CN109375058B

CN109375058B - 一种基于多点监测与电流电压相差二阶差分的故障线路识别方法

Info

Publication number: CN109375058B
Application number: CN201811315117.3A
Authority: CN
Inventors: 陈庆; 李红斌; 杨世武; 郝嘉睿
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2018-11-06
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2020-01-10
Anticipated expiration: 2038-11-06
Also published as: CN109375058A

Abstract

本发明公开了一种基于配电网线路多点监测与电流电压相角差二阶差分的故障线路识别方法，包括：在配电网各线路布置多个监测点；获取电流电压信号的相角差的二阶差分；获取每条线路的代表值；利用代表值识别故障线路和定位故障点。本发明提出的一种基于配电网线路多点监测与电流电压相角差二阶差分的故障线路识别方法，能够准确识别单相接地故障线路并定位故障点所在区段。

Description

一种基于多点监测与电流电压相差二阶差分的故障线路识别方法

技术领域

本发明属于电气技术领域，更具体地，涉及一种基于多点监测与电流电压相差二阶差分的故障线路识别方法。

背景技术

统计数据显示，配电网故障中有一半以上属于单相接地故障。我国配电网主要采用小电流接地方式，包括中性点不接地和经消弧线圈接地两种。中性点不接地时，故障点可能产生难以熄灭的电弧，因此国家规定，接地故障电流超过一定数值时应采用经消弧线圈接地方式。

引入消弧线圈可以提高电网的安全性，但也会导致故障特征不明显，使多回出线的电力***发生单相接地故障时，识别故障线路更加困难。目前电网仍采用拉闸试停的方法识别故障线路，效率低下且会造成不必要的停电。

目前已经提出的单相接地故障线路识别方案，主要基于分析故障线路与非故障线路某些特征量的区别。其中选取的特征量主要有十种，分为稳态量和暂态量两类。

基于稳态量的方法有：幅值法、相位法、最大

法、五次谐波分量法、零序导纳法、负序电流法、注入信号法。以幅值、相位法为例：在中性点不接地时，相较于非故障线路，故障线路电流幅值较大，相位相反，依此识别故障线路。但对于经消弧线圈接地方式，由于1)故障点零序电流受消弧线圈影响，幅值很小，难以测量；2)不受消弧线圈影响的状态量本身幅值很小，测量困难；3)加入的电阻等因素限制，使测量存在不稳定性。上述七种方法都难以通过其特征量准确识别故障线路。

基于暂态量的方法有：首半波法、暂态电流方向法、小波能量法。暂态过程虽不受消弧线圈限制，但受限于1)故障发生时刻；2)对原始信号处理时，上下限频率设置恰当与否；3)抗干扰能力差。基于暂态量的方法仍然无法准确识别故障线路。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于多点监测与电流电压相差二阶差分的故障线路识别方法，旨在解决现有技术中故障线路识别不准确的问题。

本发明提供了一种基于多点监测与电流电压相差二阶差分的故障线路识别方法，在配电网各条线路上布置多个监测点，并按照如下步骤实现故障线路识别和故障点定位：(1)获取监测点处线路的三相电流和电压波形信号；(2)对所述三相电流和电压波形信号进行处理并获得工频下三相线路上两信号相角差；(3)对每条线路，分别计算各相相角差的二阶差分；(4)对每条线路上每个监测点，在设定的第一时间内，每间隔第二时间计算一次所述步骤(3)中各相相角差的二阶差分；计算其绝对平均值；选用各监测点中绝对平均值最大的值作为该条线路代表值；(5)比较步骤(4)中获取的各条线路代表值大小；(6)取步骤(4)获取线路代表值的监测点序号，记为n；计算(2n+3)/2并取其整商值记为m；(7)确认故障点位于序号为m和m+1的监测点之间。

