系统类型：若所述主动配电网为小电流接地系统，进入步骤(1-2)；若所述主动配电网为大电流接地系统，进入步骤(1-4)；

(1-2)：各检测点的FTU实时检测馈线的相电流和零序电流；

(1-3)：各检测点的FTU根据相电流故障定位启动判据判断是否发生短路故障；各检测点的FTU根据零序电流故障定位启动判据判断是否发生小电流接地故障；进入步骤(1-6)；

(1-4)：各检测点的FTU实时检测馈线的相电流；

(1-5)：各检测点的FTU根据相电流故障定位启动判据判断是否发生短路故障；

(1-6)：如果是，启动故障定位，进入步骤(2)；如果否，故障定位结果为无，进入步骤(6)。

优选的，所述小电流接地系统的判断依据为所述主动配电网为中性点非有效接地系统，所述大电流接地系统的判断依据为所述主动配电网为中性点直接接地系统。

优选的，为了避免干扰信号误启动故障定位，所述步骤(1-6)中在启动故障定位之前对步骤(1-3)以及步骤(1-5)的结果进行校验，若故障相电流有效值I_kp大于等于相电流故障可靠系数K_ekp与系统无故障时的相电流有效值I_p的乘积，则确定发生了短路故障；若故障零序电流有效值I_k0大于等于零序电流故障可靠系数K_ek0与系统无故障时的不平衡电流有效值I_un的乘积，则确定发生了小电流接地故障；

I_kp≥K_ekpI_p，其中，K_ekp＝2～3；

I_k0≥K_ek0I_un，其中，K_ek0＝2～3。

优选的，所述故障相电流有效值I_kp的计算公式为：

其中，i_p(k)为故障相第k个检测点的相电流瞬时值；N为半个周波的采样点数；

所述故障零序电流有效值I_k0的计算公式为：

其中，i₀(k)为故障零序电流第k个检测点的零序电流瞬时值；N为半个周波的采样点数。

优选的，所述步骤(3)中的电流极性值表示各检测点电流的极性，极性值为半个周波故障电流信号中正采样值或负采样值的个数；

当为正采样值时，判断为正极；

当为负采样值时，判断为负极；

当半个周波数据存在过零点时，即半个周波内既有正采样值又有负采样值，若正采样值个数和负采样值个数比较接近，则无法判断其极性；

因此，本发明只计算故障起始采样点至过零采样点之间的正采样值或负采样值个数，并将其作为该检测点的极性值。在采集的半个周波故障电流数据中既存在正采样值又存在负采样值时，只将初始的正采样值或初始的负采样值作为其极性值，不存在半个周波内正采样值和负采样值个数比较接近时无法判断其极性问题。

电流极性值PO的具体计算公式：

其中，PO为检测点极性值；sign(x)为符号函数；i(k)为故障电流的第k个采样值；M为故障电流在半个周波内穿越零点的起始采样点序号；N为半个周波的采样点数。

优选的，所述步骤(4)中，所述电流极性值的差值DI为本检测点的电流极性值PO_up减相邻下游检测点的电流极性值PO_do_wn；

DI＝PO_up-PO_do_wn；

所述判断为故障区段的具体判据为：所述电流极性值的差值DI的绝对值大于等于可靠系数k_rel与阈值的乘积T_h；

|DI|≥k_relT_h；

其中，当故障电流在半个周波内不穿越零点时，T_h＝N；当故障电流在半个周波内穿越零点时，T_h＝M；k_rel取0.5～0.8。

优选的，所述步骤(5)中，所述检测点的可信度F为电流极性可信度函数F_A和极性比较可信度函数F_P之和。

当所述检测点的可信度F大于等于0.5时，则可信度较高，即所述检测点与相邻下游检测点之间确定为故障区段，同时所述检测点的FTU将其故障定位结果发送至与其相邻的下游检测点FTU；

当所述检测点的可信度F小于0.5时，则可信度较低，所述检测点FTU向相邻下游检测点的相邻下游检测点发送召唤命令，获取其电流极性值进行故障区段判断与容错处理直至确定故障区段。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于电流极性比较的主动配电网故障定位系统，

该系统为应用一种基于电流极性比较的主动配电网故障定位方法的主动配电网，包括FTU和控制中心，各个所述FTU之间可通过所述FTU自带的通讯模块进行数据信息交互，所述FTU通过自带的通讯模块与所述控制中心通信。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于电流极性比较的主动配电网故障定位系统，

该系统为应用一种基于电流极性比较的主动配电网故障定位方法的含有高渗透率分布式电源的配电网，包括FTU和控制中心，各个所述FTU之间可通过所述FTU自带的通讯模块进行数据信息交互，所述FTU通过自带的通讯模块与所述控制中心通信。

