一种配电网相间短路故障区段定位及测距的方法与流程

1.本发明涉及配电网故障检测技术领域，具体涉及一种利用线电压分布特征的配电网相间短路故障区段定位及测距方法。


背景技术：

2.配电网故障中，相间短路故障由于故障电流大、故障条件恶劣，对系统稳定性、线路绝缘的影响较大。相间短路故障往往切除较快，以减少其对系统的影响。故障切除后，需要及时寻找故障点位置，并进行修复，以尽快恢复供电，较少停电时间。配电网相间短路故障定位技术是提高故障点查找速度、减少运维检修时间、提高供电可靠性的关键。
3.根据定位精度，现有的配电网相间短路故障定位技术，可分为故障区段定位技术和故障测距技术两种。
4.故障区段定位技术通过比较电气量相位、幅值等，判断故障点所在区段，从而快速、准确切除故障。故障区段定位技术缩小了故障查找范围和故障切除范围，但故障点具体位置依然依赖人工巡线查找，人工巡线是影响进一步提高故障查找与修复速度的关键因素。
5.故障测距技术在保留故障区段定位的优势的前提下，克服了其不足之处。故障区段定位技术通过相关技术手段，判断故障点的具体位置(如故障点到终端距离)，使故障查找范围进一步减小。随着用户对供电可靠性要求的不断提高，现场对故障测距技术的需求较为强烈，但由于配电网线路参数不均匀、运行方式复杂等原因，故障测距技术的开发较为困难。由于配电网的线路较短、投资较少，因此故障测距技术的实现需要同时考虑测距精度和测距经济性，现有的故障测距技术难以兼顾经济性和测距精度两方面的需求，测距精度高的方法投资较大，投资较少的技术又往往测距精度不高。
6.目前，配电网相间短路故障测距方法主要有行波法、阻抗法和人工智能法。
7.行波法分为单端法和双端法，两种方法都需要增加高精度测距装置，其中双端法对装置的要求尤其高，行波法利用故障暂态行波的传送性质进行测距，不受系统运行方式、过渡电阻等因素影响，测距精度高，但配电线路结构复杂、分支众多，难以解决故障波头的识别及混和线路波阻抗变化的问题。同时配电网线路距离短，需要多套行波检测设备，经济成本较高，故行波法难以适用于配电网。
8.阻抗法也分为单端法和双端法两种方法，阻抗法利用故障后的电压、电流信息来计算故障回路的阻抗，根据线路长度与阻抗的比例关系进行故障测距，其原理简单可靠，具有良好的稳定性，但阻抗法易受到故障的过渡电阻、线路不完全对称等因素的影响，计算结果误差较大，在实际应用中效果不够理想。
9.人工智能法是基于数据积累、算法锻炼的一种全新的故障测距方法，其脱离了电力系统的故障机理分析，利用大量的故障历史数据，通过智能算法，构建故障信息与故障点位置的关联关系。人工智能法的实现需要大量的历史数据，且对于不同线路不具有普适性，因此难以推广应用；由于人工智能法脱离了故障原理分析，测距结果存在随机偏差，使得测
距的可靠性降低；人工智能法目前主要停留在理论研究层面，鲜见实际应用报道。
10.现有的配电网自动化系统中的配电终端，能够检测线路的实时故障数据，并上传到主站平台，如果能够充分挖掘这些数据的潜能，使其应用在故障区段定位和故障测距技术中，采用递进的方式提高测距精度，则可以在不增加新设备的基础上，满足故障测距需求，即保证了经济性，又具有应用价值。


技术实现要素：

11.本发明针对以上问题，提供了一种通过配电网自动化系统的配电终端设备，获得故障线路的电压信息，根据配电网发生相间短路故障时，故障线路的工频线电压沿线分布规律，判断故障点位置的配电网相间短路故障区段定位及测距的方法。
12.本发明的技术方案为：
13.一种配电网相间短路故障区段定位及测距方法，
14.包括以下步骤：
15.1)、利用配电网自动化系统的配电终端，获取配电线路发生相间短路故障时，故障线路的实时工频线电压幅值信息，并选取各终端所获得3个线电压幅值中最小的一个作为该终端的最小线电压；
16.2)、按照从母线到线路末端的方向，相邻两终端的最小线电压依次作差并取绝对值，得到以相邻两终端为区段的各区段线电压降落；
17.3)、按照从母线到线路末端的方向，依次求每区段线电压降落与下一区段线电压降落的比值作为该区段的线电压降落比，若该区段的线电压降落比超过设定阈值，则判断故障点位于该区段内；
18.4)、根据故障点所在区段，将故障线路划分为故障点上游区段和故障点下游区段两个区段；
19.5)、利用一次函数表达式推导方法，将各终端选取的的线电压信息，推导成反映故障点上游区段和故障点下游区段故障线电压分布情况的函数；
