CN107884682A - 基于故障点与监测点距离的配电网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于故障点与监测点距离的配电网故障定位方法，属于电网监测领域。采用的技术方案：在已有电网中建立监测点，仿真模拟电网中各节点处分别发生故障，采集监测点处的电压暂降数据，将上述数据存储建立数据库作为节点故障比对数据；电网故障时监测点处采集故障相的电压暂降幅值和相位跳变，将电压暂降幅值和相位跳变与上述节点故障比对数据比对，确定故障区段和相应故障区段的过渡电阻范围；故障区段确定后根据采集到的故障后三相中故障相的电压电流和三相中故障相的故障距离分布函数确定故障点距离。实际应用中利用变电站端安装的电能质量检测仪的故障事件记录功能，能够比较精确的进行辐射型配电网的故障定位，使用设备简单成本低。

Description

基于故障点与监测点距离的配电网故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于故障点与监测点距离的配电网故障定位方法，属于电网监测领域。

背景技术

配电网分支众多，结构复杂，易发生故障。为了快速隔离故障，恢复***正常运行，需要快速准确地实现配电网故障定位，国内外研究学者对此做了大量研究。

目前，国内外对故障定位技术的研究大致可分为3 类：1）行波法。需要安装精确测量装置测量故障行波到达测量装置所用的时间以实现故障测距。配电网结构复杂，混合线路接头处，线路分支处和负荷处均为波阻抗不连续点，因而测距困难，且设备投入费用昂贵，因此该方法在配网中实现比较困难。2）基于多点测量的电流判别法。该类方法主要采用矩阵算法和人工智能法，借助于配电网馈线终端测量装置监测到的电流信息，通过综合分析实现配网故障区段定位。此类方法投资大，需要在配网中装设多个监测装置，而现今只有配网自动化水平较高的区域具备这种监测条件，低压配电网能测得的数据数量有限，使得此类方法的应用具有很大局限性，且此类方法只能实现故障区段定位，不能确定具体故障位置。3）阻抗法。根据故障回路阻抗和故障距离成正比的原理，实现故障定位，阻抗法原理简单，投资少，但不适合应用于结构复杂的配电网中。

考虑线路不同点发生故障在监测点测得的电压暂降数据不同，利用最小二乘法曲线拟合确定故障距离分布函数以实现故障测距，模拟仿真线路某几个点发生故障，根据监测点测得的相应电压暂降数据拟合出故障距离分布函数，但根据曲线拟合得到的分布函数计算故障距离会比与根据实际配网拓扑结构得到的分布函数计算故障距离误差大。

发明内容

本发明提供一种基于故障点与监测点距离的配电网故障定位方法，解决配电网故障定位问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于故障点与监测点距离的配电网故障定位方法，

在已有电网中建立监测点，通过仿真模拟电网中各节点处分别发生故障，并采集监测点处的电压暂降数据，将上述数据存储建立数据库作为节点故障比对数据；

电网故障发生时，监测点处采集故障相的电压暂降幅值和相位跳变，并将上述电压暂降幅值和相位跳变与上述节点故障比对数据进行比对，确定故障区段和相应故障区段的过渡电阻范围；

故障区段确定后，根据监测点采集到的故障后三相中故障相的电压电流和三相中故障相的故障距离分布函数确定故障点距离。

作为优选，所述监测点采集的数据包括每相电压和每相的注入电流。

作为进一步的优选，故障距离分布函数如下，

，

其中，Uka 为故障后监测点 k 处测得的A 相电压；Ika、Ikb、Ikc 分别为故障后变电站端A、B、C 三相的注入电流；Jkaka、Jkakb、Jkakc 代表阻抗矩阵J 中k 点A 相的自阻抗、AB相的互阻抗、AC 相的互阻抗；

故障点处节点阻抗和故障距离的关系函数，

Zkf、Zkq、Zkp、Zpq 分别为阻抗矩阵Z 中节点k、f、p、q 间的互阻抗，k节点为监测节点，方节点为故障节点，p节点为其中一个支路节点，q另一支路节点；Zff、Zpp、Zqq 代表节点f、p、q 的自阻抗，Zpq 代表线路p-q 段的阻抗；

故障相每相的故障距离分布函数实部及虚部方程确定的故障距离为

dmr、dmi 分别为根据m 相的分布函数实部、虚部方程计算出的故障距离，m=1,2,3 分别表示A、B、C 三相；

最终的故障距离d，

故障相为一相，n 为1，故障相为两相，n 为2，故障相为三相，n 为3。

本发明的优点在于，提出了基于母线电压暂降特征信息和故障距离分布函数实现配电网故障定位的单点定位算法，利用故障时母线电压暂降特征信息与数据库中数据匹配分析确定可能故障区段。根据基于节点阻抗矩阵建立的相应故障区段的故障距离分布函数和故障后电压暂降数据计算故障距离，克服计算故障距离误差大和伪故障点影响的问题。实际应用中，利用变电站端安装的电能质量检测仪的故障事件记录功能，能够比较精确的是新辐射型配电网的故障定位，使用设备简单，成本低，易于实现。

