基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法

1.本发明属于配电网接地故障在线监测和定位技术领域，具体涉及一种基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法。


背景技术：

2.电力线通信技术是实现智能电网信息传输的重要技术之一。当前，随着城市负荷的不断增长，电缆线路也随之增加，对供电可靠性的要求越来越高。电力线作为电能传输和载波信号的载体，在电能传输和信号传输中起着非常重要的作用。由于在配电网中发生的故障多以单相接地故障为主，约占故障总数的80％，并且单相接地故障会造成电源三相不对称、部分设备工作异常，严重时甚至会导致设备绝缘击穿造成极其不利的影响。因此对单相接地故障的识别和定位就尤为重要。采用无需额外投资的电力线通信技术实现对配电网单相接地故障的在线监测不仅可以提高供电可靠性，还具有良好的经济性。
3.当前研究较成熟并且可应用于实际的配电网单相接地故障在线监测和定位的技术较少，现有的故障监测和定位方法大多局限于对某一线路的故障监测和测距，缺乏对电网中故障线路的定位。在复杂的配电网中，它们无法确定哪条线路发生了故障，并且在检测高阻接地故障时仍面临故障识别难度大，识别标准难以制定等问题。在实际应用中可能存在漏检、准确性不够等问题，因此缺乏实用性。在此情况下，需要找到一种新的配电网接地故障监测和定位方法，有利于加快解决单相接地故障影响供电可靠性的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法，该方法不仅能够识别线路是否发生故障，同时可以定位故障所在线路以及具体位置。
5.本发明所采用的技术方案是，基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法，具体包括以下步骤：
6.步骤1，根据单位长度的电缆分布参数模型得到电缆的特征阻抗和传播常数，以此计算出每个基本单元的输入阻抗；建立电力线信道模型，得到信道频率响应；
7.步骤2，根据信号接收端的不同得到配电网不同的网络拓扑结构，对各拓扑情况故障前后进行信道建模，获得各情况下故障前后的信道频率响应；
8.步骤3，获得各拓扑情况下信道频率响应的变化幅度，通过对比各情况下的变化幅度并结合网络拓扑结构分析得出故障所在线路；
9.步骤4，经步骤3判断出故障所在线路后，获得该线路发生故障后的输入阻抗变化幅度，通过故障测距获得故障在线路中的具体位置。
10.本发明的特征还在于，
11.步骤1具体按照以下步骤实施：
12.步骤1.1，首先，将复杂配电网的拓扑结构划分成n个独立的基本单元；
13.然后，计算电缆的分布参数：单位长度电阻r、单位长度电感l、单位长度电容c及单
位长度电导g；
14.其中，实芯二导体传输线的电阻rs计算公式如式(1)所示：
[0015][0016]
式(1)中，rs的单位为(ω/m),r为导体半径，σc为电导率，δ为趋肤深度，趋肤深度δ如式(2)所示：
[0017][0018]
式(2)中μ0为真空磁导率，且μ0＝4π
×
10-7
,单位为v
·
s/(a
·
m)；
[0019]
所以得到多导体绞合传输线的单位长度电阻r计算公式如式(3)所示：
[0020]
r＝xg.rsꢀꢀ
(3)
[0021]
式(3)中，r的单位为(ω/m)，xg为相关因子，该相关因子取决于导体半径和趋肤深度的数值；
[0022]
单位长度电感l为自感和互感之和，如式(4)所示：
[0023][0024]
式(4)中，l的单位为(h/m)，μc为磁导率，d为两根导线间的距离，ls为导体的自感，lm为导体的互感，自感ls如式(5)所示：
[0025][0026]
式(5)中，ls的单位为(h/m)。
[0027]
互感lm如式(6)所示：
[0028][0029]
式(6)中，lm的单位为(h/m)；
[0030]
单位长度电容c如式(7)所示：
[0031][0032]
式(7)中，c的单位为(f/m)，ε为导体材料间的介电常数；
[0033]
单位长度电导g如式(8)所示：
[0034][0035]
式(8)中，g的单位为(s/m)；
[0036]
最后，每段线路的特征阻抗zc如式(9)所示：
[0037]
[0038]
式(9)中，f为频率；
[0039]
每段线路的传播常数如式(10)所示：
[0040][0041]
步骤1.2，将n个基本单元都等效为t型电路，则第n个基本单元的等效t型电路图如图2所示，根据每个基本单元的接收端和发射端之间各频点的输入阻抗和电压比来计算信道频率响应，n单元的输入阻抗如式(11)所示：
[0042][0043]
式(11)中，为第n个基本单元的发射侧线路的特征阻抗，为第n个基本单元分支点的等效负载阻抗，如式(12)所示：
