CN101566663A - 一种配电系统电压跌落源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电系统电压跌落源定位方法。它具有判断方式简洁，判断过程快捷，能有效提高定位准确度等优点。其方法为：(1)用傅立叶分解得到电压跌落发生时的基频正序电压V和电流I；(2)取出多个采样周期的数据，得到ΔV_X(i)……ΔV_Y(i)，ΔI_X(i)……ΔI_Y(i)，利用R_e(i)＝(ΔV_X(i)ΔI_X(i) +ΔV_Y(i)ΔI_Y(i))/(ΔI_X(i) ²+ΔI_Y(i) ²)，计算出R_e(i)。(3)将R_e(i)的值分成正负两个单元；(4)给R_e(i)分配一个累加器Q，并把累加器的初始值置为零；(5)在R_e(i)为正时，累加器Q加一，当R_e(i)为负时，累加器Q减一；(6)当各采样周期的点都经过(3)、(4)两步遍历后，检验R_e(i)空间中累加器的值，若累加器值为正则干扰源在检测点上游；累加器值为负则干扰源在检测点下游。

Description

一种配电系统电压跌落源定位方法

技术领域

本发明涉及一种电力故障的判断方法，尤其涉及一种配电系统电压跌落源定位方法。

背景技术

电压跌落(源)的定位，就是确定引起电压跌落的故障发生在监测装置的哪一侧。如图1所示，参照基波有功潮流的方向，如果故障发生在A处，则位于监测装置M的后方，或称为上游方向；如果发生在B处，则位于监测装置M的前方，或称为下游方向。

线路故障或大型感性负荷启动引起短时线路电流突然增大几倍甚至几十倍的额定电流，导致邻近变压器电压和公共联接点(PCC)电压，甚至发电机端电压短时下降。电压跌落的发生是随机的，监测点附近的电动机启动、故障均能引起电压跌落，几百公里远的输电线路故障也能引起电压跌落。目前主要有以下四种方法进行电压跌落源定位。

A、基于扰动功率和扰动能量的方法

通过对扰动功率和扰动能量的监测，得到因发生扰动而出现的功率和能量的变化，并以此来读额定跌落源，相对于功率潮流方向，位于测量装置的哪一侧。该算法没有严格的数学分析，而且这个方法的可信度也会因为扰动功率和扰动能量的结果不匹配而降低。

B、采用距离阻抗继电器的方法

电能质量监测装置通过距离阻抗继电器计算出电压跌落发生前后阻抗的幅值和相角所需要的信息，电压跌落源的位置就可以由同一时刻各处电能质量监测装置提供的信息来确定。该方法的局限：在辐射网络中，如果故障发生在电源和距离阻抗继电器之间，阻抗不会出现变化；如果故障是非永久性的，可能无法得到结论。

C、采用判定直线斜率的方法

当电压跌落发生时从测量点获得的基频电压幅值与功率因数的乘积和基频电流幅值之间的关系对于不同的故障发生点是不同的，可以应用最小二成法将测得(I，|Vcosθ₂|)在直角坐标上用一条直线连起来，通过判断连接这些点的直线的斜率来确定电压跌落源的位置。但该方法基于一个无法满足的假设：在故障与测量装置的某一侧发生时，测量装置另一侧的参数不发生变化。

D、采用基于不同故障类型的方法

扰动方位的确定和扰动的起因有关联，通过分析引起电压跌落的原因后，采用相应方法确定电压跌落源的相对位置。但该方法没有统一的判断方式，该方法定位电压落源时需要考虑较多因素，这将影响判定结果的准确性。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种判断方式简洁，判断过程快捷，能有效提高定位准确度等优点的配电系统电压跌落源定位方法。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种配电系统电压跌落源定位方法，它的步骤为：