附图说明

图1是两条配电支路的简单配电馈线，

图2是基于图1各节点的不同过渡电阻下区段p-q的电压暂降。

具体实施方式

本发明是利用故障点与监测点距离节点间电网中电压电流信息进行分析判断电网故障位置，具体原理来看，故障距离分布函数基于节点阻抗矩阵，对于任意给定***参数的配电网，利用节点导纳矩阵求逆法或支路追加法不难得到配网的三相节点阻抗矩阵。在故障前，对原n 节点的电网可建立n 阶三相节点阻抗矩阵Zpre。考虑如图 1 所示的带2 条支路的简单辐射型配电网，节点k为变电站端监测点，实际应用中用电能质量监测仪就能实现故障事件数据记录，假设短路故障发生在传输线路p-q 上的f 处，距离节点p的单位距离为d。

根据节点阻抗矩阵中自阻抗和互阻抗元素的意义，配网中各节点电压列向量等于节点阻抗矩阵乘以相应各节点注入电流列向量。对于辐射状配电网，变电站端电流可看作唯一注入电流，那么监测点节点处k 电压关于电流的函数方程可由相应的节点阻抗矩阵元素联系起来。考虑到序分量法不适用于三相不平衡配电网，本文采用相分量法实现故障定位以避免这一不足，以节点k 处A 相电压为例进行说明。

(1)

式中：Uka 为故障后监测点 k 处测得的A 相电压；Ika、Ikb、Ikc 分别为故障后变电站端A、B、C 三相的注入电流；J 为故障发生后通过在配网正常时的三相节点阻抗矩阵中追加故障节点f 和过渡电阻后得到的三相节点阻抗矩阵；Jkaka、Jkakb、Jkakc 代表阻抗矩阵J 中k 点A 相的自阻抗、AB 相的互阻抗、AC 相的互阻抗。故障发生后，将故障点看作一个新的节点 f，

可通过修正故障前节点阻抗矩阵Zpre，得到追加了故障节点f 后的(n+3)阶三相节点阻抗矩阵Z。Z 中的前n 行n 列元素与***正常时的节点阻抗矩阵元素相同，其他元素与故障节点相关。与故障节点相关联的自阻抗和互阻抗随故障距离的变化而变化，可用***正常时的节点阻抗矩阵元素和故障距离d表示。

（2）

式中：Zkf、Zkq、Zkp、Zpq 分别为阻抗矩阵Z 中节点k、f、p、q 间的互阻抗；Zff、Zpp、Zqq代表节点f、p、q 的自阻抗；Zpq 代表线路p-q 段的阻抗。考虑到不同故障类型会导致网络结构发生不同变化，需根据具体故障情况在三相节点阻抗矩阵Z 的基础上追加过渡电阻，得到符合故障情况的三相节点阻抗矩阵J。得到单相短路、两相短路、两相短路接地、三相短路故障时符合故障情况的三相节点阻抗矩阵W、M、G、S。将 W、M、G、S 中的相应元素替换式(1)中与J 相关的元素，可得到不同故障情况下监测点各相电压关于故障距离d 的故障距离分布函数。

将每个故障距离分布函数按实数部分和虚数部分分开得到2 个实数方程。故障距离分布函数的实部和虚部方程分别为

fr(d) =Urmeas (3)

fi(d)=Uimeas (4)

式中 Urmeas、Uimeas 分别为故障后监测点测得的电压实部和电压虚部。由实部方程计算得到的故障距离dr 可根据式(4)求得，由虚部方程计算得到的故障距离di 可根据式(4)求得。

根据配网拓扑数据，考虑不同故障类型和不同过渡电阻，在线模拟配网各节点处分别单独发生故障，通过潮流计算得到监测点处故障相的电压暂降幅值U 和相位跳变θ，计算电压暂降实部和虚部，并以电压暂降实部Ur 和虚部Ui 的形式储存到相应故障类型的节点电压暂降数据库中，建立监测点处的电压暂降数据库。

故障区段定位

实际故障发生时，根据监测点处采集的故障相的电压暂降幅值和相位跳变，计算电压暂降实部和虚部，与节点电压暂降数据库中的数据进行匹配分析，确定可能故障区段和相应故障区段的过渡电阻范围。对任意区段 p-q，由于仿真模拟时假设的过渡电阻不是连续的，则有可能实际故障时的过渡电阻不在仿真模拟范围内，导致所测电压暂降数据不在仿真模拟范围内，如图2 所示。图2 中，Ur、Ui 分别为故障相的电压暂降的实部、虚部，2 个虚框部分分别为故障电阻为Rf(x)、Rf(x+1)时对应的电压暂降实部及虚部范围，Rf(x+1)> Rf(x)，x=1,2,3,…,n，n 是仿真模拟的所有故障电阻的数目。为了使实际故障区段不被漏选，可根据如下方法选择可能故障区段。

Ur ≤Ur.f ≤Ur (5)

Ui ≤Ui.f ≤Ui (6)

