CN104808114B - 广域零序分布电压特征的小电流接地故障选线方法 - Google Patents

Abstract

一种广域零序分布电压特征的小电流接地故障选线方法，属于小电流接地故障选线方法。该方法基于分布参数模型，在不同的接地方式、故障距离、过渡电阻和较小的脱谐度情况下，均能只在获得零序电压数据的情形下正确选出故障线路；利用故障发生后的健全线路与故障线路在零序电压沿线分布上的差异作为选线判据；首先，利用线路长度和在母线、各支路末端处测得的故障后零序电压为每条馈线构造故障测度因子；然后，建立相对故障测度矩阵，用以表征故障线路与健全线路在零序电压沿线分布上的差异性、健全与健全线路在零序电压沿线分布上的相似性；根据最大票数原则选出故障线路。该方法选线准确率高，不受故障距离、过渡电阻、中性点接地方式的影响。

Description

广域零序分布电压特征的小电流接地故障选线方法

技术领域

本发明涉及一种小电流接地故障选线方法，特别是一种广域零序分布电压特征的小电流接地故障选线方法。

背景技术

我国配电网的中性点运行方式多为小电流接地运行方式。目前，对于小电流接地系统尤其是在中性点经消弧线圈接地的谐振接地配电网中，由于故障信号特征小致使故障选线的可靠性还有待提高。虽然多种选线方法诸如暂态行波法、小波奇异性检测法、零序导纳法、注入法被提出，选线的可靠性大大提高，但无论是基于暂态信息、稳态信息还是融合信息的选线方法，主要依据的是故障线路的零序电流在大小和方向上与非故障线路的差别进行选线。在实际电网中，铁芯饱和、涡流、磁滞以及励磁电流的存在极易造成电流互感器饱和，致其传变特性呈非线性，从而使测量结果精度下降甚至失真。同时，多个互感器间参数存在不一致性，这些因素都会对正确选线造成影响；另外，由于电源、三相负荷的不对称，三相线路参数的不对称、三相电流互感器的不对称，系统中会存在较大不平衡电流，其量值可能远远大于故障时的零序电流，而且方向不确定，导致选线装置误选。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种广域零序分布电压特征的小电流接地故障选线方法，不依赖零序电流的观测量实现准确的故障选线。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：该方法基于分布参数模型，在不同的接地方式、故障距离、过渡电阻和较小的脱谐度情况下，均能只在获得零序电压数据的情形下正确选出故障线路；利用故障发生后的健全线路与故障线路在零序电压沿线分布上的差异作为选线判据；首先，利用线路长度和在母线、各支路末端处测得的故障后零序电压为每条馈线构造故障测度因子；然后，建立相对故障测度矩阵，用以表征故障线路与健全线路在零序电压沿线分布上的差异性、健全与健全线路在零序电压沿线分布上的相似性；最后，利用投票机制，根据最大票数原则选出故障线路。

该方法的具体步骤为：

步骤1：以零序电压幅值越限作为故障的启动条件，采集各个支路母线处的故障后的稳态零序电压信号，对于一个具有n条支路的单端辐射状配电网，其母线处的零序电压幅值为U₀，第i条线路末端的零序电压幅值为U_1i，其中i为自然数，i(1≤i≤n)；

步骤2：根据第i条支路的长度l_i和其始、末端的零序电压幅值U₀，U_1i来构造用来描述故障后该支路零序电压沿线分布特征的故障测度因子，具体计算如下：

步骤3：定义相对故障测度矩阵M_n×n，用来描述任意两条健全线路在零序电压沿线分布上的相似性以及故障线路与任意一条健全线路在零序电压沿线分布上的差异性，以第i条支路和第j条支路为例(1≤i,j≤n)，具体计算如下：

其中T为采样的数据个数；

步骤4：利用投票机制进行故障选线，具体步骤如下：

步骤4.1：从M_n×n矩阵的主对角线m₁₁开始，扫描m_ii(1≤i≤n)所在的行和列，将行向量赋给a_1×n，列向量赋给

步骤4.2：比较向量a,b中的元素，若a(r)＞λ+b(r),1≤r≤n，sum(i)＝sum(i)+1，若a(r)+λ＜b(r),1≤r≤n，sum(i)＝sum(i)-1，若a(r)＝b(r)±λ,1≤r≤n，sum(i)＝sum(i)，其中λ为环境因子；

