CN103983899B - 基于注入信号的配电网永久性故障辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于注入信号的配电网永久性故障辨识方法，采用配有FTU的智能负荷开关代替分段器，在馈线发生相间短路故障三相跳闸后整条馈线仍保持拓扑结构完整而不被分成若干段，在此背景下提出基于信号注入的配电网永久性故障辨识方法，即馈线故障跳闸后在故障相之间注入恒频的电压检测信号，利用检测到的注入信号电压、电流计算故障相间端口的等值输入阻抗，并同故障前基于工频信号计算得到的等值输入阻抗在归一频率下比较。当为瞬时性相间故障时二者幅值近似相等；永久性故障时二者幅值相差较大，据此辨识出永久性的短路故障，进而完成自适应的重合闸。该方案能够有效避免因重合于永久性故障而造成的二次短路电流冲击，有助于快速恢复故障线路的供电。

Description

基于注入信号的配电网永久性故障辨识方法

技术领域

本发明涉及一种配电网永久性故障辨识方法，尤其是一种基于注入信号的配电网永久性故障辨识方法。

背景技术

目前配电网的重合闸一般采用未考虑重合失败后不利影响的传统自动重合闸方式，多为馈线首端断路器同各分支处分段器配合实现。馈线发生相间短路故障后，馈线首端断路器跳开三相，整条馈线停电失压，各分段器分闸，首端断路器经过固定时延后重合，各分段器按照整定时间逐次重合，该过程需要大约数分钟完成，大大降低了配电网的供电可靠性，若分段器重合于永久性故障，整条馈线将遭受二次短路电流冲击，对配电网的运行安全性产生不利影响。因此，研究具有相间短路故障性质辨识的配电网自适应重合闸对于提高配电网供电可靠性与运行安全性具有重要意义。

永久性故障的辨识是实现自适应重合闸的关键，目前有关电力系统永久性故障辨识以及自适应重合闸的研究主要集中在高压输电线路中，研究方法主要有基于电压与相位自适应组合判据、带并联电抗器单相自适应重合闸电压判别法、工频周期积分法、故障模型识别法、小波包能量熵判别法、轨迹预测技术法等。对于配电网，当发生相间短路故障三相跳闸后，整条线路停电，无法获得跳闸后反应故障信息的电气量，另外配电馈线分支较多，拓扑结构复杂，用于输电系统的永久性故障辨识方法无法应用到配电系统中。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于注入信号的配电网永久性故障辨识方法，该方法适用于各种结构的网络，原理清晰，计算结果可靠，具有良好的永久性故障识别能力，为实现配电网的自适应重合闸提供依据。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于注入信号的配电网永久性故障辨识方法，包括以下步骤：

第一步：在配电系统正常工作时，利用工频电压、电流量，根据欧姆定律计算出每条线路的测量阻抗值，并作为永久性故障判断基准值；

第二步：故障发生并隔离后，在判断出故障类型和故障相别的前提下，选择信号注入相别。如果是相间短路故障，信号注入相别即为故障相别，如果是三相短路故障，选择任意的两相作为信号注入相别；

第三步：采集注入信号的电流与电压值，根据欧姆定律计算出当前时刻的测量阻抗值，并进行频率的归一化折算；

第四步：比较故障后经过归一化折算的测量阻抗值与故障前计算得到的测量阻抗值，如果二者相差不大，判断为瞬时性故障，允许自动重合闸重合；如果二者差别较大，判断为永久性故障，闭锁自动重合闸。

所述的方法，所述第一步中利用工频电压、电流量，根据欧姆定律计算出每条线路的测量阻抗值的具体方法为：根据故障前系统的等值电路；其中，定义为馈线正常运行时流过馈线的三相电流，为馈线三相电压，Z_LA、Z_LB、Z_LC为该等值电路阻抗，Z_A、Z_B、Z_C为等值负荷阻抗；定义相间端口等值输入阻抗为两相等值电路阻抗与等值负荷阻抗之和，以A、B两相为例，相间端口等值输入阻抗为Z_in＝(Z_LA+Z_A)+(Z_LB+Z_B)，由等值电路列基尔霍夫电压定律(KVL)方程得：

${\stackrel{\·}{U}}_A-{\stackrel{\·}{U}}_B={\stackrel{\·}{I}}_A\·(Z_{LA}+Z_A)-{\stackrel{\·}{I}}_B\·(Z_{LB}+Z_B)---\left(1\right)$

