CN105223470B - 一种基于故障高频信息的配网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统故障定位领域，特别涉及一种基于故障高频信息的配网故障定位方法。其特征在于，故障发生后根据各智能测量装置测到的电压电流暂态量计算出对应的高频阻抗信息；然后线路T接点两侧的智能测量装置组成一个智能测量装置组；比较线路上各智能测量装置组内装置的高频阻抗大小关系，以此为依据确定故障所在区域，以便修复故障、缩短停电的时间。与传统的配网故障定位方法相比，所提一种基于故障高频信息的配网故障定位方法不受系统运行方式、负荷变化等因素的影响，更加符合实际工程应用的需求。

Description

一种基于故障高频信息的配网故障定位方法

技术领域

本发明属于电力系统故障定位领域，特别涉及一种基于故障高频信息的配网故障定位方法。

背景技术

配网是电力系统的重要组成部分，其结构复杂、供电半径短、架空线路与电缆线路共存，难以实现故障定位并选择性地切除故障。目前，国内配网大多仍采用人工巡线的方法定位故障，故障发生后停电时间较长，影响供电质量。

目前，故障定位方法主要包括阻抗法、行波法、S信号注入法和广域通信法。阻抗法利用故障后测量点获得的电气量信息计算到故障点线路阻抗实现故障定位，易受电源参数、负荷参数等变化的影响，当配网分支较多结构复杂时，会出现伪故障点，无法正确定位。此外，分布式电源(DG)的接入会增加线路拓扑的复杂度，同时分布式电源馈入电流将影响故障定位的精度。行波法利用行波在故障点和线路之间往返的时间差来确定故障距离，分为A、B、C、D、E五类；由于配网结构复杂分支众多，很难实现多端行波信号的精确同步获取，B、D类行波难以实现；同时，A、B、D类行波要在配网的重要位置安装检测装置，投资太大。当分布式电源接入配网后，行波的波形变得更加复杂，识别故障点反射波的难度更高，C类行波也难以实现；因此，行波法在配网故障定位，尤其是在含分布式电源配网中的应用受到了很大的限制。S信号注入法在故障后向接地线路注入特定频率信号，通过检测注入信号流过的支路实现定位；由于该方法注入信号的强度受到电压互感器(PT)容量的限制，当配网线路很长，故障接地电阻较大时，线路上对地电容的分流作用，会使故障支路的信号变小导致误判，使其适用范围受到限制。广域法通常利用故障区段和非故障区段在故障特征方面表现出的差异确定故障区域；但是，该类方法大都需要广域同步测量信息；所以，其共同缺点是信号的延迟或者通信的丢失会导致错误定位结果的出现。

发明内容

针对现有配网故障定位方法的不足，本发明提出一种基于故障高频信息的配网故障定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：在每个线路T接点的左右两侧各安装一个智能测量装置，每两个智能测量装置组成一个智能测量装置组；

步骤2：系统发生接地故障后，根据各智能测量装置测到的电压电流暂态量计算出对应的高频阻抗信息；

步骤3：通过比较各智能测量装置组内的两个智能测量装置测得的高频阻抗值的大小关系，确定故障所在区域；

具体步骤为：

步骤301：比较任一线路T接点上的智能测量装置组内的左右两个智能测量装置测得的高频阻抗值的大小，若左侧智能测量装置的测得的高频阻抗值大于右侧智能测量装置测得的高频阻抗值，则判断故障发生在该智能测量装置组的右侧，进行步骤302；否则，判断故障发生在该智能测量装置组的左侧，进行步骤303；

步骤302：比较紧邻该智能测量装置组右侧的智能测量装置组内的两个智能测量装置测得的高频阻抗值的大小，按照步骤301中的判断准则，直到判断出故障发生在当前智能测量装置组的左侧，则确定故障发生在紧邻当前智能测量装置组左侧的线路中；或当前智能测量装置组为最末端的智能测量装置组，则确定故障发生在紧邻当前智能测量装置组右侧的线路中；

步骤303：比较紧邻该智能测量装置组左侧的智能测量装置组内的两个智能测量装置测得的高频阻抗值的大小，按照步骤301中的判断准则，直到判断出故障发生在当前智能测量装置组的右侧；则确定故障发生在紧邻当前智能测量装置组右侧的线路中；或当前智能测量装置组为最末端的智能测量装置组，则确定故障发生在紧邻当前智能测量装置组左侧的线路中。