步骤4.3：得到n条支路系统的差异显著水平向量SUM，若则对应的线路为故障线路，否则故障出现在母线上。

所述故障发生后的健全线路零序电压沿线分布是指，沿着出线方向，零序电压的幅值随着距离的增长而变大，线路始末端的零序电压幅值差是线路长度的一元二次函数；即若支路i为健全支路，则其中ΔU_0i为支路i的始末端零序电压的幅值差，X是线路单位长度的阻抗值，I_C为单位长度的线路对地电容电流，l_i为健全支路i的线路长度。

所述故障发生后的故障线路零序电压沿线分布是指，在中性点不接地方式系统中，母线到故障点段零序电压幅值单调减小，故障点到末端段零序电压幅值单调增大；在中性点经消弧线圈接地的系统中，母线到故障点段零序电压幅值单调增大，故障点到末端段零序电压幅值单调增大，在两段中，增大的幅度是不同的，增大幅度的大小受系统脱谐度的影响，特别是，只有当谐振接地系统处在全补偿状态时，谐振接地系统中的故障线路与健全线路的零序电压分布特征一致；即若支路i为故障支路，则其中x为故障点到母线的距离，是系统所有非故障线路对地电容电流，I_L是消弧线圈补偿的感性电流。

有益效果，由于采用了上述方案，在配电网的分布参数模型下，当配电网中某段线路发生单相接地故障时，故障线路本身的零序电容电流分别从故障点流向线路的首端和末端，末端电流为零，沿线电流按照斜线的规律分布；非故障线路的零序电流从首端流向末端，末端电流为零，沿线按斜线规律分布。由于配电网中每条出线长度较短，始末端电流相位的差别可以忽略不计。

首先，利用线路长度和在母线、各支路末端处测得的故障后零序电压为每条馈线构造故障测度因子；然后，建立相对故障测度矩阵，用以表征故障线路与健全线路在零序电压沿线分布上的差异性、健全与健全线路在零序电压沿线分布上的相似性；最后，利用投票机制，根据最大票数原则选出故障线路。本发明可消除系统不平衡电流、电流互感器一致性差异等因素对正确选线的影响，不依赖零序电流量，只利用零序电压信息选出故障线路。仿真实验表明，该方法选线准确率高，不受故障距离、接地电阻、中性点接地方式的影响。

根据零序电流的分布规律，可推导得到零序电压的沿线分布规律。单位长度的区段内产生的对地电流作用于线路上的电压降落为dU＝I_C·X，式中：X是线路单位长度的阻抗值，I_C为单位长度的线路对地电容电流。

故障线路与健全线路在零序电压的沿线分布上具有差异性，利用此差异构造可以表征故障线路与健全线路差异性的故障测度因子。

故障测度因子仅仅描述了故障线路与所有非故障线路的差异性，建立相对故障矩阵，全面表征故障线路与健全线路在零序电压沿线分布上的差异性、健全与健全线路在零序电压沿线分布上的相似性。为了提高选线的准确率与可靠性，提出利用投票机制，增加选线的约束条件，来提高选线的准确性。

优点：在不依赖电网零序电流观测量的情况下，仅利用零序电压观测量实现故障选线。该方法基于分布参数模型，在不同的接地方式、故障距离、过渡电阻和较小的脱谐度情况下，均能只在获得零序电压数据的情形下正确选出故障线路。

附图说明：

图1为本发明实施例所述辐射状配电网络。

图2a为本发明健全线路的零序电流的沿线分布特征。

图2b为本发明故障线路的零序电流的沿线分布特征。

图3a为本发明健全线路的零序电压的沿线分布特征。

图3b为本发明故障线路的零序电压的沿线分布特征。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1：该方法基于分布参数模型，在不同的接地方式、故障距离、过渡电阻和较小的脱谐度情况下，均能只在获得零序电压数据的情形下正确选出故障线路；利用故障发生后的健全线路与故障线路在零序电压沿线分布上的差异作为选线判据；首先，利用线路长度和在母线、各支路末端处测得的故障后零序电压为每条馈线构造故障测度因子；然后，建立相对故障测度矩阵，用以表征故障线路与健全线路在零序电压沿线分布上的差异性、健全与健全线路在零序电压沿线分布上的相似性；最后，利用投票机制，根据最大票数原则选出故障线路。

