消弧线圈并联小电阻接地方式下的行波测距方法和系统与流程

本发明涉及电力系统技术领域，尤其是涉及消弧线圈并联小电阻接地方式下的行波测距方法和系统。

背景技术：

我国10-35kv中压配电网普遍采用中性点经消弧线圈接地方式，发生单相接地故障后的故障定位问题长期以来困扰供电运行部门。配电网单相接地故障定位技术可以分为区段定位和故障测距两类，区段定位技术用来确定故障所在的区段，通常定位到两个ftu、dtu或者故障指示器之间。故障测距技术则是计算出故障点距离母线或者检测装置的准确距离。区段定位技术目前在一定程度上得到了实用化，但是故障测距的难度依旧较大。

故障测距技术包括阻抗法和行波法两类，行波法由于受故障点过渡电阻影响较小、对线路参数准确度要求不高等优点得到了广泛的关注。行波法根据利用的信号类型可以分为利用故障产生的行波测距方法和利用注入信号产生的行波方法两种。利用故障信号测距方法的一个共同问题是，如果在电压接近过零点时发生故障，则故障产生的行波信号微弱，易造成较大测距误差。

综上所述，现有技术中缺少能够有效对故障进行测距的方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供消弧线圈并联小电阻接地方式下的行波测距方法和系统，本发明采用带电运行时注入信号的方式，无需增加一次设备投资，利用现有的并联小电阻即可完成测距，且需要装置较少，无需进行同步采样，降低整体成本，测距的准确性获得显著提升。

第一方面，本发明实施例提供了消弧线圈并联小电阻接地方式下的行波测距方法，包括：

获取故障信息，并根据所述故障信息判断故障类型；

在所述故障类型为单相接地故障的情况下，投入与消弧线圈并联的小电阻；

根据投入所述小电阻前、后的电流波形计算电流行波零模分量和线模分量波头的到达时刻之差，并根据所述到达时刻之差判断故障点所在的故障区域；

结合所述故障点所在的故障区域，根据故障区段定位方法确定故障区段；

判断故障线路的类型，并根据判断结果计算变电站检测装置到故障点的初步测算故障距离；

对所述初步测算故障距离进行修正得到最终测算故障距离。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述投入与消弧线圈并联的小电阻包括：

变电站控制器在判断发生所述单相接地故障后延迟一段预设时间；

在延迟所述预设时间后，选择中心点电压最高时投入与消弧线圈并联的小电阻。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述根据投入所述小电阻前、后的电流波形计算电流行波零模分量和线模分量波头的到达时刻之差包括：

配电网检测装置根据零序电流超过定值启动记录电流波形；

记录投入所述小电阻前、后的若干个电流波形；

根据所述电流波形识别电流行波零模分量波头到达时刻和线模分量波头到达时刻；

计算所述零模分量波头到达时刻和所述线模分量波头到达时刻的差值。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述根据所述到达时刻之差判断故障点所在的故障区域包括：

假设所述故障点发生于线路两端点处，分别计算两端点处的零模分量波头到达时刻和线模分量波头到达时刻的差值，分别得到第一差值和第二差值；

获取实际故障点产生的所述零模分量波头和所述线模分量波头的到达时刻之差作为第三差值；

判断所述第三差值是否在所述第一差值和所述第二差值构成的区间范围内；

如果在，则判断出所述实际故障点所在的所述故障区域。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述结合所述故障点所在的故障区域，根据故障区段定位方法确定故障区段包括：

通过布置检测装置将配电网络划分为多个区段；

获取故障发生时的工频电流幅值变化情况；

利用拓扑分析方法，并结合所述故障区域确定故障点所在的所述故障区段。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述判断故障线路的类型，并根据判断结果计算变电站检测装置到故障点的初步测算故障距离包括：

判断所述故障线路为单一类型线路还是混合类型线路；

如果为单一类型线路，则根据所述零模分量和所述线模分量的波速确定所述初步测算故障距离；

如果为混合类型线路，则根据结合所述故障区域和所述故障区段计算结果确定所述初步测算故障距离。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述对所述初步测算故障距离进行修正得到最终测算故障距离包括：

获取所述故障区段的上游所有检测装置数量；

根据所述检测装置数量确定所述最终测算故障距离。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述根据所述检测装置数量确定所述最终测算故障距离包括：

判断所述检测装置数量是否大于2；

如果所述检测装置数量不大于2，则所述最终测算故障距离为所述初步测算故障距离的平均值；

如果所述检测装置数量大于2，则所述最终测算故障距离为所述初步测算故障距离经过最小二乘线性拟合的结果。

结合第一方面的第七种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，根据下式计算在检测装置数量大于2情况下的所述最终测算故障距离：

其中，lf为所述最终测算故障距离，wi为每个所述检测装置的权重，且满足lfi为每个所述检测装置计算得到的所述初步测算故障距离，n为所述检测装置的数量，m为剔除的不良坏数据所在位置。

