一种含高渗透率分布式电源的配电网故障定位方法及系统与流程

本发明涉及配电网故障定位技术领域，尤其涉及一种含高渗透率分布式电源的配电网故障定位方法及系统。

背景技术：

随着化石燃料储量的枯竭和全球能源需求的不断增长，可再生能源的地位不断上升。分布式电源通过风电、太阳能等可再生能源，提高了清洁能源利用效率、解决了偏远农村地区电力供应问题，已成为世界各国促进节能减排、应对气候变化的重要措施之一。但分布式电源接入配电网会改变电网原有的单电源、放射状结构特征，使配电网中成为一个功率双向流动的的网络，其故障电流的特性也发生了很大的变化，对现有的故障定位产生了严重的影响。

通常可以将配电系统中dg容量与负荷容量相除得到的百分值定义为dg的渗透率，一般认为当渗透率大于10％，就需要考虑dg的接入对配电网故障定位的影响了。

目前，大多数的故障定位算法都是利用保护装置来定位故障区间，进而实现故障点定位的。然而，在含高渗透率分布式电源的故障定位中，通过保护装置判定的故障区间不一定准确，因为在实际应用中保护装置可能出现失灵和误动的情况，同时，传统的故障点定位方法只是针对单电源的配电网，未考虑含分布式电源配电网多电源不平衡的特点，进而导致故障定位精度远远不能满足要求。

通过上述分析，现有的故障定位方法不能适用于高渗透率分布式电源接入配电网的情况，可能造成错判误判的情况，严重地影响到了电力系统的可靠性。因此针对高渗透率分布式电源接入配电网对故障定位的影响，发明一种含高渗透率分布式电源的配电网故障定位方法及系统是很有必要的。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提出一种含高渗透率分布式电源的配电网故障定位方法及系统，旨在解决现有的故障定位方法不能适用于高渗透率分布式电源接入配电网的情况，可能造成错判误判的情况，严重地影响到了电力系统的可靠性的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种含高渗透率分布式电源的配电网故障定位方法，所述方法包括：

s1：当含高渗透率分布式电源的配电网发生故障时，电网电源检测点和分布式电源并网点检测突变量并采集电网电源检测点和分布式电源并网点处的电流互感器和电压互感器的a、b、c三相电流电压；

s2：将分布式电源进行戴维南等效，计算出分布式电源正序、负序、零序戴维南等效阻抗，进而建立母线阻抗矩阵；

s3：构建故障指标识别故障区间。

优选的，所述步骤s2中分布式电源进行戴维南等效的计算方法为：

其中，e为电源电压；vl为故障前电源母线处的电压；il为故障前电源母线处的电流；为故障后电源母线处的正序电压；为故障后电源母线处的正序电流；为故障后电源母线处的负序电压；为故障后电源母线处的负序电流；为故障后电源母线处的零序电压；为故障后电源母线处的零序电流；为正序戴维南等效阻抗；为负序戴维南等效阻抗；为零序戴维南等效阻抗。

优选的，所述步骤s2中分布式电源正序、负序、零序戴维南等效阻抗可表示为：

式中，vl为故障前电源母线处的电压；il为故障前电源母线处的电流；为故障后电源母线处的正序电压；为故障后电源母线处的正序电流；为故障后电源母线处的负序电压；为故障后电源母线处的负序电流；为故障后电源母线处的零序电压；为故障后电源母线处的零序电流；为正序戴维南等效阻抗；为负序戴维南等效阻抗；为零序戴维南等效阻抗；分别表示由于故障发生，电源母线处的电压、电流变化，分别记为δv⁽¹⁾、δi⁽¹⁾。

优选的，所述步骤s2中建立母线阻抗矩阵的具体过程为：

首先，建立分布式电源三相耦合阻抗矩阵zs,计算公式如下：

其中，a＝e^j2π/3；

其次，建立母线阻抗矩阵该矩阵能准确模拟所有不平衡系统，计算公式如下：

其中，zii、zji分别为自阻抗和互阻抗，其值为当在母线i上注入一单位电流，而其他各母线注入电流为零时，母线i上的电压即是自阻抗zii，而母线j(j＝1,2,…，n，j≠i)上的电压即是母线j和母线i之间的互阻抗zji；即

优选的，所述步骤3中构建故障指标识别故障区间的具体过程包括：

s31：假设电源总数为m，记为s1、s2、…sm，母线总数为n，记为b(1)、b(2)、…b(n)，电源处母线记为bs(1)、bs(2)、…bs(m)；

s32：当j处发生故障时，i处的电压变化，记为计算公式如下：

式中，为在j处注入的三相故障电流，其值为电源母线bs(1)、bs(2)、…bs(m)所测得的三相故障电流之和；为在j处的注入电流引起的在i处的三相电压变化；为j处有电流注入且其他电流注入为零时的三相母线阻抗矩阵，计算公式如下：

