CN106291258A - 一种微电网中线路故障的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微电网中线路故障的定位方法，其包括：对微电网系统中每一条线路的电压、电流、电压与电流之间的相位以及功率至少进行两组采样，每组采样中至少进行三次测量；对于微电网系统中某条线路，根据采样得到的该线路的两组数据，计算得到该线路中两个左侧断路器以左线路的正序等效阻抗和该线路中两个右侧断路器以右线路的正序等效阻抗；对线路中两个左侧断路器以左线路的正序等效阻抗，以及线路中两个右侧断路器以右线路的正序等效阻抗分别进行比较，如果都相等，则判定该线路为故障线路；计算故障线路的故障点两侧的线路正序阻抗；根据故障线路的故障点两侧的线路正序阻抗和故障线路的阻抗，计算得到故障线路中故障点的所在位置。

Description

一种微电网中线路故障的定位方法

技术领域

本发明属于电力系统中微电网技术领域，具体涉及一种微电网中线路故障的定位方法。

背景技术

微电网是一个由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统。它是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与大电网并网运行，也可以独立运行。通常一个小型的微电网系统包括多个分布式电源、储能装置以及大量的负荷，这种多设备的连接方式使得微电网系统的接线十分复杂。具有良好的控制方案以及完善的保护措施是保证微电网系统安全、可靠运行不可或缺的条件。由于多个分布式电源的同时存在，使得微电网中潮流流动不再是单一形式，而且并网运行模式下的故障电流与独立运行模式下的故障电流差别较大，这使得原有的电力系统保护措施不再完全适用。

针对上述需求，有的技术中根据节点电压与故障点间的电气距离之间的关系，提出一种基于边电压的微电网保护方案。有的技术中利用数字继电器以及先进的通信技术，提出了一种自适应的保护策略，但是这种保护措施需要不断更新保护的设置值来与微电网的运行模式相适应。有的技术中提出了一种基于逆变器的微电网保护措施，该微电网保护措施虽然能够实现对孤岛以及并网两种运行模式下的微电网进行保护，但是当微电网中存在发电机、电动机等旋转性设备时保护措施起不到应有保护能力。

为克服故障时分布式电源对故障电流限制从而导致故障电流难以检测的缺陷，有的技术中提出了一种基于母线上导纳量的变化为判据的微电网保护方案。该方案可以有效地区分微电网的区内外故障,实现故障的检测与定位。但是该方法虽然能够对微电网内部和外部的故障进行准确判断，但是对于微电网内部的故障判断并不能准确到具体的线路上。有的技术中提出了一种基于节点电压假设的故障辨识方法来实现故障支路的准确判断、故障位置的精确定位，并最终将复杂的故障定位算法转化为一元二次方程的求解。但是该求解方法遇到电流变化量矩阵中的零元素较多时，需要进行多次计算和判断。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种简便的微电网中线路故障的定位方法，该方法能够对微电网中的任一线路故障实现准确的定位。

为实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：一种微电网中线路故障的定位方法，其包括以下步骤：

对微电网系统中每一条线路的电压、电流、电压与电流之间的相位以及功率至少进行两组采样，每组采样中对电压、电流、电压与电流之间的相位分别进行至少三次测量；

对于微电网系统中某条线路，根据采样得到的该线路的一组数据，计算得到该线路中左侧断路器以左线路的正序等效阻抗Z₁和该线路中右侧断路器以右线路的正序等效阻抗Z₂；根据采样得到的的该线路的另一组数据，计算得到该线路中左侧断路器以左线路的正序等效阻抗Z₁'和该线路中右侧断路器以右线路的正序等效阻抗Z₂'；其中，Z₁、Z₁'、Z₂、Z₂'的计算方法均相同；

对线路中左侧断路器以左线路的正序等效阻抗Z₁和Z₁'，以及线路中右侧断路器以右线路的正序等效阻抗Z₂和Z₂'分别进行比较，如果Z₁＝Z₁'且Z₂＝Z₂'，则判定该线路为故障线路；