第二方面，本发明实施例提供了消弧线圈并联小电阻接地方式下的行波测距系统，包括：

故障信息判断单元，用于获取故障信息，并根据所述故障信息判断故障类型；

小电阻投入单元，用于在所述故障类型为单相接地故障的情况下，投入与消弧线圈并联的小电阻；

波形记录单元，用于根据投入所述小电阻前、后的电流波形计算电流行波零模分量和线模分量波头的到达时刻之差，并根据所述到达时刻之差判断故障点所在的故障区域；

故障区段确定单元，用于结合所述故障点所在的故障区域，根据故障区段定位方法确定故障区段；

初步距离测算单元，用于判断故障线路的类型，并根据判断结果计算变电站检测装置到故障点的初步测算故障距离；

最终距离测算单元，用于对所述初步测算故障距离进行修正得到最终测算故障距离。

本发明提供了消弧线圈并联小电阻接地方式下的行波测距方法和系统，包括获取故障信息，判断故障类型；在单相接地故障的情况下，投入与消弧线圈并联的小电阻；根据投入小电阻前、后的电流波形计算电流行波零模分量和线模分量波头的到达时刻之差，并根据到达时刻之差判断故障点所在的故障区域；结合故障点所在的故障区域，根据故障区段定位方法确定故障区段；计算变电站检测装置到故障点的初步测算故障距离；对初步测算故障距离进行修正得到最终测算故障距离。本发明采用带电运行时注入信号的方式，无需增加一次设备投资，利用现有的并联小电阻即可完成测距，且需要装置较少，无需进行同步采样，降低整体成本，测距的准确性获得显著提升。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的消弧线圈并联小电阻接地方式下的行波测距方法流程图；

图2为本发明实施例提供的多分支配电网示意图；

图3为本发明实施例提供的单条线路含多段混合线路图；

图4为本发明实施例提供的最小二乘线性拟合图；

图5为本发明实施例提供的ftu9电流线模分量图；

图6为本发明实施例提供的ftu9电流零模分量图；

图7为本发明实施例提供的ftu9电流线模、零模分量小波变换结果图；

图8为本发明实施例提供的ftu9电流线模、零模分量小波变换结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

现有技术中缺少能够有效对故障进行测距的方法。基于此，本发明实施例提供的消弧线圈并联小电阻接地方式下的行波测距方法和系统，采用带电运行时注入信号的方式，无需增加一次设备投资，利用现有的并联小电阻即可完成测距，且需要装置较少，无需进行同步采样，降低整体成本，测距的准确性获得显著提升。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的消弧线圈并联小电阻接地方式下的行波测距方法进行详细介绍。

实施例一：

参照图1，消弧线圈并联小电阻接地方式下的行波测距方法，包括：

步骤s101，获取故障信息，并根据故障信息判断故障类型；

步骤s102，在故障类型为单相接地故障的情况下，投入与消弧线圈并联的小电阻；

步骤s103，根据投入小电阻前、后的电流波形计算电流行波零模分量和线模分量波头的到达时刻之差，并根据到达时刻之差判断故障点所在的故障区域；

步骤s104，结合故障点所在的故障区域，根据故障区段定位方法确定故障区段；

步骤s105，判断故障线路的类型，并根据判断结果计算变电站检测装置到故障点的初步测算故障距离；

步骤s106，对初步测算故障距离进行修正得到最终测算故障距离。

进一步地，投入与消弧线圈并联的小电阻包括：

变电站控制器在判断发生单相接地故障后延迟一段预设时间；

在延迟预设时间后，选择中心点电压最高时投入与消弧线圈并联的小电阻。

进一步地，根据投入所述小电阻前、后的电流波形计算电流行波零模分量和线模分量波头的到达时刻之差包括：

配电网检测装置根据零序电流超过定值启动记录电流波形；

记录投入小电阻前、后的若干个电流波形；

根据电流波形识别电流行波零模分量波头到达时刻和线模分量波头到达时刻；

计算零模分量波头到达时刻和线模分量波头到达时刻的差值。

具体地，由于配电网线路较短，因此可以忽略线路参数的频变特性，近似假设在一种线路中行波线模分量和零模分量的波速唯一。同时假设三相线路对称，这样经过凯伦贝尔变换后可以完全解耦。

如图2所示，设k点发生a相接地故障，当中性点的小电阻被投入后，相当于从中性点注入了一个行波。当行波沿三相线路相故障点k传播的过程中，三相电流的幅值变化是一致的，根据上述凯伦贝尔变换可知，不会产生线模分量，只有零模分量沿线路传播。当零模分量到达分支点或者线路末端时，在三相对称线路中发生反射和折射，而线模分量仍然为零。但是，当行波到达故障点时，情况发生了变化。故障相a相的波形传输到故障点时，由于在故障点处波阻抗不连续被反射，而另外两相电流行波在正常b、c相中继续传播到线路末端。因此，ab、ac线模分量和三相零模分量都沿着线路反射回到母线，而且ab、ac线模分量到达母线的第一个波头一定是故障点反射产生的。