系统正常运行时三相基本对称，因此(Z_LA+Z_A)≈(Z_LB+Z_B)，故公式(1)变为：

${\stackrel{\·}{U}}_A-{\stackrel{\·}{U}}_B=({\stackrel{\·}{I}}_A-{\stackrel{\·}{I}}_B)\·(Z_{LA}+Z_A)---\left(2\right)$

从而，

$Z_{in}=2({\stackrel{\·}{U}}_A-{\stackrel{\·}{U}}_B)/({\stackrel{\·}{I}}_A-{\stackrel{\·}{I}}_B)---\left(3\right)$

Z_in即为故障前的测量阻抗值，以此作为永久性故障判断基准值。

所述的方法，所述第二步中的信号注入相别与故障相别之间的关系为：故障相别AB，信号注入相别AB；故障相别BC，信号注入相别BC；故障相别CA，信号注入相别CA；故障相别ABC，信号注入相别AB或BC或CA。

所述的方法，所述的第三步中的基于注入信号计算测量阻抗值并进行频率归一化折算的方法为：

设加在故障相之间的注入信号电压相量为流过故障相间的注入信号电流相量为按照无源网络等效化简与欧姆定律得：

$Z_C={\stackrel{\·}{U}}_{FF}/{\stackrel{\·}{I}}_{FF}---\left(4\right)$

由于Z_C与Z_in是在不同信号频率下计算的，需要对其进行频率归一化折算，假设Z_in＝R_in+jX_in，将其折算到注入信号频率下为：

$Z_{in}^{\′}=R_{in}+{\mathrm{jX}}_{in}\·\frac{f_p}{f_s}---\left(5\right)$

其中，f_p是系统正常运行时的额定频率，f_s是注入信号的频率。

所述的方法，所述的第四步中的瞬时性和永久性故障辨识方法为：

定义计算误差：

$Err=\frac{\left|\right|Z_{in}^{\′}|-|Z_C\left|\right|}{\left|Z_{in}^{\′}\right|}---\left(6\right)$

当发生瞬时性相间短路故障，线路首端断路器跳闸后故障消失，|Z′_in|同|Z_C|近似相等，计算误差Err较小，最大不超过2％；若发生永久性相间短路故障，断路器跳闸后故障依然存在，故障相间端口等值输入阻抗随之变化，故计算误差Err较大；从而利用计算误差Err的大小的差异性辨识出相间短路故障的性质。

本发明采用配有FTU的智能负荷开关代替分段器，在馈线发生相间短路故障三相跳闸后整条馈线仍保持拓扑结构完整而不被分成若干段，在此背景下提出基于信号注入的配电网永久性故障辨识方法，即馈线故障跳闸后在故障相之间注入恒频的电压检测信号，利用检测到的注入信号电压、电流计算故障相间端口的等值输入阻抗，并同故障前基于工频信号计算得到的等值输入阻抗在归一频率下比较。当为瞬时性相间故障时二者幅值近似相等；永久性故障时二者幅值相差较大，据此辨识出永久性的短路故障，进而完成自适应的重合闸。该方案能够有效避免因重合于永久性故障而造成的二次短路电流冲击，有助于快速恢复故障线路的供电。

本发明采用配有FTU的智能负荷开关代替分段器，在馈线发生相间短路故障三相跳闸后整条馈线仍保持拓扑结构完整而不被分成若干段，在此背景下提出基于信号注入的配电网永久性故障辨识方法，即馈线故障跳闸后在故障相之间注入恒频的电压检测信号，利用检测到的注入信号电压、电流计算故障相间端口的等值输入阻抗，并同故障前基于工频信号计算得到的等值输入阻抗在归一频率下比较。当为瞬时性相间故障时二者幅值近似相等；永久性故障时二者幅值相差较大，据此辨识出永久性的短路故障，进而完成自适应的重合闸。该方案能够有效避免因重合于永久性故障而造成的二次短路电流冲击，有助于快速恢复故障线路的供电。

本发明在故障隔离后向故障线路注入信号来辨别永久性故障，与现有同类方案相比具有如下优点：

1.原理清晰，所需信息少，易于实现；

2.采用外加注入信号进行检测和计算，有效避免了工频信号及谐波信号的干扰；

3.避免了因线路三相跳闸与电网失去联系而导致的无电气量信号等情况；

4.计算速度快，结果准确，能够有效避免重合于故障带来的二次冲击。

附图说明

图1是故障前配电系统等值电路示意图；

图2是配电系统结构示意图；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

一种基于注入信号的配电网永久性故障辨识方法，包括以下步骤：

第一步：在配电系统正常工作时，利用工频电压、电流量，根据欧姆定律计算出每条线路的测量阻抗值，并作为永久性故障判断基准值；

第二步：故障发生并隔离后，在判断出故障类型和故障相别的前提下，选择信号注入相别。如果是相间短路故障，信号注入相别即为故障相别，如果是三相短路故障，选择任意的两相作为信号注入相别；

