CN104297638A - 一种高精度、低成本的配电网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度、低成本的配电网故障定位方法，该故障定位方法在配电网不同类型架空线路和电缆线路两端安装少量具有GPS对时功能的行波检测装置，当配电网发生故障后，首先利用非故障线路的检测装置计算出行波线模分量和地模分量在不同类型线路中的波速，然后根据行波线模分量和地模分量到达某个检测装置的时间差计算出故障点与该检测装置之间的距离，最后综合多个检测装置的测距结果确定故障点位置。本发明能够实现准确故障定位，降低了排查故障的时间，提高了供电可靠性，而且安装设备数量少、经济性好，具有很好的实用性。

Description

一种高精度、低成本的配电网故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种高精度、低成本的配电网故障定位方法，属于电力系统自动化技术领域，适用于3～10kV配电网。

背景技术

故障精确定位的研究一直都是电力系统重要的课题之一。目前，应用于电力系统的比较成熟的测距装置都是针对中性点直接接地系统(110kV及以上)，而对于配电网，由于其结构复杂，馈线故障点定位一直是故障精确定位研究中的难题。

配网自动化是减少故障停电时间、缩小故障停电范围从而提高供电可靠性的重要手段，通常包括故障定位、故障隔离和非故障区域恢复供电。目前我国大力推广普及配网自动化技术，极大地提高了对配网故障的处理效率，对故障的处理也从原来的全人工状态逐渐转入半自动化状态。但是配网自动化实现的故障定位也仅能实现区段定位，考虑到经济效益投入产出最优，一般馈电线路采用三分段模式。然而，对于偏远山区的架空线，可到到30多公里，即使三分段，当故障发生时，故障隔离后，故障定位范围在至少10公里内，范围较大，不利于快速实现故障抢修及复电要求。

目前基于行波原理的配电网故障测距技术有如下缺点：(1)采用理论波速计算距离，当理论波速与实际波速有差异时影响测距精度；(2)采用双端行波定位需要在每个线路末端安装检测装置，由于配电网末端数量巨大，所以需要安装大量的检测装置，经济性差。

本课题重点解决利用最少的检测装置实现故障测距，计算出故障点距离，将故障点确定到300-500m范围以内，进一步提高供电可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高精度、低成本的配电网故障定位方法。

解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种高精度、低成本的配电网故障定位方法，其特征在于：所述的配电网故障定位方法包括以下步骤：

步骤一，对于配电网中具有不同行波传输速度的多种类型输电线路区段，从每种类型的输电线路区段中选取出至少两个输电线路区段，并分别在选取出的输电线路区段两端安装具有GPS同步时钟的行波检测装置；

步骤二，当配电网发生故障时，用步骤一所述行波检测装置采集配电网非故障输电线路区段两端的线电压和零序电压的突变时刻数据，并用该采集到的数据计算出行波线模分量和行波地模分量分别在每一种类型输电线路区段中的波速；

步骤三，选出至少两个安装在配电网故障输电线路上的所述行波检测装置作为故障定位基点，则配电网故障输电线路的故障点存在于故障定位基点到故障输电线路某一个末端节点的传输路径中，由此，对每一个故障定位基点的每一条传输路径求解以下公式(2)，并基于每一个求解结果从故障输电线路上找出一个待定故障点；

     公式(2)

其中，ΔT＝T₁-T₂为所述故障定位基点的行波线模分量达到时间T₁与行波地模分量达到时间T₂的时间差；n为正整数，所述待定故障点位于由故障定位基点到故障输电线路末端节点的传输路径上的第n个输电线路区段中，x为待定故障点所在输电线路区段靠近于故障定位基点的端部到待定故障点在传输路径上的距离，l₁,…,l_n-1依次为所述传输路径上第1至第n-1个输电线路区段的长度，当n＝1时，x即为所述故障定位基点到待定故障点在传输路径上的距离，当n≥2时，l₁+…+l_n-1+x即为所述故障定位基点到待定故障点在传输路径上的距离，v₁₁,…,v_1n-1依次为所述传输路径上第1至第n-1个输电线路区段的行波线模分量波速，v₀₁,…,v_0n-1依次为所述传输路径上第1至第n-1个输电线路区段的行波地模分量波速；