更进一步地，在步骤(2)中，对所述三相电流和电压波形信号进行快速傅里叶变换，获得工频下三相线路上两信号相角差。

更进一步地，在步骤(3)中，根据如下公式计算各相相角差的二阶差分：

其中，n为监测点序号，

分别为a、b、c三相线路上对应监测点的电压电流相角差，Δ为一阶差分符号，Δ²为二阶差分符号。

更进一步地，在步骤(4)中，根据如下公式计算每条线路上每个监测点的相角差二阶差分的绝对平均值：

其中，

为绝对平均值，ti为第i个时间点，每个时间点相差所述第二时间，

为第i*第二时间时获取并计算到的相角差二阶差分，z为检测总次数，tz为最后一次监测时间。

作为本发明的一个优选实施例，第一时间可以为大于等于20s，第二时间可以为0.1s。

更进一步地，在步骤(5)中，代表值最大的即为故障线路，且故障线路代表值一般远大于正常线路代表值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明在每条配电网线路上布置多个监测点，能够获取线路上电流、电压特征量的沿线路变化。与传统从端口获取少量特征量的方法相比，能够获取更多的电气特征量信息，有助于更准确识别故障线路。

(2)在特征量选取上，本发明通过计算电流和电压之间相角差的二阶差分，得到明显的线路代表值，通过该值能够准确识别单相接地故障线路。

(3)在故障点定位方法上，本发明可以将单相接地故障点定位在两个监测点之间的某一区段，方便对故障点进行故障排查，减少停电时间。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于多点监测与电流电压相差二阶差分的故障线路识别方法的实现流程图；

图2为本发明实施例的电力***拓扑图；

图3为本本发明实施例建立的配电网模型。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种基于配电网线路多点监测与电流电压相角差二阶差分的单相接地故障线路识别和故障点定位方法，旨在创新地通过在配电网布置多个监测点的方式，获取电流、电压信号沿线路的变化，即对电流、电压的相角差进行二阶差分，并获取线路代表值，以此识别故障线路并定位故障点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：在配电网各条线路上布置多个监测点，按照如下步骤实现故障线路识别和故障点定位：

步骤1：获取监测点处线路的三相电流、电压波形信号。

步骤2：对步骤1中获取的电流、电压信号进行快速傅里叶变换，计算得到工频下三相线路上两信号相角差，设三相线路上相角差分别为

(n为监测点序号)。

步骤3：对每条线路，计算步骤2获取的各相相角差的二阶差分，其公式为：

步骤4：对每条线路上每个监测点，在20s或以上的足够长时间内，每0.1s计算一次各相相角差的二阶差分，取其绝对平均值，并选用各监测点中绝对平均值最大的值作为该条线路代表值，其中绝对平均值的计算公式为：

步骤5：比较步骤4获取的各条线路代表值大小，代表值最大的即为故障线路，且故障线路代表值一般远大于正常线路代表值。

步骤6：取步骤4获取线路代表值的监测点序号，设其序号为n。计算(2n+3)/2并取其整商值，记为m。

步骤7：故障点位于序号为m和m+1的监测点之间。

以上结论可以得到理论验证，其论证如下：

线路两个监测点之间的相角差之差主要与两个因素有关：1)线路的分布阻抗参数；2)线路上的电流。

正常线路等间距的分布阻抗参数是一致的，因此上述步骤中求得的相角差的二阶差分几乎只与线路电流有关。

单相接地故障发生后，对地支路引入的过渡阻抗会对相角差产生影响，使故障点前后相角差之差有区别。对相角差进行二次差分之后，此区别会更加明显，使故障区段代表值远大于非故障区段。

代表值远大于其他绝对平均值是由故障区段造成的，故障区段前后的监测点都影响了其二阶差分的计算。其中代表值二阶差分的序号与故障区段前一点序号一致，因此在前述步骤中设为n，大小次之的二阶差分由序号为n+1到n+3的监测点的相角差共同决定。为定位存在于代表值与大小次之的值之间的故障区段，仅需计算n到n+3的中间值即可，即前述的m＝(2n+3)/2。

因此通过前述步骤可以进行故障线路识别和故障点定位。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。由于无法人为产生实际的架空线单相接地故障，实施例采用建模的方式模拟电力***，并通过仿真得到的数据对本发明进行说明。具体步骤如下：