[0044][0045]
其中，和分别为n单元中前一段主干输入阻抗和分支输入阻抗，如式(13)和式(14)所示：
[0046][0047][0048]
n单元的传递函数h
(n)
(f)如式(15)所示：
[0049][0050]
式(15)中，为第n个基本单元接收端的电压，为第n个基本单元发射端的电压，为第n个基本单元分支点的电压；
[0051]
其中，如式(16)所示，如式(17)所示，即：
[0052][0053]
[0054]
式(16)中，为第n个基本单元接收端的反射系数，如式(18)所示：
[0055][0056]
式(18)中，为第n个基本单元的等效负载阻抗，为第n个基本单元的接收侧线路的特征阻抗；
[0057]
式(17)中，为第n个基本单元分支点的反射系数，如式(19)所示：
[0058][0059]
将各基本单元的信道频率响应相乘就得到整个配电网的网络拓扑的信道频率响应，如式(20)所示：
[0060][0061]
步骤2具体按照以下步骤实施：
[0062]
步骤2.1，将配电网中的信号发射端固定，仅改变信号接收端，根据不同的信号接收端获得配电网不同情况下的拓扑结构；采用步骤1.2中所述的根据每个基本单元的接收端和发射端之间各频点的输入阻抗和电压比来计算信道频率响应的方法分别对各情况下的网络拓扑结构进行信道建模，并获得其各情况的信道频率响应；
[0063]
步骤2.2，当配电网中发生接地故障后，仍将信号发射端固定，仅改变信号接收端，根据不同的信号接收端获得配电网故障后不同情况下的拓扑结构；采用步骤1.2中所述的根据每个基本单元的接收端和发射端之间各频点的输入阻抗和电压比来计算信道频率响应的方法分别对故障后各情况下的网络拓扑结构进行信道建模，并获得其故障后各情况的信道频率响应；
[0064]
步骤3具体按照以下步骤实施：
[0065]
步骤3.1，通过步骤2得到配电网故障前后各拓扑情况下的信道频率响应，对比各拓扑情况下故障前后的信道频率响应，得到各拓扑情况下的信道频率响应变化幅度，如式(21)所示：
[0066][0067]
式(21)中，δ％为配电网发生故障后的信道频率响应变化幅度，h
t
(f)为配电网发生故障后的信道频率响应，h0(f)为配电网正常情况下(故障前)的信道频率响应；
[0068]
步骤3.2，分析各拓扑情况下的信道频率响应变化幅度；随着频率的增加，信道频率响应变化幅度在0上下震荡且最终趋近于0，则该情况故障处于线路分支位置；当信道频率响应变化幅度始终小于0，且随着频率的增加逐渐趋近于某一小于0且不为0的数，则该拓扑情况下故障处于线路主干位置；采用上述判据，判断出故障处于线路主干位置时的拓扑情况，则该拓扑情况中的主干线路即为故障所在线路。
[0069]
步骤4具体按照以下步骤实施：
[0070]
步骤4.1，线路的输入阻抗为该线路最后一个基本单元的输入阻抗，采用步骤1.2中根据每个基本单元的接收端和发射端之间各频点的输入阻抗的方法分别获得故障所在线路故障前和故障后的输入阻抗；
[0071]
步骤4.2，将故障所在线路故障前和故障后的输入阻抗进行快速傅里叶逆变换，将频域形式的输入阻抗转化为时域形式，如式(22)和(23)所示：
[0072][0073][0074]
式(22)中，z(f)为故障所在线路故障前的输入阻抗的频域形式，z(t)为故障所在线路故障前的输入阻抗的时域形式。
[0075]
式(23)中，zd(f)为故障所在线路故障后的输入阻抗的频域形式，zd(t)为故障所在线路故障后的输入阻抗的时域形式。
[0076]
进一步得到故障所在线路发生故障后的输入阻抗变化幅度，如式(24)所示：
[0077][0078]
电磁波的传播速度如式(25)所示：
[0079][0080]
式(25)中v为电磁波的传播速度，l为线路电感，c为线路电容；
[0081]
将故障所在线路的输入阻抗变化幅度中的时间t与电磁波的传播速度v相乘就可以得到与距离相关的函数式，如式(26)所示：
[0082]
δz(l)＝δz(t
·
v)
ꢀꢀꢀ
(26)
[0083]
式(26)中，δz(l)为与距离相关的函数式，l为故障所在线路上的距离；
[0084]
由于阻抗是迭代计算获得，在故障点δz(l)会发生跃变，则δz(l)曲线的峰值位置所对应的距离就是故障点的具体位置。
[0085]
本发明的有益效果是：
[0086]
本发明方法利用电力线载波设备获得配电网中的信道频率响应及其变化幅度，再结合网络拓扑结构判断出故障所在线路，通过对故障线路进行故障测距得到故障点的具体位置，实现对配电网接地故障的监测和定位。不需要断电、不需要额外设备仅使用现有的电力线载波设备就可以实现对复杂配电网中接地故障的实时在线监测和定位，对低阻故障和高阻故障都有良好的监测和定位效果，故障定位详细精确，节省人力物力。
附图说明
[0087]
