CN105182187B - 基于定位函数的配电网馈线相间故障测距方法 - Google Patents
基于定位函数的配电网馈线相间故障测距方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于定位函数的配电网馈线相间故障测距方法，包括以下步骤：1)相间故障发生前，在馈线保护安装处对三相电压和三相电流进行采样，得到采样序列，并利用傅里叶算法分别计算馈线的三相电压向量和三相电流向量；2)相间故障发生后，由步骤1)所得的故障馈线故障前的三相电压向量和三相电流向量计算得到负荷阻抗与线路阻抗的阻抗和，再减去线路阻抗得到负荷阻抗；3)根据不同的相间故障，选取相应的定位函数，并计算故障发生后的馈线三相电压向量和三相电流向量；4)采用逐步搜索法，搜索到使定位函数取最小值的x，该x即为故障距离。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于定位函数的配电网馈线相间故障测距方法，属于电力系统继电保护技术领域。
技术背景
随着配电网综合自动化技术的发展和用户对供电质量要求的不断提高，传统配电网继电保护技术已不能满足其日益增长的需求，故需要深入研究配电网故障选线与故障测距新方法。国内外很多学者对配电网故障选线进行了大量研究并研制出相关的故障选线装置，但其故障测距的研究相对较少且几乎没有馈线测距故障装置，因此，有必要对配电网馈线故障测距进行更具体的研究。
故障测距方法原理上大致可分为阻抗法、注入法和行波法。配电网馈线阻抗测距法与高压输电线路阻抗测距法类似，都是利用故障距离与阻抗大小成正比的原理实现故障测距的，它易受过渡电阻和系统运行方式的影响，测距精度相对于其他测距方法较低，但其具有原理简单、投资少等优点，仍广泛应用于实际电力系统；注入法是通过故障后向系统注入某种信号获取故障信息，从而实现故障测距，但其信号注入设备需要增加额外的资金投入且注入信号的强度和检测等问题有待解决；行波法是目前研究较多的一类测距方法，它是利用电压、电流行波在故障点及母线之间传播的时间来确定故障距离的，其测量精度一般高于阻抗测距法，但在识别故障点的反射行波和来自其他间断点的发生行波有一定的困难；因此，不过哪种方法，都有待于更深入的研究。
35kV及以下的配电系统一般采用小电流接地方式，即配电网发生单相接地故障后接地电流很小，难以准确测量其幅值和方向，影响保护精度，但在配电网馈线发生两相相间短路后，其故障电流很大，便于测量故障信号，有利于故障测距。由于配电网馈线发生小电流接地故障后较易引发相间短路发生，而其故障测距研究较少，故有必要具体研究配电网馈线相间短路故障测距。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于定位函数的配电网馈线相间故障测距方法，具有较高的测量精度。
该方法包括如下步骤：
一种基于定位函数的配电网馈线相间故障测距方法，其特征在于：
步骤1，相间故障发生前，在馈线保护安装处对三相电压和三相电流进行采样，得到采样序列，并利用傅里叶算法分别计算三相电压向量和三相电流向量；
步骤2，相间故障发生后，由步骤1)所得的故障馈线故障前的三相电压向量和三相电流向量计算得到负荷阻抗与线路阻抗的阻抗和，再减去线路阻抗得到负荷阻抗；
步骤3，根据不同的相间故障，选取相应的定位函数，并计算故障发生后故障馈线的三相电压向量和三相电流向量；
步骤4，采用逐步搜索法，找到使定位函数取最小值的x，该x即为故障距离。
根据所述的基于定位函数的配电网馈线相间故障测距方法，其特征在于：在步骤1中，相间故障发生前，在馈线保护安装处以2000Hz的采样频率进行实时数据采样，得到故障前馈线的三相电压序列uA_Pre(n)、uB_Pre(n)、uC_Pre(n)和三相电流序列iA_Pre(n)、iB_Pre(n)、iC_Pre(n)和，n＝1,2,3,......；利用傅里叶算法计算馈线的三相电压向量和三相电流向量，具体算法如下：
其中，N＝40，为一个基波周期的采样点数，分别表示馈线保护安装处的三相电压向量和三相电流向量。
