CN106291262A - 配电网架空线单相接地故障的检测定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了配电网架空线单相接地故障的检测定位方法，包括以下步骤：步骤一、离线状态下，在配电网母线端三相同时注入相同的高压脉冲，并在配电网母线端和主干线末端检测三相电压波形；步骤二、利用凯伦鲍尔变换矩阵对步骤一中得到的各端信号进行相模变换，并对配电网母线端测得的三相电压进行模量解耦得到线模电压；步骤三、根据步骤二中得到的配电网母线端线模波形的首个非零突变点的对应时刻计算出故障距离；步骤四、根据三相波形首个非零突变点对应时刻、步骤二中得到的主干线末端线模波形的首个非零突变点对应时刻、以及步骤三中得到的故障距离定位故障区段。本发明用于配电网架空线单相接地故障检测时便于定位故障发生区段。

Description

配电网架空线单相接地故障的检测定位方法

技术领域

本发明涉及配电网故障定位技术，具体是配电网架空线单相接地故障的检测定位方法。

背景技术

随着经济的发展，电力系统规模逐渐加大，网络结构日趋复杂，用户对供电稳定的要求也越来越高。一方面，在系统正常运行过程中要防止故障的发生；另一方面，在系统发生故障后，要快速、准确地找到故障位置，迅速排除故障，确保电力系统安全运行，提高供电可靠性，将损失最小化。

单相接地故障是配电网中发生几率最高的一种故障。我国6～35kV配电网线路一般采用小电流接地方式，发生单相接地故障后可带故障继续运行一段时间，但若不快速准确地排除故障点，线路绝缘系统极易受到损伤，导致事故扩大，影响系统的安全可靠运行。

配电网网络结构多为树枝状辐射型，分支多，线路长度相对较短，故障的检测定位十分困难。传统的故障定位方式都是先实施逐线拉路的模式来筛选对应的线路，之后再通过人工巡线来进行故障点的判断，这需要依靠巨大的物力、时间以及人力。现阶段国内外配电网全架空线故障测距的方法有阻抗法、行波法、对称分量法等，这些方法应用时只局限于故障测距，不能选出故障发生区段。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种配电网架空线单相接地故障的检测定位方法，其用于配电网架空线单相接地故障检测时便于定位故障发生区段。

本发明解决上述问题主要通过以下技术方案实现：配电网架空线单相接地故障的检测定位方法，包括以下步骤：

步骤一、离线状态下，在配电网母线端三相同时注入相同的高压脉冲，并在配电网母线端和主干线末端检测三相电压波形；

步骤二、利用凯伦鲍尔变换矩阵对步骤一中得到的各端信号进行相模变换，并对配电网母线端测得的三相电压进行模量解耦得到线模电压；

步骤三、根据步骤二中得到的配电网母线端线模波形的首个非零突变点的对应时刻计算出故障距离；

步骤四、根据三相波形首个非零突变点对应时刻、步骤二中得到的主干线末端线模波形的首个非零突变点对应时刻、以及步骤三中得到的故障距离定位故障区段。

进一步的，所述步骤二中对母线端测得的三相电压进行相模变换的公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ x_1\\ x_2\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -1& 0\\ 1& 0& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_a\\ x_b\\ x_c\end{array}\right]$

其中，x_a、x_b及x_c为相量，x₀为零模分量，x₁和x₂为线模分量；

将三相电压代入上式，得到线模电压的计算公式如下：

$u_1=\frac{1}{3}(U_a-U_b)$

其中，u₁为线模电压，U_a和U_b分别为母线端采集到的a、b相线上的电压。当线路没有故障时，由于三相注入电压相等，所以在母线端采集到的线模电压幅值为0，而当线路发生单相接地故障时，在故障点处三相电压幅值不再相等，线模电压非零，也就是说，在母线端测量到的线模信号一定来自故障点，因此可以根据母线端采集到的线模分量的第一个非零突变点对应时刻进行测距。