图1是本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法中的典型拓扑网络结构图；
[0088]
图2是本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法中的第n个基本单元的等效t型电路图；
[0089]
图3是本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法中的实例配电网拓扑结构图；
[0090]
图4是本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法中的第一种情况下故障拓扑结构图；
[0091]
图5是本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法中的第二种情况下故障拓扑结构图；
[0092]
图6是本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法中的第三种情况下故障拓扑结构图；
[0093]
图7是本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法中的第四种情况下故障拓扑结构图；
[0094]
图8是本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法中的200组低阻接地故障第一种情况信道频率响应变化幅度图；
[0095]
图9是本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法中的200组低阻接地故障第二种情况信道频率响应变化幅度图；
[0096]
图10是本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法中的200组低阻接地故障第三种情况信道频率响应变化幅度图；
[0097]
图11是本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法中的200组低阻接地故障第四种情况信道频率响应变化幅度图；
[0098]
图12是本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法中的200组高阻接地故障第一种情况信道频率响应变化幅度图；
[0099]
图13是本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法中的200组高阻接地故障第二种情况信道频率响应变化幅度图；
[0100]
图14是本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法中的200组高阻接地故障第三种情况信道频率响应变化幅度图；
[0101]
图15是本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法中的200组高阻接地故障第四种情况信道频率响应变化幅度图；
[0102]
图16是本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法中的低阻故障阻抗测距效果图；
[0103]
图17是本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法中的高阻故障阻抗测距效果图。
具体实施方式
[0104]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0105]
本发明基于电力线通信技术的配电网接地故障监测和定位方法，具体按照以下步骤实施：
[0106]
步骤1，根据单位长度的电缆分布参数模型(电阻r、电感l、电导g、电容c)得到电缆的特征阻抗和传播常数，以此计算出每个基本单元的输入阻抗，利用接收端和发射端之间各频点的电压比得到每个基本单元的传输特性并，建立电力线信道模型，得到信道频率响应；
[0107]
步骤1.1，首先，将复杂配电网的拓扑结构划分成n个独立的基本单元，如图1所示。每个基本单元的结构包括主干和分支(主干为两节点间的最短路径，其余为分支，分支可以
不存在)，其中主干部分又以分支点为界限分为两段，包括分支点前后的两段主干；分支可以仅有一级分支，也可以存在多级分支，每级分支的个数既可以为单个也可以为多个。对于包含多级分支的基本单元，利用分支等效阻抗与主干并联来简化计算；
[0108]
然后，计算电缆的分布参数：单位长度电阻r、单位长度电感l、单位长度电容c及单位长度电导g；
[0109]
其中，实芯二导体传输线的电阻rs计算公式如式(1)所示：
[0110][0111]
式(1)中，rs的单位为(ω/m),r为导体半径，σc为电导率，δ为趋肤深度，趋肤深度δ如式(2)所示：