根据所述的基于定位函数的配电网馈线相间故障测距方法，其特征在于：相间故障发生后，在步骤2中，根据所得的故障馈线故障前的A相电压向量和A相电流向量(或B相电压电流向量或C相电压电流向量)计算得到负荷阻抗与线路阻抗的阻抗和，再减去线路阻抗得到负荷阻抗，具体计算如下：
其中，分别是故障发生前馈线保护安装处的三相电压向量， 分别是故障发生前馈线保护安装处的三相电流向量，ZLoad为馈线的负荷阻抗，L为馈线的线路全长，Z1为馈线的单位长度线路正序阻抗。
根据所述的基于定位函数的配电网馈线相间故障测距方法，其特征在于：在步骤3中，对于不同的相间故障，选取相应的定位函数，具体的定位函数由公式(4)～(6)给出：
其中，fAB(x)、fBC(x)、fCA(x)分别为故障馈线的AB、BC、CA两相相间短路故障定位函数，分别为故障馈线故障后的三相电压向量，分别为馈线故障后的三相电流向量，j为复数的虚部单位，imag()表示取复数的虚部数值，| |表示求模，x为线路上某一点与保护安装处之间的距离，x的取值范围为零至线路全长。
再利用傅里叶算法计算相间故障后故障馈线的三相电压向量和三相电流向量，具体计算公式如下：
其中，N＝40，为一个基波周期的采样点数，为故障后馈线保护安装处的三相电压序列和三相电流序列，为其计算得到三相电压向量和三相电流向量。
根据所述的基于定位函数的配电网馈线相间故障测距方法，其特征在于：在步骤4中，取x的初值为0，以0.01km逐步增加x至线路全长，再将每一个x全部代入定位函数进行计算，搜索出定位函数取最小值的x，该x即为故障距离。
本发明所达到的有益效果为：
本发明是利用过渡阻抗虚部为零(即电抗为零)的特点来推导故障定位函数，首先利用故障前馈线三相电压电流信号和线路阻抗计算故障馈线的负荷阻抗，然后利用故障馈线短路两相形成的回路列写方程，推导出过渡电阻的表达式，根据其电抗为零搜索出故障距离，实现故障测距。该方法原理上完全不受过渡电阻的影响，只需要本地测量电压电流信号，简单易行，试验结果表明，该方法很好地克服了过渡电阻的影响，具有较高的测距精度。
附图说明
附图1是本发明实施例的10kV配电网系统模型的示意图。
附图2是基于定位函数的输电线路单端故障测距流程图。
具体实施方式
本发明提出的基于输电线路故障类型的单端故障测距方法实施例详细说明如下：
如附图1所示，应用本发明方法的配电网模型示意图为一10kV单端电源供电系统，图中共有4条馈线，馈线长度分别为9km、6km、13km、10km，为了简便，实施例中的馈线线路参数设为相同，为电源三相电压，ZA、ZB、ZC为三相电源系统阻抗，LC为带电感的消弧线圈，x为待测故障距离。应用本发明方法前需要进行故障选线确定故障馈线，然后进行故障选相，根据选相结果，选取相应的定位函数，最后得到故障测距距离。假设故障发生在第4条馈线(简称馈线4)，选相故障结果为BC两相相间短路故障，故障距离距保护安装处8km，过渡电阻为30Ω。
三相电源系统参数为：
正序系统阻抗为：Z1＝1.9+j157.36868Ω；
零序系统阻抗为：Z0＝1.2+j141.47536Ω；
所有馈线参数均为：
正序电阻、电感、电容：r1＝0.01786Ω/km、l1＝0.99962Ω/km、c1＝0.01164μF/km；
零序电阻、电感、电容：r1＝0.29522Ω/km、l1＝3.31178Ω/km、c1＝0.00769μF/km；
实施例具体步骤如下：
1)馈线4相间故障发生前，在馈线保护安装处对三相电压和三相电流进行采样，得到采样序列，并利用傅里叶算法分别计算三相电压向量和三相电流向量：
2)根据故障馈线(馈线4)故障前的三相电压向量和三相电流向量计算得到负荷阻抗与线路阻抗的阻抗和，再减去线路阻抗得到馈线4的负荷阻抗，具体计算如下：
其中，L为馈线4的线路全长，Z1为馈线4的单位长度线路正序阻抗；
3)根据选相所得相间故障为BC两相相间短路故障，选取故障定位函数为：
其中，fBC(x)为馈线4的BC相间短路故障测距定位函数，同时计算馈线4故障后的三相电压向量和三相电流向量：