设定故障线路中一故障点，根据采样得到的该线路的电压和电流以及该线路的阻抗，计算得到该故障线路的故障点两侧的线路正序阻抗Z_L1和Z_L2；

根据故障线路的故障点两侧的线路正序阻抗Z_L1和Z_L2，以及故障线路的阻抗Z_L，计算得到故障线路中故障点的所在位置。

进一步地，所述微电网的某条线路中左侧断路器以左线路的正序等效阻抗Z₁的计算方法为：

E_t11 ²＝V₁₁ ²+I₁₁ ²·Z₁ ²+2P₁₁·R₁-2Q₁₁·X₁ (3)

E_t12 ²＝V₁₂ ²+I₁₂ ²·Z₁ ²+2P₁₂·R₁-2Q₁₂·X₁ (4)

E_t13 ²＝V₁₃ ²+I₁₃ ²·Z₁ ²+2P₁₃·R₁-2Q₁₃·X₁ (6)

式(3)、式(4)和式(6)中，E_t11、E_t12、E_t13表示微电网的所述线路发生短路故障时对应的等效电路中左侧的外部等效电源，V₁₁、V₁₂、V₁₃分别表示一组采样数据中所述线路三次测量的电压，I₁₁、I₁₂、I₁₃分别表示一组采样数据中所述线路三次测量的电流，P₁₁、P₁₂、P₁₃分别表示一组采样数据中所述线路三次测量的有功功率，Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃分别表示一组采样数据中所述线路三次测量的无功功率，R₁表示所述线路左侧线路的电阻，X₁表示所述线路左侧的电抗；

所述微电网的所述线路中右侧断路器以左线路的正序等效阻抗Z₂的计算方法为：

E_t21 ²＝V₂₁ ²+I₂₁ ²·Z₂ ²+2P₂₁·R₂-2Q₂₁·X₂ (7)

E_t22 ²＝V₂₂ ²+I₂₂ ²·Z₂ ²+2P₂₂·R₂-2Q₂₂·X₂ (8)

E_t23 ²＝V₂₃ ²+I₂₃ ²·Z₂ ²+2P₂₃·R₂-2Q₂₃·X₂ (9)

式(7)～式(9)中，E_t21、E_t22、E_t23表示微电网的所述线路发生短路故障时对应的等效电路中右侧的外部等效电源，V₂₁、V₂₂、V₂₃分别表示一组采样数据中所述线路三次测量的电压，I₂₁、I₂₂、I₂₃分别表示一组采样数据中所述线路三次测量的电流，P₂₁、P₂₂、P₂₃分别表示一组采样数据中所述线路三次测量的有功功率，Q₂₁、Q₂₂、Q₂₃分别表示一组采样数据中所述线路三次测量的无功功率，R₂表示所述线路右侧线路的电阻，X₂表示所述线路右侧的电抗。

进一步地，所述故障线路的故障点两侧的线路正序阻抗Z_L1和Z_L2的计算方法为：

根据测量电压V₁、测量电流I₁，计算得到故障线路的故障点的电压为：

U_A＝V₁-I₁·Z_L1 (10)

同样，根据测量V₂、测量电流I₂计算得到故障线路的故障点的电压为：

U_A＝V₂-I₂·Z_L2 (11)

由式(10)和式(11)进一步得到

V₁-I₁·Z_L1＝V₂-I₂·Z_L2 (12)

由于线路在短路前，每条线路上的阻抗是已知的，因此有：

Z_L1+Z_L2＝Z_L (13)

根据式(12)和式(13)计算得到故障线路的故障点两侧的线路正序阻抗Z_L1和Z_L2。

由于采用以上技术方案，本发明的有益效果为：本发明在相位测量的基础上，通过对故障线路以外的正序阻抗的判断来达到对故障线路的准确定位。本发明对微电网中的任一线路故障实现准确定位，一方面能大大缩短寻找故障点的时间,节省大量的人力和物力资源；另一方面采用本发明能够及时发现线路的故障点,进行故障排除，确保快速恢复电力供应。

