一种配电网单相故障的在线定位方法与流程

本发明的实施例涉及电力系统故障定位领域，尤其涉及一种配电网单相故障的在线定位方法。

背景技术：

为最大限度保障供电可靠性，我国中压配电网大多属于小电流接地系统，可在系统内发生单相接地故障后一段时间内不停电运行；同时，为避免长期带故障运行所导致的绝缘损坏、故障范围扩大等问题出现，单相故障的快速识别与隔离十分重要。

现阶段，上述问题需先后借助故障诊断、故障选线及故障定位三步解决：首先以母线处三倍零序电压超过整定值为故障启动判据，根据母线处相电压关系确定故障类型及故障相别实现故障诊断；利用各条出线首端电气量，结合电压特征完成故障选线；最后在此线路上横向搜索以确定故障具体位置。

由于变电站内母线及出线处装设有大量电流或电压传感器，可获取包含零序电压、零序电流等丰富的电气量，所以目前为止实现前两步的技术较为成熟。然而，由于母线出线的下级分支线路众多且可观测量严重不足，使得现有的基于零序电流的故障判别方法存在诸多不足。

例如，以五次谐波法、电容电流法及首半波法为代表的无源定位法，较为依赖零序电流的获取，但由于下级分支线路的零序互感器或零序过滤器结构复杂、价格昂贵、安装不便，一旦安装或替换则需重新选择与之匹配的分段开关，因而无法广泛用于架空线路，且由于误差较大影响判别结果的可靠性；现有技术中，以S注入法、中电阻投切法为代表的有源定位法往往硬件投资巨大，注入间谐波易对其他智能设备造成影响，尤其是采用中电阻投切法时改变了电网原有的中性点接地性质，破坏了其单相故障场景下的可靠性优势；现有技术中基于故障测距的定位故障的方案，如行波法等，存在着需要多端时间同步、波头难以检测、受过渡电阻影响的固有缺陷以外，对参数不均匀的配电网效果不理想；现有技术中还有基于遗传算法、专家系统及模拟进化算法等智能算法的定位故障的方案，虽然有着良好的容错性，但严重依赖于专家经验知识，评价函数构造复杂、对配电网结构变化适应性较低。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种配电网单相故障的在线定位方法，能够不依赖于零序电流即可判定故障电路，一步到位地实现配电网单相接地故障的快速在线定位。

为了达成上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：

提供一种配电网单相故障的在线定位方法，配电网包括数据采集与监视控制系统SCADA以及K个远程终端单元RTU，所述K个RTU中，一个RTU用于监测配电网主变压器低压侧在首端的三相电流，其他RTU用于监测馈线以及下级分支馈线在首端的三相电流，馈线的数量≥1，一条馈线对应的下级分支馈线的数量≥0；

配电网单相故障的在线定位方法包括：

当SCADA确定单相故障的判定条件满足时，向所述K个RTU发送相电流录波命令；所述相电流录波命令包括SCADA所确定的故障发生时刻以及故障相信息；

所述K个RTU采样故障发生时刻前后M周波的故障相电流信号，并通过小波变换得到有效能量，将有效能量发送至SCADA；其中，M为预设值，M≥1，有效能量为故障暂态的各特征频带小波能量之和；

SCADA根据所述K个RTU返回的有效能量，从所述K个RTU所监测的线路中判定发生单相故障的线路。

本发明的实施例所提供的配电网单相故障的在线定位方法，根据故障发生时刻各线路电流信号的有效能量，判定发生单相故障的线路，借助现有配电自动化装置及通道即可实现，无需额外硬件投资；不依赖于难以获取的零序电流，现场实用性高；对配电网线路参数不敏感，可适应架空线-电缆混联配网；可一步到位地实现故障的在线诊断、选线及定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为配电网结构的说明示意图；

图2为本发明的实施例所提供的配电网单相故障的在线定位方法流程示意图；

图3为本发明的实施例中SCADA判定出现单相故障的逻辑示意图；

图4为本发明的实施例中小波分解及有效能量计算方法流程示意图；

图5为本发明的实施例中SCADA判定单相故障线路的流程示意图。具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本发明的实施例提供一种配电网单相故障的在线定位方法，结合图1所示的配电网结构图，配电网装设有数据采集与监视控制系统(英文全称：SupervisoryControlAndDataAcquisition，英文简称：SCADA)101，以及K个远程终端单元(英文全称：RemoteTerminalUnit，英文简称：RTU)102。