本发明的有益效果：

1、本发明利用配电网原有的FTU的各项硬件模块进行方法上的创新，适用于主动配电网，在满足含分布式电源配电网精确故障定位条件下，可实现配电网快速故障定位

2、本发明基于电流极性比较的故障定位方法对于三相短路故障、两相短路故障、小电流接地故障和大电流接地故障均能实现正确的故障定位。由于故障定位算法是由馈线终端单元实现，且仅需要采集半个周波的信号，极性判断方法又非常简单，所以故障定位用时较短，适用于主动配电网的快速故障定位。

附图说明

图1为本发明的基于电流极性比较的故障定位方法的程序流程图；

图2为本发明的含分布式电源的馈电线路图；

图3为本发明的主动配电网仿真模型。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种基于电流极性比较的主动配电网故障定位方法，该方法通过馈线终端单元(FTU)实时检测故障电流，将电流突变时刻作为故障起始点，记录故障后半个周波故障电流信号，根据半个周波的数据计算其极性，通过比较相邻检测点故障电流的极性，实现故障定位。

一种基于电流极性比较的主动配电网故障定位方法，所述方法步骤包括：

(1)主动配电网馈线各检测点的FTU实时检测馈线的相电流和零序电流，每个所述FTU依次根据其连续三个采样的相电流值和零序电流的变化量判断该检测点是否发生故障；

如果是，启动故障定位，进入步骤(2)；如果否，故障定位结果为无，进入步骤(6)；

(2)故障起始点的FTU记录自故障起始时刻开始的半个周波的电流信号，其他检测点的FTU以故障起始点FTU的故障起始时刻作为数据起始点，进行数据同步，记录半个周波的电流信号；

(3)各个检测点的FTU分别根据其记录的半个周波的电流信号计算电流极性值；

(4)从主动配电网馈线起始点起，各检测点FTU依次获取与本检测点相邻的下游检测点FTU计算的电流极性值，并且计算本检测点的电流极性值与下游检测点电流极性值的差值，并且根据该电流极性值的差值的绝对值判断本检测点与其下游检测点之间是否为故障区段；

(5)计算步骤(4)中判断出的故障区段中检测点的可信度，当可信度较低时进行故障定位容错处理，得到故障定位结果；

(6)将故障定位结果发送至控制中心。

所述步骤(1)中，电流突变量故障定位启动判据是通过实时检测相电流和零序电流，比较连续三个采样值的变化量来判断配电网是否发生了故障。对于相电流的故障定位启动判据为：

式中，i_p(k)为第k个采样点的相电流瞬时值；i_p(k-2N)第k个采样点在一个周波前的相电流瞬时值，一个周波的采样点数为2N；K_ep为相电流限制系数，取K_ep＝0.2～0.4；K_ip为相电流比例系数，取K_ip＝2～4；I_p为系统无故障时相电流的有效值。

对于零序电流的故障定位启动判据为：

式中，i₀(k)为第k个采样点的零序电流瞬时值；i₀(k-2N)第k个采样点在一周波前的零序电流瞬时值，一个周波的采样点数为2N；K_e0为零序电流限制系数，取K_e0＝0.2～0.4；K_i0为零序电流比例系数，取K_i0＝2～4；I_un为系统无故障时不平衡电流的有效值。当满足上述启动判据时，FTU将第k个检测点作为故障起始点，记录故障后半个周波的故障电流信号。

为了避免干扰信号误启动故障定位，对采集的半个周波故障电流信号进行校验，如果满足了以下条件，则确定发生了故障，进行故障电流极性比较。

式中：I_kp为根据半个周波故障相电流计算的相电流有效值；I_p为系统无故障时的相电流有效值；K_ekp为相电流故障的可靠系数，取K_ekp＝2～3；i_p(k)为故障相第k个检测点的相电流瞬时值；N为半个周波的采样点数；

I_k0为根据半个周波故障零序电流计算的零序电流有效值；K_ek0为零序电流故障的可靠系数，取K_ekp＝2～3；I_un为系统无故障时不平衡电流的有效值；i₀(k)为故障零序电流的第k个检测点的零序电流瞬时值。

所述步骤(3)中，故障电流极性计算是通过计算半个周波故障电流中正采样值或负采样值的个数来判断的，当为正采样值时，判断为正极；当为负采样值时，判断为负极。但是，当半个周波数据存在过零点时，即半个周波内既有正采样值又有负采样值，若正采样值个数和负采样值个数比较接近，则无法判断其极性。因此，只计算故障起始采样点至过零采样点之间的正采样值或负采样值个数，并将其作为该检测点的极性。具体按如下公式计算：