1.一种配电系统电压跌落源定位方法，其特征是，它的步骤为：

(1)用傅立叶分解得到电压跌落发生时的基频正序电压V和电流I；

(2)取出多个采样周期的数据，得到ΔV_X(i)……ΔV_Y(i)，ΔI_X(i)……ΔI_Y(i)，利用 $R_{e\left(i\right)}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{X\left(i\right)}{\mathrm{\ΔI}}_{X\left(i\right)}+\mathrm{\Δ}{V}_{Y\left(i\right)}\mathrm{\Δ}{I}_{Y\left(i\right)}}{{\mathrm{\ΔI}}_{X\left(i\right)}^2+{\mathrm{\ΔI}}_{Y\left(i\right)}^2},$ 计算出R_e(i)。其中，采样周期序数i＝1，2，3…n，n为采样周期数；下标X表示变量的实部、下标Y表示变量的虚部；ΔV＝V_during-V_pre为电压跌落发生时与电压跌落方生前电压差值，其中V_during为电压跌落发生时电压，V_pre为电压跌落发生前电压；ΔI＝I_during-I_pre为电压跌落发生时与电压跌落方生前电流差值，其中I_during为电压跌落发生时电流，I_pre为电压跌落发生前电流；

(3)将R_e(i)的值分成正负两个单元；

(4)给R_e(i)分配一个累加器Q，并把累加器的初始值置为零；

(5)在R_e(i)为正时，累加器Q加一，当R_e(i)为负时，累加器Q减一；

(6)当各采样周期的点都经过(3)、(4)两步遍历后，检验R_e(i)空间中累加器的值，若累加器值为正则干扰源在检测点上游；累加器值为负则干扰源在检测点下游。

本发明采用了电压跌落扰动源检测方法。在该方法中利用增益阻抗Z_e＝ΔV/ΔI的符号来判断电压跌落扰动的方位，这里ΔV和ΔI是在测量点测到的电压和电流的变量。

本发明的有益效果是：判断过程简洁，定位精确度较高，

附图说明

图1为电压跌落定位示意图；

图2为电压跌落分析的等效回路；

图3为电压跌落源定位非线性负载仿真回路；

图4a为电压跌落源在检测点上游时R_e(i)分布图；

图4b为电压跌落源在检测点上游时R_e(i)分布图。

具体实施方式

本发明利用增益阻抗Z_e＝ΔV/ΔI的符号来判断电压跌落扰动的方位，这里ΔV和ΔI是在测量点测到的电压和电流的变量。

该方法原理如下：

系统的等效回路如图2所示。这是个基频正序回路。Z₁和E₁是等效电阻和左侧电压源(即供电系统)，Z₂和E₂是右侧客户端的等效电阻和电压源。该等效电路在线性条件下成立。在点M处测量电压和电流波形。

假定干扰发生在客户端并导致M点的电压跌落，检测从干扰前开始，并满足公式：

V＝E₁-I·Z₁                  (1)

式中，V是监测点测得电压，I是监测点测得电流；发生电压跌落时，电压V和电流I变为V+ΔV和I+ΔI，ΔV和ΔI是由客户端引起的电压和电流增量。假定，供电端的参数(Z₁和E₁)在干扰下保持不变，可列出等式：

V+ΔV＝E₁-(I+ΔI)Z₁          (2)

由于干扰同时发生于供电端和客户端两端的可能性几乎为零，上述关于无干扰端的参数恒定的假设是成立的。用公式(2)减去公式(1)可得：

ΔV＝-Z₁ΔI                  (3)

则无干扰端(供电端)增益阻抗为：

$Z_1=-\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\ΔI}}---\left(4\right)$

同理当干扰发生于供电端，则有：

$Z_2=\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\ΔI}}---\left(5\right)$

可以看出增益阻抗 $Z_e=\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\ΔI}}$ 的符号取决于电压跌落源的位置。Z_e是无干扰端的增益阻抗。

由于电阻始终是正的，可以通过确定阻抗Z_e实部的符号来判断电压跌落源的方向。这形成了本方法的基础：

(1)当观测点发生电压跌落时，用下列公式计算出增益阻抗。

$Z_e=\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\ΔI}}=\frac{V_{\mathrm{during}}-V_{\mathrm{pre}}}{I_{\mathrm{during}}-I_{\mathrm{pre}}}---\left(6\right)$

其中(V_pre，I_pre)和(V_during，I_during)分别为电压跌落前和电压跌落时的基频正序电压、电流.

