CN111426913B - 一种基于正序电压分布特性的故障定位方法和*** - Google Patents

一种基于正序电压分布特性的故障定位方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于正序电压分布特性的故障定位方法和***，属于配电网故障定位领域。方法包括：对配电网进行实时检测，提取故障时刻线路两端正序电压、正序电流、线路阻抗及导纳参数；分别以故障线路两端作为起始点，推导故障线路沿线的正序电压分布并确定初始故障定位区间；利用上述沿线正序电压分布，分别构建以故障线路两端作为起始点的差值电压分布；根据沿线正序电压分布曲线斜率、初始故障定位区间和差值电压分布曲线斜率，得到最终的故障定位区间。本发明克服了配电馈线支路线长系数较小、线路长度较短等工况下发生故障时由于电压曲线陡度较低导致测距结果存在较大误差的问题，有效提升了双端量故障定位的可靠性及正确率。

Description

一种基于正序电压分布特性的故障定位方法和***
技术领域
本发明属于配电网故障定位技术领域，更具体地，涉及一种基于正序电压分布特性的故障定位方法和***。
背景技术
随着我国社会的发展进步，安全可靠的电力供应成为关乎国民生活、工业生产的重要环节。同时，由停电造成的经济损失和负面影响越发明显，对持续供配高质量电能的需求也越发迫切。而输电线路作为配电网的基本组成部分，由于分布范围广、长期暴露于自然环境、线路老化、人为破坏等多方面因素，导致线路故障发生率极高。因此，故障发生后准确快速找到故障位置和故障原因，对提高电力***安全运行水平、保证运行可靠性都十分重要。
目前输电线路故障定位的主要方法可根据原理分为阻抗法和行波法。阻抗法是结合故障工频量信息，通过故障电压电流中的工频相量及线路参数计算出故障位置。行波法是在考虑线路分布参数情况下，对故障时的暂态行波进行分析计算来测量故障位置。由于在实际工程现场所获波形混杂多种噪声，行波波头辨识困难，因此行波法测距可靠性受限。
由于阻抗法可利用线路双端数据进行测距，充分利用故障信息，不易受过渡电阻影响，且近年来随着相量测量装置PMU的开发利用，双端数据同步问题也得以解决，测距精度得到显著提升。但配电网广泛布置的中短长度(1-5km)线路的沿线电压分布受限于线路长度，发生故障时电压曲线陡度较低，电压降落特征并不明显，导致双端测距结果与实际故障位置存在较大偏差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于正序电压分布特性的故障定位方法和***，其目的在于解决配电网短长度线路故障时，由于电压曲线陡度较低而导致测距结果存在较大误差的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于正序电压分布特性的故障定位方法，包括：
S1.对配电网进行实时检测，提取故障时刻线路两端正序电压、正序电流、线路阻抗及导纳参数；
S2.分别以故障线路两端作为起始点，构建沿线正序电压分布曲线，并确定初始故障定位区间；
S3.利用上述沿线正序电压分布，分别构建以故障线路两端作为起始点的差值电压分布；
S4.根据沿线正序电压分布曲线斜率、初始故障定位区间和差值电压分布曲线斜率，得到最终的故障定位区间。
进一步地，步骤S2具体包括：
S2.1.以M端为起始点，得到故障线路中任意一点x的正序电压分布为：
UMx＝UM-(IM-UM·Yx)Zx；
S2.2.以N端为起始点，得到故障线路中任意一点x的正序电压分布为：
UNx＝UN-[IN-UN·Y(l-x)]Z(l-x)；
其中，M、N为故障线路两端端点，UM、UN分别为M、N点正序电压；IM、IN分别为M、N点正序电流；Z为故障线路单位阻抗，Y为故障线路单位导纳，l为故障线路长度，UMx表示以M端为起始点推算得到的线路x处的正序电压；UNx表示以N端为起始点推算得到的线路x处的正序电压；
S2.3.由|UMx|＝|UNx|求取故障点xf和故障电压uf，并根据uset＝uf+Δu计算得到电压门槛值uset；其中，Δu为电压互感器在不同精度等级下其二次侧存在的电压误差；
S2.4.由
Figure BDA0002456420060000031
确定初始故障定位区间(x1,x2)。
进一步地，步骤S3具体包括：
S3.1.计算线路两端端点的差值电压：
Figure BDA0002456420060000032
其中，UM(0)、UN(l)分别为故障线路两端端点的测量电压；UM(l)、UM(0)分别为根据UMx推算得到的线路全长电压和根据UNx推算得到的线路全长电压；
S3.2.构建如下一次函数，得到以M端为起始点的线路x处的差值电压ΔUMx和以N端为起始点的线路x处的差值电压为ΔUNx，ΔUMx、ΔUNx共同构成差值电压分布；
Figure BDA0002456420060000033