式中，PO为检测点极性值；sign(x)为符号函数；i(k)为故障电流的第k个采样值；M为故障电流在半个周波内穿越零点的起始采样点序号；N为半个周波的采样点数。

所述步骤(4)中，根据上下游检测点故障电流的极性值差判断该区段是否发生故障，其具体判据如下：

|DI|≥k_relT_h (7)

DI＝PO_up-PO_down (8)

式中，DI为上下游检测点故障电流的极性值差；PO_up、PO_do_wn分别为上游检测点极性值、下游检测点极性值；T_h为阈值，当故障电流在半个周波内不穿越零点时，T_h＝N；当故障电流在半个周波内穿越零点时，T_h＝M；k_rel为可靠系数，取k_rel＝0.5～0.8。

所述步骤(5)中，由电流极性可信度函数和极性比较可信度函数组成的故障定位可信度函数F定义如下：

F＝F_A·down+F_P (9)

式中，F_A.dowm为下游检测点的极性可信度函数，对于相电流F_A＝F_Ap，对于零序电流F_A＝F_A0；F_p为本检测点的极性比较可信度函数；

当可信度函数值大于0.5时，则可信度较高，利用故障电流极性比较方法所确定的故障区段非常可靠，不需要其他辅助方法。

实施例1：

一种基于电流极性比较的主动配电网故障定位方法，

如图1所示为本发明的基于电流极性比较的故障定位方法的程序流程图。故障定位具体算法如下：

(1)首先判断系统是小电流接地系统还是大电流接地系统，

如果是小电流接地系统，则执行如下操作：

(a)实时检测各相电流并计算零序电流；

(b)根据公式(1)判断是否发生了相间短路故障，如果是，顺序执行如下操作；否则，转至步骤(d)；

(c)根据公式(3)确定是否真的发生了相间短路故障，如果是，则转至步骤(f)；否则，执行如下操作；

(d)根据公式(2)判断是否发生了小电流接地故障，如果是，顺序执行如下操作；否则，返回步骤(a)；

(e)根据公式(4)确定是否真的发生了小电流接地故障，如果是，顺序执行如下操作；否则，返回步骤(a)；

(f)采集半个周波的故障电流信号并计算其极性值；

(g)获取下游检测点的故障电流信号极性值，如果检测点未检测到故障电流，则其极性值为0；

(h)根据公式(7)判断是否满足故障定位条件，同时接收上游检测点的故障定位结果，如果本检测点满足故障定位条件且上游检测点不满足故障定位条件，则故障点位于本检测点与下游检测点之间；如果本检测点满足故障定位条件且上游检测点也满足故障定位条件，则故障点不在本检测点的下游；

(i)计算本检测点故障定位可信度，若可信度较大，则顺序执行下一步操作；若可信度较小或下游检测点未检测到故障电流，则将其下游检测点的下游检测点作为本检测点的下游检测点，返回步骤(g)；

(j)将本检测点故障定位结果上报控制中心并下传至下游检测点。

(2)如果系统是大电流接地系统，则执行如下操作：

(a)实时检测各相电流；

(b)根据公式(1)判断是否发生了短路故障，如果是，顺序执行如下操作；否则，返回步骤(a)；

(c)根据公式(3)确定是否真的发生了短路故障，如果是，顺序执行如下操作；否则，返回步骤(a)；

(d)采集半个周波的故障电流信号并计算其极性值；

(e)获取下游检测点的故障电流信号极性值，如果检测点未检测到故障电流，则其极性值为0；

(f)根据公式(7)判断是否满足故障定位条件，同时接收上游检测点的故障定位结果，如果本检测点满足故障定位条件且上游检测点不满足故障定位条件，则故障点位于本检测点与下游检测点之间；如果本检测点满足故障定位条件且上游检测点也满足故障定位条件，则故障点不在本检测点的下游；

(g)计算本检测点故障定位可信度，若可信度较大，则顺序执行下一步操作；若可信度较小或下游检测点未检测到故障电流，则将其下游检测点的下游检测点作为本检测点的下游检测点，返回步骤(e)；

(h)将本检测点故障定位结果上报控制中心并下传至下游检测点。

图2为本发明的含分布式电源的馈电线路图。结合图2对本发明的容错处理算法进行说明。当可信度函数值较小时，进行如下故障定位容错处理：当可信度函数值较小时将下游FTU忽略，重新进行故障定位。下面以图2为例对容错算法进行说明。图中，FTU₁、FTU₂、FTU₃分别是FTU₂、FTU₃、FTU₄的上游，FTU₂、FTU₃、FTU₄则分别是FTU₁、FTU₂、FTU₃的下游。假设故障位置在FTU₂和FTU₃之间，上游FTU₂计算的故障定位可信度函数值较小(小于0.5)，则FTU₂忽略FTU₃，向FTU₄发出召唤命令，接收FTU₄发送的极性值，并执行故障电流极性比较故障定位算法，如果满足故障定位的条件且可信度函数值较大(大于0.5)，则判定故障位置在FTU₂和FTU₄之间；如果不满足故障定位的条件或满足故障定位条件但可信度函数值较小(小于0.5)或FTU₄未检测到故障电流，则判定故障位于FTU₂和FTU3之间。

