CN102967802A - 配电网行波故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种配电网行波故障定位方法。首先，选择故障初始行波最先到达的测量点选作参考测量点；然后，进行初步故障定位，即利用参考测量点依次与其他接收到故障行波信号的两个测量点综合运用三个测量点计算出多个故障点到参考测量点的距离；最后，根据从多过故障定位结果中选取最大值作为最终故障点的位置。与现有方法相比，本方法的优点在于无需判断故障区间，无需标注配电网中的特殊点，进而提高了故障定位准确性与可靠性，并且不论故障发生在配电网中那个位置，故障定位方法一致。当线路发生故障后，无需花费很多时间寻找确定故障点，提高了供电可靠性，具有广阔的应用前景。

Description

配电网行波故障定位方法

技术领域

本发明属于电力系统保护技术领域，特别涉及一种配电网行波故障定位方法。

背景技术

快速、准确地确定配电线路的故障点位置，可加快永久故障的修复，及时消除隐患以避免大量瞬时性故障的再次发生，对保证电力系统的安全稳定和经济运行有十分重要的意义。

目前，配电网的故障定位，国内外已经提出了多种方法，主要有阻抗法、S注入法、智能法、“故障指示器”技术、馈线自动化技术和行波法。阻抗法受线路阻抗、负荷和电源参数的影响较大，对于带有多分支的配电线路，阻抗法无法排除伪故障点。S注入法的注入信号的能量有限，如果故障点经很大电阻接地，或者故障点距离线路始端很远，那么信号将很微弱无法准确测量。智能法受知识库和网络结构的影响很大。“故障指示器”技术虽然得到了实用化，但接地故障指示器的使用效果则不很理想，正确率不高，电网发生单相接地故障时常常没有反应。馈线自动化技术不能准确的对故障进行定位，而且故障定位的区间受馈线自动化设备安装密度的影响。

行波法原理可分为单端原理和双端原理。单端原理测距利用反射波和入射波之间的时间差计算故障距离。然而在配电网中，由于其分支较多，故障发生后，故障行波会在线路中发生复杂的折反射，无法区分故障点和线路分支点的反射行波。目前单端行波测距原理还难以自动给出正确的测距结果，仍不能在配电网中单独使用。双端原理测距是通过计算故障行波到达线路两端的时间差来计算故障位置，其测距精度基本不受线路的故障位置、故障类型、线路长度、接地电阻等因素的影响。但理论分析和实际应用表明，虽然双端行波原理能够在线自动给出故障测距结果，但可靠性和准确性受给定线路长度误差和授时系统的影响。当给定线路长度存在较大的误差或授时系统不正常工作时，双端原理测距结果是不可信的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能克服上述缺陷、适用于输电线路的输电线路组合行波故障测距方法。其技术方案为：

一种配电网行波故障定位方法，其特征在于采用以下步骤：

1）选取参考测量点：用i=1,2,3,…,m,…,n表示位于配电网各馈线末端的测量点，T_i表示故障发生时在时间同步情况下其接收到的故障初始行波时间；其中m为故障初始行波最先到达的测量点，该点对应的故障初始行波到达时间为T_m，选取该点为参考测量点；

2）初步故障定位：选取参考测量点m之后，利用参考测量点m分别与其他接收到故障行波信号的测量点i和测量点（i+1）组成的T接线路，计算出对应的可能故障点k_i到参考测量点的距离l_ki，并记录下相对应测量点组成的T接线路，若测量点i和测量点（i+1）中有一个为参考测量点m，则用下一个测量点代替，若测量点（i+1）和测量点n重合，则计算停止，详细计算过程如下：