4)取x的初值为0km，以步长0.01km逐渐增加x至线路全长，再将每一个x的数值全部代入定位函数进行计算，搜索出定位函数取最小值的x，该x即为故障距离，由上述数据搜索到当x＝7.95km时定位函数有最小值，即故障距离为7.95km，误差为0.500％，具体的误差计算公式为Error＝|xActualxComputed|/L4×100％，其中，xActual、xComputed分别为实际故障距离和本发明的测量故障距离。表1～2给出了不同位置分别发生金属性和经30Ω过渡电阻BC两相相间短路的测量故障距离。
表1不同位置分别发生金属性AB、BC、CA相间短路故障的测量故障距离
表2不同位置分别发生AB、BC、CA相间短路故障经30Ω过渡电阻的测量故障距离
Claims (5)
1.一种基于定位函数的配电网馈线相间故障测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)相间故障发生前，在馈线保护安装处对三相电压和三相电流进行采样，得到采样序列，并利用傅里叶算法分别计算三相电压向量和三相电流向量；
2)相间故障发生后，由步骤1)所得的故障馈线故障前的三相电压向量和三相电流向量计算得到负荷阻抗与线路阻抗的阻抗和，再减去线路阻抗得到负荷阻抗；
3)根据不同的相间故障，选取相应的定位函数，并计算故障发生后故障馈线的三相电压向量和三相电流向量；
4)采用逐步搜索法，找到使定位函数取最小值的x，该x即为故障距离。
2.根据权利要求1所述的基于定位函数的配电网馈线相间故障测距方法，其特征在于：在所述的步骤1)中，相间故障发生前，在馈线保护安装处以2000Hz的采样频率进行实时数据采样，得到故障前馈线的三相电压序列uA_Pre(n)、uB_Pre(n)、uC_Pre(n)和三相电流序列iA_Pre(n)、iB_Pre(n)、iC_Pre(n)和，n＝1,2,3,......；利用傅里叶算法计算馈线的三相电压向量和三相电流向量，具体算法如下：
其中，N＝40，为一个基波周期的采样点数，分别表示馈线保护安装处的三相电压向量和三相电流向量。
3.根据权利要求1所述的基于定位函数的配电网馈线相间故障测距方法，其特征在于：相间故障发生后，在所述的步骤2)中，根据所得的故障馈线故障前的A相电压向量和A相电流向量(或B相电压电流向量或C相电压电流向量)计算得到负荷阻抗与线路阻抗的阻抗和，再减去线路阻抗得到负荷阻抗，具体计算如下：
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其中，分别是故障发生前馈线保护安装处的三相电压向量， 分别是故障发生前馈线保护安装处的三相电流向量，ZLoad为馈线的负荷阻抗，L为馈线的线路全长，Z1为馈线的单位长度线路正序阻抗。
4.根据权利要求1所述的基于定位函数的配电网馈线相间故障测距方法，其特征在于：对于不同的相间故障，选取相应的定位函数，具体的定位函数由公式(4)～(6)给出：
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其中，fAB(x)、fBC(x)、fCA(x)分别为故障馈线的AB、BC、CA两相相间短路故障定位函数，分别为故障馈线故障后的三相电压向量，分别为馈线故障后的三相电流向量，j为复数的虚部单位，imag()表示取复数的虚部数值，||表示求模，x为线路上某一点与保护安装处之间的距离，x的取值范围为零至线路全长；
再利用傅里叶算法计算相间故障后故障馈线的三相电压向量和三相电流向量，具体计算公式如下：
其中，N＝40，为一个基波周期的采样点数，为故障后馈线保护安装处的三相电压序列和三相电流序列，为其计算得到三相电压向量和三相电流向量。
5.根据权利要求1所述的基于定位函数的配电网馈线相间故障测距方法，其特征在于：取x的初值为0，以0.01km逐步增加x至线路全长，再将每一个x全部代入定位函数进行计算，搜索出定位函数取最小值的x，该x即为故障距离。
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