步骤四，将步骤三中基于同一个故障定位基点所找出的待定故障点归入一个待定故障点集合，在待定故障点允许误差范围内，找出归属于两个或以上待定故障点集合的待定故障点作为交集待定故障点，则该交集待定故障点即为可能的配电网故障输电线路的故障点，归属集合数量越多的交集待定故障点作为配电网故障输电线路的故障点的可能性越大。

为了降低计算量，以提高配电网故障定位的速度，作为本发明的优选方式，所述的步骤一中，从每种类型的输电线路区段中选取出三个输电线路区段，并分别在选取出的输电线路区段两端安装具有GPS同步时钟的行波检测装置。

作为本发明的优选方式，所述的步骤二中，按照以下方法计算行波线模分量和行波地模分量分别在每一种类型输电线路区段中的波速：

首先，通过用所述行波检测装置检测输电线路区段两端的线电压和零序电压的突变时刻，得出每一个安装在非故障输电线路区段上的行波检测装置的行波线模分量到达时间和行波地模分量达到时间；然后，计算行波线模分量和行波地模分量分别在每一个非故障输电线路区段上的实测波速其中L为该非故障输电线路区段的长度，t₁和t₂分别为该非故障输电线路区段两端行波检测装置的行波线模分量达到时间或者行波地模分量达到时间；最后，对行波线模分量在同一类型的各个输电线路区段的实测波速取平均值、行波地模分量在同一类型的各个输电线路区段的实测波速取平均值，作为行波线模分量和行波地模分量分别在该类型输电线路区段中的波速。

为了减少计算量，以提高配电网故障定位的速度，作为本发明的一种改进，所述的步骤三中，仅对按照以下方法筛选出的待定故障点可能所在的传输路径求解公式(2)：

对每一个故障定位基点的每一条传输路径，判断其是否满足T'≥ΔT的条件，如果判断结果为是，则待定故障点可能存在于该受判断的传输路径中，如果判断结果为否，则待定故障点不可能存在于该受判断的传输路径中；

其中，ΔT＝T₁-T₂为所述故障定位基点的行波线模分量达到时间T₁与行波地模分量达到时间T₂的时间差；

$T^{\′}=(\frac{l_1}{v_{11}}+\·\·\·+\frac{l_{m-1}}{v_{1m-1}}+\frac{l_m}{v_{1m}})-(\frac{l_1}{v_{01}}+\·\·\·+\frac{l_{m-1}}{v_{0m-1}}+\frac{l_m}{v_{0m}})$        公式(1-1)

m为正整数，所述由故障定位基点到故障输电线路末端节点的传输路径上共有m个输电线路区段，l₁,…,l_m-1,l_m依次为所述传输路径上第1至第m个输电线路区段的长度，v₁₁,…,v_1m-1,v_1m依次为所述传输路径上第1至第m个输电线路区段的行波线模分量波速，v₀₁,…,v_0m-1,v_0m依次为所述传输路径上第1至第m个输电线路区段的行波地模分量波速。

为了进一步减少计算量，以进一步提高配电网故障定位的速度，作为本发明的一种改进，所述的步骤三中，仅对按照以下方法筛选出的待定故障点可能所在的输电线路区段求解公式(2)：

对每一个故障定位基点的所述筛选出的待定故障点可能所在的传输路径，判断其是否满足T″_i＝n-1＜ΔT且T″_i＝n≥ΔT的条件，如果判断结果为是，则待定故障点可能存在于该受判断的输电线路区段中，如果判断结果为否，则待定故障点不可能存在于该受判断的输电线路区段中；

其中，ΔT＝T₁-T₂为所述故障定位基点的行波线模分量达到时间T₁与行波地模分量达到时间T₂的时间差；

$T_i^{\′\′}=(\frac{l_1}{v_{11}}+\·\·\·+\frac{l_{i-1}}{v_{1i-1}}+\frac{l_i}{v_{1i}})-(\frac{l_1}{v_{01}}+\·\·\·+\frac{l_{i-1}}{v_{0i-1}}+\frac{l_i}{v_{0i}})$           公式(1-2)

n为正整数，所述待定故障点位于由故障定位基点到故障输电线路末端节点的传输路径上的第n个输电线路区段中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明的步骤一和步骤二通过在发生故障后进行实测的方法计算出行波线模分量和行波地模分量分别在每一种类型输电线路区段中的波速，避免了因实际波速与理论波速存在差异而影响故障测距精度的情况，确保了行波定位计算的准确性，有效降低测距误差；