其中，
Figure BDA0002456420060000034
进一步地，步骤S4具体为，根据以下公式得到最终的故障定位区间(x′1,x′2)；
Figure BDA0002456420060000035
其中，KM为以M端为起始点推算的正序电压分布曲线斜率，KN以N端为起始点推算的正序电压分布曲线斜率，ΔKM为以M端为起始点的差值电压分布曲线斜率，ΔKN为以N端为起始点的差值电压分布曲线斜率。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于正序电压分布特性的配电网故障定位***，包括：
检测模块，用于对配电网进行实时检测，提取故障时刻线路两端正序电压、正序电流、线路阻抗及导纳参数；
正序电压分布曲线构建模块，用于分别以故障线路两端作为起始点，构建沿线正序电压分布曲线，并确定初始故障定位区间；
差值电压分布曲线构建模块，用于利用上述沿线正序电压分布，分别构建以故障线路两端作为起始点的差值电压分布；
故障区间定位模块，用于根据沿线正序电压分布曲线斜率、初始故障定位区间和差值电压分布曲线斜率，确定最终的故障定位区间。
进一步地，正序电压分布曲线构建模块的执行过程具体包括：
以M端为起始点，得到故障线路中任意一点x的正序电压分布为：
UMx＝UM-(IM-UM·Yx)Zx；
以N端为起始点，得到故障线路中任意一点x的正序电压分布为：
UNx＝UN-[IN-UN·Y(l-x)]Z(l-x)；
其中，M、N为故障线路两端端点，UM、UN分别为M、N点正序电压；IM、IN分别为M、N点正序电流；Z为故障线路单位阻抗，Y为故障线路单位导纳，l为故障线路长度，UMx表示以M端为起始点推算得到的线路x处的正序电压；UNx表示以N端为起始点推算得到的线路x处的正序电压；
由|UMx|＝|UNx|求取故障点xf和故障电压uf，并根据uset＝uf+Δu计算得到电压门槛值uset；其中，Δu为电压互感器在不同精度等级下其二次侧存在的电压误差；
由
Figure BDA0002456420060000041
确定初始故障定位区间(x1,x2)。
进一步地，差值电压分布曲线构建模块的执行过程具体包括：
计算线路两端端点的差值电压：
Figure BDA0002456420060000051
其中，UM(0)、UN(l)分别为故障线路两端端点的测量电压；UM(l)、UN(0)分别为根据UMx推算得到的线路全长电压和根据UNx推算得到的线路全长电压；
S3.2.构建如下一次函数，得到以M端为起始点的线路x处的差值电压ΔUMx和以N端为起始点的线路x处的差值电压为ΔUNx，ΔUMx、ΔUNx共同构成差值电压分布；
Figure BDA0002456420060000052
其中，
Figure BDA0002456420060000053
进一步地，故障区间定位模块根据以下公式确定最终的故障定位区间(x′1,x′2)；
Figure BDA0002456420060000054
其中，KM为以M端为起始点推算的正序电压分布曲线斜率，KN以N端为起始点推算的正序电压分布曲线斜率，ΔKM为以M端为起始点的差值电压分布曲线斜率，ΔKN为以N端为起始点的差值电压分布曲线斜率。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
与传统利用沿线电压确定故障位置方法相比，本发明有效利用双端正序电压，使得差值处理后的沿线电压分布曲线特征明显，更有利于在配电网短线路电压曲线较为平坦的工况下缩小定位误差范围，识别故障位置。克服了配电网短长度线路故障时由于电压曲线陡度较低导致测距结果存在较大误差的问题，有效提升了双端量故障定位的可靠性及正确率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于正序电压分布特性的故障定位方法流程示意图；
图2为本发明方法适用的故障定位正序网络等效电路；
图3为本发明实施例提供的故障发生时双端线路沿线正序电压分布图；
图4为本发明实施例提供的对故障发生时双端线路沿线正序电压进行差值计算后所得到沿线电压分布；
图5为本发明实施例提供的在保持互感器电压误差Δu不变时，差值电压与传统电压计算得到的定位区间示意图。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于正序电压分布特性的故障定位方法，包括：
S1.对配电网进行实时检测，提取故障时刻线路两端正序电压、正序电流、线路阻抗及导纳参数；
具体地，根据π型等效模型线路阻抗及对地导纳的分布规律，可知在故障点前后线路参数分布与故障距离有关，故障时刻正序网络等效电路如图2所示；其中，对线路长度为l，故障距离为x的故障线路分别提取故障时刻线路两端(定义为M、N)的正序电压UM、UN，正序电流IM、IN，单位阻抗已知为Z，单位导纳已知为Y。