[0112][0113]
式(2)中μ0为真空磁导率，且μ0＝4π
×
10-7
,单位为v
·
s/(a
·
m)；
[0114]
所以得到多导体绞合传输线的单位长度电阻r计算公式如式(3)所示：
[0115]
r＝xg.rsꢀꢀ
(3)
[0116]
式(3)中，r的单位为(ω/m)，xg为相关因子，该相关因子取决于导体半径和趋肤深度的数值；
[0117]
单位长度电感l为自感和互感之和，如式(4)所示：
[0118][0119]
式(4)中，l的单位为(h/m)，μc为磁导率，d为两根导线间的距离，ls为导体的自感，lm为导体的互感，自感ls如式(5)所示：
[0120][0121]
式(5)中，ls的单位为(h/m)。
[0122]
互感lm如式(6)所示：
[0123][0124]
式(6)中，lm的单位为(h/m)；
[0125]
单位长度电容c如式(7)所示：
[0126][0127]
式(7)中，c的单位为(f/m)，ε为导体材料间的介电常数；
[0128]
单位长度电导g如式(8)所示：
[0129][0130]
式(8)中，g的单位为(s/m)；
[0131]
最后，每段线路的特征阻抗zc如式(9)所示：
[0132][0133]
式(9)中，f为频率；
[0134]
每段线路的传播常数如式(10)所示：
[0135][0136]
步骤1.2，将n个基本单元都等效为t型电路，则第n个基本单元的等效t型电路图如图2所示，根据每个基本单元的接收端和发射端之间各频点的输入阻抗和电压比来计算信道频率响应，n单元的输入阻抗如式(11)所示：
[0137][0138]
式(11)中，为第n个基本单元的发射侧线路的特征阻抗，为第n个基本单元分支点的等效负载阻抗，如式(12)所示：
[0139][0140]
其中，和分别为n单元中前一段主干输入阻抗和分支输入阻抗，如式(13)和式(14)所示：
[0141][0142][0143]
n单元的传递函数h
(n)
(f)如式(15)所示：
[0144][0145]
式(15)中，为第n个基本单元接收端的电压，为第n个基本单元发射端的电压，为第n个基本单元分支点的电压；
[0146]
其中，如式(16)所示，如式(17)所示，即：
[0147]
[0148][0149]
式(16)中，为第n个基本单元接收端的反射系数，如式(18)所示：
[0150][0151]
式(18)中，为第n个基本单元的等效负载阻抗，为第n个基本单元的接收侧线路的特征阻抗；
[0152]
式(17)中，为第n个基本单元分支点的反射系数，如式(19)所示：
[0153][0154]
在得到复杂配电网中每个基本单元的信道频率响应后，将各基本单元的信道频率响应相乘就得到整个配电网的网络拓扑的信道频率响应，如式(20)所示：
[0155][0156]
步骤2，根据信号接收端的不同能够得到配电网不同的网络拓扑结构，对各拓扑情况故障前后进行信道建模，获得各情况下故障前后的信道频率响应；
[0157]
步骤2.1，将配电网中的信号发射端固定，仅改变信号接收端，根据不同的信号接收端获得配电网不同情况下的拓扑结构；采用步骤1.2中所述的根据每个基本单元的接收端和发射端之间各频点的输入阻抗和电压比来计算信道频率响应的方法分别对各情况下的网络拓扑结构进行信道建模，并获得其各情况的信道频率响应；
[0158]
步骤2.2，当配电网中发生接地故障后，仍将信号发射端固定，仅改变信号接收端，根据不同的信号接收端获得配电网故障后不同情况下的拓扑结构；采用步骤1.2中所述的根据每个基本单元的接收端和发射端之间各频点的输入阻抗和电压比来计算信道频率响应的方法分别对故障后各情况下的网络拓扑结构进行信道建模，并获得其故障后各情况的信道频率响应；
[0159]
步骤2实例说明：
[0160]
选用一配电网如图3所示，选择该配电网进行实例说明，该配电网中线路c的中间位置分别发生了低阻和高阻接地故障。以t作为信号发射端，改变信号接收端共有四种情况的拓扑结构：端点a作为信号接收端为第一种情况如图4所示；端点c作为信号接收端为第二种情况如图5所示；端点e作为信号接收端为第三种情况如图6所示；端点f作为信号接收端为第四种情况如图7所示；其中第二种情况故障处于主干位置其余三种情况故障均处于分支位置。
[0161]
表1配电网线缆参数值
[0162][0163]
随机生成200组线路长度在800-1000m之间的配电网，其线缆阻抗和负载情况均固定，如表1所示。对200组随机生成的配电网进行信道建模，先对故障前四种情况下的拓扑结构进行信道建模并获得其信道频率响应，再对发生低阻故障后四种情况下的拓扑结构进行信道建模并获得其信道频率响应，最后对发生高阻故障后四种情况下的拓扑结构进行信道建模并获得其信道频率响应。
[0164]
步骤3，获得各拓扑情况下信道频率响应的变化幅度，通过对比各情况下的变化幅度并结合网络拓扑结构分析得出故障所在线路；