所述步骤3中确定故障所在区域的方法的具体计算方法为:

将位于线路T接点左侧的智能测量装置(IED1)和位于线路T接点右侧的智能测量装置(IED2)称为一个智能测量装置(IED)组,当故障发生在该智能测量装置组左侧时，左侧智能测量装置(IED1)测到的故障后高频阻抗Z₁为：

Z₁＝(Z_T1+Z_Load1)//(Z_Line2+Z_T2+Z_Load2)

其中，Z_T表示变压器的等值阻抗，Z_Load表示负荷的等值阻抗，对应数字为其编号；

而右则智能测量装置(IED2)测到的故障后高频阻抗Z₂为：

Z₂＝(Z_Line2+Z_T2+Z_Load2)

即

Z₁＝(Z_T1+Z_Load1)//Z₂

根据电路理论中的并联公式知，并联后的总阻抗小于其中任何一条支路的阻抗，因此有Z₁<Z₂；

当故障发生在该智能测量装置组右侧时，左侧智能测量装置(IED1)测到的故障后高频阻抗Z₁′为：

Z₁′＝Z_Line1+Z_S

其中，Z_Line为线路等值阻抗，对应数字为线路编号；Z_S为电源侧等值阻抗；

而右侧智能测量装置(IED2)测到的故障后高频阻抗Z₂′为：

Z₂′＝(Z_T1+Z_Load1)//(Z_Line1+Z_S)

即

Z₂′＝(Z_T1+Z_Load1)//Z₁′

同理有Z₁′>Z₂′；

因此，通过分析左侧智能测量装置(IED1)测到的故障后高频阻抗与右侧智能测量装置(IED2)测到的故障后高频阻抗的大小关系能确定故障点是位于该智能测量装置组左侧还是右侧，最后对线路上的多个智能测量装置组进行综合分析就能确定故障所在区域。

所述步骤2中，高频阻抗信息的获取方式为：对故障后产生的电压电流暂态量做连续小波变换处理，选取一个频率范围[f₀,f_max]和频率间隔Δf，其中f₀为该频率范围内的最小频率，f_max为该频率范围内的最大频率，选取的频率f_n＝f₀+n·Δf，n＝0,1,2…,max，然后将每一个频率f_n下的电压值和电流值提取出来，用电压值除以电流值得到高频阻抗值Z_f。

所述步骤2中的暂态量为故障后0～10毫秒内的暂态量。

有益效果

与传统的配网故障定位方法相比，所提一种基于故障高频信息的配网故障定位方法不受系统运行方式、负荷变化等因素的影响，有效避免了信号的延迟或者通信的丢失会导致错误定位结果的出现，更加符合实际工程应用的需求。

附图说明

图1为故障后等效电路图；

图2为简单辐射状系统结构图；

图3为配网仿真系统图；

图4为F5处故障后各IED测得的高频阻抗结果图；

图5为基于故障高频信息的配网故障定位方法的流程图。

具体实例方式

下面结合附图对本发明的具体实验方式作进一步的详细说明。

图5为基于故障高频信息的配网故障定位方法的流程图。系统发生接地故障后，将故障瞬间电压阶跃式的波动看作是正常运行系统中注入一个大小与故障前瞬时电压相同、方向相反的跃变信号。该信号做拉氏变换后具有较宽的频带信息(理论上具有全频域信息)，如果分析其高频量，系统内部的基频量与低次谐波扰动均能忽略，等效电路如图1所示。

在图1中，F表示接地故障发生位置，Z_LineA为故障点左侧的线路阻抗，Z_LineB为故障点右侧的线路阻抗，Z_S为电源侧等值阻抗，对应数字为其编号；V_pre-f为故障时刻瞬时故障点的正常电压；V_{High_frequency}为故障点等效高频电压源。

对于高频等效电路，故障后的高频跃变信号产生于故障点，高频电流流向系统的左右两侧。在图1(b)中的测量点A和测量点B分别安装智能测量装置，对测到的电压电流暂态量进行连续小波变换(CWT)。

选取一个频率范围[f₀,f_max]和频率间隔Δf，其中f₀为该频率范围内的最小频率，f_max为该频率范围内的最大频率，选取的频率f_n＝f₀+n·Δf，n＝0,1,2…,max，然后将每一个频率f_n下的电压值和电流值提取出来，利用式(1)计算出对应频率的阻抗值，即得到高频阻抗Z_f的信息。