该方法的具体步骤为：

步骤1：以零序电压幅值越限作为故障的启动条件，采集各个支路母线处的故障后的稳态零序电压信号，对于一个具有n条支路的单端辐射状配电网，其母线处的零序电压幅值为U₀，第i条线路末端的零序电压幅值为U_1i，其中i为自然数，i(1≤i≤n)；

步骤2：根据第i条支路的长度l_i和其始、末端的零序电压幅值U₀，U_1i来构造用来描述故障后该支路零序电压沿线分布特征的故障测度因子，具体计算如下：

步骤3：定义相对故障测度矩阵M_n×n，用来描述任意两条健全线路在零序电压沿线分布上的相似性以及故障线路与任意一条健全线路在零序电压沿线分布上的差异性，以第i条支路和第j条支路为例(1≤i,j≤n)，具体计算如下：

其中T为采样的数据个数；

步骤4：利用投票机制进行故障选线，具体步骤如下：

步骤4.1：从M_n×n矩阵的主对角线m₁₁开始，扫描m_ii(1≤i≤n)所在的行和列，将行向量赋给a_1×n，列向量赋给

步骤4.2：比较向量a,b中的元素，若a(r)＞λ+b(r),1≤r≤n，sum(i)＝sum(i)+1，若a(r)+λ＜b(r),1≤r≤n，sum(i)＝sum(i)-1，若a(r)＝b(r)±λ,1≤r≤n，sum(i)＝sum(i)，其中λ为环境因子；

步骤4.3：得到n条支路系统的差异显著水平向量SUM，若则对应的线路为故障线路，否则故障出现在母线上。

所述故障发生后的健全线路零序电压沿线分布是指，沿着出线方向，零序电压的幅值随着距离的增长而变大，线路始末端的零序电压幅值差是线路长度的一元二次函数；即若支路i为健全支路，则其中ΔU_0i为支路i的始末端零序电压的幅值差，X是线路单位长度的阻抗值，I_C为单位长度的线路对地电容电流，l_i为健全支路i的线路长度。

所述故障发生后的故障线路零序电压沿线分布是指，在中性点不接地方式系统中，母线到故障点段零序电压幅值单调减小，故障点到末端段零序电压幅值单调增大；在中性点经消弧线圈接地的系统中，母线到故障点段零序电压幅值单调增大，故障点到末端段零序电压幅值单调增大，在两段中，增大的幅度是不同的，增大幅度的大小受系统脱谐度的影响，特别是，只有当谐振接地系统处在全补偿状态时，谐振接地系统中的故障线路与健全线路的零序电压分布特征一致；即若支路i为故障支路，则其中x为故障点到母线的距离，是系统所有非故障线路对地电容电流，I_L是消弧线圈补偿的感性电流。

(1)零序电流的沿线分布特征

线路的零序电流分布特征如图2所示。图2a为健全线路的零序电流沿线分布特征，图2b为故障线路的零序电流沿线分布特征。在配电网的分布参数模型下，当配电网中某段线路发生单相接地故障时，故障线路本身的零序电容电流分别从故障点流向线路的首端和末端，末端电流为零，沿线电流按照斜线的规律分布；非故障线路的零序电流从首端流向末端，末端电流为零，沿线按斜线规律分布。由于配电网中每条出线长度较短，始末端电流相位的差别可以忽略不计。

(2)零序电压的沿线分布特征

根据零序电流的分布规律，可推导得到零序电压的沿线分布规律。单位长度的区段内产生的对地电流作用于线路上的电压降落为dU＝I_C·X，式中：X是线路单位长度的阻抗值，I_C为单位长度的线路对地电容电流。