本发明的步骤三和四根据行波线模分量和地模分量到达某个检测装置的时间差计算出故障点与该检测装置之间的距离，并综合多个检测装置的测距结果确定配电网故障点可能的位置，在排除了大量伪故障点的情况下还能给出各故障点的可能性排序，因此，本发明的故障定位准确性高，并能够有效降低工作人员的故障排查时间，提高了配电网的供电可靠性；

并且，上述步骤的实施最少仅需要在配电网每一类型的输电线路中选出两个输电线路区段并在其两端安装具有GPS对时功能的行波检测装置，而避免了现有技术中需要在配电网每个线路末端大量安装检测装置的不足，因此，本发明具有安装设备数量少、经济性好、实用性高的优点。

第二，本发明通过采用优选的步骤三实施方式，可以降低计算量，提高配电网故障定位的速度。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明的配电网故障定位方法的流程框图；

图2为应用本发明的配电网故障定位方法的某10kV配电系统的系统框图。

具体实施方式

如图1，本发明的高精度、低成本的配电网故障定位方法，包括以下步骤：

步骤一，对于配电网中具有不同行波传输速度的多种类型输电线路区段，包括架空输电线路和电缆输电线路的不同类型区段，从每种类型的输电线路区段中选取出至少两个输电线路区段，并分别在选取出的输电线路区段两端安装具有GPS同步时钟的行波检测装置；为了降低计算量，以提高配电网故障定位的速度，优选选取出2～3个输电线路区段进行行波检测装置安装。

步骤二，当配电网发生故障时，用步骤一行波检测装置采集配电网非故障输电线路区段两端的线电压和零序电压的突变时刻数据，并用该采集到的数据按照以下方法计算出行波线模分量和行波地模分量分别在每一种类型输电线路区段中的波速：

首先，通过用行波检测装置检测输电线路区段两端的线电压和零序电压的突变时刻，得出每一个安装在非故障输电线路区段上的行波检测装置的行波线模分量到达时间和行波地模分量达到时间；然后，计算行波线模分量和行波地模分量分别在每一个非故障输电线路区段上的实测波速其中L为该非故障输电线路区段的长度，t₁和t₂分别为该非故障输电线路区段两端行波检测装置的行波线模分量达到时间或者行波地模分量达到时间；最后，对行波线模分量在同一类型的各个输电线路区段的实测波速取平均值、行波地模分量在同一类型的各个输电线路区段的实测波速取平均值，作为行波线模分量和行波地模分量分别在该类型输电线路区段中的波速。

步骤三，选出至少两个安装在配电网故障输电线路上的行波检测装置作为故障定位基点，则配电网故障输电线路的故障点存在于故障定位基点到故障输电线路某一个末端节点的传输路径中，由此，从故障输电线路上找出待定故障点的具体方法如下：

首先，按照以下方法筛选出待定故障点可能所在的传输路径：

对每一个故障定位基点的每一条传输路径，判断其是否满足T'≥ΔT的条件，如果判断结果为是，则待定故障点可能存在于该受判断的传输路径中，如果判断结果为否，则待定故障点不可能存在于该受判断的传输路径中；

其中，ΔT＝T₁-T₂为故障定位基点的行波线模分量达到时间T₁与行波地模分量达到时间T₂的时间差；

$T^{\′}=(\frac{l_1}{v_{11}}+\·\·\·+\frac{l_{m-1}}{v_{1m-1}}+\frac{l_m}{v_{1m}})-(\frac{l_1}{v_{01}}+\·\·\·+\frac{l_{m-1}}{v_{0m-1}}+\frac{l_m}{v_{0m}})$         公式(1-1)

m为正整数，由故障定位基点到故障输电线路末端节点的传输路径上共有m个输电线路区段，l₁,…,l_m-1,l_m依次为传输路径上第1至第m个输电线路区段的长度，v₁₁,…,v_1m-1,v_1m依次为传输路径上第1至第m个输电线路区段的行波线模分量波速，v₀₁,…,v_0m-1,v_0m依次为传输路径上第1至第m个输电线路区段的行波地模分量波速。