由上所述，本实施例提出：检测线模分量反射行波波头到达时刻来进行单相接地故障测距的方法。设图2中k点与位于线路始端的ftu4的距离为lf，δt为在ftu4检测到行波零模分量突变后又检测到ab或ac线模分量突变所经过的时间，v1、v0分别为行波线模分量和零模分量在线路上的波速。

进一步地，根据到达时刻之差判断故障点所在的故障区域包括：

假设故障点发生于线路两端点处，分别计算两端点处的零模分量波头到达时刻和线模分量波头到达时刻的差值，分别得到第一差值和第二差值；

获取实际故障点产生的零模分量波头和线模分量波头的到达时刻之差作为第三差值；

判断第三差值是否在第一差值和第二差值构成的区间范围内；

如果在，则判断出实际故障点所在的故障区域。

进一步地，结合故障点所在的故障区域，根据故障区段定位方法确定故障区段包括：

通过布置检测装置将配电网络划分为多个区段；

获取故障发生时的工频电流幅值变化情况；

利用拓扑分析方法，并结合故障区域确定故障点所在的故障区段。

具体地，如图2所示的配电网络，已通过布置检测装置将网络划分为多个区段。如果故障发生在k点a相,ftu4、ftu5、ftu7以及ftu9将能够检测到a相的工频电流幅值发生较大变化，而其他检测装置则检测不到工频电流幅值的变化，这样可以通过拓扑分析快速确定故障位于ftu9之后的p-q段线路。针对更加复杂的网络可以采用其他较为成熟的区段定位方法，此处不再赘述。

进一步地，判断故障线路的类型，并根据判断结果计算变电站检测装置到故障点的初步测算故障距离包括：

判断故障线路为单一类型线路还是混合类型线路；

如果为单一类型线路，则根据零模分量和线模分量的波速确定初步测算故障距离；

如果为混合类型线路，则根据结合故障区域和故障区段计算结果确定初步测算故障距离。

具体地，公式(1)给出了单一类型线路的测距公式，但是实际配电网往往是架空线和电缆混合线路。由于电缆和架空线的参数不同，二者的波速也存在差异，因此在混合线路的应用中公式(1)需要进行改进。

如果混合线路中包含多段的架空线路和电缆线路，则需要首先判定故障具体发生在哪一段架空线路或者电缆线路上，称为故障区域判断。判定方法可以根据线模和零模电流分量到达时间差的大小来判定。例如图3所示是一段具有m段架空线，n段电缆间隔相连的线路，hi与jl为电缆，ij与ln为架空线。假设故障分别发生在i、j两个节点，线模分量和零模分量到达ftu的时间差分别为δti、δtj。如果实际故障点产生的线模分量和零模分量到达ftu的时间差δt在δti<δt<δtj范围内，那么可认为该故障发生在ij段线路。与此类似，可以判断故障点所在的故障区域。

若故障发生在线路中第k段线路，且为电缆线路，则根据ftu检测装置检测到的线模和零模分量时间差，包含多段混合线路的计算故障距离的过程可以总结为：

公式(2)为故障发生在电缆线路时的计算公式，式(3)为故障发生在架空线路时的故障距离。其中loverhead为除故障点所在架空线路以外从故障点到ftu的所有架空线路的长度，lcable为除故障点所在电缆线路以外从故障点到ftu的所有电缆线路的长度，loc＝loverhead+lcable。

进一步地，对初步测算故障距离进行修正得到最终测算故障距离包括：

获取故障区段的上游所有检测装置数量；

根据检测装置数量确定最终测算故障距离。

进一步地，根据检测装置数量确定最终测算故障距离包括：

判断检测装置数量是否大于2；

如果检测装置数量不大于2，则最终测算故障距离为初步测算故障距离的平均值；

如果检测装置数量大于2，则最终测算故障距离为初步测算故障距离经过最小二乘线性拟合的结果。

具体地当确定故障区段后，该区段上游的所有检测装置的数据都可以用来进行测距，将多检测装置信息融合将能够有效提高测距的准确性。

假设检测装置数量为n，当n≥3时，对这些检测装置计算得到的故障距离进行最小二乘线性拟合之后剔除不良数据，设第m个数据为坏数据，利用余下n-1个数据加权平均可以得到最终故障距离。根据下式计算在检测装置数量大于2情况下的最终测算故障距离：

