广域接地线电流幅值比的配电网电缆故障测距方法及系统

1.本发明属于配电网故障定位技术领域，具体是指一种广域接地线电流幅值比的配电网电缆故障测距方法及系统。


背景技术：

2.随着配电系统的不断发展和城市化水平的不断提升，电缆线路的比例持续提升。因自身老化、外部应力等因素，电缆故障率逐渐上升，其中主要为单相金属性接地故障。由于电缆铺设路径错综复杂，故障后无法通过直观法发现故障。快速、精准定位三芯电缆接地故障点，可以有效减小故障带来的危害，保证配电系统供电可靠性。
3.现有配电网电缆单相接地故障测距方法大致可分为两大类：离线法和在线法。虽然离线法实现简单，测距精度较高，但无法及时定位故障点，而且外加注入信号的方式可能对电缆造成二次伤害。相比之下，在线故障测距技术更加快速高效，其主要分为行波法、阻抗法和机器学习法。但由于配电网拓扑复杂、线路较短，行波信号叠加问题严重，无法进行有效提取、识别，行波法在实际应用中受到限制。机器学习法主要研究人工智能，其主要特点是将故障事件与故障前训练的案例匹配，此类方法在定位故障时操作简单，但需要大量的计算。当前大部分阻抗法没有考虑金属屏蔽层的影响，定位精度较差。并且在工程实际中，现有多数终端难以获得零序电压信号，零序电流采集会因测量不精准给测距引入相当大的误差。


