CN105093064B - 配电网广域故障定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种配电网广域故障定位方法，包括步骤：A、故障发生后，测量配电网各变压器低压侧的故障电压负序分量；B、比较各测量点所测故障电压负序分量，根据所述故障电压负序分量值的大小将各变压器划分为不同的族群；C、根据所述故障电压负序分量值与故障发生点至各测量点距离之间的关系，定位故障发生点。利用本发明的配电网广域故障定位方法，不需要额外的同步和实时数据通信，实现简单；且不易受到过渡电阻和负荷的变化的影响，因此精度高。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统分析技术领域，特别是涉及到电力系统中的继电保护技术。
背景技术
快速和精确的故障定位对于迅速恢复供电和提高电力系统的可靠性至关重要，能够减小故障对系统的影响范围，提高电力系统的稳定性。目前，电压等级较高的配电网在实际现场主要采用“远跳-重合”策略定位故障，通过故障后从电源侧开始多级延时重合闸后检测是否有过电流来锁定故障所在的区间，耗时较长，对于复杂线路可能需要数分钟才能确定故障位置，难以保证供电可靠性。
而对于电压等级较低的配电网，通常采用非直接接地方式，不接地或者经消弧线圈接地，在这种接地方式下发生接地故障时故障电流会比较小，对传统的过流保护很不利。
随着智能电网的发展，风机、光伏电池等分布式电源(Distribute Generator，DG)在配电网中的渗透率越来越高，会给传统配电网带来影响，其潮流方向不再是单一的，使得传统配电网中配置的保护日显不足。分布式电源DG的渗透率增加会加大配电网系统的复杂程度，使用行波法时行波的波形会更加的复杂，很难识别故障点的反射波，因此，行波法在含DG配电网的故障测距中的应用受到了很大的限制，适用性不强。而对于注入法，随着DG的接入，注入特种信号产生的激励会发生本质性的变化，也很难实现精确的故障定位。
综上所述，基于非直接接地系统和分布式电源DG的特点，有必要寻求一种适用于低压含分布式电源配电网的故障定位方法，而我国城市10kV配电网系统常采用中性点经消弧线圈接地方式，降低单相接地故障以及暂态电弧对于系统的影响。同时这样的接地方式使得传统保护与故障定位无法正确动作。另外，随着智能电网的快速发展，集合了智能测量和计算的电子设备(intelligent electronic device，IED)已经广泛用于配电系统中。利用IED元件实现广域非同步测量并定位故障，同时结合配电网中的断路器可以在不影响系统其它部分正常运行的条件下将故障部分从系统中隔离。经消弧线圈接地的系统发生不对称接地故障时虽然故障电流很小，但是会引起相电压的不对称，可以通过监测故障电压负序分量的增加量的方法来检测和定位故障。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于故障电压负序分量的配电网故障定位方法，利用故障发生点距离与故障后故障电压负序分量之间的关系，需要在配电变压器的低压侧装设数据采集装置以获取故障后的故障电压负序分量值，并由此判断接地故障的发生点。
为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。
一种配电网广域故障定位方法，所述方法包括以下步骤：
A、故障发生后，测量配电网各变压器低压侧的故障电压负序分量值；
B、比较各测量点所测故障电压负序分量值，根据所述故障电压负序分量值的大小将各变压器划分为不同的族群；
C、根据所述故障电压负序分量与故障发生点至各测量点距离之间的关系，定位故障发生点。
其中，测量配电网各变压器低压侧的故障电压负序分量包括：
A1、故障发生后第一预定时间内测量点电压减去故障发生前第一预定时间内测量点电压，获得故障电压；
A2、对故障电压进行快速傅里叶变换处理，并沿故障电压时间轴移动小窗，得到基频分量后进行对称分量变换，获得故障电压的负序分量；
A3、经过第二预定时间后故障电压的负序分量变得稳定，将稳定后的值作为故障电压的负序分量值。