K个RTU102中，其中一个RTU102用于监测配电网主变压器低压侧在首端的三相电流，其他RTU102分别用于监测馈线以及下级分支馈线在首端的三相电流。图1中只对部分RTU添加了图标。

实际情况下，配电网的所有馈线中，可以部分或者全部装设RTU，本发明的实施例仅考虑装设有RTU的馈线。本申请的实施例中，后文所提到的“馈线”，皆指首端装设有RTU的馈线。

图1中L0为母线，L1-L9为各级馈线。以L2为例，其下级分支馈线包括L6、L7、L8、L9，其中，直连的下级馈线为L6、L7。也就是说，L2是L6和L7直连的上级馈线。

结合图2所示，本发明的实施例所提供的配电网单相故障的在线定位方法，具体包括以下步骤：

201、当SCADA确定单相故障的判定条件满足时，向K个RTU发送相电流录波命令。

单相故障的判定条件包括：母线处三相电压其中一相跌落、另外两相抬升。

SCADA确定出现单相故障后，向各RTU发送故障相电流录波命令，相电流录波命令包括SCADA所确定的故障发生时刻以及故障相信息。其中，故障时刻为发生单相故障的时刻。

202、K个RTU采样故障发生时刻前后M周波的故障相电流信号，并通过小波变换得到有效能量，将有效能量发送至SCADA。

M为预设值，M≥1，本实施例中以M的取值具体为3的情况为例进行说明。即RTU在接收到相电流录波命令之后，采样故障发生时刻前后三周波的故障相电流信号。可选的，RTU采样频率可设为20kHz。

经过采样后，RTU通过小波变换将采样信号分解，选取故障暂态的特征频带，计算得到各特征频带的小波能量之和作为有效能量。各个RTU计算得到各自对应的有效能量，将有效能量发送至SCADA。

203、SCADA根据K个RTU返回的有效能量，从K个RTU所监测的线路中判定发生单相故障的线路。

可选的，SCADA从配电网主变压器低压侧RTU返回的有效能量开始，按照从上级馈线到下级馈线的顺序，逐级判断被监测馈线对应RTU所返回的有效能量，直到确定发生单相故障的线路。

具体的，针对一条馈线，SCADA将对应RTU计算所得有效能量与各直连的下级馈线相比较，选取有效能量比该条馈线对应的有效能量大的下级馈线，逐级向下级馈线搜索，不断寻找有效能量大于本级馈线的下级馈线。搜索过程中，出现以下三种情况中任一种时，即可确定发生单相故障的线路。

第一种情况，单相故障发生在母线上。

当确定配电网主变压器低压侧对应的有效能量大于所有母线直连出线对应的有效能量之和时，SCADA判定母线为发生单相故障的线路。

为便于描述，本实施例中用“馈线X”、“馈线Y”这样的描述来特指某一条馈线。

第二种情况，单相故障发生在馈线上，且该故障馈线不是最末级馈线。

以馈线Y做示例性说明，当确定馈线Y对应的有效能量大于直连的上级馈线对应的有效能量，且馈线Y对应的有效能量大于直连的每一下级馈线对应的有效能量之和时，SCADA判定馈线Y为发生单相故障的线路。

结合图1所示，假设L7为发生单相故障的线路，即L7为馈线Y。此时，L2＞L0，L1＜L0，L3＜L0。由于L2＞L0，因此在与L2直连的下级馈线中搜索有效能量大于L2对应有效能量的馈线，确定L7＞L2。继续向下一级馈线(L8和L9)搜索，由于L8和L9未发生故障，因此L8＜L7且L9＜L7，此时判定L7为发生单相故障的线路。

第三种情况，单相故障发生在最末级馈线上。

以馈线X做示例性说明，当确定馈线X对应的有效能量大于直连的上级馈线对应的有效能量，且馈线X为末级馈线时，SCADA判定馈线X为发生单相故障的线路。

结合图1所示，以L4作为馈线X进行说明。SCADA从配电网主变压器低压侧RTU返回的有效能量开始判断，L1对应的有效能量大于L0对应的有效能量，L2和L3对应的有效能量小于L0对应的有效能量，为便于描述，分别计作：L1＞L0，L2＜L0，L3＜L0。