附图说明

图1是现有技术中典型的微电网结构示意图；

图2是本发明微电网中线路故障的定位方法的流程图；

图3是图1中线路L2的双电源等效电路图；

图4是图1中线路L2发生短路故障时对应的等效电路图；

图5是实施例中用于测试的微电网配置结构图；

图6为图5中线路L5在不同位置设置的短路故障的测量计算值与实际值之间的对比关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

按照分布式电源以及负载构成方式，微电网可以形成径向结构和环形结构。本发明提出的一种微电网中线路故障的定位方法能够适用于各种线路的连接方式。

图1示出了一个典型的微电网结构图，该图中提供了风力发电机、光伏电池板和柴油发电机三种电源提供方式。在配电网侧设置了一组滤波电感，所述滤波电感用来减少微电网注入到配电网中的谐波电流，从而减少微电网对配电网的干扰与污染。微电网与配电网之间设置了一套孤岛探测设备，所述孤岛探测设备用来探测微电网的运行模式。在每一条微电网线路的两端设置了两套相位检测设备PMU，所述相位检测设备PMU来检测所在线路两端电压、电流的相位值。如何快速、准确地对微电网中线路故障进行定位并进行切除，保证微电网中其它部分安全可靠运行，这是本发明要解决的关键问题。

如图2所示，本发明微电网中线路故障的定位方法包括以下步骤：

S1、对微电网系统中每一条线路的电压、电流、电压与电流之间的相位以及功率至少进行两组采样。其中，每组采样中对电压、电流、电压与电流之间的相位分别进行至少三次测量。

S2、对于微电网系统中某条线路，根据采样得到的该线路的一组数据，计算得到该线路中左侧断路器以左线路的正序等效阻抗Z₁和该线路中右侧断路器以右线路的正序等效阻抗Z₂；根据采样得到的的该线路的另一组数据，计算得到该线路中左侧断路器以左线路的正序等效阻抗Z₁'和该线路中右侧断路器以右线路的正序等效阻抗Z₂'。其中，Z₁、Z₁'、Z₂、Z₂'的计算方式均相同。

对于图1所示的微电网中的任一条线路，均可以通过一条双电源等效电路来代替。图3示出了线路L2的双电源等效电路，其中，E₁和E₂均表示外部等效电源。

图4示出了线路L2发生短路故障时对应的等效电路。从图4中可以得到：

${\stackrel{\·}{E}}_{t11}={\stackrel{\·}{V}}_{11}+{\stackrel{\·}{I}}_{11}\·{\stackrel{\·}{Z}}_1---\left(1\right)$

设定电压与电流之间的相位角为θ，等效阻抗的阻抗角为φ，则第一次测量结束后，式(1)可以进一步得到：

E_t11 ²＝V₁₁ ²+I₁₁ ²·Z₁ ²+V₁₁·I₁₁·Z₁cos(θ+φ) (2)

将式(2)展开后可以进一步得到：

E_t11 ²＝V₁₁ ²+I₁₁ ²·Z₁ ²+2P₁₁·R₁-2Q₁₁·X₁ (3)

式(3)中，P₁₁表示有功功率，Q₁₁表示无功功率，X₁表示电抗。

同样，进行第二次测量后可以得到类似的结果：

E_t12 ²＝V₁₂ ²+I₁₂ ²·Z₁ ²+2P₁₂·R₁-2Q₁₂·X₁ (4)

由于测量的时间较短，可以近似认为E_t12＝E_t11，这样由式(3)和式(4)可以进一步得到：

${(R_1+\frac{P_{11}-P_{12}}{{I_{11}}^2-{I_{12}}^2})}^2+{(X_1-\frac{Q_{11}-Q_{12}}{{I_{11}}^2-{I_{12}}^2})}^2=\frac{{V_{11}}^2-{V_{12}}^2}{{I_{11}}^2-{I_{12}}^2}+{\left(\frac{P_{11}-P_{12}}{{I_{11}}^2-{I_{12}}^2}\right)}^2+{\left(\frac{Q_{11}-Q_{12}}{{I_{11}}^2-{I_{12}}^2}\right)}^2---\left(5\right)$

由式(5)可见，正序等效阻抗的轨迹可以看作一个圆。由于两个圆的交点有两个，并不是唯一的。因此，两次测量的结果仍然不能够求出相应的等效阻抗，需要进行第三次测量，找出三个圆的公共点，公共点对应的值就是所需要的正序等效阻抗。