所述第一预定时间为五个周波时间，所述第二预定时间为10毫秒。
步骤C中，所述故障电压负序分量值与故障发生点至各测量点距离之间的关系为：
其中和分别为不同测量点的故障电压负序分量值，
x为故障发生点离电源的距离；
Zline为线路负序阻抗；
Zsum1＝Zs1+Zt1和Zsum2＝Zs2+Zt2，
ZS1和ZS2为系统侧等效负序阻抗；
Zt1和Zt2为变压器负序阻抗。
另外，步骤A中当负荷侧的阻抗发生变化时，将阻抗变化率的倒数作为新的系数乘以阻抗变化前的故障电压负序分量值，作为故障电压负序分量值。
当变压器低压侧连接有分布式电源时，步骤A2获得故障电压的负序分量后，通过线性最小二乘法来获得稳定的故障电压的负序分量值。
变压器低压侧连接有分布式电源导致故障发生点但故障电压负序分量值族群分布相同时，先确定故障所在的族群，然后动作隔离开关隔离故障，如果隔离失败可缩小故障所在区域并由上层的隔离开关进行隔离。
通过采用本发明的配电网广域故障定位方法，能够获得以下技术效果：
(1)在故障定位过程中，数据采集装置只需要记录故障电压负序分量的幅值；
(2)不需要额外的同步和实时数据通信，实现简单；
(3)本发明的故障定位方法不易受到过渡电阻和负荷的变化的影响，因此精度更高。
附图说明
图1为简单双端供电配电网系统结构示意图。
图2为简单双端供电配电网负序等效结构示意图。
图3为根据本发明具体实施方式含有数据采集装置的配电网系统示意图。
图4为根据本发明具体实施方式测试所用配电网系统结构示意图。
图5为根据本发明具体实施方式发生F3故障时变压器DT1低压侧测得的三相电压波形示意图。
图6为根据本发明具体实施方式发生F3故障时，各测量点测得的故障电压负序分量值结果示意图。
图7为根据本发明具体实施方式发含分布式电源DG的配电网系统结构示意图。
图8为根据本发明具体实施方式发生F9故障时的DG侧故障电压负序分量值结果图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明。
以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。
然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。
同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。
介绍本发明的技术方案之间，首先说明本发明所采用的基本原理。
在图1中，假设接地故障发生在距离左侧电源x千米的位置，故障之后故障点可以等效成一个负序电压源，负序分量电路图如图2所示。显然，故障电压负序分量的幅值会沿着线路和变压器支路下降，并且距离故障点越远，故障电压负序分量值越小。图中，Zline表示线路负序阻抗，Zt表示变压器负序阻抗，Zs表示系统侧等效负序阻抗。
过渡电阻Rf会影响故障点k处的故障电压负序分量值Uk (2)，从而影响到从故障点流向两侧支路的负序电流I1 (2)和I2 (2)的大小。但是，对于一个线路参数和负荷参数已知的配电网，当故障发生在任一位置时，流向两侧支路的负序电流的比值I1 (2)/I2 (2)是不受过渡电阻影响的。
因此，有以下关系式存在：
经消弧线圈接地配电网发生故障之后的负序电流通过分流作用，使系统中配电变压器低压侧的故障电压负序分量出现不平衡，利用故障电压负序分量出现的不平衡规律就可以进行故障定位。由前述的分析可知，对于有过渡电阻的情况也不受影响。
将式(3)代入式(1)和式(2)，可以推出故障距离x的表达式为：
其中，Zsum1＝Zs1+Zt1，Zsum2＝Zs2+Zt2，
在实际运行的配电网中，电源侧的阻抗要远远小于负荷阻抗，因此系统运行方式对故障电压负序分量变化的影响基本可以忽略。故障前的负荷等效阻抗可以通过数据采集装置获得，并且将等效阻抗值送到控制单元以用于故障定位，假设在数据更新周期内负荷不出现剧烈的变化，此时计算出的负荷等效阻抗就可以被用于确定故障位置，故障距离由式(4)求出。