(2)如果Z_e的实部大于零，则跌落源在监测点上游方向。

(3)如果Z_e的实部小于零，则跌落源在监测点下游方向。

本方法存在一问题：本方法成立的条件是在线性系统条件下，但在实际中，在客户端常常存在非线性负载，例如变频装置(VFDs)和感应电动机(IMs)。这两种负载都可被视为恒功率负载。它们在电压跌落中的响应与线性负载远远不同。如图3所示

如果供电端为线性系统，本方法可以准确得识别下游跌落源。当跌落由上游引起时跌落源定位就比较困难。因此上游干扰成为本次推导的重点。当跌落源在监测点上游时，跌落点电流和有功起初下降，然后上升以弥补电压的跌落，好保持功率的恒定。上述情况在电压稳定性领域得到很好的研究。响应可以用动态负载模型暂态特性曲线和稳态特性曲线来描述。

传统的，负荷对电压的依赖特性用指数模型表示。

$P_t\left(V\right)=P_1{\left(\frac{V}{V_1}\right)}^{\mathrm{\α}}---\left(7\right)$

$Q_t\left(V\right)=Q_1{\left(\frac{V}{V_1}\right)}^{\mathrm{\β}}---\left(8\right)$

其中，P_t和Q_t为当母线电压幅值为V时的负荷有功和无功分量，t表示实时分量；下标“1”表示初始运动条件时相关变量值，即V₁、P₁和Q₁分别表示初始运动条件时电压值、负荷有功和负荷无功；α、β负荷指数模型参数。

当跌落发生在上游时，负载暂态特性曲线可由公式得到

P_t(V)＝P_oV^α        (9)

Q_t(V)＝Q_oV^β        (10)

其中， $P_0=\frac{P_1}{V_1^{\mathrm{\α}}},$ $Q_0=\frac{Q_1}{V_1^{\mathrm{\β}}}.$

变频装置的α的预估范围是从4.2到6.5，感应电动机的α的预估范围是从11.0到16.1。变频装置的β的预估范围是从10.6到17.9，感应电动机的β的预估范围是从3.5到4.5。负载的暂态响应不是恒功率类型(α＝β＝0)。事实上，当α＝β＝2时，非线性负载比线性负载对电压变化更为敏感。因此，预估的是暂态的Z_e，它可以可靠的定位跌落源。负载的数学模型为：

P+jQ＝P₀V^α+jP₀V^β                           (11)

相应的负载电流为：

$I=\frac{P-\mathrm{jQ}}{V}=P_0{V}^{\mathrm{\α}-1}-j{Q}_0{V}^{\mathrm{\β}-1}---\left(12\right)$

由上述公式所示，电压的相角作为参考角，设定为0。

如果有电压干扰，由下列推导可得电流的增量。由中值定理知，在[V_pre，V_during]中存在V₃，使

$I_3^{\′}=P_0{V}_3^{\mathrm{\α}-2}(\mathrm{\α}-1)-j{Q}_0{V}_3^{\mathrm{\β}-2}(\mathrm{\β}-1)=\frac{I_{\mathrm{pre}}-I_{\mathrm{during}}}{V_{\mathrm{pre}}-V_{\mathrm{during}}}=\frac{\mathrm{\ΔI}}{\mathrm{\ΔV}}---\left(13\right)$

所以有

ΔI＝P₀V₃ ^α-2(α-1)ΔV-jQ₀V₃ ^β-2(β-1)ΔV    (14)

因此，负载增益阻抗为：

$\mathrm{\ΔZ}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\ΔI}}=\frac{1}{P_0{V}_3^{\mathrm{\α}-2}(\mathrm{\α}-1)-j{Q}_0{V}_3^{\mathrm{\β}-2}(\mathrm{\β}-1)}$