图3本为本发明的主动配电网仿真模型。该模型是一个典型的带有分布式电源和6条馈线的放射式10kV配电网。馈电线路的正序阻抗为Z₁＝(0.17+j0.38)Ω/km，正序对地导纳为b1＝j3.045μs/km，零序阻抗为Z₀＝(0.23+j1.72)Ω/km，零序对地导纳为b₀＝j1.884μs/km，线路长度为L₁＝3km，L₂＝6km，L₃＝9km，L₄＝12km，L₅＝15km，L₆＝20km。负载均为三角形联接的负载，每相负载阻抗为Z_L＝(67+j50)Ω。

下面利用该模型对上述故障定位方法进行仿真分析。针对k₁点发生的4类故障验证以上故障定位方法，四类故障分别是：三相短路故障、两相短路故障(AB)、小电流接地故障(A相)和大电流接地故障(A相)。各检测点计算的故障电流极性值差分别如表1所示，表中符号“—”表示该检测点未检测到故障电流不参与极性比较。

表1故障电流极性值差

对于k₁点发生的三相故障，由表1可知，FTU₆₁与其下游FTU₆₂的A相和B相故障电流极性值差均为0，取T_h＝N＝64，k_rel＝0.7，不满足公式(7)，所以A相和B相在FTU₆₁与FTU₆₂之间不是故障区段；FTU₆₁与其下游FTU₆₂的C相故障电流极性值差为5，取T_h＝M＝37，k_rel＝0.7，不满足公式(7)，所以C相在FTU₆₁与FTU₆₂之间也没有故障，即在FTU₆₁与FTU₆₂之间没有短路故障。FTU₆₂与其下游FTU₆₃的A相和B相故障电流极性值差分别为-128和128，取T_h＝N＝64，k_rel＝0.7，满足公式(7)，所以A相和B相在FTU₆₂与FTU₆₃之间是故障区段；FTU₆₂与其下游FTU₆₃的C相故障电流极性差为-71，取T_h＝M＝42，k_rel＝0.7，满足公式(7)，所以C相在FTU₆₂与FTU₆₃之间也是故障区段，即在FTU₆₂与FTU₆₃之间存在三相短路故障。由于FTU₆₄没有检测到故障电流，所以其故障电流极性值为0。虽然FTU₆₃的A、B、C三相的故障电流也分别满足公式(7)，但是，由于其上游FTU₆₂已经判断出FTU₆₃上游存在故障，所以FTU₆₃判定其下游不存在故障，故障定位结果正确。

对于k₁点发生的AB两相短路故障，根据公式(7)，利用类似上述故障定位判定方法，FTU₆₂判断出在其下游FTU₆₂与FTU₆₃之间存在AB两相故障，FTU₆₂将其故障定位结果发生给FTU₆₃，将FTU₆₃的故障定位结果取消。最终判断故障区段位于FTU₆₂与FTU₆₃之间，发生了两相短路故障，故障定位结果正确。

对于k₁点发生的A相小电流接地故障，根据公式(7)，利用类似上述故障定位判定方法，FTU₆₂判断出在其下游FTU₆₂与FTU₆₃之间存在小电流接地故障，FTU₆₂将其故障定位结果发生给FTU₆₃，将FTU₆₃的故障定位结果取消。最终判断故障区段位于FTU₆₂与FTU₆₃之间，发生了单相接地故障，故障定位结果正确。

对于k₁点发生的A相单相接地短路故障，根据公式(7)，利用类似上述故障定位判定方法，FTU₆₂判断出在其下游FTU₆₂与FTU₆₃之间存在A相单相接地短路故障，FTU₆₂将其故障定位结果发生给FTU₆₃，将FTU₆₃的故障定位结果取消。最终判断故障区段位于FTU₆₂与FTU₆₃之间，发生了单相接地短路故障，故障定位结果正确。

由以上仿真结果可知，基于电流极性比较的故障定位方法对于三相短路故障、两相短路故障、小电流接地故障和大电流接地故障均能实现正确的故障定位。由于故障定位算法是由馈线终端单元实现，且仅需要采集半个周波的信号，极性判断方法又非常简单，所以故障定位用时较短，适用于主动配电网的快速故障定位。

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。