若第i条支路为健全支路，无论是中性点不接地还是经消弧线圈接地，若线路长度为l_i，首末端的零序电压幅值分别为U₀、U_1i。健全出线零序电压降落为ΔU_0i，则

若第i条支路为故障线路，假设故障点到母线距离为x。对于中性点不接地配电网，经由故障点流入的电流包括本支路的对地零序电流、非故障线路的对地零序电流之和对于中性点经消弧线圈接地的配电网经由故障点流入故障线路的电流包括本支路的对地零序电流、所有非故障线路的对地零序电流之和和消弧线圈补偿电流I_L。当消弧线圈的补偿电流I_L＝0时，中性点经消弧线圈接地系统等效为中性点不接地系统，因此，仅分析中性点经消弧线圈接地系统即可。在母线到故障点的区间上，两端电压之差是由本区间的零序电流和非故障支路零序电流之和叠加产生的，根据叠加定理满足U_f、U₀分别是中性点经消弧线圈系统故障线路的故障点、母线处零序电压；对于故障点到线路末端的情况(U_1i-U_f)与非故障线路情况相同，所以故障线路上的零序电压降落为线路的零序电压分布特征如图3所示，图3a为健全线路的零序电压沿线分布特征，图3b为故障线路的零序电压沿线分布特征。

(3)故障测度因子

根据图3，故障线路与健全线路在零序电压的沿线分布上具有差异性，利用此差异构造可以表征故障线路与健全线路差异性的故障测度因子。定义第i条支路的故障测度因子为μ_i，具体计算为若第i条支路为健全支路，则其故障测度因子的理论值为若第i条支路为故障支路，则其故障测度因子的理论值为式中：x是故障点距离母线的故障距离；l_i为故障支路的线路长度；υ为谐振接地系统消弧线圈的脱谐度，对于系统处于中性点不接地系统υ＝1；

(4)投票机制

考虑到故障测度因子仅仅描述了故障线路与所有非故障线路的差异性，建立相对故障矩阵，全面表征故障线路与健全线路在零序电压沿线分布上的差异性、健全与健全线路在零序电压沿线分布上的相似性；为了提高选线的准确率与可靠性，提出利用投票机制，增加选线的约束条件，来提高选线的准确性。

定义M_n×n为相对故障测度矩阵，m_ij为线路i相对于线路j(1≤i,j≤n)的相对故障测度。

式中，μ_it为不同采用时刻获得数据计算得到的故障测度，T为采样数据的个数。

对于一个具有n条支路的电力系统，定义差异化显著水平向量SUM_1×n，sum(i)表示线路i(1≤i≤n)的差异化显著水平。提出如下选线机制：

1)从M_n×n矩阵的主对角线m₁₁开始，扫描m_ii(1≤i≤n)所在的行和列，将行向量赋给a_1×n，列向量赋给

2)比较向量a,b中的元素，若a(r)＞λ+b(r),1≤r≤n，sum(i)＝sum(i)+1，若a(r)+λ＜b(r),1≤r≤n，sum(i)＝sum(i)-1，若a(r)＝b(r)±λ,1≤r≤n，sum(i)＝sum(i)，其中λ为环境因子；

3)得到n条支路系统的差异显著水平向量若则对应的线路为故障线路，否则故障出现在母线上。

具体的，以一个谐振接地模型为例：

图1为本发明实施例所述辐射状配电网络。如图1所示，本实施例利用PSCAD/EMTDC建立系统仿真模型，其中电缆线路的长度分别为18km、12km、15km、20km、9km；故障设置在第一条线路上，A相发生接地故障；母线侧采用Y-Δ接法的110kV变35kV变压器，线路末端采用Δ-Y接法的35kV变10kV的变压器；负载接0.35MW+0.08MVar的三相平衡负载；对于中性点经消弧线圈接地系统，系统通常处于过补偿状态，其过补偿度一般为10％。根据过渡电阻和故障距离的不同，列出对应的相对故障测度矩阵：

当R＝50Ω，L＝0.1km时：

当R＝50Ω，L＝8.0km时：

当R＝50Ω，L＝15km时：

当R＝1000Ω，L＝0.1km时：

当R＝1000Ω，L＝8.0km时：

当R＝1000Ω，L＝15km时：

表1谐振接地系统单相接地故障选线结果

根据各种情况下的故障选线结果，本发明受故障距离、过渡电阻、脱谐度的影响小，在不同情况下均能给出正确的选线结果。

Claims (4)