然后，按照以下方法筛选出待定故障点可能所在的输电线路区段：

对每一个故障定位基点的筛选出的待定故障点可能所在的传输路径，判断其是否满足T″_i＝n-1＜ΔT且T″_i＝n≥ΔT的条件，如果判断结果为是，则待定故障点可能存在于该受判断的输电线路区段中，如果判断结果为否，则待定故障点不可能存在于该受判断的输电线路区段中；

其中，ΔT＝T₁-T₂为故障定位基点的行波线模分量达到时间T₁与行波地模分量达到时间T₂的时间差；

$T_i^{\′\′}=(\frac{l_1}{v_{11}}+\·\·\·+\frac{l_{i-1}}{v_{1i-1}}+\frac{l_i}{v_{1i}})-(\frac{l_1}{v_{01}}+\·\·\·+\frac{l_{i-1}}{v_{0i-1}}+\frac{l_i}{v_{0i}})$           公式(1-2)

n为正整数，待定故障点位于由故障定位基点到故障输电线路末端节点的传输路径上的第n个输电线路区段中。

最后，利用行波线模波速大于行波地模波速的现象，对上述筛选出的每一个故障定位基点的每一个待定故障点可能所在的输电线路区段求解以下公式(2)，并基于每一个求解结果从故障输电线路上找出一个待定故障点；

      公式(2)

其中，ΔT＝T₁-T₂为故障定位基点的行波线模分量达到时间T₁与行波地模分量达到时间T₂的时间差；n为正整数，待定故障点位于由故障定位基点到故障输电线路末端节点的传输路径上的第n个输电线路区段中，x为待定故障点所在输电线路区段靠近于故障定位基点的端部到待定故障点在传输路径上的距离，l₁,…,l_n-1依次为传输路径上第1至第n-1个输电线路区段的长度，当n＝1时，x即为故障定位基点到待定故障点在传输路径上的距离，当n≥2时，l₁+…+l_n-1+x即为故障定位基点到待定故障点在传输路径上的距离，v₁₁,…,v_1n-1依次为传输路径上第1至第n-1个输电线路区段的行波线模分量波速，v₀₁,…,v_0n-1依次为传输路径上第1至第n-1个输电线路区段的行波地模分量波速。

步骤四，将步骤三中基于同一个故障定位基点所找出的待定故障点归入一个待定故障点集合，在待定故障点允许误差范围内，找出归属于两个或以上待定故障点集合的待定故障点作为交集待定故障点，则该交集待定故障点即为可能的配电网故障输电线路的故障点，归属集合数量越多的交集待定故障点作为配电网故障输电线路的故障点的可能性越大。

下面用一个应用实例对本发明的配电网故障定位方法进行具体说明：

如图2所示为某10kV配电线路系统，图中1-1为变电站母线，1-2为后台主站，1-3-1至1-3-9为行波检测装置。母线上共有四条线路，故障发生在线路1。

本实施例包括以下步骤，如附图2所示：

第一步，行波波速检测

选择配电网中不同结构架空线路和电缆线路两端安装具有GPS对时功能的检测装置，例如1-3-4和1-3-5为电缆两端安装的装置，1-3-6和1-3-7为架空线两端安装的装置。当配电网发生故障后，利用线路2和线路3的检测装置计算出行波线模分量和地模分量在不同类型线路中的波速。

具体方法是：假设1-3-4检测到行波到达时间为t₁，1-3-5检测到行波到达时间为t₂，1-3-4和1-3-5之间的距离为L，则1-3-4和1-3-5之间线路的波速为