20.6)、根据已得到的故障点上游区段和故障点下游区段故障线电压分布函数，通过联立求解判断故障点位置。
21.步骤2)中相邻两终端间最小线电压依次作差并取绝对值，得到以相邻两终端为区段的各区段线电压降落的步骤为：
22.假设故障线路共有n个终端，从母线到线路末端各终端所选取的最小线电压分别为u
l1
,u
l2
,
…
,u
ln
，以相邻两终端为区段进行划分，则各区段的线电压降落为δu
l1
＝|u
l1-u
l2
|,δu
l2
＝|u
l2-u
l3
|,
…
,δu
l(n-1)
＝|u
l(n-1)-u
ln
|。
23.步骤3)中判断故障点所在区段的步骤为：
24.设阈值为k，依次求δu
li
为终端i与终端i+1之间区段的电压降落，δu
l(i+1)
为终端i+1与终端i+2之间区段的电压降落，当1≤i≤n-2时，则判断故障点在终端i和i+1之间的区段内。
25.步骤4)中故障区段的划分步骤为：
26.根据故障点位于终端i和i+1之间，将终端1～i定义为故障点上游区段，将终端i+1～n定义为故障点下游区段。
27.步骤5)中建立的故障点上游的故障线电压分布函数为：
28.u
l1
(x)＝a1x+b1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
29.式中，u
l1
(x)为上游故障线电压幅值，x为到母线的距离，a1、b1分别为上游一次系数、上游常数；
30.故障点下游的故障线电压分布函数为：
31.u
l2
(x)＝a2x+b2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
32.式中，u
l2
(x)为下游故障线电压幅值，x为到母线的距离，a2、b2分别为下游一次系数、下游常数。
33.步骤4)中，令y＝u
l1
(x)＝u
l2
(x)，获得联立方程组：
[0034][0035]
方程组在第一象限可求得唯一解(x1,y1)，其中x1为故障点与母线的距离，即故障点位置。
[0036]
故障点上游的配电终端数量至少为2。
[0037]
当故障点上游终端数量≥2时，选取故障点上游区段首末2个配电终端，将其至母线的距离、记为x1、x2，和其工频零序电压幅值、记为u
l1
(x1)、u
l1
(x2)，代入式(1)，得到：
[0038][0039]
求解，即可得到a1、b1的值。
[0040]
故障点下游的配电终端数量至少为1。
[0041]
当故障点下游终端数量≥2时，选取故障点下游区段首末2个配电终端，将其至母线的距离、记为x3、x4，和其工频零序电压幅值、记为u
l2
(x3)、u
l2
(x4)，代入式(2)，得到：
[0042][0043]
求解，即可得到a2、b2的值。
[0044]
当故障点下游的终端数量为1时，a2＝0。
[0045]
本发明的一种利用线电压分布特征的配电网相间短路故障区段定位及测距方法，具有重要的应用价值：一方面，利用故障时的工频线电压信息建立预测函数，在现有故障检测装置(配电终端)所获得的故障信息有限的情况下，提供了一种原理简单、行之有效的故障区段定位及测距方法；另一方面，充分挖掘了现有配电终端的信息潜能，免去购置新设备的高昂成本，具有重要的经济效益。
[0046]
另一方面，现有技术方案的行波法中，配电网因存在接头、分支和混接等复杂线路结构，会影响行波的传播和反射，使得测量受线路结构影响大；人工智能法脱离故障机理分析，对数据的要求较高，难以推广应用。与之相对，本发明的工频线电压分布曲线基于拟制的直线线路，受线路结构的影响较小，其基于故障机理分析得到，因而具有更高的定位可信
度。本发明当然地还可与现有的故障测距方法结合使用，取长补短，满足高精度定位的需求。
附图说明
[0047]
图1是本发明的工作流程图，
[0048]
图2是本发明中相间短路故障系统接线图，
[0049]
图3是本发明中相间短路故障相电压分布示意图，
[0050]
图4是本发明中相间短路故障两相的线电压分布示意图，
[0051]
图5是两相短路故障仿真模型示意图，
[0052]
图6是最小线电压分布仿真结果。
具体实施方式
[0053]
以下结合附图1-6，进一步说明本发明。
[0054]