根据高频等效电路中电流的流向，得测量点A的高频阻抗Z_A、测量点B的高频阻抗Z_B分别为：

Z_A＝Z_LineA+Z_S (2)

Z_B＝Z_LineB+Z_Load (3)

以图2所示的辐射状系统为例，说明故障区段定位的基本原理。

在图2中，矩形框表示IED，框内数字为其编号，将位于线路T接点左右两侧的智能测量装置IED1和IED2称为一个IED组，如图中虚线框所示。

当故障发生在该IED组左侧(如F1处)时，IED1测到的故障后高频阻抗Z₁为：

Z₁＝(Z_T1+Z_Load1)//(Z_Line2+Z_T2+Z_Load2) (4)

其中，Z_T表示变压器的等值阻抗，Z_Load表示负荷的等值阻抗，对应数字为其编号。

而IED2测到的故障后高频阻抗Z₂为：

Z₂＝(Z_Line2+Z_T2+Z_Load2) (5)

即

Z₁＝(Z_T1+Z_Load1)//Z₂ (6)

根据电路理论中的并联公式知，并联后的总阻抗小于其中任何一条支路的阻抗，因此有Z₁<Z₂。

当故障发生在该IED组右侧(如F2处)时，IED1测到的故障后高频阻抗Z₁′为：

Z₁′＝Z_Line1+Z_S (7)

其中，Z_Line为线路等值阻抗，对应数字为线路编号；Z_S为电源侧等值阻抗。

而IED2测到的故障后高频阻抗Z₂′为：

Z₂′＝(Z_T1+Z_Load1)//(Z_Line1+Z_S) (8)

即

Z₂′＝(Z_T1+Z_Load1)//Z₁′ (9)

同理有Z₁′>Z₂′。

因此，当故障点分别位于该IED组的左侧和右侧时，组内IED1测得的阻抗与IED2测得的阻抗之间的大小关系相反。所以，通过分析IED1测到的故障后高频阻抗与IED2测到的故障后高频阻抗的大小关系能确定故障点是位于该IED组左侧还是右侧，最后对线路上的多个IED组进行综合分析就能确定故障所在区域。

本方法实验使用如图3所示的含分布式电源配网仿真模型。

在图3中，每个DG为6台1.5MW的风机并联，容量为9MW；负荷采用恒阻抗模型，参数为S_Load＝18MVA，黑色框表示各线路始端安装的断路器；数字1-10为IED测量元件的编号，一个虚线框表示一个IED组；F1-F5分别表示不同位置的线路发生单相接地故障。

以F5处发生故障为例，通过故障后的高频信息，计算出各IED的高频阻抗值结果如图4所示。

通过图4得，F5处发生故障后，有Z₂>Z₃，Z₄>Z₅，Z₆>Z₇，Z₈>Z₉(Z₂-Z₉分别表示图3中IED2-IED9测到的阻抗值)。根据之前的结论得出故障点位于IED组4的右侧，即线路5上。

为了更直观地比较不同位置发生故障时各IED组内测量装置的高频阻抗大小关系，选取3kHz对应的阻抗值为例，表1所示为不同位置故障时各IED高频阻抗结果。

表1不同位置故障时各IED高频阻抗值结果

从表1中的高频阻抗值结果得出，不同位置发生故障时，各IED组内的高频阻抗值大小关系与理论分析结果均一致。例如，当故障发生在F3处时，Z₂>Z₃，Z₄>Z₅，Z₆<Z₇，Z₈<Z₉，得出故障位于IED组2的右侧，IED组3的左侧，即确定故障点在线路3上。其余位置发生故障时，情况类似。

为了分析负荷变化对本故障定位方法的影响，将图3中的负荷1增加30％，负荷2减少30％，负荷3增加20％，绘制出3kHz下的高频阻抗结果如表2所示。

表2负荷变化后不同位置故障时各IED高频阻抗值结果

从表2得，负荷变化时，各组内不同位置故障时的大小关系没有变化，不会影响定位的结果。所以，该故障定位方案不受负荷变化的影响，同理，也不会受系统运行方式的影响，具有较强的适用性。

因此，使用本发明所提的故障定位方案能够快速精确地定位故障，与传统的配网故障定位方法相比，本发明方法不受系统运行方式、负荷变化等因素的影响，有效避免了信号的延迟或者通信的丢失会导致错误定位结果的出现，更加符合实际工程应用的需求。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于故障高频信息的配网故障定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：在每个线路T接点的左右两侧各安装一个智能测量装置，每两个智能测量装置组成一个智能测量装置组；