1.一种广域零序分布电压特征的小电流接地故障选线方法，其特征在于，该方法基于分布参数模型，在不同的接地方式、故障距离、过渡电阻和较小的脱谐度情况下，均能只在获得零序电压数据的情形下正确选出故障线路；利用故障发生后的健全线路与故障线路在零序电压沿线分布上的差异作为选线判据；首先，利用线路长度和在母线、各支路末端处测得的故障后零序电压为每条馈线构造故障测度因子；然后，建立相对故障测度矩阵，用以表征故障线路与健全线路在零序电压沿线分布上的差异性、两条健全线路在零序电压沿线分布上的相似性；最后，利用投票机制，根据最大票数原则选出故障线路。

2.根据权利要求1所述的广域零序分布电压特征的小电流接地故障选线方法，其特征在于：该方法的具体步骤为：

步骤1：以零序电压幅值越限作为故障的启动条件，采集各个支路母线处的故障后的稳态零序电压信号，对于一个具有n条支路的单端辐射状配电网，其母线处的零序电压幅值为U₀，第i条线路末端的零序电压幅值为U_1i，其中i为自然数，1≤i≤n；

步骤2：根据第i条支路的长度l_i和其始、末端的零序电压幅值U₀，U_1i来构造用来描述故障后该支路零序电压沿线分布特征的故障测度因子，具体计算如下：

<mrow> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>U</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msup> <msub> <mi>l</mi> <mi>i</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>

步骤3：定义相对故障测度矩阵M_n×n，用来描述任意两条健全线路在零序电压沿线分布上的相似性以及故障线路与任意一条健全线路在零序电压沿线分布上的差异性，以第i条支路和第j条支路为例，其中1≤i,j≤n，具体计算如下：

<mrow> <msub> <mi>m</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mfrac> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>T</mi> </munderover> <mfrac> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow> <mi>T</mi> </mfrac> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>&amp;NotEqual;</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>1</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>

其中T为采样的数据个数；

步骤4：利用投票机制进行故障选线，具体步骤如下：

步骤4.1：从M_n×n矩阵的主对角线m₁₁开始，扫描m_ii所在的行和列，将行向量赋给a_1×n，列向量赋给

步骤4.2：比较向量a,b中的元素，若a(r)＞λ+b(r),1≤r≤n，sum(i)＝sum(i)+1，若a(r)+λ＜b(r),1≤r≤n，sum(i)＝sum(i)-1，若a(r)＝b(r)±λ,1≤r≤n，sum(i)＝sum(i)，其中λ为环境因子；

步骤4.3：得到n条支路系统的差异显著水平向量SUM，

若

则对应的线路为故障线路，否则故障出现在母线上。

3.根据权利要求1所述的广域零序分布电压特征的小电流接地故障选线方法，其特征在于：所述故障发生后的健全线路零序电压沿线分布是指，沿着出线方向，零序电压的幅值随着距离的增长而变大，线路始末端的零序电压幅值差是线路长度的一元二次函数；即若支路i为健全支路，

则

其中ΔU_0i为支路i的始末端零序电压的幅值差，X是线路单位长度的阻抗值，I_C为单位长度的线路对地电容电流，l_i为健全支路i的线路长度。

4.根据权利要求1所述的广域零序分布电压特征的小电流接地故障选线方法，其特征在于：在中性点不接地方式系统中，母线到故障点段零序电压幅值单调减小，故障点到末端段零序电压幅值单调增大；在中性点经消弧线圈接地的系统中，母线到故障点段零序电压幅值单调增大，故障点到末端段零序电压幅值单调增大，在两段中，增大的幅度是不同的，增大幅度的大小受系统脱谐度的影响；只有当谐振接地系统处在全补偿状态时，谐振接地系统中的故障线路与健全线路的零序电压分布特征一致；即若支路i为故障支路，则

其中x为故障点到母线的距离，是系统所有非故障线路对地电容电流，I_L是消弧线圈补偿的感性电流，ΔU_0i为支路i的始末端零序电压的幅值差，X是线路单位长度的阻抗值，I_C为单位长度的线路对地电容电流，l_i为健全支路i的线路长度。