设参考测量点m与测量点i和测量点（i+1）组成的T接线路接点为O_i，参考测量点m、测量点i和测量点（i+1）到接点O_i的距离分别为l_im、l_ii和l_i(i+1)，可能故障点k_i到参考测量点m、测量点i和测量点（i+1）的距离分别为l_kim，l_kii和l_ki(i+1)，接点O_i与可能故障点k_i的距离l_iOk为l_iOk＝|l_im-l_kim|，行波的传播速度为v；则根据初始行波传播过程可以得到下列方程组（1）：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_{\mathrm{kim}}+l_{\mathrm{kii}}+l_{\mathrm{ki}(i+1)}=l_{\mathrm{im}}+l_{\mathrm{ii}}+l_{i(i+1)}+l_{\mathrm{iOk}}\\ l_{\mathrm{kim}}-l_{\mathrm{kii}}=v(T_m-T_i)\\ l_{\mathrm{kim}}-l_{\mathrm{ki}(i+1)}=v(T_m-T_{i+1})\\ l_{\mathrm{iOk}}=|l_{\mathrm{im}}-l_{\mathrm{kim}}|\end{array}\right.---\left(1\right)$

通过对方程组（1）求解，可以得到可能故障点k_i到参考测量点的距离l_ki如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{l}_{\mathrm{ki}}=l_{\mathrm{kim}}=L+v(T_{\mathrm{mi}}+T_{m(i+1)}),& (l_{\mathrm{kim}}\≤l_{\mathrm{im}})\\ l_{\mathrm{ki}}=l_{\mathrm{kim}}=L^{\′}+2v(T_{\mathrm{mi}}+T_{m(i+1)}),& (l_{\mathrm{kim}}>l_{\mathrm{im}})\end{array}\right.$

式中：L＝(2l_im+l_ii+l_i(i+1))/4，L'＝(l_ii+l_i(i+1))/2，T_mi＝(T_m-T_i)/4，T_m(i+1)＝T_m-T_i+1)/4；

3）故障定位结果确定：设初步故障定位结果中最大值为l_kj，即l_kj=max（l_ki），那么，最终故障定位结果为：故障点位于测量点m、测量点j和测量点（j+1）组成的T接线路中，故障点到测量点m、测量点j和测量点（j+1）的距离依次为：l_kj、l_kj-v(T_m-T_j)和l_kj-v(T_m-T_j+1)。

工作原理为：根据故障行波的传播路径可知，配电网发生故障时，各条馈线末端的测量点接收到的第一个故障行波应为故障点发出的故障初始行波，在时间精确同步情况下对应于故障初始行波到达时刻，而且距离故障点最近的馈线末端的测量点最先检测到故障初始行波信号。若以此测量点为参考，利用参考测量点依次与其他接收到故障行波信号的相邻两个测量点组成的T接线路计算出对应的可能故障点到参考测量点的距离。根据行波的传播过程可以看出，故障点不在计算时采用的T接线路中时，其计算出的故障点到参考测量点的距离一定会小于故障点在计算时采用的T接线路中时计算出的故障点到参考测量点的距离。显然，在所有的计算出的故障点到参考测量点的距离中的最大值就是最终故障点到参考测量点距离，然后利用故障初始行波到达另两个测量点与参考测量点的时间差就可以计算出故障点到另两个测量点的距离。这样，就实现了配电网的行波故障定位。

本发明与现有技术相比，其优点在于：计算简单，方法一致性好，无需判断故障分支，无须对特殊点进行标记，提高了故障定位精度，很大程度地提高了电力线路行波故障定位的可靠性与准确性。当线路发生故障后，无需花费很多时间即可确定故障点，提高了供电可靠性，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明的故障暂态行波在配电网拓扑图中的传播过程示意图。

图中：1为电源端的测量点，其所在的分支线长度为l₁；2，3，…，13，14为配电网中各线路末端的测量点，其所在分支线长度分别为l₂，l₃，…，l₁₃，l₁₄；A，B，C，…，J，K依次为线路的分支点，其相邻两点距离分别为l_AB，l_BC，…，l_IJ，l_JK；S为电源接入点，距离分支点A和分支点F的距离分别为l_SA和l_SF；k为故障点；图中箭头方向代表故障初始行波的传播路径和传播方向。

