基于瞬时相位一致的电网线路故障处理方法与流程

本发明涉及电气工程领域，特别是涉及基于瞬时相位一致的电网线路故障处理方法。

背景技术：

随着电网规模及复杂性的增加，电网的线路故障处理在保证可靠性的前提下需愈来愈快，目前通常利用电网故障后的稳态分量来实现线路故障处理方法，在故障处理速度上存在不足，特别是随着电力电子在电网的广泛应用，电网故障后的稳态分量求取已是无解的难题。利用电网故障后的暂态电压电流来实现线路故障处理方法是一个适应电网故障处理的发展需求。利用电网故障后暂态电流波形特征是现有的主要线路故障处理方法，如电流瞬时值差动、电流极性方向比较等。由于接入电力电子装置电源的电网故障暂态过程中的电流大小和相位与电力电子装置控制方式及限流措施相关，将使利用电网故障后暂态电流波形特征的线路故障处理方法性能变差。在故障暂态过程下，由于电网络复杂电路不能与集中参数简单电路匹配，要建立电网络电路对暂态电流电压的约束条件显得相当困难，若还需考虑故障点过渡电阻的变化，建立暂态电流电压的约束条件将更加困难。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于瞬时相位一致的电网线路故障处理方法，该方法依据故障点处过渡电阻上暂态电压电流瞬时相位一致的条件，建立故障点处暂态电流电压的瞬时相位约束关系，再将故障点处的暂态电压电流表示成瞬变信号正弦表达式，代入故障点处暂态电流电压的瞬时相位约束关系，求解故障点处暂态电流电压是否满足瞬时相位约束关系。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于瞬时相位一致的电网线路故障处理方法，包括以下步骤:

s1：从线路两端采集电网故障时的暂态电压电流数据，将暂态电压电流数据表示成瞬变信号正弦表达式；

s2：采用线路分布参数模型计算假设故障点处的暂态电流电压；

s3：按照故障类型，依据假设故障点处过渡电阻上暂态电压电流瞬时相位一致的条件，建立假设故障点处暂态电流电压的瞬时相位约束关系，再将假设故障点处的暂态电压电流表示成瞬变信号正弦表达式，代入假设故障点处暂态电流电压的瞬时相位约束关系，求解假设故障点处暂态电流电压是否满足瞬时相位约束关系。

进一步地，所述步骤s1具体为：

s11：从线路m、n两端采集电网故障时的暂态电压电流数据um(t)、im(t)、un(t)、in(t)，将电压电流暂态数据um(t)、im(t)、un(t)、in(t)表示成瞬变信号正弦表达式，

(1)、(2)、(3)、(4)式中imm(t)、imn(t)、umm(t)、umm(t)、为线路两端的电流电压瞬时幅值和瞬时相角，

s12：计算暂态电压电流数据um(t)、im(t)、un(t)、in(t)的希尔伯特变换函数hum(t)、him(t)、hun(t)、hin(t)，从而计算

aim(t)＝im(t)cos(ωt)+him(t)sin(ωt)

bim(t)＝im(t)sin(ωt)-him(t)cos(ωt)(9)

aum(t)＝um(t)cos(ωt)+hum(t)sin(ωt)

bum(t)＝um(t)sin(ωt)-hum(t)cos(ωt)(10)

ain(t)＝in(t)cos(ωt)+hin(t)sin(ωt)

bin(t)＝in(t)sin(ωt)-hin(t)cos(ωt)(11)

aun(t)＝un(t)cos(ωt)+hun(t)sin(ωt)

bun(t)＝un(t)sin(ωt)-hun(t)cos(ωt)(12)

进而依据(1)、(2)、(3)、(4)式计算暂态电压电流um(t)、im(t)、un(t)、in(t)的各阶导数。

进一步地，步骤s2具体包括：

基于线路分布参数电路模型，线路假设故障点f的电压、电流可由m端和n端的电压、电流计算得到：

if(t)＝imf(t)+inf(t)(16)

其中，r、l、c和g分别为单位长度线路的电阻、电感、电容和电导参数，l为线路长度，x为m端到假设故障点f的距离，

进一步地，步骤s3具体包括：

s31：按照故障类型，依据假设故障点处过渡电阻上暂态电压电流瞬时相位一致的条件，建立假设故障点处暂态电流电压的瞬时相位约束关系。

s32：将假设故障点处的暂态电压电流uf(t)、if(t)表示成瞬变信号正弦表达式，

(17)、(18)式中imf(t)、umf(t)、为假设故障点处的暂态电流电压瞬时幅值和瞬时相角。计算暂态电压电流数据uf(t)、if(t)的希尔伯特变换函数huf(t)、hif(t)，从而计算

aif(t)＝if(t)cos(ωt)+hif(t)sin(ωt)

bif(t)＝if(t)sin(ωt)-hif(t)cos(ωt)(19)

auf(t)＝uf(t)cos(ωt)+huf(t)sin(ωt)

buf(t)＝uf(t)sin(ωt)-huf(t)cos(ωt)(20)