$=k{P}_0{V}_3^{\mathrm{\α}-2}(\mathrm{\α}-1)+\mathrm{jk}{Q}_0{V}_3^{\mathrm{\β}-2}(\mathrm{\β}-1)$

$=R_{\mathrm{eq}}+{\mathrm{jX}}_{\mathrm{eq}}---\left(15\right)$

其中，k＝[P_oV₃ ^α-2(α-1)]²+[Q_oV₃ ^β-2(β-1)]²。R_eq为由跌落源定位法确定的增益阻抗实部。

则阻抗为：R_eq＝kP_oV₃ ^α-2(α-1)。可以看出，如果α＞1，R_eq为正值。可见方法正确。如果α远大于1，R_eq会很大，这可使符号判断简单化。X_eq由跌落源定位法确定的增益阻抗实虚部。

上述方法基于增益阻抗理论，因此较为理论化。它在实践运用中存在的主要问题是：选择不同的电压跌落时的周期，可能会得到相反的结论。当所选择的电压跌落时周期过于接近或者过于远离所选择电压跌落前的周期，有20％的电压跌落源不能正确定位。这是因为增益阻抗在电压跌落期间发生改变。因此，在分析电压跌落时用同一周期的数据将产生不可靠的结果。为了提高增益阻抗的精确度，我们建议利用多个周期的数据。

利用多个周期的数据，并通过霍夫变换进行数据处理，来提高算法精度。

假定干扰在下游将公式(3)展开可得：

ΔV_X+jΔV_Y＝-(ΔI_X+jΔI_Y)(R₁+jX₁)         (16)

即

ΔV_X+jΔV_Y＝-R₁ΔI_X+X₁ΔI_Y+j(-R₁ΔI_Y-X₁ΔI_X)        (17)

其中，下标X表示变量的实部，下标Y表示变量的虚部，R₁表示增益阻抗Z₁的实部，X₁表示增益阻抗Z₁的虚部。

可得一方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{V}_X=-R_1\mathrm{\Δ}{I}_X+X_1\mathrm{\Δ}{I}_Y\\ \mathrm{\Δ}{V}_Y=-R_1\mathrm{\Δ}{I}_Y-X_1\mathrm{\Δ}{I}_X\end{array}\right.---\left(18\right)$

解方程组(18)可得：

$-R_1=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_X\mathrm{\Δ}{I}_X+\mathrm{\Δ}{V}_Y\mathrm{\Δ}{I}_Y}{\mathrm{\Δ}{I}_X^2+\mathrm{\Δ}{I}_Y^2}---\left(19\right)$

同理，当干扰源在上有时，

$R_2=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_X\mathrm{\Δ}{I}_X+\mathrm{\Δ}{V}_Y\mathrm{\Δ}{I}_Y}{\mathrm{\Δ}{I}_X^2+\mathrm{\Δ}{I}_Y^2}---\left(20\right)$

注意，公式(19)和(20)的右侧是相同的。因此可利用公式：

$R_e=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_X\mathrm{\Δ}{I}_X+\mathrm{\Δ}{V}_Y\mathrm{\Δ}{I}_Y}{\mathrm{\Δ}{I}_X^2+\mathrm{\Δ}{I}_Y^2}---\left(21\right)$