具体实施方式

下面结合附图以某仿真实例对本发明作以下说明：

实施例1：电压等级为10kV，1为电源端的测量点，其所在的分支线长度为l₁=100m；2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14为配电网中各线路末端的测量点，其所在分支线长度分别为l₂=100m，l₃=150m，l₄=100m，l₅=200m，l₆=300m，l₇=200m，l₈=100m，l₉=100m，l₁₀=200m，l₁₁=200m，l₁₂=200m，l₁₃=200m，l₁₄=400m；A，B，C，…，J，K依次为线路的分支点，其相邻两点距离分别为l_AB=500m，l_BC=800m，l_CD=1500m，l_DE=1000m，l_FG=500m，l_GH=100m，l_GI=1500m，l_IJ=1000m，l_JK=100m；S为电源接入点，距离分支点A和分支点F的距离分别为l_SA=1500m和l_SF=500m；实际故障点k到测量点2的距离为50m，行波在线路中的波速v＝3×10⁸m/s。t=0.025s时刻发生故障。

步骤1、选取参考测量点：故障发生后，在时间同步情况下各个测量点接收到的故障初始行波时间为：T₁=25005.5μs，T₂=25000.2μs，T₃=25002.4μs，T₄=25004.9μs，T₅=25010.2μs，T₆=25013.9μs，T₇=25013.6μs，T₈=25007.2μs，T₉=25009.2μs，T₁₀=25009.5μs，T₁₁=25014.2μs，T₁₂=25017.5μs，T₁₃=25017.9μs，T₁₄=25018.5μs；由以上可以看出测量点2为故障初始行波最先到达的测量点，该点对应的故障初始行波到达时间为T₂=25000.2μs，故选该点为参考测量点；

步骤2、初步故障定位：选取测量点2为参考测量点之后，利用测量点2分别与其他接收到故障行波信号的测量点i和测量点（i+1）组成的T接线路。以i=1为例，由于测量点（i+1）为参考测量点，则用测量点3代替。利用测量点2与测量点1和测量点3组成的T接线路计算出对应的可能故障点k₁到参考测量点的距离l_k1，此时测量点2与测量点1和测量点3组成的T接线路接点为O₁，测量点2、测量点1和测量点3到接点O₁的距离分别为l₁₂=100m、l₁₁=1600m和l₁₃=650m，可能故障点k₁到测量点2、测量点1和测量点3的距离分别为l_k12，l_k11和l_k13，接点O₁与可能故障点k₁的距离l_1Ok为l_1Ok＝|l₁₂-l_k12|；则根据初始行波传播过程可以得到下列方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_{k12}+l_{k11}+l_{k13}=l_{12}+l_{11}+l_{13}+l_{1\mathrm{Ok}}\\ l_{k12}-l_{k11}=v(T_2-T_1)\\ l_{k12}-l_{k13}=v(T_2-T_3)\\ l_{1\mathrm{Ok}}=|l_{12}-l_{k12}|\end{array}\right.$

通过对上述方程组求解，可以得到：当0≤l_k12≤l₁₂时l_k12=50m或当l_k12＞l₁₂时l_k12=0m，显然此时l_k1=50m；运用同样的方法可以利用其他T接线路计算出故障点到测量点2的距离，其结果如下表所示：

所用的测量点编号

2、3和4

2、3和4

2、4和5

2、5和6

2、6和7

2、7和8

可能故障点位置（m）

lk2=45

lk3=45

lk4=47.5

lk5=47.5

lk6=42.5

lk7=45

所用的测量点编号

2、8和9

2、9和10

2、10和11

2、11和12

2、12和13

2、13和14

可能故障点位置（m）

lk8=50

lk9=52.5

lk10=52.5

lk11=52.5

lk12=50

lk13=50

步骤3、故障定位结果确定：从以上初步故障定位结果中可以得到可能故障点到参考测量点的距离最大值为l_k9，即：max（l_ki）=l_k9=52.5m。那么，最终故障定位结果为：故障点位于测量点2、测量点9和测量点10组成的T接线路中，故障点到测量点2、测量点9和测量点10的距离分别为：l_k9=52.5m、l_k9-v(T₂-T₉)=2752.5m和l_k9-v(T₂-T₁₀)=2842.5m。与实际故障点相比，本发明的故障点到测量点2、测量点9和测量点10的距离测量误差为2.5m、2.5m和7.5m。