技术实现要素：

4.针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种用于配电网电缆线路中，既能实现配电网不平衡故障辨识，又无需信号精准同步，且不受故障过渡电阻、环境噪声影响，能够有效提高配电网的供电可靠性的广域接地线电流幅值比的配电网电缆故障测距方法及系统。
5.本发明采取的技术方案如下：本发明一种广域接地线电流幅值比的配电网电缆故障测距方法，包括以下步骤：
6.s1：获取电缆首端接地线电流信号，通过比较不同电缆暂态接地线电流的极性判断故障电缆；
7.s2：提取故障后各分支电缆接地线电流第3—4工频周期的工频分量，逐一计算故障电缆接地线电流与健全电缆接地线电流的实测幅值比；
8.s3：利用二分法在故障电缆上设置虚拟故障点，结合配电网拓扑结构和线路参数构建故障定位方程，计算各分支电缆首端接地线电流工频分量；
9.s4：逐一计算发生该虚拟故障时故障电缆接地线电流与健全电缆接地线电流的幅值比，同实测幅值比比较，确定新的故障区间；
10.s5：利用二分法不断缩小故障区间，当两个区间边界的距离小于等于测距允许误差要求时停止迭代，得到故障距离；
11.s6：待所有故障电缆与健全电缆接地线电流幅值比求解定位方程完成后，以多个故障距离的平均值作为最终故障距离。
12.进一步地，所述步骤s1中对首端接地线信号做差分运算，差分绝对值大于所设定阈值则判定发生故障；接地线电流差分δi
sg
(k)的计算公式如下式(1)所示：
13.δi
sg
(k)＝i
sg
(k+1)-i
sg
(k)(k＝0,1,...,n)
ꢀꢀꢀ
式(1)
14.式(1)中，i
sg
(k)为各电缆首端测得的接地线电流，k为采样点数；
15.故障发生的依据如式(2)所示：
16.|δi
sg
(k)|＞ifꢀꢀꢀ
式(2)
17.式(2)中，|δi
sg
(k)|为计算的电流差分绝对值，if为设定的阈值。故障电缆的暂态接地线电流与健全电缆的暂态接地线电流极性相反，通过比较不同电缆的暂态接地线电流的极性进行故障电缆选线。
18.其中，所述阈值if的获取方法，包括以下步骤：基于仿真系统，仿真设备投切、最大不平衡运行和系统扰动的情况，获得每种情况下接地线电流的最大差分绝对值，取最大差分绝对值中的最大值记为if。
19.作为优选方案，利用傅里叶变换提取故障发生后第3—4工频周期的接地线电流工频分量，逐一计算故障电缆接地线电流与健全电缆接地线电流的实测幅值比；
20.实测幅值比k
fi
的计算公式如式(3)所示：
[0021][0022]
式(3)中，为故障电缆j接地线电流，为健全电缆i接地线电流，n表示配电网电缆的数量。
[0023]
进一步地，根据二分法在故障电缆区间[a,b](a＝0,b＝l)(l为故障电缆长度)内取中点α1，结合配电网拓扑和电阻、电感、电容等线路参数构建故障定位方程，求解该点故障时各条电缆的接地线电流。
[0024]
如步骤s4中所述，逐一计算发生该虚拟故障时故障电缆接地线电流与健全电缆接地线电流的幅值比k
cfi
(α1)；比较k
cfi
(α1)与实测接地线电流幅值比k
fi
的大小关系：
[0025]
若k
cfi
(α1)＝k
fi
，则l
fi
＝α1；
[0026]
若k
cfi
(α1)《k
fi
，则故障点在[a,α1]之间，令b＝α1，则产生新区间[a,b]；
[0027]
若k
cfi
(α1)》k
fi
，则故障点在[α1,b]之间，令a＝α1，则产生新区间[a,b]；
[0028]
发生虚拟故障时电缆接地线电流幅值比计算公式如式(4)所示：
[0029][0030]
式(4)中，为计算得到的故障电缆j接地线电流，为计算得到的健全电缆i接地线电流。
[0031]
进一步地，利用二分法不断缩小故障区间，当两个区间边界的距离小于等于测距允许误差ε要求，即b-a≤ε时停止迭代，得到故障距离l
fi
＝(a+b)/2；待所有故障电缆与健全
电缆接地线电流幅值比求解定位方程完成后，最终的故障距离为其中，允许误差ε根据实际需要选择具体数值。
[0032]
作为进一步阐述的方案，本发明还公开了一种广域接地线电流幅值比的配电网电缆故障测距系统：
[0033]
包括若干个接地线电流采集装置、信息汇集装置、数据处理装置、通信网络、存储器；
[0034]
所述接地线电流采集装置安装在各条电缆首端，用于采集首端接地线电流；
[0035]
所述信息汇集装置将其覆盖区域内的接地线电流采集装置记录的数据进行汇集处理；
[0036]
所述数据处理装置用于执行所述故障测距方法的任一步骤；
[0037]
所述通信网络将所述接地线电流采集装置、所述信息汇集装置与所述数据处理装置通信连接；
[0038]
所述存储器用于存储指令和故障数据。
[0039]
采用上述方案本发明取得的有益效果如下：本方案一种广域接地线电流幅值比的配电网电缆故障测距方法及系统，基于对金属屏蔽层接地线电流特性的研究，依据故障后接地线电流明显的突变特征识别配电网不平衡故障，精度较高；通过采用全网接地线电流幅值比的方式构造测距方程，有效消除过渡电阻对测距精度的影响；与现有的一些测距方法相比，本文方法所需信号采样率低，无需精确同步；不受环境噪声、三相不平衡和配电网拓扑变化的影响，测距精度高；接地线电流可通过电流互感器在电缆首端方便测量得到，避免了现场量测条件、信号采集设备体积的限制和数据合成带来的误差，实施成本较低，具备在工程中推广应用的条件。
附图说明
[0040]
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
[0041]
图1为本方案所提供的广域接地线电流幅值比的配电网电缆故障测距方法的整体流程图；
[0042]
图2为实施例3中的配电网电缆线路仿真图；
[0043]
图3为实施例3中仿真的不同出线的接地线电流；
[0044]
图4为故障线路l1和健全线路l4的首端接地线电流及二者的比值；
[0045]
图5为不同故障条件下的测距结果。
[0046]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
具体实施方式
[0047]