本发明的一种配电网相间短路故障区段定位及测距方法，用于故障线路的故障测距，故障线路上设有配电终端，配电终端用于提供实时的工频线电压信息和识别故障的所在区段，配电终端所在位置即为检测点。
[0055]
本发明的理论依据是配电线路发生相间短路故障时工频线电压的分布规律，在配电网中，对于相间短路故障，由于其没有零序分量，故短路故障特征不受中性点运行方式影响，因此与不接地系统、谐振接地系统和小电阻接地系统的分布规律一致，且其电压分布特征包括相间短路故障时故障线路线电压和相电压分布特征。
[0056]
对于故障点上游，其电压分布规律的量化模型是通过故障线路上非故障点电压与到故障点距离的关系描述的。如图2所示的网络，假设线路的电阻和电感是均匀分布的，z1、z2、z0分别为正序、负序、零序单位长度线路阻抗，且z1＝z2＜z0，z
s1
＝z
s2
。在线路上任取一点d，它距离短路点k点的距离为l
x
，距离母线处m点的距离为(l
k-l
x
)。整个系统对短路点的等值阻抗为：
[0057][0058]
当k点固定时，上述阻抗均为常数。
[0059]
已知d点到k点间的阻抗为：
[0060][0061]
假设图2所示网络中k点发生bc两相短路，短路点的各序分量为：
[0062]
[0063][0064]
短路点各相电压为：
[0065][0066]
线路上任一点d的各相电压可表示为：
[0067][0068]
由式(0-6)可以看出，除l
x
是变量外，其余各参数均为已知的常数，所以线路中任一点d的各相电压是关于l
x
的一次函数。先求出短路点k和m点两个端点的电压，连成一条直线，即可作出各相电压随l
x
变化的轨迹。当l
x
＝0时，d点的各相电压为短路点k的电压。当l
x
＝lk时，d点的各相电压等于母线处m点的电压(此时可以看到，由于电源阻抗zs的存在，导致母线处三相电压不相等)；若电源为无限大功率电源(没有内阻)，则d点的电压就是电源电动势。
[0069]
因此，当发生两相短路故障时，故障点上游的相电压分布规律可以总结为：从母线到故障点，故障两相相电压随距离呈线性变化，且逐渐减小，相电压为到母线距离的一次函数，故障点处电压最低。
[0070]
对于故障点下游区段，由于故障点处的电流较大且故障点残压很低，因此故障点下游的电压变化梯度很小，其随距离近似呈不变状态。
[0071]
相间短路故障时故障线路故障相相电压分布规律如图3所示。
[0072]
对于线电压，由于其由相电压组合而成，故可由相电压分布特征，推导得到线电压分布特征。当发生两相短路故障时，故障两相线电压的分布规律与图3中故障相电压一致，对于非故障两相的两个线电压，其分布规律为从母线到线路末端线性下降(由线路阻抗引起)。当发生三相短路时，此时任意两相之间的线电压分布规律与两相短路故障时故障两相之间的线电压分布规律一致。相间短路时故障两相之间的线电压分布规律如图4所示。
[0073]
综上，当发生相间短路故障时，故障相的相电压和故障相之间的线电压的分布特征在故障点处有明显分界，可作为故障测距判据，但考虑到实际的配电网中，终端所测电压通常为线电压，因此在短路测距算法设计中考虑用线电压作为相间短路故障区段定位及测距的判据。
[0074]
通过分析公式可以得到如下结论：
[0075]
(1)故障线路的线电压从母线到故障点呈梯度明显的一次函数下降趋势；
[0076]
(2)故障线路的线电压从故障点到线路末端近似呈常数；若考虑故障点下游线路的残流，则可认为从故障点到线路末端的线电压呈梯度很小的一次函数下降趋势。
[0077]
本发明的故障区段定位及测距方法包括以下步骤：
[0078]
1)、利用配电网自动化系统的配电终端，获取配电线路发生相间短路故障时，故障线路的实时工频线电压幅值信息，并选取各终端所获得3个线电压幅值中最小的一个作为该终端的最小线电压；
[0079]
2)、按照从母线到线路末端的方向，相邻两终端的最小线电压依次作差并取绝对值，得到以相邻两终端为区段的各区段线电压降落；
[0080]
3)、按照从母线到线路末端的方向，依次求每区段线电压降落与下一区段线电压降落的比值作为该区段的线电压降落比，若该区段的线电压降落比超过设定阈值，则判断故障点位于该区段内。
[0081]
4)、根据故障点所在区段，将故障线路划分为故障点上游区段和故障点下游区段两个区段；
[0082]