步骤2：系统发生接地故障后，根据各智能测量装置测到的电压电流暂态量计算出对应的高频阻抗信息；

步骤3：通过比较各智能测量装置组内的两个智能测量装置测得的高频阻抗值的大小关系，确定故障所在区域；

具体步骤为：

步骤301：比较任一线路T接点上的智能测量装置组内的左右两个智能测量装置测得的高频阻抗值的大小，若左侧智能测量装置的测得的高频阻抗值大于右侧智能测量装置测得的高频阻抗值，则判断故障发生在该智能测量装置组的右侧，进行步骤302；否则，判断故障发生在该智能测量装置组的左侧，进行步骤303；

步骤302：比较紧邻该智能测量装置组右侧的智能测量装置组内的两个智能测量装置测得的高频阻抗值的大小，按照步骤301中的判断准则，直到判断出故障发生在当前智能测量装置组的左侧，则确定故障发生在紧邻当前智能测量装置组左侧的线路中；或当前智能测量装置组为最末端的智能测量装置组，则确定故障发生在紧邻当前智能测量装置组右侧的线路中；

步骤303：比较紧邻该智能测量装置组左侧的智能测量装置组内的两个智能测量装置测得的高频阻抗值的大小，按照步骤301中的判断准则，直到判断出故障发生在当前智能测量装置组的右侧；则确定故障发生在紧邻当前智能测量装置组右侧的线路中；或当前智能测量装置组为最末端的智能测量装置组，则确定故障发生在紧邻当前智能测量装置组左侧的线路中。

2.根据权利要求1中所述的基于故障高频信息的配网故障定位方法，其特征在于，所述步骤3中确定故障所在区域的方法的具体计算方法为:

将位于线路T接点左侧的智能测量装置(IED1)和位于线路T接点右侧的智能测量装置(IED2)称为一个智能测量装置(IED)组,当故障发生在该智能测量装置组左侧时，左侧智能测量装置(IED1)测到的故障后高频阻抗Z₁为：

Z₁＝(Z_T1+Z_Load1)//(Z_Line2+Z_T2+Z_Load2)

其中，Z_T表示变压器的等值阻抗，Z_Load表示负荷的等值阻抗，对应数字为其编号；

而右则智能测量装置(IED2)测到的故障后高频阻抗Z₂为：

Z₂＝(Z_Line2+Z_T2+Z_Load2)

即

Z₁＝(Z_T1+Z_Load1)//Z₂

根据电路理论中的并联公式知，并联后的总阻抗小于其中任何一条支路的阻抗，因此有Z₁<Z₂；

当故障发生在该智能测量装置组右侧时，左侧智能测量装置(IED1)测到的故障后高频阻抗Z₁′为：

Z₁′＝Z_Line1+Z_S

其中，Z_Line为线路等值阻抗，对应数字为线路编号；Z_S为电源侧等值阻抗；

而右侧智能测量装置(IED2)测到的故障后高频阻抗Z₂′为：

Z₂′＝(Z_T1+Z_Load1)//(Z_Line1+Z_S)

即

Z₂′＝(Z_T1+Z_Load1)//Z₁′

同理有Z₁′>Z₂′；

因此，通过分析左侧智能测量装置(IED1)测到的故障后高频阻抗与右侧智能测量装置(IED2)测到的故障后高频阻抗的大小关系能确定故障点是位于该智能测量装置组左侧还是右侧，最后对线路上的多个智能测量装置组进行综合分析就能确定故障所在区域。

3.根据权利要求1中所述的基于故障高频信息的配网故障定位方法，其特征在于，所述步骤2中，高频阻抗信息的获取方式为：对故障后产生的电压电流暂态量做连续小波变换处理，选取一个频率范围[f₀,f_max]和频率间隔Δf，其中f₀为该频率范围内的最小频率，f_max为该频率范围内的最大频率，选取的频率f_n＝f₀+n·Δf，n＝0,1,2…,max，然后将每一个频率f_n下的电压值和电流值提取出来，用电压值除以电流值得到高频阻抗值Z_f。

4.根据权利要求1中所述的基于故障高频信息的配网故障定位方法，其特征在于，所述步骤2中的暂态量为故障后0～10毫秒内的暂态量。