实施例2：电压等级为10kV，1为电源端的测量点，其所在的分支线长度为l₁=100m；2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14为配电网中各线路末端的测量点，其所在分支线长度分别为l₂=100m，l₃=150m，l₄=100m，l₅=200m，l₆=300m，l₇=200m，l₈=100m，l₉=100m，l₁₀=200m，l₁₁=200m，l₁₂=200m，l₁₃=200m，l₁₄=400m；A，B，C，…，J，K为线路的分支点，其相邻两点距离分别为l_AB=500m，l_BC=800m，l_CD=1500m，l_DE=1000m，l_FG=500m，l_GH=100m，l_GI=1500m，l_IJ＝1000m，l_JK=100m；S为电源接入点，距离分支点A和分支点F的距离分别为l_SA=1500m和l_SF=500m；实际故障点k位于分支点B，行波在输电线路中的波速v＝3×10⁸m/s。t=0.025s时刻发生故障。

步骤1、选取参考测量点：故障发生后，在时间同步情况下各个测量点接收到的故障初始行波时间为：T₁=25007.0μs，T₂=25002.0μs，T₃=25000.5μs，T₄=25003.0μs，T₅=25008.4μs，T₆=25012.0μs，T₇=25011.7μs，T₈=25008.7μs，T₉=25010.7μs，T₁₀=25011.0μs，T₁₁=25015.7μs，T₁₂=25019.0μs，T₁₃=25019.4μs，T₁₄=25020.0μs；由以上可以看出测量点3为故障初始行波最先到达的测量点，该点对应的故障初始行波到达时间为T₃=25000.5μs，故选该点为参考测量点；

步骤2、初步故障定位：选取测量点3为参考测量点之后，利用测量点3分别与其他接收到故障行波信号的测量点i和测量点（i+1）组成的T接线路。以i=1为例，利用测量点3与测量点1和测量点2组成的T接线路计算出对应的可能故障点k₁到测量点3的距离l_k1，此时测量点3与测量点1和测量点2组成的T接线路接点为O₁，测量点3、测量点1和测量点2到接点O₁的距离分别为l₁₃=650m、l₁₁=1600m和l₁₂=100m，可能故障点k₁到测量点3、测量点1和测量点2的距离分别为l_k13，l_k11和l_k12，接点O₁与可能故障点k₁的距离l_1Ok为l_1Ok＝|l₁₃-l_k13|；则根据初始行波传播过程可以得到下列方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_{k13}+l_{k11}+l_{k12}=l_{13}+l_{11}+l_{12}+l_{1\mathrm{Ok}}\\ l_{k13}-l_{k11}=v(T_3-T_1)\\ l_{k13}-l_{k12}=v(T_3-T_2)\\ l_{1\mathrm{Ok}}=|l_{13}-l_{k13}|\end{array}\right.$

通过对上述方程组求解，可以得到：当0≤l_k13≤l₁₃时l_k13=150m或当l_k12＞l₁₂时l_k12=-350m，显然此时l_k31=150m；运用同样的方法可以利用其他T接线路计算出故障点到测量点3的距离，其结果如下表所示：

所用的测量点编号

3、2和4

3、4和5

3、4和5

3、5和6

3、6和7

3、7和8

可能故障点位置（m）

lk2=150

lk3=145

lk4=145

lk5=145

lk6=147.5

lk7=145

所用的测量点编号

3、8和9

3、9和10

3、10和11

3、11和12

3、12和13

3、13和14

可能故障点位置（m）

lk8=145

lk9=147.5

lk10=147.5

lk11=147.5

lk12=145

lk13=145

步骤3、故障定位结果确定：从以上初步故障定位结果中可以得到可能故障点到参考测量点的距离最大值为l_k1，即：max（l_ki）=l_k1=150m。那么，最终故障定位结果为：故障点位于测量点3、测量点1和测量点2组成的T接线路中，故障点到测量点3、测量点1和测量点2的距离分别为：l_k1=150m、l_k1-v(T₃-T₁)=2100m和l_k1-v(T₃-T₂)=600m。与实际故障点相比，本发明的故障点到测量点3、测量点1和测量点2的距离测量误差为0m、0m和0m。