由于L1＞L0，因此在与L1直连的下级馈线中搜索有效能量大于L1对应有效能量的馈线。当确定L4＞L1且L5＜L1，本应沿着L4继续向下搜索，然而L4下级不存在任何分支馈线，随即可以判定L4为发生单相故障的线路。或者，由于L1仅有L4、L5两条馈线，如果L1＞L0，且L5＜L1，则可间接确定L4＞L1，此时可判定L4为发生单相故障的线路。

将母线至发生单相故障的线路之间的馈线称作故障路径，则L4为发生单相故障的线路时，故障路径包括L1和L4。

结合图5，在一种具体的实施方式中，SCADA逐级搜索并最终判定发生单相故障的线路的完整过程，说明如下：

不失一般性，考虑集电线路一共有n级(n≥1)的情况，其中第1，2，…，m级馈线中均各存在一条处在故障路径上的线路(1≤m≤n)。各级处于故障路径的线路分别有KN(N＝1,2,…,n)条直连的下级分支线路，假设在这些线路中，第jN条落在主路径上。

S1、SCADA实时检测母线三相电压信号，计为Ua、Ub、Uc。当任意一相电压跌落至0.8pu以下，同时另外两相上升至1.2pu以上，即判定配电网内出现单相故障，判定故障的逻辑如图3所示。

S2、各RTU收到录波命令后以记录故障时刻前后三周波的故障相电流信息，采样频率为20kHz。

S3、各RTU对故障相电流信号进行小波变换，小波函数取为db5，经如图4所示的五层分解后得到如下几个频段：A5(0Hz～312.5Hz)、D5(312.5Hz～625Hz)、D4(625Hz～1250Hz)、D3(1.25kHz～2.5kHz)、D2(2.5kHz～5kHz)以及D1(5kHz～10kHz)。为除去故障相电流中叠加的工频成分以及单相接地故障时系统内部出现的3、5次谐波，有效能量的计算方法如式(1)所示：

式(1)中，x代表从频带D1至D5，Kx代表相应频带的离散小波变换(英文全称：Discrete wavelettransform，英文简称：DWT)点数目。

S4、各RTU将对应线路的有效能量传递至SCADA综合判别单元，SCADA综合判别单元接受完整信息后启动故障搜索程序。

S5-1、SCADA初始化搜索次数N＝1、当前已知的处于故障主路径的第N级馈线i＝j0。

S5-2、检验KN的值，若KN>0，跳转至S6，否则直接转至S8。

S6、记Ej0为主变低压侧RTU上传的有效能量，则N<m时表明尚未搜寻到故障线路，此时由于故障点上游零序阻抗远小于故障点下游，可知：

根据式(2)构造搜索判据：

其中，Kset为可靠系数，取Kset＝1.2。计算Ei/E1，Ei/E2，…Ei/EKN，当确定式(3)成立时则重置i与N的值，使之分别为i＝jN、N＝N+1，确定第N级线路的下级直连线路条数KN，重新计算Ei/E1，Ei/E2，…Ei/EKN，并重新判定是否满足式(3)。若否，则跳转至S7。

S7、当N≥m时，线路首端测得的有效能量值与每一下级直连分支线路之比均大于Kset，jN不再存在，此时有：

EN-1＞＞Ei(i＝1,2,...,KN) (4)

根据式(4)构造搜索判据：

式(5)成立时跳转至S8。

S8、检验N的值，若N＝1，则判定母线为发生单相故障的线路。

若N>1，则故障点在第N级分支线路上，具体为第N-1级处于故障主路径上的线路所直连的第i条下级分支线路。

另外，S5-2中，若因为KN＝0而跳转至S8，则立即结束搜索并确定当前搜索到的线路为故障线路。

本发明的实施例所提供的配电网单相故障的在线定位方法，根据故障发生时刻各线路电流信号的有效能量，能够不依赖于零序电流，一步到位地在线完成单相故障线路的判定，现场实用性高。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。