进一步的，所述步骤三中计算出故障距离采用的公式如下：

$l=\frac{1}{2}{\mathrm{vt}}_0$

其中，l为故障距离，t₀为母线端线模电压的首个非零突变时刻，v为线模波速度。

进一步的，所述步骤四中定位故障区段的方法如下：

若主干线末端线模电压的首个非零突变点对应的时刻等于三相电压波形的首个非零突变点对应的时刻，则故障位于主干线上，且故障距离母线端的距离为l；

若主干线末端线模电压的首个非零突变点对应的时刻不等于三相电压波形的首个非零突变点对应的时刻，则故障位于分支线上，故障所在分支点与母线端的距离l'满足以下公式：

$l^{\′}=l-\frac{1}{2}v(t_1-t_2)$

其中，t₁为末端线模电压的首个非零突变点时刻，t₂为三相电压波形的首个非零突变点时刻。

进一步的，所述步骤四还包括以下步骤：

步骤4.1、根据故障距离和已确定的主干线分支点找出所有可能的故障点，并判断查找到的可能的故障点是否只有唯一1个，若是，则定位完成，否则进入下一步骤；

步骤4.2、检测某一可能存在故障点的二级分支末端的电压行波波形，并记录其第一个非零突变点时刻T1和三相电压波形到达时刻T2；

步骤4.3、判断T1是否等于T2，若是，则此二级分支上的故障点为真实故障点，定位完成，若否则进入下一步骤；

步骤4.4、重复步骤4.2～步骤4.3，逐一检测可能存在故障点的二级分支，直至查找出真实故障点。

本发明应用时依据电压行波在配电变压器的传变特性和单相接地故障点处的传播特点，通过在线路首端向三相同时注入相同的高压脉冲，在首端、主干线末端和必要的二级分支末端采集线模电压测得各相返回的行波数据，用各端线模分量和三相波形的首次出现的时间构造判据对配电网单相接地故障进行定位。

综上所述，本发明具有以下有益效果：(1)本发明为基于三相波形和线模行波到达时刻的配电网架空线单相接地多端检测定位新方法，利用离线注入高频脉冲，消除配网不平衡负载对测距的影响，并保留了注入行波法的优点，即可以多次注入高强度信号，反复测距，便于定位故障发生区段。

(2)本发明使用凯伦鲍尔变换矩阵(karrenbauer相模变换矩阵)的数据处理方法，利用故障点处产生的线模电压的首个非零突变点寻找故障信息，在分支判断上，可以较为准确的找到故障分支。

(3)本发明应用时利用了末端三相波形与线模波形的首个非零突变点对应时刻差构造故障区段的判据，不需要装设时钟同步装置，节约成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一个具体实施例的流程图；

图2为本发明一个具体实施例的配网仿真线路图；

图3为测试图2所示配网母线端的模电压图；

图4为测试图2所示配网主干线末端的线模电压和三相电压图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，配电网架空线单相接地故障的检测定位方法，包括以下步骤：步骤1、离线状态下，在配电网母线端三相同时注入相同的高压脉冲，并在配电网母线端和主干线末端检测三相电压波形；步骤2、对配电网母线端测得的三相电压进行模量解耦得到线模电压，并根据配电网母线端线模波形的首个非零突变点的对应时刻计算出故障距离；步骤3、记录主干线末端检测到的电压行波波形第一个非零突变点时刻t1和三相电压波形到达时刻t2；步骤4、判断t1是否等于t2，若是则故障在主干线上，根据故障距离确定唯一故障点，定位完成，否则求得配电网母线端到主干线上与故障点相对应的分支点的距离，进而找到此分支点，并进入下一步骤；步骤5、根据故障距离和已经确定的主干线分支点找到可能的故障点，并判断查找到的可能的故障点是否只有唯一1个，若是，则定位完成，否则进入下一步骤；步骤6、检测某一可能存在故障点的二级分支末端的电压行波波形，并记录其第一个非零突变点时刻T1和三相电压波形到达时刻T2；步骤7、判断T1是否等于T2，若是，则此二级分支上的故障点为真实故障点，定位完成，若否则进入下一步骤；步骤8、重复步骤6～步骤7，逐一检测可能存在故障点的二级分支，直至查找出真实故障点。

本实施例采用配网母线端作为信号注入端兼检测端，在具体实施前还在主干线末端和必要的二级分支末端装设行波检测装置。本实施例的步骤2在具体实施时，先利用凯伦鲍尔变换矩阵对步骤1中得到的各端信号进行相模变换，再对配电网母线端测得的三相电压进行模量解耦得到线模电压。对母线端测得的三相电压进行相模变换的公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ x_1\\ x_2\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -1& 0\\ 1& 0& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_a\\ x_b\\ x_c\end{array}\right]$

其中，x_a、x_b及x_c为相量，x₀为零模分量，x₁和x₂为线模分量；

将三相电压代入上式，得到线模电压的计算公式如下：

$u_1=\frac{1}{3}(U_a-U_b)$

其中，u₁为线模电压，U_a和U_b分别为母线端采集到的a、b相线上的电压。

本实施例步骤2中计算出故障距离采用的公式如下：

$l=\frac{1}{2}{\mathrm{vt}}_0$

其中，l为故障距离，t₀为母线端线模电压的首个非零突变时刻，v为线模波速度。

本实施例根据三相波形首个非零突变点对应时刻、主干线末端线模波形的首个非零突变点对应时刻、以及故障距离定位故障区段。当主干线末端线模电压的首个非零突变点对应的时刻等于三相电压波形的首个非零突变点对应的时刻，故障位于主干线上，且故障距离母线端的距离为l；当主干线末端线模电压的首个非零突变点对应的时刻不等于三相电压波形的首个非零突变点对应的时刻，故障位于分支线上，故障所在分支点与母线端的距离l'满足以下公式：