第三步：采集注入信号的电流与电压值，根据欧姆定律计算出当前时刻的测量阻抗值，并进行频率的归一化折算；

第四步：比较故障后经过归一化折算的测量阻抗值与故障前计算得到的测量阻抗值，如果二者相差不大，判断为瞬时性故障，允许自动重合闸重合；如果二者差别较大，判断为永久性故障，闭锁自动重合闸。

所述第一步中利用工频电压、电流量，根据欧姆定律计算出每条线路的测量阻抗值的具体方法为：根据故障前系统的等值电路；其中，定义为馈线正常运行时流过馈线的三相电流，为馈线三相电压，Z_LA、Z_LB、Z_LC为该等值电路阻抗，Z_A、Z_B、Z_C为等值负荷阻抗；定义相间端口等值输入阻抗为两相等值电路阻抗与等值负荷阻抗之和，以A、B两相为例，相间端口等值输入阻抗为Z_in＝(Z_LA+Z_A)+(Z_LB+Z_B)，由等值电路列基尔霍夫电压定律(KVL)方程得：

${\stackrel{\·}{U}}_A-{\stackrel{\·}{U}}_B={\stackrel{\·}{I}}_A\·(Z_{LA}+Z_A)-{\stackrel{\·}{I}}_B\·(Z_{LB}+Z_B)---\left(1\right)$

系统正常运行时三相基本对称，因此(Z_LA+Z_A)≈(Z_LB+Z_B)，故公式(1)变为：

${\stackrel{\·}{U}}_A-{\stackrel{\·}{U}}_B=({\stackrel{\·}{I}}_A-{\stackrel{\·}{I}}_B)\·(Z_{LA}+Z_A)---\left(2\right)$

从而，

$Z_{in}=2({\stackrel{\·}{U}}_A-{\stackrel{\·}{U}}_B)/({\stackrel{\·}{I}}_A-{\stackrel{\·}{I}}_B)---\left(3\right)$

Z_in即为故障前的测量阻抗值，以此作为永久性故障判断基准值。

所述第二步中的信号注入相别与故障相别之间的关系见表1：

表1.故障相别与信号注入相别的对应关系

所述的第三步中的基于注入信号计算测量阻抗值并进行频率归一化折算的方法为：

设加在故障相之间的注入信号电压相量为流过故障相间的注入信号电流相量为按照无源网络等效化简与欧姆定律得：

$Z_C={\stackrel{\·}{U}}_{FF}/{\stackrel{\·}{I}}_{FF}---\left(4\right)$

由于Z_C与Z_in是在不同信号频率下计算的，需要对其进行频率归一化折算，假设Z_in＝R_in+jX_in，将其折算到注入信号频率下为：

$Z_{in}^{\′}=R_{in}+{\mathrm{jX}}_{in}\·\frac{f_p}{f_s}---\left(5\right)$

其中，f_p是系统正常运行时的额定频率，f_s是注入信号的频率。

所述的第四步中的瞬时性和永久性故障辨识方法为：

定义计算误差：

$Err=\frac{\left|\right|Z_{in}^{\′}|-|Z_C\left|\right|}{\left|Z_{in}^{\′}\right|}---\left(6\right)$

当发生瞬时性相间短路故障，线路首端断路器跳闸后故障消失，|Z′_in|同|Z_C|近似相等，计算误差Err较小，最大不超过2％；若发生永久性相间短路故障，断路器跳闸后故障依然存在，故障相间端口等值输入阻抗随之变化，故计算误差Err较大；从而利用计算误差Err的大小的差异性辨识出相间短路故障的性质。

在图2所示的配电系统中，在馈线的BD段之间发生不同类型、不同性质的相间短路故障，设故障发生时刻为1s，故障后信号注入时间为0.7s，在故障后的0.5s对注入信号进行采样、滤波处理，并利用故障前记录的电压、电流数据，结合公式(3)-(5)分别计算出Z′in与Zc并求模值。由公式(6)计算出各种情况下的计算误差，由此进行故障性质辨识。不同故障情况下的计算结果与故障性质辨识结果如表2与表3所示。