但是，对于含有大量负荷和分支的复杂配电网，利用公式去计算故障距离会变得非常复杂。测量误差和信号延时的影响也会被放大，可能会出现错误的故障定位结果。由式(1)、式(2)和式(3)可知，不同测量点的故障电压负序分量的比值与故障距离x有如下式所示关系。
如式(5)所示，在系统电源和负荷完全对称的情况下，各测量点的故障电压负序分量比值与故障距离x成反比，故障距离x可以通过测得的故障电压负序分量推出。当负荷侧的阻抗发生变化时，将阻抗变化率的倒数作为新的系数乘以阻抗变化前的对应的故障电压负序分量来消除负荷变化带来的误差。如图3所示，通过比较各测量点的故障电压负序分量可以初步确定故障区域。
图3是一个由五条负荷分支和配电变压器组成的配电网等效模型。它由五条负荷分支和配电变压器组成，主干线路被平均分成五个部分，并且在每个配电变压器的低压侧都装有数据采集装置。用F1、F2、F3表示系统3个不同位置的故障，系统中装设了3个联络开关C1、C2、C3用于隔离故障区域。
假设F1处发生故障，根据配电变压器低压侧的故障电压负序分量值可以将系统负荷分成三个区域，分别是“M1”，“M2”，“M3M4M5”。其中M2是最靠近故障点的，故障电压负序分量也是最大的。对于结构和参数已知的系统，可以事先确定出用于区分不同区域的故障电压负序分量门槛值。如果测到的故障电压负序分量值之间的差值小于这一阈值，就可以将其归为同一个族群。这个阈值跟系统的结构和测量误差有关，本文用于说明方法的系统使用的误差是5％。不难得出，故障点必定位于系统电源到故障电压负序分量测量值最大的配电变压器的连接线路上，并且离故障点越近故障电压负序分量测量值越大。
因此，本发明的具体实施方式中公开了一种配电网广域故障定位方法，所述方法包括以下步骤：
A、故障发生后，测量配电网各变压器低压侧的故障电压负序分量；
B、比较各测量点所测故障电压负序分量，根据所述故障电压负序分量的大小将各变压器划分为不同的族群；
C、根据所述故障电压负序分量与故障发生点至各测量点距离之间的关系，定位故障发生点。
通过使用本发明的配电网广域故障定位方法，数据采集装置只需要记录故障电压负序分量的幅值；且不需要额外的同步和实时数据通信，实现简单。
可以通过多种方法测量故障电压的负序分离，例如在另一具体实施方式中，测量配电网各变压器低压侧的故障电压负序分量包括：
A1、故障发生后第一预定时间内测量点电压减去故障发生前第一预定时间内测量点电压，获得故障电压；
A2、对故障电压进行快速傅里叶变换处理，并沿故障电压时间轴移动小窗，得到基频分量后进行对称分量变换，获得故障电压的负序分量；
A3、经过第二预定时间后故障电压的负序分量变得稳定，将稳定后的值作为故障电压的负序分量值。
以上实施方式中，第一预定时间与第二预定时间根据具体情况来确定，例如在一个更具体的实施方式中，所述第一预定时间为五个周波时间，所述第二预定时间为10毫秒。
另外，步骤C中，所述故障电压负序分量与故障发生点至各测量点距离之间的关系为：
其中和分别为不同测量点的故障电压负序分量值，
x为故障发生点离电源的距离；
Zline为线路负序阻抗；
Zsum1＝Zs1+Zt1和Zsum2＝Zs2+Zt2，
ZS1和ZS2为系统侧等效负序阻抗；
Zt1和Zt2为变压器负序阻抗。
以下用更加具体的示例来说明本发明配电网广域故障定位方法的技术效果。在示例中使用如图4所示的电路模型。
在图4系统9个配电变压器的低压侧都装设了数据采集装置，用于得到其故障电压负序分量值，所有的负荷均选用9MW，各线路的长度如图4中所示。
首先，分别在6个不同的位置发生单相接地故障，故障电阻均取10Ω。系统中装有6个断路器用来隔离故障区域。
以故障发生在F3处为例，装设的数据采集装置在配电变压器DT1的低压侧测到的三相电压波形如图5所示。三相电压的采样频率是2.4kHz，故障发生在0.05s处。故障电压可以通过故障后五个周期的电压减去故障前五个周期的电压得到，然后选取窗长为20ms，对故障电压进行快速傅里叶变换(FFT)处理，并沿着故障电压的时间轴移动小窗，得到基频分量后对其进行对称分量变换，得到每个配电变压器低压侧故障电压的故障电压负序分量，F3故障后DT1低压侧处理后的结果如图6所示。