实施例3：电压等级为10kV，1为电源端的测量点，其所在的分支线长度为l₁=100m；2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14为配电网中各线路末端的测量点，其所在分支线长度分别为l₂=100m，l₃=150m，l₄=100m，l₅=200m，l₆=300m，l₇=200m，l₈=100m，l₉=100m，l₁₀=200m，l₁₁=200m，l₁₂=200m，l₁₃=200m，l₁₄=400m；A，B，C，…，J，K为线路的分支点，其相邻两点距离分别为l_AB=500m，l_BC=800m，l_CD=1500m，l_DE=1000m，l_FG=500m，l_GH=100m，l_GI=1500m，l_IJ＝1000m，l_JK=100m；S为电源接入点，距离分支点A和分支点F的距离分别为l_SA=1500m和l_SF=500m；实际故障点k位于AB段到测量点2的距离为300m，行波在输电线路中的波速v＝3×10⁸m/s。t=0.025s时刻发生故障。

步骤1、选取参考测量点：故障发生后，在时间同步情况下各个测量点接收到的故障初始行波时间为：T₁=25006.0μs，T₂=25001.0μs，T₃=25001.5μs，T₄=25004.0μs，T₅=25009.4μs，T₆=25013.0μs，T₇=25012.7μs，T₈=25007.7μs，T₉=25009.7μs，T₁₀=25010.0μs，T₁₁=25014.7μs，T₁₂=25018.0μs，T₁₃=25018.4μs，T₁₄=25019.0μs；由以上可以看出测量点2为故障初始行波最先到达的测量点，该点对应的故障初始行波到达时间为T₂=25001.0μs，故选该点为参考测量点；

步骤2、初步故障定位：选取测量点2为参考测量点之后，利用测量点2分别与其他接收到故障行波信号的测量点i和测量点（i+1）组成的T接线路。以i=1为例，由于测量点（i+1）为参考测量点，则用测量点3代替。利用测量点2与测量点1和测量点3组成的T接线路计算出对应的可能故障点k₁到参考测量点的距离l_k1，此时测量点2与测量点1和测量点3组成的T接线路接点为O₁，测量点2、测量点1和测量点3到接点O₁的距离分别为l₁₂=100m、l₁₁=1600m和l₁₃=650m，可能故障点k₁到测量点2、测量点1和测量点3的距离分别为l_k12，l_k11和l_k13，接点O₁与可能故障点k₁的距离l_1Ok为l_1Ok＝|l₁₂-l_k12|；则根据初始行波传播过程可以得到下列方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_{k12}+l_{k11}+l_{k13}=l_{12}+l_{11}+l_{13}+l_{1\mathrm{Ok}}\\ l_{k12}-l_{k11}=v(T_2-T_1)\\ l_{k12}-l_{k13}=v(T_2-T_3)\\ l_{1\mathrm{Ok}}=|l_{12}-l_{k12}|\end{array}\right.$

通过对上述方程组求解，可以得到：当0≤l_k12≤l₁₂时l_k12=200m或当l_k12＞l₁₂时l_k12=300m，显然此时l_k1=300m；运用同样的方法可以利用其他T接线路计算出故障点到测量点2的距离，其结果如下表所示：