步骤1:建立配电网传输模型。

以如图2所示的电力***拓扑图为例，建立一种配电网传输模型以便于解释本发明具体实施方式。

所搭建的模型如图3所示，按照电力***一般规律设定参数为：1)架空线参数分别为：正序电阻R₁＝0.17Ω/km、零序电阻R₀＝0.23Ω/km、正序电感L₁＝7.6e-3H/km、零序电感L₀＝34.4e-3H/km、正序电容C₁＝6.1e-8F/km、零序电容C₀＝3.8e-8F/km；2)消弧线圈设置为带小电阻电感，其电感大小为2.8H；3)线电压有效值设定为10.5kV；4)负载变化设置，有功变化范围为80kW～200kW，无功变化范围为8kvar～20kvar，则功率因数的变化范围为0.970～0.999。

步骤2:仿真获取电流电压的相角差。

以设置第一条线路监测点5到监测点6之间区段发生过渡电阻为1kΩ的单相接地故障为例，进行仿真。

设置每次仿真时间为5s，每0.1s对电压、电流数据进行一次测量并计算其相角差。由于暂态过程影响，每次仿真只取3s～5s时间内的稳态数据。每次仿真改变负荷，以模拟长时间测量时的负荷变化。一共进行十次仿真，得到总共十组仿真数据。

步骤3:数据处理。

依前述方法，将电流、电压信号进行快速傅里叶变换，计算得到三相线路上两信号相角差，并代入前述二阶差分计算公式(1)、(2)、(3)，得到相角差的二阶差分数据。以第一条线路第一个监测点a相的电流电压相角差的二阶差分数据为例，记录十组数据如下：

序号	1	2	3	4	5
						数据(度)	0.3960	0.4219	0.2949	0.2284	0.4432
序号	6	7	8	9	10
						数据(度)	0.5237	0.2616	0.1682	0.1876	0.2925

根据前述绝对平均值公式(4)，将上述10个数据代入算得监测点1中a相的绝对平均值为0.3218。对每条线路每个监测点各相进行同样计算。同时，对于每条线路，选取各监测点各相中最大的值作为该线路代表值。

得到各条线路代表值如下：

线路	1	2	3	4	5
						代表值(度)	16.04	0.23	0.26	0.18	0.32

比较五条线路的代表值，发现第一条线路的代表值最大，且远大于其余四条线路，则识别故障线路为第一条线路。通过本发明方法识别的故障线路与实际设置故障线路一致。

第一条线路代表值取于监测点4，依前述方法计算(2n+3)/2，算得m＝5，因此定位故障点在监测点5到监测点6之间的区段。通过本发明方法定位到的故障点与实际设置故障点位置一致。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于多点监测与电流电压相差二阶差分的故障线路识别方法，其特征在于，在配电网各条线路上布置多个监测点，并按照如下步骤实现故障线路识别和故障点定位：

(1)获取监测点处线路的三相电流和电压波形信号；

(2)对所述三相电流和电压波形信号进行处理并获得工频下三相线路上两信号相角差；

(3)对每条线路，分别计算各相相角差的二阶差分；

(4)对每条线路上每个监测点，在设定的第一时间内，每间隔第二时间计算一次所述步骤(3)中各相相角差的二阶差分；计算其绝对平均值；选用各监测点中绝对平均值最大的值作为该条线路代表值；

(5)比较步骤(4)中获取的各条线路代表值大小；

(6)取步骤(4)获取线路代表值的监测点序号，记为N；计算(2N+3)/2并取其整商值记为m；

(7)确认故障点位于序号为m和m+1的监测点之间。

2.如权利要求1所述的故障线路识别方法，其特征在于，在步骤(2)中，对所述三相电流和电压波形信号进行快速傅里叶变换，获得工频下三相线路上两信号相角差。

3.如权利要求1所述的故障线路识别方法，其特征在于，在步骤(3)中，根据如下公式计算各相相角差的二阶差分：

其中，n为监测点序号，

4.如权利要求1-3任一项所述的故障线路识别方法，其特征在于，在步骤(4)中，根据如下公式计算每条线路上每个监测点的相角差二阶差分的绝对平均值：

其中，

为i*第二时间这一时间片段内获取并计算到的相角差二阶差分，z为检测总次数，tz为最后一次监测时间。

5.如权利要求1-3任一项所述的故障线路识别方法，其特征在于，所述第一时间为大于等于20s，所述第二时间为0.1s。

6.如权利要求1-3任一项所述的故障线路识别方法，其特征在于，在步骤(5)中，代表值最大的即为故障线路，且故障线路代表值远大于正常线路代表值。