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。
[0048]
实施例1
[0049]
如图1所示，本发明一种广域接地线电流幅值比的配电网电缆故障测距方法，包括以下步骤：
[0050]
s1：获取电缆首端接地线电流信号，通过比较不同电缆暂态接地线电流的极性判断故障电缆；
[0051]
对首端接地线信号做差分运算，差分绝对值大于所设定阈值则判定发生故障；接地线电流差分δi
sg
(k)的计算公式如下式(1)所示：
[0052]
δi
sg
(k)＝i
sg
(k+1)-i
sg
(k)(k＝0,1,...,n)
ꢀꢀꢀ
式(1)
[0053]
式(1)中，i
sg
(k)为各电缆首端测得的接地线电流，k为采样点数；
[0054]
故障发生的依据如式(2)所示：
[0055]
|δi
sg
(k)|＞ifꢀꢀꢀ
式(2)
[0056]
式(2)中，|δi
sg
(k)|为计算的电流差分绝对值，if为设定的阈值。故障电缆的暂态接地线电流与健全电缆的暂态接地线电流极性相反，通过比较不同电缆的暂态接地线电流的极性进行故障电缆选线。
[0057]
其中，所述阈值if的获取方法，包括以下步骤：基于仿真系统，仿真设备投切、最大不平衡运行和系统扰动的情况，获得每种情况下接地线电流的最大差分绝对值，取最大差分绝对值中的最大值记为if。
[0058]
s2：提取故障后各分支电缆接地线电流第3—4工频周期的工频分量，逐一计算故障电缆接地线电流与健全电缆接地线电流的实测幅值比；
[0059]
利用傅里叶变换提取故障发生后第3—4工频周期的接地线电流工频分量，逐一计算故障电缆接地线电流与健全电缆接地线电流的实测幅值比；
[0060]
实测幅值比k
fi
的计算公式如式(3)所示：
[0061][0062]
式(3)中，为故障电缆j接地线电流，为健全电缆i接地线电流，n表示配电网电缆的数量。
[0063]
s3：利用二分法在故障电缆上设置虚拟故障点，结合配电网拓扑结构和线路参数构建故障定位方程，计算各分支电缆首端接地线电流工频分量；
[0064]
根据二分法在故障电缆区间[a,b](a＝0,b＝l)(l为故障电缆长度)内取中点α1，结合配电网拓扑和电阻、电感、电容等线路参数构建故障定位方程，求解该点故障时各条电缆的接地线电流。
[0065]
s4：逐一计算发生该虚拟故障时故障电缆接地线电流与健全电缆接地线电流的幅值比，同实测幅值比比较，确定新的故障区间；
[0066]
逐一计算发生该虚拟故障时故障电缆接地线电流与健全电缆接地线电流的幅值比k
cfi
(α1)；比较k
cfi
(α1)与实测接地线电流幅值比k
fi
的大小关系：
[0067]
若k
cfi
(α1)＝k
fi
，则l
fi
＝α1；
[0068]
若k
cfi
(α1)《k
fi
，则故障点在[a,α1]之间，令b＝α1，则产生新区间[a,b]；
[0069]
若k
cfi
(α1)》k
fi
，则故障点在[α1,b]之间，令a＝α1，则产生新区间[a,b]；
[0070]
发生虚拟故障时电缆接地线电流幅值比计算公式如式(4)所示：
[0071][0072]
式(4)中，为计算得到的故障电缆j接地线电流，为计算得到的健全电缆i接地线电流。
[0073]
s5：利用二分法不断缩小故障区间，当两个区间边界的距离小于等于测距允许误差要求时停止迭代，得到故障距离；
[0074]
s6：待所有故障电缆与健全电缆接地线电流幅值比求解定位方程完成后，以多个故障距离的平均值作为最终故障距离。
[0075]
利用二分法不断缩小故障区间，当两个区间边界的距离小于等于测距允许误差ε要求，即b-a≤ε时停止迭代，得到故障距离l
fi
＝(a+b)/2；待所有故障电缆与健全电缆接地线电流幅值比求解定位方程完成后，最终的故障距离为其中，允许误差ε根据实际需要选择具体数值。
[0076]
实施例2
[0077]
基于与实施例1相同的发明构思，本发明实施例中提供了广域接地线电流幅值比的配电网电缆故障测距系统，包括：
[0078]
若干个接地线电流采集装置、信息汇集装置、数据处理装置、通信网络、存储器；
[0079]
其中，接地线电流采集装置安装在各条电缆首端，用于采集首端接地线电流；
[0080]
信息汇集装置将其覆盖区域内的接地线电流采集装置记录的数据进行汇集处理；
[0081]
数据处理装置用于执行故障测距方法的任一步骤；
[0082]
通信网络将接地线电流采集装置、信息汇集装置与数据处理装置通信连接；
[0083]
存储器用于存储指令和故障数据。
[0084]
实施例3
[0085]
为了验证本文所提模型和测距算法，基于pscad/emtdc构建如图2所示的10kv中性点消弧线圈接地配电网仿真模型。该仿真模型包含8条电缆，其中线路l7为备用状态，其余线路均投入运行。采样频率为6.4khz。
[0086]
图3为仿真的不同出线的接地线电流，其中，i
g_s_l1
为故障电缆l1的首端接地线电流，i
g_s_l2
、i
g_s_l4
、i
g_s_l5
分别为健全线路l2、l4、l5的首端接地线电流。图4为故障线路l1和健全线路l4的首端接地线电流及二者的比值。
[0087]
图5为不同故障条件下的测距结果，可以看出在不同故障电阻、不同故障初相角和不同故障位置下，本发明所提的广域接地线电流幅值比的配电网电缆故障测距方法具有较高的精度。
[0088]
需要说明的是，在本文中，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过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，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过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0089]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
[0090]
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。