[0165]
步骤3.1，通过步骤2得到配电网故障前后各拓扑情况下的信道频率响应，对比各拓扑情况下故障前后的信道频率响应，得到各拓扑情况下的信道频率响应变化幅度，如式(21)所示：
[0166][0167]
式(21)中，δ％为配电网发生故障后的信道频率响应变化幅度，h
t
(f)为配电网发生故障后的信道频率响应，h0(f)为配电网正常情况下(故障前)的信道频率响应；
[0168]
步骤3.2，分析各拓扑情况下的信道频率响应变化幅度；随着频率的增加，信道频率响应变化幅度在0上下震荡且最终趋近于0，则该情况故障处于线路分支位置；当信道频率响应变化幅度始终小于0，且随着频率的增加逐渐趋近于某一小于0且不为0的数，则该拓扑情况下故障处于线路主干位置；采用上述判据，判断出故障处于线路主干位置时的拓扑情况，则该拓扑情况中的主干线路即为故障所在线路。
[0169]
步骤3实例说明：
[0170]
由步骤2的实例说明中得到200组随机生成的配电网四种情况下的网络拓扑结构在故障前、低阻故障后和高阻故障后的信道频率响应，进一步计算得到四种情况下的拓扑结构发生低阻故障后的信道频率响应变化幅度如图8～11所示，得到四种情况下的拓扑结构发生高阻故障后的信道频率响应变化幅度如图12～15所示。
[0171]
分析图8～11中的数据曲线，在第一、第三和第四种情况下200组的信道频率响应变化幅度均在0上下震荡且最终趋近于0，在第二种情况下200组的信道频率响应变化幅度始终小于0且随着频率的增加逐渐趋近于某一负数，由此可以判断该低阻故障发生在线路c。
[0172]
分析图12～15中的数据曲线，在第一、第三和第四种情况下200组的信道频率响应变化幅度均在0上下震荡且最终趋近于0，在第二种情况下200组的信道频率响应变化幅度始终小于0且随着频率的增加逐渐趋近于某一负数，由此可以判断该高阻故障发生在线路c。
[0173]
步骤4，经步骤3判断出故障所在线路后，获得该线路发生故障后的输入阻抗变化幅度，通过故障测距获得故障在线路中的具体位置；
[0174]
步骤4.1，线路的输入阻抗为该线路最后一个基本单元的输入阻抗，采用步骤1.2中根据每个基本单元的接收端和发射端之间各频点的输入阻抗的方法分别获得故障所在线路故障前和故障后的输入阻抗；
[0175]
步骤4.2，将故障所在线路故障前和故障后的输入阻抗进行快速傅里叶逆变换，将频域形式的输入阻抗转化为时域形式，如式(22)和(23)所示：
[0176][0177][0178]
式(22)中，z(f)为故障所在线路故障前的输入阻抗的频域形式，z(t)为故障所在线路故障前的输入阻抗的时域形式。
[0179]
式(23)中，zd(f)为故障所在线路故障后的输入阻抗的频域形式，zd(t)为故障所在线路故障后的输入阻抗的时域形式。
[0180]
进一步得到故障所在线路发生故障后的输入阻抗变化幅度，如式(24)所示：
[0181][0182]
电磁波的传播速度如式(25)所示：
[0183][0184]
式(25)中v为电磁波的传播速度，l为线路电感，c为线路电容；
[0185]
将故障所在线路的输入阻抗变化幅度中的时间t与电磁波的传播速度v相乘就可以得到与距离相关的函数式，如式(26)所示：
[0186]
δz(l)＝δz(t
·
v)
ꢀꢀꢀ
(26)
[0187]
式(26)中，δz(l)为与距离相关的函数式，l为故障所在线路上的距离；
[0188]
由于阻抗是迭代计算获得，在故障点δz(l)会发生跃变，则δz(l)曲线的峰值位置所对应的距离就是故障点的具体位置。
[0189]
由此可以实现对配电网中接地故障的监测，并对故障所在线路及故障点的具体位置进行定位。
[0190]
步骤4实例说明：
[0191]
在步骤3的实例说明中，从200组配电网低阻故障中选择一组低阻故障进行故障测距，得到其δz(l)函数曲线如图16所示，得到该曲线峰值位置为510.6m；从200组配电网高阻故障中选择一组高阻故障进行故障测距，得到其δz(l)函数曲线如图17所示，得到该曲线峰值位置也为510.6m。
[0192]
实例结果分析：
[0193]
结合步骤3和步骤4实例说明的结果可以判断出低阻和高阻接地故障均在线路c的510.6m处。故障测距结果分析如下表所示：
[0194]
表2故障测距结果分析
[0195][0196]
从200组配电网故障定位结果可以看出，对于低阻和高阻接地故障该方法都能够准确识别和定位出故障所在线路，并能定位出故障线路中故障点的位置。结合故障线路以及故障点的位置就可以实现对故障的具体定位。通过该方法对故障线路识别和定位的精确率达到100％，并能够实现故障线路的故障测距，故障测距的误差在合理范围内，并且对低阻和高阻接地故障的监测和定位同样有效。因此，本方法可以很好的实现对配电网接地故障的在线监测和定位。