计算R_e符号来判断跌落源位置。

可由下列步骤进行定位：

(1)用傅立叶分解得到电压跌落发生时的基频正序电压V和电流I；

(2)取出多个采样周期的数据，得到ΔV_X(i)……ΔV_Y(i)，ΔI_X(i)……ΔI_Y(i)，利用 $R_{e\left(i\right)}=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{X\left(i\right)}\mathrm{\Δ}{I}_{X\left(i\right)}+\mathrm{\Δ}{V}_{Y\left(i\right)}\mathrm{\Δ}{I}_{Y\left(i\right)}}{\mathrm{\Δ}{I}_{X\left(i\right)}^2\mathrm{\Δ}{I}_{Y\left(i\right)}^2},$ 计算出R_e(i)。其中，采样周期序数i＝1，2，3…n，n为采样周期数；下标X表示变量的实部、下标Y表示变量的虚部；ΔV＝V_during-V_pre为电压跌落发生时与电压跌落方生前电压差值，其中V_during为电压跌落发生时电压，V_pre为电压跌落发生前电压；ΔI＝I_during-I_pre为电压跌落发生时与电压跌落方生前电流差值，其中I_during为电压跌落发生时电流，I_pre为电压跌落发生前电流；

(3)将R_e(i)的值分成正负两个单元；

(4)给R_e(i)分配一个累加器Q，并把累加器的初始值置为零；

(5)在R_e(i)为正时，累加器Q加一，当R_e(i)为负时，累加器Q减一；

(6)当各采样周期的点都经过(3)、(4)两步遍历后，检验R_e(i)空间中累加器的值，若累加器值为正则干扰源在检测点上游；累加器值为负则干扰源在检测点下游。

由式(21)知ΔI_X ²+ΔI_Y ²永远为正，因此只判断ΔV_XΔI_X+ΔV_YΔI_Y正负即可。设

P_e＝ΔV_XΔI_X+ΔV_YΔI_Y         (22)

其中P_e与R_e的符号一致，因此将P_e替换上述步骤中R_e，进行电压跌落源定位。

通过仿真验证可得R_e(i)的分布如图4a、4b所示。

由图4a所示，当电压跌落源在检测点上游时，R_e(i)值大部分为正值；由图4b所示，当电压跌落源在检测点下游时，R_e(i)值大部分为负值。可见该方法可有效的定位电压跌落源位置。

Claims (3)

1.一种配电系统电压跌落源定位方法，其特征是，它的步骤为：

(1)用傅立叶分解得到电压跌落发生时的基频正序电压V和电流I；

(2)取出多个采样周期的数据，得到ΔV_X(i)……ΔV_Y(i)，ΔI_X(i)……ΔI_Y(i)，定义增益阻抗实部 $R_{e\left(i\right)}=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{X\left(i\right)}\mathrm{\Δ}{I}_{X\left(i\right)}+\mathrm{\Δ}{V}_{Y\left(i\right)}\mathrm{\Δ}{I}_{Y\left(i\right)}}{\mathrm{\Δ}{I}_{X\left(i\right)}^2+\mathrm{\Δ}{I}_Y^2\left(i\right)},$ 计算出R_e(i)；其中，采样周期序数i＝1，2，3…n，n为采样周期数 ；下标X表示变量的实部、下标Y表示变量的虚部；ΔV＝V_during-V_pre为电压跌落发生时与电压跌落方生前电压差值，其中V_during为电压跌落发生时电压，V_pre为电压跌落发生前电压；ΔI＝I_during-I_pre为电压跌落发生时与电压跌落方生前电流差值，其中I_during为电压跌落发生时电流，I_pre为电压跌落发生前电流；

(3)将R_e(i)的值分成正负两个单元；

(4)给R_e(i)分配一个累加器Q，并把累加器的初始值置为零；

(5)在R_e(i)为正时，累加器Q加一，当R_e(i)为负时，累加器Q减一；

(6)当各采样周期的点都经过(3)、(4)两步遍历后，检验R_e(i)空间中累加器的值，若累加器值为正则干扰源在检测点上游；累加器值为负则干扰源在检测点下游。

2.如权利要求1所述的配电系统电压跌落源定位方法，其特征是，所述步骤(3)中，将R_e的值分成正负两个单元，即不考虑R_e的准确值，而只考虑其正负。

3.如权利要求1所述的配电系统电压跌落源定位方法，其特征是，所述步骤(4)中，累加器Q的设置为设置一个变量Q，该变量仅进行单位量加减，即仅加一或减一。

Images