s33：构建故障指标error，其意义为error值越小，表示假设故障点距真实的故障点越近；error值越大，表示假设故障点距真实的故障点越远。计算公式如下：

式中，norm(x)＝[|x(1)|²+|x(2)|²+|x(3)|²+…+|x(k)|²]^1/2；表示母线b(i)处发生故障时，电源母线bs(j)处的三相电压变化的计算值；表示母线b(i)处发生故障时，电源母线bs(j)处的三相电压变化的真实值，该真实值可通过故障前、后在电源母线bs(j)处的测量电压计算获得；

s34：假设故障发生在b(1)，则同理，依次假设故障发生在b(2)、b(3)、…b(n)，依次计算出error(2)、error(3)、…error(n)；

s35：比较error(1)、error(2)、error(3)、…error(n)的大小，故障区间为error最小与error次小之间。

优选的，还包括步骤s4：构建虚拟母线定位故障点，其具体流程包括：

s41：假设b(6)、b(7)为error最小和error次小，则故障发生在b(6)至b(7)之间，在距b(6)一小段距离δl处增加一条虚拟母线，记为b(n+1)；

式中，l为b(6)至b(7)的线路长度，k为整数；

s42：假设故障发生在b(n+1)，计算出error(n+1)；

s43：依次在距b(6)一小段距离2δl、3δl、…、kδl处增加母线，记为b(n+2)、b(n+3)、…、b(n+k)；假设故障依次发生在b(n+2)、b(n+3)、…b(n+k)，依次计算出error(n+2)、error(n+3)、…error(n+k)；

s44：故障区间为error最小与error次小之间；

s45：重复以上过程，直到找到error为零处；error为零处表示虚拟故障母线与真实故障点重合；故障点即为error为零处。

为实现上述目的，本发明还公开了一种含高渗透率分布式电源的配电网故障定位系统，该系统包括以下模块：

采集电流、电压模块：用于采集故障前、后的电流电压信息；

构建母线阻抗矩阵模块：将分布式电源进行戴维南等效，计算出正序、负序、零序戴维南等效阻抗，进而建立母线阻抗矩阵；

识别故障区间模块：通过构建故障指标识别故障区间；

定位故障模块：通过构建虚拟母线定位故障点。

本发明的技术方案中，(1)本发明将分布式电源进行了归一化处理，建立了适应各种类型分布式电源的模型，保证了所建立的母线阻抗矩阵与分布式电源类型无关；(2)本发明只利用故障前后电源处的电流电压信息通过构建故障指标来识别故障区间，无需依靠保护装置，避免了因现场实际中可能出现的保护装置失灵或误动的情况引起的误判；(3)本发明通过构建虚拟母线实现了故障点的精确定位，同时，在建立虚拟母线定位故障点的过程中，防止了故障区间错判误判的发生；(4)本发明有效地消除了由于分布式电源接入配电网对故障定位的影响，避免故障定位的精度随分布式电源的接入容量的变化而变化的情况。

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示出的结构获得其他的附图。

图1为实施例1中的含高渗透率分布式电源的配电网故障定位方法的总体流程图；

图2为实施例中的配电网网架图；

图3为实施例中的故障时配电网网架等效网络图；

图4为实施例中的分布式电源戴维南等效示意图；

图5为实施例中的故障区间识别流程图；

图6为实施例中的故障点定位流程图；

图7为实施例中的虚拟母线构建的示意图；

图8为实施例2中的含高渗透率分布式电源的配电网故障定位系统结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

现有的故障定位方法不能适用于高渗透率分布式电源接入配电网的情况，可能造成错判误判的情况，严重地影响到了电力系统的可靠性。因此针对高渗透率分布式电源接入配电网对故障定位的影响，发明一种含高渗透率分布式电源的配电网故障定位方法及系统是很有必要的。

实施例1

为了实现上述目的，在如图2所示的配电网系统中，将系统电源和分布式电源进行戴维南等效为理想电源串联等效阻抗的形式，其中电源总数为m，记为s1、s2、…sm，母线总数为n，记为b(1)、b(2)、…b(n)，母线至电源记为bs(1)、bs(2)、…bs(m)；s为系统电源，dg为分布式电源。假设故障发生在发生在b(6)-b(7)之间，如图3所示，当故障发生时，系统电源和分布式电源并网点会检测到电压电流突变，程序启动，总体流程图如图1所示：

需要说明的是，本实施例将分布式电源进行了归一化处理，建立了适应各种类型分布式电源的模型，保证了所建立的母线阻抗矩阵与分布式电源类型无关。

可以理解的是，本实施例有效地消除了由于分布式电源接入配电网对故障定位的影响，避免故障定位的精度随分布式电源的接入容量的变化而变化的情况。

s1：电网电源检测点和分布式电源并网点检测突变量并采集电网电源检测点和分布式电源并网点处的电流互感器和电压互感器的a、b、c三相电流电压；

本实施例只利用故障前后电源处的电流电压信息通过构建故障指标来识别故障区间，无需依靠保护装置，避免了因现场实际中可能出现的保护装置失灵或误动的情况引起的误判。

s2：将分布式电源进行戴维南等效，如图4所示，计算出分布式电源正序、负序、零序戴维南等效阻抗，进而建立母线阻抗矩阵；

进一步的，所述步骤s2中分布式电源进行戴维南等效的计算方法为：

其中，e为电源电压；vl为故障前电源母线处的电压；il为故障前电源母线处的电流；为故障后电源母线处的正序电压；为故障后电源母线处的正序电流；为故障后电源母线处的负序电压；为故障后电源母线处的负序电流；为故障后电源母线处的零序电压；为故障后电源母线处的零序电流；为正序戴维南等效阻抗；为负序戴维南等效阻抗；为零序戴维南等效阻抗。