由于受到高频信号的影响，在波形的初始阶段，小窗处理的结果会有明显波动。经过大约10ms后故障电压负序分量值变得稳定，稳定时间段内的故障电压负序分量就可以作为故障定位的依据。根据各测量点计算后不同的故障电压负序分量值，将负荷分成不同的族群。在图5中，按照从高到低的顺序排列，第一条是DT9的故障电压负序分量，选为族群1；第2、3条分别是DT8和DT7的故障电压负序分量，选为族群2；第4条是DT3选为族群3；第五条是DT6选为族群4；第6、7、8条分别是DT4、DT2、DT5的故障电压负序分量，选为族群5；最后一条是DT1的故障电压负序分量，选为族群6。
用两个准则即可确定故障区域。第一条准则是故障一定发生在系统电源到故障电压负序分量值最大的配电变压器所连接的回路上。例如，当族群3中的DT4、DT2、DT5的故障电压负序分量值最大时，故障只可能发生在F2、F3或者F6处。第二条准则是故障电压负序分量值越大，距离故障点越近，则可以确定故障发生在F3处。同样的道理，当故障发生其他位置，也可以利用故障电压负序分量值确定故障的位置，各种情况的结果如表1所示。在表1中，不同族群用不同深度的颜色区域进行区分，故障电压负序分量值最高的测量点的区域颜色最深。
表1负荷相同时6处故障的测量结果
对每个故障的定位都可以用族群和最深色区域的值来确定。例如，故障发生在F1处时，利用两个原则把故障范围缩小到F1、F2，而配电变压器DT2距离故障最近，所以故障发生在F1处。当负荷发生变化时，结果也基本不会受到影响，变化后的故障电压负序分量的结果如表2所示。
表2负荷发生变化后6处故障的测量结果
表2中的故障电压负序分量值是负荷Load1和Load7增加80％，Load3和Load9减少80％，其余负荷不变后的处理结果。与表1进行比较后可以看出，故障电压负序分量值的变化并不会影响到族群的划分和故障位置的确定。因此，此定位方法基本不会受负荷变化的影响。
当分布式电源DG的渗透率大于某一百分比时，显然不能再将其作为普通负荷对待。因为当渗透率很高时，系统在正常工作时的潮流情况将会发生改变。更重要的是故障后的暂态特性和故障后的稳态谐波性能与普通负荷大不相同。以风场中广泛应用的双馈感应风机为例，对分布式电源对本发明配电网广域故障定位方法产生的影响进行研究，选用的配电网系统如图7所示。
此系统包括三个容量为9MW的负荷和四个容量为6MW的双馈风机。16种不同位置的单相接地故障如图中所示。以F9处发生故障为例，所有的DG连接的配电变压器低压侧测得的故障电压负序分量如图8所示。
正如之前所说，越靠近故障点故障电压负序分量越大，F9故障时DT7低压侧测得的故障电压负序分量值最大。将此结果与连接普通负荷的配电变压器低压侧测得的故障电压负序分量结果进行比较可以看出，连接DG的配电变压器低压侧所得结果的暂态过程持续时间更长，故障电压负序分量曲线稳定时间段内的振荡幅度更大，当DG靠近故障点时这种现象更加明显，在故障定位时可能需要更长的故障检测时间，计算误差也会更大。
连接DG侧配电变压器低压侧的负序电压在故障后有更大的振荡幅度和更长的过渡时间，其原因在于当发生不对称故障时，双馈风机网侧的不平衡电压产生的磁通将通过风机的转子和定子形成回路，不对称的磁通与定子侧感生电动势导致了风机转子侧的电压和定子侧的输出功率出现振荡，与对称故障时相比含有的低次谐波更多。
而由于过渡时间较长，故障的持续时间也会相应地延长。但是对于经消弧线圈接地的配电网，发生单相接地故障后在短时间内不会对系统的运行造成严重的损坏。对于由故障后振荡所产生的误差可以通过一阶线性最小二乘曲线拟合法来解决。
为了利用线性最小二乘法对n个点的采样数据进行曲线拟合(这里采用两个周期和96个采样点)，定义n个点的垂直偏移R2为：
其中，x表示时刻，y表示相应的故障后的电压值。假设拟合直线为y＝a+bx，为了最大限度地减少偏差：
求解(7)和(8)，a和b可由(9)计算得到：
最终结果是一个恒定的负序电压值，在进行最小二乘曲线拟合时式(6)-式(9)中的变量b可以被固定为零，因此可以求得变量a的取值，对所有故障处理后得到的结果如表3所示。
表3分布式电源和无源负载的故障定位结果