S2.分别以故障线路两端作为起始点，构建沿线正序电压分布曲线，并确定初始故障定位区间；
具体地，步骤S2包括：
结合图2所示工况下电压电流关系，考虑线路参数影响，推导线路正序电压分布表达式，以M端为起始端的沿线电压推算方程为UMx＝UM-(IM-UM·Yx)Zx，以N端为起始端的沿线电压推算方程为UNx＝UN-[IN-UN·Y(l-x)]Z(l-x)，此时双端线路沿线正序电压曲线如图3所示。
由|UMx|＝|UNx|计算故障点xf和故障电压uf。考虑到电压互感器在不同精度等级其二次侧均存在电压误差Δu(实际应用中Δu为已知量，与电互感器精度等级有关)，定义电压门槛值为：
uset＝uf+Δu
将uset代入双端电压分布UMx,UNx，由
Figure BDA0002456420060000071
确定初始故障定位区间(x1,x2)，如图3所示；
结合沿线电压分布曲线，并规定以M侧至故障点为正方向，存在以下规律：
①故障点左侧(靠近M)存在：由M端起始推算至故障区间左边界x1时有真实电压UM(x1)＝uset，电压分布斜率
Figure BDA0002456420060000072
由N端起始推算至故障区间左边界x1时有虚拟电压UN(x1)＝u1，电压分布斜率
Figure BDA0002456420060000073
②故障点右侧(靠近N)存在：由N端起始推算至故障区间右边界x2时有真实电压UN(x2)＝uset，电压分布斜率
Figure BDA0002456420060000074
由M端起始推算至故障区间右边界x2时有虚拟电压UM(x2)＝u2，电压分布斜率
Figure BDA0002456420060000075
S3.利用上述沿线正序电压分布，分别构建以故障线路两端作为起始点的差值电压分布；
具体地，由于配电线路长度短、电压等级低，正序电压分布规律可近似为直线，提取故障线路双端的测量电压UM(0),UN(l)和推算线路全长的计算电压UM(l),UN(0)，步骤S2的正序电压分布可改写为如下一次函数形式：
Figure BDA0002456420060000081
要构建差值电压分布曲线，首先需求得线路双端差值电压：
Figure BDA0002456420060000082
由差值量表示差值电压分布曲线：
Figure BDA0002456420060000083
其中，以M端为起始点的差值电压首末端点为ΔUM(0),ΔUM(l)，差值电压分布曲线斜率定义为ΔKM；以N端为起始点的差值电压首末端点为ΔUN(0),ΔUN(l)，电压分布曲线斜率定义为ΔKN；在该规律下形成的电压分布称为差值电压分布曲线，如图4所示，从图中可以看出以下规律：
①故障点左侧(靠近M)存在：线路x1处的差值电压为
Figure BDA0002456420060000088
Figure BDA0002456420060000084
则差值电压曲线斜率为
Figure BDA0002456420060000085
②故障点右侧(靠近N)存在：线路x2处的差值电压为ΔUN(x2)＝UN(x2)-UM(x2)＝uset-u2，差值电压曲线斜率为
Figure BDA0002456420060000086
Figure BDA0002456420060000087
可以看出，相比于步骤S2中传统的双端电压分布，差值电压分布曲线近似由M,N侧起始的两条斜率更显著的直线组成。
S4.根据沿线正序电压分布曲线、初始故障定位区间和差值电压分布斜率，确定最终的故障定位结果。
具体地，由图5可知，电压互感器二次侧误差Δu在差值电压分布ΔUMx,ΔUNx对应更短的定位区间(x′1,x′2)。对于Δu存在如下关系式：
Figure BDA0002456420060000091
进一步，可推导得到x′1,x′2表达式：
Figure BDA0002456420060000092
(x′1,x′2)相比于初始定位区间(x1,x2)得到有效缩减，间接提高了定位精度。
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 (4)

1.一种基于正序电压分布特性的故障定位方法，其特征在于，包括：
S1.对配电网进行实时检测，提取故障时刻线路两端正序电压、正序电流、线路阻抗及导纳参数；
S2.分别以故障线路两端作为起始点，构建沿线正序电压分布曲线，并确定初始故障定位区间；步骤S2具体包括：
S2.1.以M端为起始点，得到故障线路中任意一点x的正序电压分布为：
UMx＝UM-(IM-UM·Yx)Zx；
S2.2.以N端为起始点，得到故障线路中任意一点x的正序电压分布为：
UNx＝UN-[IN-UN·Y(l-x)]Z(l-x)；