5)、利用一次函数表达式推导方法，将各终端选取的的线电压信息，推导成反映故障点上游区段和故障点下游区段故障线电压分布情况的函数；
[0083]
6)、根据已得到的故障点上游区段和故障点下游区段故障线电压分布函数，通过联立求解判断故障点位置。
[0084]
本发明在工作中，用于相间短路故障测距；利用最小线电压，适用面广；本发明包含了故障区段定位方案，形成了完整的故障测距方法。
[0085]
步骤1)利用配电终端获取相间短路故障时的工频线电压幅值信息，并选取3个线电压幅值中最小的一个作为该终端的最小线电压；
[0086]
配电终端在检测到故障发生后，获取故障线路故障前后3-5个周波至故障后7-10个周波的线电压信息；当故障到达稳态阶段后，直接或间接通过滤波的方式，获取各检测点的3个工频线电压幅值，并通过比较，选择其中最小的一个工频线电压幅值作为该检测点的最小线电压。
[0087]
理论和仿真分析证明，最小线电压的分布规律适用于本发明的方法，而非最小线电压的分布规律不适用于本发明的方法；同时，最小线电压不需要区分相别，易于提取。
[0088]
步骤2)对相邻两终端间最小线电压依次作差并取绝对值，得到以相邻两终端为区段的各区段线电压降落；假设故障线路共有n个终端，按照从母线到线路末端的方向，各终端所选取的最小线电压分别为u
l1
,u
l2
,
…
,u
ln
，按照相邻两终端之间作为一个区段进行区段划分，则各区段的线电压降落为δu
l1
＝|u
l1-u
l2
|,δu
l2
＝|u
l2-u
l3
|,
…
,δu
l(n-1)
＝|u
l(n-1)-u
ln
|；
[0089]
步骤3)首先求每区段与下一区段的线电压降落之比，然后将线电压降落比与设置的阈值相比较，判断故障点所在区段；设阈值为k，依次求每个区段的电压降落与下一区段的电压降落之比δu
li
为终端i与终端i+1之间区段的电压降落，δul(i+1)
为终端i+1与终端i+2之间区段的电压降落，当1≤i≤n-2时，则判断故障点在终端i和i+1之间的区段内；
[0090]
步骤4)根据步骤3)确定的故障所在区段，将故障线路划分为故障点上游区段和故障点下游区段两个大的区段；根据故障点位于终端i和i+1之间，将终端1～i定义为故障点上游区段，将终端i+1～n定义为故障点下游区段；
[0091]
步骤5)参照图4中的最小线电压分布规律，建立的故障点上游的故障线电压分布函数为：
[0092]ul1
(x)＝a1x+b1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0093]
式中，u
l1
(x)为上游故障线电压幅值，x为到母线的距离，a1、b1分别为上游一次系数、上游常数；
[0094]
故障点下游的故障线电压分布函数为：
[0095]ul2
(x)＝a2x+b2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0096]
式中，u
l2
(x)为下游故障线电压幅值，x为到母线的距离，a2、b2分别为下游一次系数、下游常数。
[0097]
步骤6)中，令y＝u
l1
(x)＝u
l2
(x)，获得联立方程组：
[0098][0099]
方程组在第一象限可求得唯一解(x1,y1)，其中x1为故障点与母线的距离，即故障点位置。
[0100]
步骤5)中，故障点上游的配电终端数量至少为2；当故障点上游终端数量≥2时，选取故障点上游区段首末2个配电终端，将其至母线的距离、记为x1、x2，和其工频零序电压幅值、记为u
l1
(x1)、u
l1
(x2)，代入式(1)，得到：
[0101][0102]
求解，即可得到a1、b1的值。
[0103]
步骤5)中，故障点下游的配电终端数量至少为1；当故障点下游终端数量≥2时，选取故障点下游区段首末2个配电终端，将其至母线的距离、记为x3、x4，和其工频零序电压幅值、记为u
l2
(x3)、u
l2
(x4)，代入式(2)，得到：
[0104][0105]
求解，即可得到a2、b2的值。
[0106]
当故障点下游的终端数量为1时，a2＝0。
[0107]
确定a1、b1、a2、b2的值后，即可通过式(3)方程组求得故障点位置。
[0108]
实施例：结合仿真模型对本发明进行详细表述。
[0109]