其中，lf为最终测算故障距离，wi为每个检测装置的权重，且满足lfi为每个检测装置计算得到的初步测算故障距离，n为检测装置的数量，m为剔除的不良坏数据所在位置。

例如故障发生在图2所示网络中s区段pk段线路上，那故障上游可以测到的数据有ftu4、ftu5、ftu7以及ftu9共4个数据，假设得到4个距母线的故障距离分别为lf1、lf2、lf3、lf4，则最小二乘拟合图如图4所示。可以看出第二个数据(ftu5)距离拟合曲线最远，认为其为不良数据，会导致测距精度降低，所以将其剔除。利用公式(4)对其余的三个数据进行计算，求出最终的故障距离。

目前，为了提高单相接地的故障选线正确性，中性点经消弧线圈与小电阻并联接地方式被越来越广泛地应用于中压配电网中。本发明实施例提出在发生永久性单相接地故障后自动投入并联小电阻，利用小电阻产生的行波进行故障测距的策略。该方法属于带电运行时注入信号的方式，具有如下优点：(1)无需增加一次设备投资，利用现有的并联小电阻即可完成测距；(2)需要装置较少，且无需进行同步采样，降低整体成本；(3)能够在电压最大值时注入信号，有效的提高了行波信号强度，提高了测距的准确性。理论分析和仿真实验证明了本文所提出的故障测距方法的准确性和有效性。

实施例二：

消弧线圈并联小电阻接地方式下的行波测距系统包括：

故障信息判断单元，用于获取故障信息，并根据所述故障信息判断故障类型；

小电阻投入单元，用于在所述故障类型为单相接地故障的情况下，投入与消弧线圈并联的小电阻；

波形记录单元，用于根据投入所述小电阻前、后的电流波形计算电流行波零模分量和线模分量波头的到达时刻之差，并根据所述到达时刻之差判断故障点所在的故障区域；

故障区段确定单元，用于结合所述故障点所在的故障区域，根据故障区段定位方法确定故障区段；

初步距离测算单元，用于判断故障线路的类型，并根据判断结果计算变电站检测装置到故障点的初步测算故障距离；

最终距离测算单元，用于对所述初步测算故障距离进行修正得到最终测算故障距离。

实施例三：

emtp软件对图2所示网络进行仿真分析。设图2中ftu4和ftu5之间为电缆线路，其他区域为架空线。在atp/emtp上仿真过程中故障相均为a相，设故障发生时刻为0.1s，中性点小电阻投入时刻为0.188s，为电压的峰值时刻，采样频率为2mhz。架空线和电缆的线模和零模波速如附录b表b1所示。

(1)金属性单相接地故障分析

假设故障发生在s区段的k点，且故障点距离p点10000m，距离母线30000m。图4分别为ftu9检测到的线模和零模分量。通过图5和图6可以看出，ftu9首先检测到了零模分量，然后才检测到了线模分量，说明中性点投入电阻后，电流行波从ftu9到故障点的传播过程没有线模分量，之后在故障点发生反射，才有线模分量反射回ftu9，与理论分析一致。

由图7和图8小波变换后的波形可以确定中性点投入小电阻后零模分量从母线到达ftu9的时刻为188.192ms，线模分量反射回ftu9的时刻为188.264ms，δt＝0.072ms，由于ftu9测点之后不存在混合线路，可根据公式(1)计算得lf＝10060.42m，绝对误差为60.42m。

改变不同的故障位置，发现故障点发生改变对本文提出的故障测距方法的精度影响很小，在可接受的范围内。说明本发明实施例提供的方法具有很强的实用性。

(2)经过渡电阻单相接地故障分析

分析在k点经过5000ω的高阻接地时,根据ftu9检测到的故障电流的零模和线模分量可以确定中性点投入小电阻后零模分量到达ftu9的时刻为188.192ms，线模分量反射回ftu9的时刻为188.266ms，δt＝0.074ms则根据公式(1)计算得，lf＝10339.87m，绝对误差为339.87m。经过不同的接地电阻模拟单相接地故障，故障距离的计算结果误差虽在增大，但仍在可接受的范围内。

(3)多检测装置信息融合测距分析

假设故障发生在s区段k点，该故障点上游有4个检测装置分别为ftu4、ftu5、ftu7以及ftu9。检测装置ftu4由于测点后有混合线路，需要用公式(3)来计算相应的故障距离，检测装置ftu5、ftu7和ftu9用公式(1)进行计算。对上述4个数据进行最小二乘拟合利用公式(4)进行加权平均得到

其中权重分别为w1＝w2＝w3＝w4＝1/4，绝对误差为57.48m。多检测装置的信息融合会将有效削减各个检测装置的误差进行，使最终的测量结果具有较高的精度。

本发明实施例提供的消弧线圈并联小电阻接地方式下的行波测距系统，与上述实施例提供的消弧线圈并联小电阻接地方式下的行波测距方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，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所述以权利要求的保护范围为准。