表2.相间接地故障时故障性质辨识结果

注：辨识结果“1”表示“瞬时性故障”；“0”表示“永久性故障”。

表3.相间故障时故障性质辨识结果

注：辨识结果“1”表示“瞬时性故障”；“0”表示“永久性故障”。

由上表的计算结果可以看出，瞬时性故障与永久性故障时计算出的相间端口等值输入阻抗幅值的计算误差差异明显，瞬时性故障时注入信号计算值同故障前工频信号预测值近似相等，计算误差非常小，均在1％以下；而永久性故障时计算误差较大均大于10％，故能够根据计算误差的明显差异准确辨识出相间短路故障性质。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于注入信号的配电网永久性故障辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：在配电系统正常工作时，利用工频电压、电流量，根据欧姆定律计算出每条线路的测量阻抗值，并作为永久性故障判断基准值；

第二步：故障发生并隔离后，在判断出故障类型和故障相别的前提下，选择信号注入相别，如果是相间短路故障，信号注入相别即为故障相别，如果是三相短路故障，选择任意的两相作为信号注入相别；

第三步：采集注入信号的电流与电压值，根据欧姆定律计算出当前时刻的测量阻抗值，并进行频率的归一化折算；

第四步：比较故障后经过归一化折算的测量阻抗值与故障前计算得到的测量阻抗值，如果二者相差不大，判断为瞬时性故障，允许自动重合闸重合；如果二者差别较大，判断为永久性故障，闭锁自动重合闸；

所述的第三步中的基于注入信号计算测量阻抗值并进行频率归一化折算的方法为：

设加在故障相之间的注入信号电压相量为流过故障相间的注入信号电流相量为按照无源网络等效化简与欧姆定律得：

$Z_C={\stackrel{\·}{U}}_{FF}/{\stackrel{\·}{I}}_{FF}---\left(4\right)$

其中，Z_C为等值负荷阻抗、Z_in表示相间端口等值输入阻抗，由于Z_C与Z_in是在不同信号频率下计算的，需要对其进行频率归一化折算，假设Z_in＝R_in+jX_in，将其折算到注入信号频率下为：

$Z_{in}^{\′}=R_{in}+{\mathrm{jX}}_{in}\·\frac{f_p}{f_s}---\left(5\right)$

其中，f_p是系统正常运行时的额定频率，f_s是注入信号的频率，Z′_in表示折算到注入信号频率的相间端口等值输入阻抗。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一步中利用工频电压、电流量，根据欧姆定律计算出每条线路的测量阻抗值的具体方法为：根据故障前系统的等值电路；其中，定义为馈线正常运行时流过馈线的三相电流，为馈线三相电压，Z_LA、Z_LB、Z_LC为该等值电路阻抗，Z_A、Z_B、Z_C为等值负荷阻抗；定义相间端口等值输入阻抗为两相等值电路阻抗与等值负荷阻抗之和，以A、B两相为例，相间端口等值输入阻抗为Z_in＝(Z_LA+Z_A)+(Z_LB+Z_B)，由等值电路列基尔霍夫电压定律(KVL)方程得：

${\stackrel{\·}{U}}_A-{\stackrel{\·}{U}}_B={\stackrel{\·}{I}}_A\·(Z_{LA}+Z_A)-{\stackrel{\·}{I}}_B\·(Z_{LB}+Z_B)---\left(1\right)$

系统正常运行时三相基本对称，因此(Z_LA+Z_A)≈(Z_LB+Z_B)，故公式(1)变为：

${\stackrel{\·}{U}}_A-{\stackrel{\·}{U}}_B=({\stackrel{\·}{I}}_A-{\stackrel{\·}{I}}_B)\·(Z_{LA}+Z_A)---\left(2\right)$

从而，

$Z_{in}=2({\stackrel{\·}{U}}_A-{\stackrel{\·}{U}}_B)/({\stackrel{\·}{I}}_A-{\stackrel{\·}{I}}_B)---\left(3\right)$

Z_in即为故障前的测量阻抗值，以此作为永久性故障判断基准值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二步中的信号注入相别与故障相别之间的关系为：故障相别AB，信号注入相别AB；故障相别BC，信号注入相别BC；故障相别CA，信号注入相别CA；故障相别ABC，信号注入相别AB或BC或CA。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第四步中的瞬时性和永久性故障辨识方法为：

定义计算误差：

$Err=\frac{\left|\left|Z_{in}^{\′}\right|-\left|Z_C\right|\right|}{\left|Z_{in}^{\′}\right|}---\left(6\right)$

当发生瞬时性相间短路故障，线路首端断路器跳闸后故障消失，|Z′_in|同|Z_C|近似相等，计算误差Err较小，最大不超过2％；若发生永久性相间短路故障，断路器跳闸后故障依然存在，故障相间端口等值输入阻抗随之变化，故计算误差Err较大；从而利用计算误差Err的大小的差异性辨识出相间短路故障的性质。