利用matlab/simulink仿真软件，搭建10kv单端辐射状、中性点经消弧线圈接地系统仿真模型，母线侧采用y-δ接法的110kv变10kv变压器系统，设置4条出线，包括2条电缆
和2条架空线，电缆长度分别为8km、8km，架空线长度分别为16km、16km，负载分别接1mw+0.08mvar的三相平衡负载。仿真模型结构如图5所示。
[0110]
以上述谐振接地系统为例进行两相短路故障测距仿真验证：在16km架空线距离母线10km处设置两相故障，故障相为a相和b相，故障初相角90
°
，过渡电阻为1ω；故障线路分别在距离母线0km、3km、6km、11km、14km共5处设置线电压检测点(以下简称1#、2#、3#、4#、5#检测点)。
[0111]
其中，两相短路故障较三相短路故障更为常见，且两相短路故障区段定位及测距方法能够适用于三相短路故障中，因此仿真验证中采用两相短路故障作为分析对象。
[0112]
两相短路故障发生后，零序电压在65ms到达稳态，为了模拟现场的实际情况，取各检测点三个线电压幅值中最小的一个，作为测距所需数据，即上文所述的最小线电压。各检测点到母线距离及最小线电压如表1所示。
[0113]
表1各检测点工频零序电压幅值(仿真)
[0114][0115]
按照步骤1)，1-5#检测点的最小线电压分别为u
l1
＝11342.52v、u
l2
＝7898.17v、u
l3
＝4484.21v、u
l4
＝2.673v、u
l5
＝2.626v；
[0116]
按照步骤2)中求各区段线电压降落的方法，得到δu
l1
＝3444.35v、δu
l2
＝3413.97v、δu
l3
＝4481.537v、δu
l4
＝0.047v。
[0117]
按照步骤3)中依次求每区段线电压降落与下一区段线电压降落的比值，然后与设定阈值相比，判断故障点所在区段：设定阈值为1.5，依次求得定阈值相比，判断故障点所在区段：设定阈值为1.5，依次求得定阈值相比，判断故障点所在区段：设定阈值为1.5，依次求得超过阈值，因此判断故障点位于3#检测点和4#检测点之间。
[0118]
按照步骤4)，已知故障点位于3#和4#检测点之间，则根据故障点所在区段，将1#、2#、3#检测点定义为故障点上游区段，将4#、5#检测点定义为故障点下游区段。
[0119]
以到母线电气距离为横坐标、零序电压幅值为纵坐标，建立反映故障线路零序电压分布情况的二维坐标系，然后将表1中5个检测点的数据带入坐标系。
[0120]
按照步骤5)中故障点上游区段零序电压分布函数的拟合方法，将故障点上游区段的1#、3#检测点数据代入式(1)中，求得参数a1＝-1138.1、b1＝11312，继而得到故障点上游区段最小线电压与到母线距离的函数表达式：
[0121]ul1
(x)＝-1138.1x+11312
[0122]
按照步骤5)中故障点下游区段零序电压分布函数的拟合方法，将故障点下游区段的4#、5#检测点数据代入式(2)中，求得参数a2＝-0.0157、b2＝2.8453，继而得到故障点下游区段最小线电压与到母线距离的函数表达式：
[0123]ul2
(x)＝-0.0157x+2.8453
[0124]
拟合后的故障点上、下游区段最小线电压分布函数曲线如图6中实线所示。
[0125]
按照步骤6)中判断故障点位置的方法，根据已得到的故障点上游区段和故障点下游区段最小线电压分布函数，通过联立求解判断故障点位置，令y＝u
l1
(x)＝u
l2
(x)，得到联立方程组：
[0126][0127]
对上述方程组求解，在第一象限得到有效解，如图6中两虚线交点，其坐标为(9.94km,2.683v)，即故障点到母线距离为9.94km，其与实际的故障点到母线电气距离(10km)相差0.06km，绝对误差为0.38％，该误差由电压测量精度引起，故障测距结果较为精准。
[0128]
对于本案所公开的内容，还有以下几点需要说明：
[0129]
(1)、本案所公开的实施方式仅为示例，通过其他等效变通技术手段实施的技术方案归属本案保护范围；
[0130]
(2)、在不冲突的情况下，本案所公开的技术特征可以相互组合以得到新的实施例；
[0131]
以上，仅为本案所公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本领域技术人员根据本案所公开的内容，对其中某些技术特征作出的修饰变换均应在本案保护范围内。