进而将(19)、(20)式代入假设故障点处暂态电流电压的瞬时相位约束关系，求解假设故障点处暂态电流电压是否满足瞬时相位约束关系。

进一步地，若预设多个所述故障类型，则根据预设的所述故障类型，分别确定对应的所述假设故障点，以便同时对各所述假设故障点进行测量。

进一步地，所述故障类型包括：单相接地故障、两相相间故障、两相接地故障、三相接地故障中至少一种。

本发明的有益效果为：本发明利用电网故障瞬间的暂态电压电流瞬时相位约束关系处理电网线路故障，能在减少故障处理时间的情况下增加故障处理的可靠性，是一种电力电子化电网故障问题的解决方法。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1的a相单相接地故障；

图2为本发明实施例2的一个bc两相相间故障；

图3为本发明实施例3的一个bc两相接地故障；

图4为本发明实施例4的一个三相接地故障。

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作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。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

另外，下述各方法实施例中的步骤时序仅为一种举例，而非严格限定。

根据一个实施例，提供了一种基于瞬时相位一致的电网线路故障处理方法，包括以下步骤:

s1：从线路两端采集电网故障时的暂态电压电流数据，将暂态电压电流数据表示成瞬变信号正弦表达式；

s2：采用线路分布参数模型计算假设故障点处的暂态电流电压；

s3：按照故障类型，依据假设故障点处过渡电阻上暂态电压电流瞬时相位一致的条件，建立假设故障点处暂态电流电压的瞬时相位约束关系，再将假设故障点处的暂态电压电流表示成瞬变信号正弦表达式，代入假设故障点处暂态电流电压的瞬时相位约束关系，求解假设故障点处暂态电流电压是否满足瞬时相位约束关系。

进一步地，所述步骤s1具体为：

s11：从线路m、n两端采集电网故障时的暂态电压电流数据um(t)、im(t)、un(t)、in(t)，将电压电流暂态数据um(t)、im(t)、un(t)、in(t)表示成瞬变信号正弦表达式，

(1)、(2)、(3)、(4)式中imm(t)、imn(t)、unm(t)、umn(t)、为线路两端的电流电压瞬时幅值和瞬时相角，

s12：计算暂态电压电流数据um(t)、im(t)、un(t)、in(t)的希尔伯特变换函数hum(t)、him(t)、hun(t)、hin(t)，从而计算

aim(t)＝im(t)cos(ωt)+him(t)sin(ωt)

bim(t)＝im(t)sin(ωt)-him(t)cos(ωt)(9)

aum(t)＝um(t)cos(ωt)+hum(t)sin(ωt)

bum(t)＝um(t)sin(ωt)-hum(t)cos(ωt)(10)

ain(t)＝in(t)cos(ωt)+hin(t)sin(ωt)

bin(t)＝in(t)sin(ωt)-hin(t)cos(ωt)(11)

aun(t)＝un(t)cos(ωt)+hun(t)sin(ωt)

bun(t)＝un(t)sin(ωt)-hun(t)cos(ωt)(12)

进而依据(1)、(2)、(3)、(4)式计算暂态电压电流um(t)、im(t)、un(t)、in(t)的各阶导数。

进一步地，步骤s2具体包括：

基于线路分布参数电路模型，线路假设故障点f的电压、电流可由m端和n端的电压、电流计算得到：

if(t)＝imf(t)+inf(t)(16)

其中，r、l、c和g分别为单位长度线路的电阻、电感、电容和电导参数，l为线路长度，x为m端到假设故障点f的距离，

进一步地，步骤s3具体包括：

s31：按照故障类型，依据假设故障点处过渡电阻上暂态电压电流瞬时相位一致的条件，建立假设故障点处暂态电流电压的瞬时相位约束关系。

s32：将假设故障点处的暂态电压电流uf(t)、if(t)表示成瞬变信号正弦表达式，

(17)、(18)式中imf(t)、umf(t)为假设故障点处的暂态电流电压瞬时幅值和瞬时相角。计算暂态电压电流数据uf(t)、if(t)的希尔伯特变换函数huf(t)、hif(t)，从而计算

aif(t)＝if(t)cos(ωt)+hif(t)sin(ωt)

bif(t)＝if(t)sin(ωt)-hif(t)cos(ωt)(19)

auf(t)＝uf(t)cos(ωt)+huf(t)sin(ωt)

buf(t)＝uf(t)sin(ωt)-huf(t)cos(ωt)(20)