进一步的，所述步骤s2中分布式电源正序、负序、零序戴维南等效阻抗可表示为：

其中分别表示由于故障发生，电源母线处的电压、电流变化，分别记为δv⁽¹⁾、δi⁽¹⁾。

所述步骤s2中建立母线阻抗矩阵的具体过程为：

首先，建立分布式电源三相耦合阻抗矩阵zs,计算公式如下：

其中，a＝e^j2π/3；

其次，建立母线阻抗矩阵该矩阵能准确模拟所有不平衡系统，计算公式如下：

其中，zii、zji分别为自阻抗和互阻抗，其值为当在母线i上注入一单位电流，而其他各母线注入电流为零时，母线i上的电压即是自阻抗zii，而母线j(j＝1,2,…，n，j≠i)上的电压即是母线j和母线i之间的互阻抗zji；即

s3：构建故障指标识别故障区间；构建故障指标识别故障区间的具体过程包括：

s31：假设电源总数为m，记为s1、s2、…sm，母线总数为n，记为b(1)、b(2)、…b(n)，电源处母线记为bs(1)、bs(2)、…bs(m)；

s32：当j处发生故障时，i处的电压变化，记为计算公式如下：

式中，为在j处注入的三相故障电流，其值为电源母线bs(1)、bs(2)、…bs(m)所测得的三相故障电流之和；为在j处的注入电流引起的在i处的三相电压变化；为j处有电流注入且其他电流注入为零时的三相母线阻抗矩阵，计算公式如下：

s33：构建故障指标error，其意义为error值越小，表示假设故障点距真实的故障点越近；error值越大，表示假设故障点距真实的故障点越远。计算公式如下：

式中，norm(x)＝[|x(1)|²+|x(2)|²+|x(3)|²+…+|x(k)|²]^1/2；表示母线b(i)处发生故障时，电源母线bs(j)处的三相电压变化的计算值；表示母线b(i)处发生故障时，电源母线bs(j)处的三相电压变化的真实值，该真实值可通过故障前、后在电源母线bs(j)处的测量电压计算获得；

s34：识别故障区间流程图如图5所示：假设故障发生在b(1)，则同理，依次假设故障发生在b(2)、b(3)、…b(n)，依次计算出error(2)、error(3)、…error(n)；

s35：比较error(1)、error(2)、error(3)、…error(n)的大小，故障区间为error最小与error次小之间。

s4：构建虚拟母线定位故障点，故障点定位流程图如图6所示，其具体流程包括：

s41：经过步骤s3判断可知b(6)、b(7)为error最小和error次小，则故障发生在b(6)至b(7)之间，为实现故障点定位，构造虚拟母线定位故障点，如图7所示。具体为：在距b(6)一小段距离δl处增加一条虚拟母线，记为b(n+1)；

式中，l为b(6)至b(7)的线路长度，k为整数；

s42：假设故障发生在b(n+1)，计算出error(n+1)；

s43：依次在距b(6)一小段距离2δl、3δl、…、kδl处增加母线，记为b(n+2)、b(n+3)、…、b(n+k)；假设故障依次发生在b(n+2)、b(n+3)、…b(n+k)，依次计算出error(n+2)、error(n+3)、…error(n+k)；

s44：故障区间为error最小与error次小之间；

s45：重复以上过程，直到找到error为零处；error为零处表示虚拟故障母线与真实故障点重合；故障点即为error为零处。

需要理解的是，本实施例通过构建虚拟母线实现了故障点的精确定位，同时，在建立虚拟母线定位故障点的过程中，防止了故障区间错判误判的发生。

实施例2

为实现上述目的，参见图8：本实施例还公开了一种含高渗透率分布式电源的配电网故障定位系统，该系统包括以下模块：

采集电流、电压模块：用于采集故障前、后的电流电压信息；

构建母线阻抗矩阵模块：将分布式电源进行戴维南等效，计算出正序、负序、零序戴维南等效阻抗，进而建立母线阻抗矩阵；

识别故障区间模块：通过构建故障指标识别故障区间；

定位故障模块：通过构建虚拟母线定位故障点。

本实施例将分布式电源进行了归一化处理，建立了适应各种类型分布式电源的模型，保证了所建立的母线阻抗矩阵与分布式电源类型无关。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如只读存储器/随机存取存储器、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。