其中，M、N为故障线路两端端点，UM、UN分别为M、N点正序电压；IM、IN分别为M、N点正序电流；Z为故障线路单位阻抗，Y为故障线路单位导纳，l为故障线路长度，UMx表示以M端为起始点推算得到的线路x处的正序电压；UNx表示以N端为起始点推算得到的线路x处的正序电压；
S2.3.由|UMx|＝|UNx|求取故障点xf和故障电压uf，并根据uset＝uf+Δu计算得到电压门槛值uset；其中，Δu为电压互感器在不同精度等级下其二次侧存在的电压误差；
S2.4.由
Figure FDA0003081787010000011
确定初始故障定位区间(x1，x2)；
S3.利用上述沿线正序电压分布，分别构建以故障线路两端作为起始点的差值电压分布；
S4.根据沿线正序电压分布曲线斜率、初始故障定位区间和差值电压分布曲线斜率，得到最终的故障定位区间；步骤S4具体为，根据以下公式得到最终的故障定位区间(x′1，x′2)；
Figure FDA0003081787010000021
其中，KM为以M端为起始点推算的正序电压分布曲线斜率，KN以N端为起始点推算的正序电压分布曲线斜率，ΔKM为以M端为起始点的差值电压分布曲线斜率，ΔKN为以N端为起始点的差值电压分布曲线斜率。
2.根据权利要求1所述的一种基于正序电压分布特性的故障定位方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
S3.1.计算线路两端端点的差值电压：
Figure FDA0003081787010000022
其中，UM(0)、UN(l)分别为故障线路两端端点的测量电压；UM(l)、UN(0)分别为根据UMx推算得到的线路全长电压和根据UNx推算得到的线路全长电压；
S3.2.构建如下一次函数，得到以M端为起始点的线路x处的差值电压ΔUMx和以N端为起始点的线路x处的差值电压为ΔUNx，ΔUMx、ΔUNx共同构成差值电压分布；
Figure FDA0003081787010000023
其中，
Figure FDA0003081787010000024
3.一种基于正序电压分布特性的配电网故障定位***，其特征在于，包括：
检测模块，用于对配电网进行实时检测，提取故障时刻线路两端正序电压、正序电流、线路阻抗及导纳参数；
正序电压分布曲线构建模块，用于分别以故障线路两端作为起始点，构建沿线正序电压分布曲线，并确定初始故障定位区间；正序电压分布曲线构建模块的执行过程具体包括：
以M端为起始点，得到故障线路中任意一点x的正序电压分布为：
UMx＝UM-(IM-UM·Yx)Zx；
以N端为起始点，得到故障线路中任意一点x的正序电压分布为：
UNx＝UN-[IN-UN·Y(l-x)]Z(l-x)；
其中，M、N为故障线路两端端点，UM、UN分别为M、N点正序电压；IM、IN分别为M、N点正序电流；Z为故障线路单位阻抗，Y为故障线路单位导纳，l为故障线路长度，UMx表示以M端为起始点推算得到的线路x处的正序电压；UNx表示以N端为起始点推算得到的线路x处的正序电压；
由|UMx|＝|UNx|求取故障点xf和故障电压uf，并根据uset＝uf+Δu计算得到电压门槛值uset；其中，Δu为电压互感器在不同精度等级下其二次侧存在的电压误差；
由
Figure FDA0003081787010000031
确定初始故障定位区间(x1，x2)；
差值电压分布曲线构建模块，用于利用上述沿线正序电压分布，分别构建以故障线路两端作为起始点的差值电压分布；
故障区间定位模块，用于根据沿线正序电压分布曲线斜率、初始故障定位区间和差值电压分布曲线斜率，确定最终的故障定位区间；故障区间定位模块根据以下公式确定最终的故障定位区间(x′1，x′2)；
Figure FDA0003081787010000032
其中，KM为以M端为起始点推算的正序电压分布曲线斜率，KN以N端为起始点推算的正序电压分布曲线斜率，ΔKM为以M端为起始点的差值电压分布曲线斜率，ΔKN为以N端为起始点的差值电压分布曲线斜率。
4.根据权利要求3所述的一种基于正序电压分布特性的配电网故障定位***，其特征在于，差值电压分布曲线构建模块的执行过程具体包括：
计算线路两端端点的差值电压：
Figure FDA0003081787010000041
其中，UM(0)、UN(l)分别为故障线路两端端点的测量电压；UM(l)、UN(0)分别为根据UMx推算得到的线路全长电压和根据UNx推算得到的线路全长电压；
构建如下一次函数，得到以M端为起始点的线路x处的差值电压ΔUMx和以N端为起始点的线路x处的差值电压为ΔUNx，ΔUMx、ΔUNx共同构成差值电压分布；
Figure FDA0003081787010000042
其中，
Figure FDA0003081787010000043
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