在图7所示系统中，配电变压器低压侧的电压测量装置可以分成两类：连接DG的配电变压器低压侧负序电压值和连接普通负荷的配电变压器低压侧负序电压值。根据不同故障情况下的负序电压值，可以将16个故障分成7个群。对于某些故障，如“F1”，“F9”和“F16”，可以通过各测量点负序电压值的大小直接区分出来，而对于如“F2-F4”，“F5-F8”，“F10-F12”和“F13-F15”等故障由于负序电压值的排序相同，处于相同的群，故障定位时需要作进一步处理。
当故障所在的故障群确定之后，先动作隔离开关隔离故障，如果隔离失败的话，就可以缩小故障所在区域并由上层的隔离开关进行隔离。例如，对于故障群“F2-F4”，隔离开关C1可以清除F4处的故障，而“F2，F3”实际上处于相同区域，如果C1进行动作故障还未消失，则需要通过上一级隔离开关C9进行隔离。同样的道理，对于故障群“F5-F8”，F7和F8处的故障可以通过隔离开关C2和C3分别隔离，而处在相同区域中的其余位置的故障需要由上一级隔离开关来隔离。以表3作为参照，只要每个测量装置所测到的数据满足表3中呈现的趋势，就可以确定故障的位置。
因此，对于传统配电网和含有分布式电源的配电网，基于负序电压增量的配电网故障定位方法都能够快速、准确地找到故障位置。此方法在复杂的多分支配电网中也能很好的工作，并且负荷变化对定位精确性的影响基本可以忽略。虽然使用了广域测量数据，但是不需要进行同步。实际系统中使用的隔离开关的成本也比较低，可以在不影响非故障部分的情况下快速锁定和隔离故障区域，能够很好地用于实际配电网中。
需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种配电网广域故障定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
A、故障发生后，测量配电网各变压器低压侧的故障电压负序分量值；
B、比较各测量点所测故障电压负序分量值，根据所述故障电压负序分量值的大小将各变压器划分为不同的族群；
C、根据所述故障电压负序分量与故障发生点至各测量点距离之间的关系，定位故障发生点，
测量配电网各变压器低压侧的故障电压负序分量包括：
A1、故障发生后第一预定时间内测量点电压减去故障发生前第一预定时间内测量点电压，获得故障电压；
A2、对故障电压进行快速傅里叶变换处理，并沿故障电压时间轴移动小窗，得到基频分量后进行对称分量变换，获得故障电压的负序分量；
A3、经过第二预定时间后故障电压的负序分量变得稳定，将稳定后的值作为故障电压的负序分量值，
所述第一预定时间为五个周波时间，所述第二预定时间为10毫秒，步骤C中，所述故障电压负序分量值与故障发生点至各测量点距离之间的关系为：
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其中和分别为不同测量点的故障电压负序分量值，
x为故障发生点离电源的距离；
Zline为线路负序阻抗；
Zsum1＝Zs1+Zt1和Zsum2＝Zs2+Zt2，
ZS1和ZS2为系统侧等效负序阻抗；
Zt1和Zt2为变压器负序阻抗。
2.根据权利要求1中所述的配电网广域故障定位方法，其特征在于，步骤A中当负荷侧的阻抗发生变化时，将阻抗变化率的倒数作为新的系数乘以阻抗变化前的故障电压负序分量值，作为故障电压负序分量值。
3.根据权利要求1中所述的配电网广域故障定位方法，其特征在于，当变压器低压侧连接有分布式电源时，步骤A2获得故障电压的负序分量后，通过线性最小二乘法来获得稳定的故障电压的负序分量值。
4.根据权利要求1中所述的配电网广域故障定位方法，其特征在于，变压器低压侧连接有分布式电源导致故障发生点但故障电压负序分量值族群分布相同时，先确定故障所在的族群，然后动作隔离开关隔离故障，如果隔离失败可缩小故障所在区域并由上层的隔离开关进行隔离。
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2015
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