同样，由于测量的时间较短，可以近似认为E_t13＝E_t12，进行第三次测量后可以得到类似的结果：

E_t13 ²＝V₁₃ ²+I₁₃ ²·Z₁ ²+2P₁₃·R₁-2Q₁₃·X₁ (6)

由式(3)、式(4)和式(6)计算得到线路L2中左侧断路器CB4以左线路的正序等效阻抗Z₁。

采用与上述计算正序等效阻抗Z₁相同的方法，得到

E_t21 ²＝V₂₁ ²+I₂₁ ²·Z₂ ²+2P₂₁·R₂-2Q₂₁·X₂ (7)

E_t22 ²＝V₂₂ ²+I₂₂ ²·Z₂ ²+2P₂₂·R₂-2Q₂₂·X₂ (8)

E_t23 ²＝V₂₃ ²+I₂₃ ²·Z₂ ²+2P₂₃·R₁-2Q₂₃·X₂ (9)

由式(7)～式(9)计算得到线路L2中右侧断路器CB3以右线路的正序等效阻抗Z₂。

采用另一组采样数据，计算得到线路L2中左侧断路器CB4以左线路的正序等效阻抗Z₁'和该线路L2中右侧断路器CB3以右线路的正序等效阻抗Z₂'。

S3、对线路中左侧断路器以左线路的正序等效阻抗Z₁和Z₁'，以及线路中右侧断路器以右线路的正序等效阻抗Z₂和Z₂'分别进行比较，如果Z₁＝Z₁'且Z₂＝Z₂'，则判定该线路为故障线路。

S4、设定故障线路中的某故障点为A，如图3所示，根据采样得到的该线路的电压和电流以及该线路的阻抗，计算得到该故障线路的故障点A两侧的线路正序阻抗Z_L1和Z_L2。

根据测量电压V₁、测量电流I₁，计算得到图3中的A点电压为：

U_A＝V₁-I₁·Z_L1 (10)

同样，根据测量V₂、测量电流I₂计算得到图3中的A点电压为：

U_A＝V₂-I₂·Z_L2 (11)

由式(10)和式(11)可以进一步得到

V₁-I₁·Z_L1＝V₂-I₂·Z_L2 (12)

由于线路在短路前，每条线路上的阻抗是已知的，因此有：

Z_L1+Z_L2＝Z_L (13)

根据式(12)和式(13)计算得到故障线路的故障点A两侧的线路正序阻抗Z_L1和Z_L2。

S5、根据故障线路的故障点两侧的线路正序阻抗Z_L1和Z_L2，以及故障线路的阻抗Z_L，计算得到故障线路中故障点的所在位置。

上述步骤S2中，从式(5)可以看出，计算阻抗的方法较为复杂。同时对于任何一组采样数据需要测量三次，才能计算得到正序等效阻抗。对于配电网线路，一般其线路中的电阻值远远大于线路中的电抗值。在不影响判断结果的情况下，为简化计算过程，式(5)中可以忽略电抗的影响。因此，式(5)可以进一步简化为：

$R_1+\frac{P_{11}-P_{12}}{{I_{11}}^2-{I_{12}}^2}=\sqrt{\frac{{V_{11}}^2-{V_{12}}^2}{{I_{11}}^2-{I_{12}}^2}+{\left(\frac{P_{11}-P_{12}}{{I_{11}}^2-{I_{12}}^2}\right)}^2}---\left(14\right)$

从式(14)可以看出，在不考虑电抗的前提下，正序等效电阻的轨迹是一条直线。只需要测量两次，利用式(14)求出两条直线的交点，就可以求出正序等效电阻R_L1的数值。

采用同样的方法可以得到

$R_2+\frac{P_{21}-P_{22}}{{I_{21}}^2-{I_{22}}^2}=\sqrt{\frac{{V_{21}}^2-{V_{22}}^2}{{I_{21}}^2-{I_{22}}^2}+{\left(\frac{P_{21}-P_{22}}{{I_{21}}^2-{I_{22}}^2}\right)}^2}---\left(15\right)$