式中：Ur.f、Ui.f分别为故障时由监测点测得数据计算出的故障相的电压暂降实部和虚部；Ur、Ur、Ui、Ui(max)分别为仿真模拟故障发生在区段p-q 的节点上，故障电阻分别为Rf(x)、Rf

(x+1)时监测点测得的电压暂降实部数据中的最小值、电压暂降实部数据中的最大值、电压暂降虚部数据中的最小值、电压暂降虚部数据中的最大值。

如果根据监测点故障相的电压暂降数据计算出的电压暂降实部和虚部同时满足式(5)(6)，则区段p-q 为可能故障区段，Rf(x)~Rf(x+1)间的电阻值为可能过渡电阻值。由于基于相同电气距离的点发生故障在监测点处可能会监测到相同的电压暂降幅值和相位跳变，受分支点影响，采用上述方法可能会得到多个故障区段。

故障区段确定后，根据监测点采集到的故障后三相中故障相的电压电流和三相中故障相的故障距离分布函数可确定故障点。将过渡电阻值和故障后监测点测得的电压电流数据带入相应的可能故障区段的故障距离分布函数中，每个故障距离分布函数按实数部分和虚数部分分开得到式(3)(4)，可计算出故障距离dr、di。计算出的dr、di 需在(0, 1)范围内，如果不在(0, 1)范围内，则该故障区段为伪故障区段。最可能的过渡电阻值需用逐步逼近搜索法在Rf(x)~Rf

(x+1)间搜索确定，以较小步长在Rf(x)~Rf(x+1)间搜索到使差异度δ1、δ2 之和最小的过渡电阻值。

根据此时的过渡电阻确定最可能的故障点，由故障相每相的故障距离分布函数实部及虚部方程确定的故障距离为

dm=(dmr+dmi)/2 (7)

式中dmr、dmi 分别为根据m 相的分布函数实部、虚部方程计算出的故障距离，m=1,2,3分别表示A、B、C 三相，可能故障点若是实际故障点，故障相各相中dmr 与dmi 的差异度应相同或者很小，三相中故障相dmr 与dmi 总的差异度用δ1 表示。

最终的故障距离d 可确定为

d=(d1+d2+d3)/n (8)

式(7)(8)中， dm 只涉及故障相，非故障相的dmr、dmi 和dm 应为0。故障相为一相，n 为1，故障相为两相，n 为2，故障相为三相，n 为3。

本文方法进行故障定位时，根据母线电压暂降信息判断可能故障区段，避免了逐段线路计算确定故障区段耗费大量时间。基于节点阻抗矩阵建立的反映故障距离变化的分布函数计算故障距离，准确度较高，引入的排序算法减弱了伪故障点的影响。算例分析验证了本文方法的准确性和可靠性。实际应用中，利用变电站端安装的电能质量监测仪的故障事件记录功能，能够比较准确地实现辐射型配电网的故障定位，使用设备简单，成本低，易于实现。

Claims (3)

1.一种基于故障点与监测点距离的配电网故障定位方法，其特征是，

在已有电网中建立监测点，通过仿真模拟电网中各节点处分别发生故障，并采集监测点处的电压暂降数据，将上述数据存储建立数据库作为节点故障比对数据；

电网故障发生时，监测点处采集故障相的电压暂降幅值和相位跳变，并将上述电压暂降幅值和相位跳变与上述节点故障比对数据进行比对，确定故障区段和相应故障区段的过渡电阻范围；

故障区段确定后，根据监测点采集到的故障后三相中故障相的电压电流和三相中故障相的故障距离分布函数确定故障点距离。

2.根据权利要求1所述的基于故障点与监测点距离的配电网故障定位方法，其特征是，所述监测点采集的数据包括每相电压和每相的注入电流。

3.根据权利要求2所述的基于故障点与监测点距离的配电网故障定位方法，其特征是，

故障距离分布函数如下，

鼓掌距离分配函数.JPG，

其中，Uka 为故障后监测点 k 处测得的A 相电压；Ika、Ikb、Ikc 分别为故障后变电站端A、B、C 三相的注入电流；Jkaka、Jkakb、Jkakc 代表阻抗矩阵J 中k 点A 相的自阻抗、AB相的互阻抗、AC 相的互阻抗；

故障点处节点阻抗和故障距离的关系函数，

故障点阻抗.JPG

Zkf、Zkq、Zkp、Zpq 分别为阻抗矩阵Z 中节点k、f、p、q 间的互阻抗，k节点为监测节点，方节点为故障节点，p节点为其中一个支路节点，q另一支路节点；Zff、Zpp、Zqq 代表节点f、p、q 的自阻抗，Zpq 代表线路p-q 段的阻抗；

故障相每相的故障距离分布函数实部及虚部方程确定的故障距离为

故障距离.JPG

dmr、dmi 分别为根据m 相的分布函数实部、虚部方程计算出的故障距离，m=1,2,3 分别表示A、B、C 三相；

最终的故障距离d，

距离公式.JPG

故障相为一相，n 为1，故障相为两相，n 为2，故障相为三相，n 为3。