$v=\frac{L}{t_2-t_1}$

其中v表示该类型线路行波线模或者地模分量的波速。为了更准确的测量波速，需要为不同结构架空线路和电缆线路选择多个个典型区段，分别计算出波速后求平均值。

第二步，计算故障点与某个检测装置的距离

利用线模波速大于地模波速的现象，测量两个模分量的时间差，结合实测的波速计算出故障点与各个检测装置的距离。

具体方法是：

①针对1-3-1检测装置，检测到故障电压行波线模分量的到达时间为T₁，地模分量的到达时间为T₂，计算出时间差为ΔT；

②计算故障线路的所有末端节点C、D、E行波线模分量和地模分量到达该检测装置的时间差，由于末端节点与检测装置之间可能存在波速不同的多种类型线路，因此需要分区段进行计算，计算公式为：

$T^{\′}=(\frac{l_1}{v_{11}}+\frac{l_2}{v_{12}}+\·\·\·+\frac{l_n}{v_{1n}})-(\frac{l_1}{v_{01}}+\frac{l_2}{v_{02}}+\·\·\·+\frac{l_n}{v_{0n}})---\left(1\right)$

其中l_n表示第n段线路，v_1n表示第n段线路行波线模波速，v_0n表示第n段线路行波地模波速。

如果在E点处和C点处T'＜ΔT，则排除末端节点C、E；如果D节点满足T'≥ΔT，故障点位于D节点与检测装置1-3-1的路径上。

③在检测装置1-3-1和D节点之间的路径上进行搜索，按照公式(1)计算每一个波速不连续节点行波线模分量和地模分量到达该检测装置的时间差，直到B点T'＜ΔT而D点T'≥ΔT。

④在BD区段求解如下方程

$\mathrm{\ΔT}=(\frac{l_1}{v_{11}}+\frac{l_2}{v_{12}}+\·\·\·+\frac{x}{v_{1n}})-(\frac{l_1}{v_{01}}+\frac{l_2}{v_{02}}+\·\·\·+\frac{x}{v_{0n}})---\left(2\right)$

解出x即为故障点与B点的距离，l₁+l₂+…+x即为故障点与检测装置1-3-1的距离。

第三步，综合多个检测装置的计算结果得到包含故障点在内的可能故障点集合

每一个检测装置都可以得到若干个可能故障点，综合多个检测装置(如1-3-1、1-3-2、1-3-3)的结果，取交集就可以得到故障点F。

本发明不局限与上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种高精度、低成本的配电网故障定位方法，其特征在于：所述的配电网故障定位方法包括以下步骤：

步骤一，对于配电网中具有不同行波传输速度的多种类型输电线路区段，从每种类型的输电线路区段中选取出至少两个输电线路区段，并分别在选取出的输电线路区段两端安装具有GPS同步时钟的行波检测装置；

步骤二，当配电网发生故障时，用步骤一所述行波检测装置采集配电网非故障输电线路区段两端的线电压和零序电压的突变时刻数据，并用该采集到的数据计算出行波线模分量和行波地模分量分别在每一种类型输电线路区段中的波速；

步骤三，选出至少两个安装在配电网故障输电线路上的所述行波检测装置作为故障定位基点，则配电网故障输电线路的故障点存在于故障定位基点到故障输电线路某一个末端节点的传输路径中，由此，对每一个故障定位基点的每一条传输路径求解以下公式(2)，并基于每一个求解结果从故障输电线路上找出一个待定故障点；

     公式(2)

其中，ΔT＝T₁-T₂为所述故障定位基点的行波线模分量达到时间T₁与行波地模分量达到时间T₂的时间差；n为正整数，所述待定故障点位于由故障定位基点到故障输电线路末端节点的传输路径上的第n个输电线路区段中，x为待定故障点所在输电线路区段靠近于故障定位基点的端部到待定故障点在传输路径上的距离，l₁,…,l_n-1依次为所述传输路径上第1至第n-1个输电线路区段的长度，当n＝1时，x即为所述故障定位基点到待定故障点在传输路径上的距离，当n≥2时，l₁+…+l_n-1+x即为所述故障定位基点到待定故障点在传输路径上的距离，v₁₁,…,v_1n-1依次为所述传输路径上第1至第n-1个输电线路区段的行波线模分量波速，v₀₁,…,v_0n-1依次为所述传输路径上第1至第n-1个输电线路区段的行波地模分量波速；