综上所述，只要对两次采样数据计算得到的正序等效电阻R_L1和R_L1'以及R_L2和R_L2'分别进行比较，就同样可以判断出哪条线路出故障以及故障线路中故障点的具体位置。这样仅通过正序电阻判断故障线路可以简化整个计算过程，为保护决策以及断路器的动作赢得时间。

上述实施中，当微电网外部出现故障时，微电网将会切断与配电网的连接，处于孤岛运行模式。在孤岛运行模式下，微电网同样会出现故障。微电网孤岛运行模式下的线路故障定位方法与微电网并网模式下的线路故障定位的方法完全一致。不同之处在于，微电网孤岛运行模式时的等效阻抗要远远大于微电网并网运行时的等效阻抗。因此，在线路故障定位之前，需要判定孤岛判定装置处于哪种工作状态。

实施例：为了验证本发明微电网中线路故障的定位方法的有效性，利用Matlab/Simulink仿真软件进行测试。用于测试的微电网配置结构如图5所示。

在该验证方案里，去掉了柴油机作为支撑的备用电源。微电网系统采用由两套光伏发电系统、一套风力发电系统以及一套储能装置构成的放射式结构。该微电网系统中共设置六套大小不等的负载连接在微电网中不同的地理位置处。仿真系统设置八条长短不等的输电线路。短路故障设置在输电线路L5上。

表1为不同的分布式电源、备用电源以及负载大小值，负载设置成三相对称形式。负载Load1、Load4以及Load6的有功、无功功率的比例按4:1进行配置。配电网侧电压为0.4kV，各个分布式电源与备用电源通过各自的变压器实现电能10kV网络上输送。每条线路上均带有相应的断路器、电压与电流测试装置以及相位测量单元。

表2为微电网系统中各条线路在短路发生前后得到的各个线路两端的电压、电流以及功率参数。

表3为线路L5发生短路后，各条线路电气参数测得的结果。

利用表2和表3中的参数，可以进一步计算出线路故障前后的正序等效阻抗。

表4为各条线路在故障前后计算得到的正序等效阻抗。

表1分布式电源、备用电源以及负载

表2故障前线路的测量参数

表3故障后线路的测量参数

表4故障前后的等效阻抗

从表4中的对比中可以看出，只有线路L5两端的等效正序阻抗的大小几乎保持不变，即线路L5中Z₁与Z₁'近似相等，Z₂与Z₂'近似相等。而微电网中其它输电线路，有的线路一端的等效正序阻抗发生变化，有的线路两端的等效正序阻抗同时发生改变。因此，根据本发明所提出的微电网中线路故障的定位方法，可以判断线路L5为故障线路。

表3中的测量数据，仅仅代表一个短路点的测量值。当短路点不同时，表3中的测量结果均会发生改变。为验证线路故障点测试结果的准确性，在上述实验结果中设置距离线路L5左端距离不等的短路点。

图6为线路L5在不同位置设置的短路故障的测量计算值与实际值之间的对比关系。从对比结果中可以看出，计算所得到的阻抗数值曲线与实际阻抗曲线几乎完全一致，仅有个别计算阻抗与实际阻抗存在较小的偏差，但是这种误差是完全能够满足需求的。可见本发明所提出的微电网中线路故障的定位方法是完全可行的。

本发明不局限于上述最佳实施方式，本领域技术人员在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种微电网中线路故障的定位方法，其包括以下步骤：

对微电网系统中每一条线路的电压、电流、电压与电流之间的相位以及功率至少进行两组采样，每组采样中对电压、电流、电压与电流之间的相位分别进行至少三次测量；

对于微电网系统中某条线路，根据采样得到的该线路的一组数据，计算得到该线路中左侧断路器以左线路的正序等效阻抗Z₁和该线路中右侧断路器以右线路的正序等效阻抗Z₂；根据采样得到的的该线路的另一组数据，计算得到该线路中左侧断路器以左线路的正序等效阻抗Z₁'和该线路中右侧断路器以右线路的正序等效阻抗Z₂'；其中，Z₁、Z₁'、Z₂、Z₂'的计算方法均相同；