进而将(19)、(20)式代入假设故障点处暂态电流电压的瞬时相位约束关系，求解假设故障点处暂态电流电压是否满足瞬时相位约束关系。

进一步地，若预设多个所述故障类型，则根据预设的所述故障类型，分别确定对应的所述假设故障点，以便同时对各所述假设故障点进行测量。

在实际应用中，电网发生故障时，工作人员无法很快锁定故障类型，但是为了确保能够以最快的速度发现故障、解除故障，可以同时对多个故障点进行检测。由于不同的故障类型所对应的故障点以及检测方法是存在差异的，因此，需要针对所假设的故障类型，分别确定对应的假设故障点。需要说明的是，在对多个故障点同时进行检测和排除时，需要注意各个检测点之间不能产生相互干扰，避免影响检测结果。若各个故障点之间产生了干扰，则需要对各个假设故障点逐点进行检测。

进一步地，所述故障类型包括：单相接地故障、两相相间故障、两相接地故障、三相接地故障中至少一种。

在实际应用中，常见的电网故障类型包括：单相接地故障、两相相间故障、两相接地故障、三相接地故障。对于各个类型故障的检测方法，具体可参考实施例1至实施例4。

下面对上述方法的具体应用具体举例说明。

实施例1

对于图1实施例1的a相单相接地故障，基于线路分布参数电路模型，由m端和n端的电压、电流，可计算线路假设故障点f的电压、电流vaf(t)、iaf(t)，

vaf(t)＝avaf(t)cosωt+bvaf(t)sinωt

iaf(t)＝aiaf(t)cosωt+biaf(t)sinωt(21)

依据假设故障点处过渡电阻上ra暂态电压电流瞬时相位一致的条件，建立假设故障点处暂态电流电压的瞬时相位约束关系，

求解假设故障点处暂态电流电压是否满足a相单相接地故障的瞬时相位约束关系式(22)。

实施例2

对于图2实施例2的bc两相相间故障，基于线路分布参数电路模型，由m端和n端的电压、电流，可计算线路假设故障点f的电压、电流vbf(t)、ibf(t)、vcf(t)、icf(t)，

vbf(t)＝avbf(t)cosωt+bvbf(t)sinωt

ibf(t)＝aibf(t)cosωt+bibf(t)sinωt

vcf(t)＝avcf(t)cosωt+bvcf(t)sinωt

icf(t)＝aicf(t)cosωt+bicf(t)sinωt(23)

依据假设故障点处过渡电阻上rbc暂态电压电流瞬时相位一致的条件，建立假设故障点处暂态电流电压的瞬时相位约束关系，

求解假设故障点处暂态电流电压是否满足bc两相相间故障的瞬时相位约束关系式(24)。

实施例3

对于图3实施例3的bc两相接地故障，基于线路分布参数电路模型，由m端和n端的电压、电流，可计算线路假设故障点f的电压、电流vbf(t)、ibf(t)、vcf(t)、icf(t)，

vbf(t)＝avbf(t)cosωt+bvbf(t)sinωt

ibf(t)＝aibf(t)cosωt+bibf(t)sinωt

vcf(t)＝avcf(t)cosωt+bvcf(t)sinωt

icf(t)＝aicf(t)cosωt+bicf(t)sinωt(25)

依据假设故障点处过渡电阻上rb、rc暂态电压电流瞬时相位一致的条件，建立假设故障点处暂态电流电压的瞬时相位约束关系，

求解假设故障点处暂态电流电压是否满足bc两相接地故障的瞬时相位约束关系式(26)。

实施例4

对于图4实施例4的三相接地故障，基于线路分布参数电路模型，由m端和n端的电压、电流，可计算线路假设故障点f的电压、电流vaf(t)、iaf(t)、vbf(t)、ibf(t)、vcf(t)、icf(t)，

vaf(t)＝avaf(t)cosωt+bvaf(t)sinωt

iaf(t)＝aiaf(t)cosωt+biaf(t)sinωt

vbf(t)＝avbf(t)cosωt+bvbf(t)sinωt

ibf(t)＝aibf(t)cosωt+bibf(t)sinωt

vcf(t)＝avcf(t)cosωt+bvcf(t)sinωt

icf(t)＝aicf(t)cosωt+bicf(t)sinωt(27)

依据假设故障点处过渡电阻上ra、rb、rc暂态电压电流瞬时相位一致的条件，建立假设故障点处暂态电流电压的瞬时相位约束关系，

求解假设故障点处暂态电流电压是否满足三相接地故障的瞬时相位约束关系式(28)。

故障点处不同故障类型的故障电路具有不同的暂态电流电压瞬时相位约束关系，求解故障点处暂态电流电压的瞬时相位约束关系，就可形成基于瞬时相位一致的电网线路故障处理方法。

以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。