步骤四，将步骤三中基于同一个故障定位基点所找出的待定故障点归入一个待定故障点集合，在待定故障点允许误差范围内，找出归属于两个或以上待定故障点集合的待定故障点作为交集待定故障点，则该交集待定故障点即为可能的配电网故障输电线路的故障点，归属集合数量越多的交集待定故障点作为配电网故障输电线路的故障点的可能性越大。

2.根据权利要求1所述的配电网故障定位方法，其特征在于：所述的步骤一中，从每种类型的输电线路区段中选取出三个输电线路区段，并分别在选取出的输电线路区段两端安装具有GPS同步时钟的行波检测装置。

3.根据权利要求1所述的配电网故障定位方法，其特征在于：所述的步骤二中，按照以下方法计算行波线模分量和行波地模分量分别在每一种类型输电线路区段中的波速：

首先，通过用所述行波检测装置检测输电线路区段两端的线电压和零序电压的突变时刻，得出每一个安装在非故障输电线路区段上的行波检测装置的行波线模分量到达时间和行波地模分量达到时间；然后，计算行波线模分量和行波地模分量分别在每一个非故障输电线路区段上的实测波速其中L为该非故障输电线路区段的长度，t₁和t₂分别为该非故障输电线路区段两端行波检测装置的行波线模分量达到时间或者行波地模分量达到时间；最后，对行波线模分量在同一类型的各个输电线路区段的实测波速取平均值、行波地模分量在同一类型的各个输电线路区段的实测波速取平均值，作为行波线模分量和行波地模分量分别在该类型输电线路区段中的波速。

4.根据权利要求1所述的配电网故障定位方法，其特征在于：所述的步骤三中，仅对按照以下方法筛选出的待定故障点可能所在的传输路径求解公式(2)：

对每一个故障定位基点的每一条传输路径，判断其是否满足T′≥ΔT的条件，如果判断结果为是，则待定故障点可能存在于该受判断的传输路径中，如果判断结果为否，则待定故障点不可能存在于该受判断的传输路径中；

其中，ΔT＝T₁-T₂为所述故障定位基点的行波线模分量达到时间T₁与行波地模分量达到时间T₂的时间差；

$T^{\′}=(\frac{l_1}{v_{11}}+\·\·\·+\frac{l_{m-1}}{v_{1m-1}}+\frac{l_m}{v_{1m}})-(\frac{l_1}{v_{01}}+\·\·\·+\frac{l_{m-1}}{v_{0m-1}}+\frac{l_m}{v_{0m}})$        公式(1-1)

m为正整数，所述由故障定位基点到故障输电线路末端节点的传输路径上共有m个输电线路区段，l₁,…,l_m-1,l_m依次为所述传输路径上第1至第m个输电线路区段的长度，v₁₁,…,v_1m-1,v_1m依次为所述传输路径上第1至第m个输电线路区段的行波线模分量波速，v₀₁,…,v_0m-1,v_0m依次为所述传输路径上第1至第m个输电线路区段的行波地模分量波速。

5.根据权利要求4所述的配电网故障定位方法，其特征在于：所述的步骤三中，仅对按照以下方法筛选出的待定故障点可能所在的输电线路区段求解公式(2)：

对每一个故障定位基点的所述筛选出的待定故障点可能所在的传输路径，判断其是否满足T″_i＝n-1＜ΔT且T″_i＝n≥ΔT的条件，如果判断结果为是，则待定故障点可能存在于该受判断的输电线路区段中，如果判断结果为否，则待定故障点不可能存在于该受判断的输电线路区段中；

其中，ΔT＝T₁-T₂为所述故障定位基点的行波线模分量达到时间T₁与行波地模分量达到时间T₂的时间差；

${T_i}^{\′\′}=(\frac{l_1}{v_{11}}+\·\·\·+\frac{l_{i-1}}{v_{1i-1}}+\frac{l_i}{v_{1i}})-(\frac{l_1}{v_{01}}+\·\·\·+\frac{l_{i-1}}{v_{0i-1}}+\frac{l_i}{v_{0i}})$       公式(1-2)

n为正整数，所述待定故障点位于由故障定位基点到故障输电线路末端节点的传输路径上的第n个输电线路区段中。