对线路中左侧断路器以左线路的正序等效阻抗Z₁和Z₁'，以及线路中右侧断路器以右线路的正序等效阻抗Z₂和Z₂'分别进行比较，如果Z₁＝Z₁'且Z₂＝Z₂'，则判定该线路为故障线路；

设定故障线路中一故障点，根据采样得到的该线路的电压和电流以及该线路的阻抗，计算得到该故障线路的故障点两侧的线路正序阻抗Z_L1和Z_L2；

根据故障线路的故障点两侧的线路正序阻抗Z_L1和Z_L2，以及故障线路的阻抗Z_L，计算得到故障线路中故障点的所在位置。

2.如权利要求1所述的一种微电网中线路故障的定位方法，其特征在于：所述微电网的某条线路中左侧断路器以左线路的正序等效阻抗Z₁的计算方法为：

E_t11 ²＝V₁₁ ²+I₁₁ ²·Z₁ ²+2P₁₁·R₁-2Q₁₁·X₁ (3)

E_t12 ²＝V₁₂ ²+I₁₂ ²·Z₁ ²+2P₁₂·R₁-2Q₁₂·X₁ (4)

E_t13 ²＝V₁₃ ²+I₁₃ ²·Z₁ ²+2P₁₃·R₁-2Q₁₃·X₁ (6)

式(3)、式(4)和式(6)中，E_t11、E_t12、E_t13表示微电网的所述线路发生短路故障时对应的等效电路中左侧的外部等效电源，V₁₁、V₁₂、V₁₃分别表示一组采样数据中所述线路三次测量的电压，I₁₁、I₁₂、I₁₃分别表示一组采样数据中所述线路三次测量的电流，P₁₁、P₁₂、P₁₃分别表示一组采样数据中所述线路三次测量的有功功率，Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃分别表示一组采样数据中所述线路三次测量的无功功率，R₁表示所述线路左侧线路的电阻，X₁表示所述线路左侧的电抗；

所述微电网的所述线路中右侧断路器以左线路的正序等效阻抗Z₂的计算方法为：

E_t21 ²＝V₂₁ ²+I₂₁ ²·Z₂ ²+2P₂₁·R₂-2Q₂₁·X₂ (7)

E_t22 ²＝V₂₂ ²+I₂₂ ²·Z₂ ²+2P₂₂·R₂-2Q₂₂·X₂ (8)

E_t23 ²＝V₂₃ ²+I₂₃ ²·Z₂ ²+2P₂₃·R₂-2Q₂₃·X₂ (9)

式(7)～式(9)中，E_t21、E_t22、E_t23表示微电网的所述线路发生短路故障时对应的等效电路中右侧的外部等效电源，V₂₁、V₂₂、V₂₃分别表示一组采样数据中所述线路三次测量的电压，I₂₁、I₂₂、I₂₃分别表示一组采样数据中所述线路三次测量的电流，P₂₁、P₂₂、P₂₃分别表示一组采样数据中所述线路三次测量的有功功率，Q₂₁、Q₂₂、Q₂₃分别表示一组采样数据中所述线路三次测量的无功功率，R₂表示所述线路右侧线路的电阻，X₂表示所述线路右侧的电抗。

3.如权利要求1所述的一种微电网中线路故障的定位方法，其特征在于：所述故障线路的故障点两侧的线路正序阻抗Z_L1和Z_L2的计算方法为：

根据测量电压V₁、测量电流I₁，计算得到故障线路的故障点的电压为：

U_A＝V₁-I₁·Z_L1 (10)

同样，根据测量V₂、测量电流I₂计算得到故障线路的故障点的电压为：

U_A＝V₂-I₂·Z_L2 (11)

由式(10)和式(11)进一步得到

V₁-I₁·Z_L1＝V₂-I₂·Z_L2 (12)

由于线路在短路前，每条线路上的阻抗是已知的，因此有：

Z_L1+Z_L2＝Z_L (13)

根据式(12)和式(13)计算得到故障线路的故障点两侧的线路正序阻抗Z_L1和Z_L2。