所用的测量点编号

2、3和4

2、3和4

2、4和5

2、5和6

2、6和7

2、7和8

可能故障点位置（m）

lk2=300

lk3=300

lk4=295

lk5=295

lk6=297.5

lk7=290

所用的测量点编号

2、8和9

3、9和10

2、10和11

2、11和12

2、12和13

2、13和14

可能故障点位置（m）

lk8=95

lk9=97.5

lk10=97.5

lk11=97.5

lk12=95

lk13=95

步骤3、故障定位结果确定：从以上初步故障定位结果中可以得到可能故障点到参考测量点的距离最大值为l_k1，即：max（l_ki）=l_k1=300m。那么，最终故障定位结果为：故障点位于测量点2、测量点1和测量点3组成的T接线路中，故障点到测量点2、测量点1和测量点3的距离分别为：l_k1=300m、l_k1-v(T₂-T₁)=1800m和l_k1-v(T₂-T₃)=450m。与实际故障点相比，本发明的故障点到测量点3、测量点1和测量点2的距离测量误差为0m、0m和0m。

Claims (1)

1.一种配电网行波故障定位方法，其特征在于采用以下步骤：

1）选取参考测量点：用i=1,2,3,…,m,…,n表示位于配电网各馈线末端的测量点，T_i表示故障发生时在时间同步情况下其接收到的故障初始行波时间；其中m为故障初始行波最先到达的测量点，该点对应的故障初始行波到达时间为T_m，选取该点为参考测量点；

2）初步故障定位：选取参考测量点m之后，利用参考测量点m分别与其他接收到故障行波信号的测量点i和测量点（i+1）组成的T接线路，计算出对应的可能故障点k_i到参考测量点的距离l_ki，并记录下相对应测量点组成的T接线路，若测量点i和测量点（i+1）中有一个为参考测量点m，则用下一个测量点代替，若测量点（i+1）和测量点n重合，则计算停止，详细计算过程如下：

设参考测量点m与测量点i和测量点（i+1）组成的T接线路接点为O_i，参考测量点m、测量点i和测量点（i+1）到接点O_i的距离分别为l_im、l_ii和l_i(i+1)，可能故障点k_i到参考测量点m、测量点i和测量点（i+1）的距离分别为l_kim，l_kii和l_ki(i+1)，接点O_i与可能故障点k_i的距离l_iOk为l_iOk＝|l_im-l_kim|，行波的传播速度为v；则根据初始行波传播过程可以得到下列方程组（1）：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_{\mathrm{kim}}+l_{\mathrm{kii}}+l_{\mathrm{ki}(i+1)}=l_{\mathrm{im}}+l_{\mathrm{ii}}+l_{i(i+1)}+l_{\mathrm{iOk}}\\ l_{\mathrm{kim}}-l_{\mathrm{kii}}=v(T_m-T_i)\\ l_{\mathrm{kim}}-l_{\mathrm{ki}(i+1)}=v(T_m-T_{i+1})\\ l_{\mathrm{iOk}}=|l_{\mathrm{im}}-l_{\mathrm{kim}}|\end{array}\right.---\left(1\right)$

通过对方程组（1）求解，可以得到可能故障点k_i到参考测量点的距离l_ki如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{l}_{\mathrm{ki}}=l_{\mathrm{kim}}=L+v(T_{\mathrm{mi}}+T_{m(i+1)}),& (l_{\mathrm{kim}}\≤l_{\mathrm{im}})\\ l_{\mathrm{ki}}=l_{\mathrm{kim}}=L^{\′}+2v(T_{\mathrm{mi}}+T_{m(i+1)}),& (l_{\mathrm{kim}}>l_{\mathrm{im}})\end{array}\right.$

式中：L＝(2l_im+l_ii+l_i(i+1))/4，L'＝(l_ii+l_i(i+1))/2，T_mi＝(T_m-T_i)/4，T_m(i+1)＝T_m-T_i+1)/4；

3）故障定位结果确定：设初步故障定位结果中最大值为l_kj，即l_kj=max（l_ki），那么，最终故障定位结果为：故障点位于测量点m、测量点j和测量点（j+1）组成的T接线路中，故障点到测量点m、测量点j和测量点（j+1）的距离依次为：l_kj、l_kj-v(T_m-T_j)和l_kj-v(T_m-T_j+1)。

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