$l^{\′}=l-\frac{1}{2}v(t_1-t_2)$

其中，t₁为末端线模电压的首个非零突变点时刻，t₂为三相电压波形的首个非零突变点时刻。

图2所示为实现配电网单相接地故障定位实验的配网仿真线路图，其采用PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)搭建而成，各分支长度具体如图2所示。在首端a注入10kV，持续时间为4μs的电压脉冲，先在a点和y点设置行波采集装置，同时在波形采集端分别加一滤除杂波装置，采样频率为10MHz。在距离h点为0.2km(据a端2.2km)处设置接地电阻为500欧的A相接地故障，在a端和y端采集到的线模电压波形如图3所示。由图3可知，在a端测得的线模电压首个非零突变时刻为14.5μs，线模行波的波速度取为光在真空中的传播速度，即3×10⁸m/s，则故障点距离a端为与实际距离2.2km基本符合，具有较高的测距精度。如图4所示，在y端测得的线模电压首个非零突变时刻为24.5μs，三相电压首个非零突变点为24.56us，这两者近似相等，因此可以确定故障位于a端到y端的最短距离上。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.配电网架空线单相接地故障的检测定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、离线状态下，在配电网母线端三相同时注入相同的高压脉冲，并在配电网母线端和主干线末端检测三相电压波形；

步骤二、利用凯伦鲍尔变换矩阵对步骤一中得到的各端信号进行相模变换，并对配电网母线端测得的三相电压进行模量解耦得到线模电压；

步骤三、根据步骤二中得到的配电网母线端线模波形的首个非零突变点的对应时刻计算出故障距离；

步骤四、根据三相波形首个非零突变点对应时刻、步骤二中得到的主干线末端线模波形的首个非零突变点对应时刻、以及步骤三中得到的故障距离定位故障区段。

2.根据权利要求1所述的配电网架空线单相接地故障的检测定位方法，其特征在于，所述步骤二中对母线端测得的三相电压进行相模变换的公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ x_1\\ x_2\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -1& 0\\ 1& 0& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_a\\ x_b\\ x_c\end{array}\right]$

其中，x_a、x_b及x_c为相量，x₀为零模分量，x₁和x₂为线模分量；

将三相电压代入上式，得到线模电压的计算公式如下：

$u_1=\frac{1}{3}(U_a-U_b)$

其中，u₁为线模电压，U_a和U_b分别为母线端采集到的a、b相线上的电压。

3.根据权利要求1或2所述的配电网架空线单相接地故障的检测定位方法，其特征在于，所述步骤三中计算出故障距离采用的公式如下：

$l=\frac{1}{2}{\mathrm{vt}}_0$

其中，l为故障距离，t₀为母线端线模电压的首个非零突变时刻，v为线模波速度。

4.根据权利要求3所述的配电网架空线单相接地故障的检测定位方法，其特征在于，所述步骤四中定位故障区段的方法如下：

若主干线末端线模电压的首个非零突变点对应的时刻等于三相电压波形的首个非零突变点对应的时刻，则故障位于主干线上，且故障距离母线端的距离为l；

若主干线末端线模电压的首个非零突变点对应的时刻不等于三相电压波形的首个非零突变点对应的时刻，则故障位于分支线上，故障所在分支点与母线端的距离l'满足以下公式：

$l^{\′}=l-\frac{1}{2}v(t_1-t_2)$

其中，t₁为末端线模电压的首个非零突变点时刻，t₂为三相电压波形的首个非零突变点时刻。

5.根据权利要求4所述的配电网架空线单相接地故障的检测定位方法，其特征在于，所述步骤四还包括以下步骤：

步骤4.1、根据故障距离和已确定的主干线分支点找出所有可能的故障点，并判断查找到的可能的故障点是否只有唯一1个，若是，则定位完成，否则进入下一步骤；

步骤4.2、检测某一可能存在故障点的二级分支末端的电压行波波形，并记录其第一个非零突变点时刻T1和三相电压波形到达时刻T2；

步骤4.3、判断T1是否等于T2，若是，则此二级分支上的故障点为真实故障点，定位完成，若否则进入下一步骤；

步骤4.4、重复步骤4.2～步骤4.3，逐一检测可能存在故障点的二级分支，直至查找出真实故障点。