CN107179476B - 一种配网故障测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配网故障测距方法，包括：在故障发生后，对线路始端断路器执行重合闸操作，并测量永久性故障状态后预定高频下的电压值和电流值；根据所述电压值和电流值计算出所述高频下对应的故障点到测量点之间线路的高频阻抗值；根据所述故障点到测量点之间线路的高频阻抗值，以及所述高频下对应的线路单位长度的高频阻抗值计算确定故障距离。本发明实施例可以在保证定位故障位置精度的同时，缩减故障定位时间，具有很高的效率和实用性，并且不需要引入额外的设备和信号通道。

Description

一种配网故障测距方法

技术领域

本发明涉及电力系统保护与控制技术领域，尤其涉及一种配网故障测距方法。

背景技术

在电力系统中，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，快速准确的故障定位能够减小故障对整个电力系统的影响范围，从而提高电力系统的稳定性。

目前，电力系统中故障定位方法主要包括阻抗法、行波法和广域法。其中：

阻抗法是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，该方法易受电源参数、负荷参数等变化的影响，当配网分支较多且结构复杂时，可能会出现伪故障点的情况，导致无法正确定位。

行波法是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。由于配网结构复杂，行波的波形变得更加复杂，识别故障点反射波的难度更高，很难实现多端行波信号的精确同步获取。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。

广域法大都需要广域同步测量信息。所以，其不足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。

因此，目前亟需一种可以在电力系统中实现准确故障定位的技术手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种配网故障测距方法，从而可以准确地定位电力系统中出现故障的位置，克服现有技术中各故障定位方法存在的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种配网故障测距方法，包括：

在故障发生后，对线路始端断路器执行重合闸操作，并测量永久性故障状态后预定高频下的电压值和电流值；

根据所述电压值和电流值计算出所述高频下对应的故障点到测量点之间线路的高频阻抗值；

根据所述故障点到测量点之间线路的高频阻抗值，以及所述高频下对应的线路单位长度的高频阻抗值计算确定故障距离。

所述测量永久性故障状态后预定高频下的电压值和电流值的步骤包括：

测量永久性故障状态下的电压电流暂态量，并对测量到的所述电压电流暂态量进行连续小波变换CWT，提取出预定高频下的电压值和电流值。

所述连续小波变换CWT过程中使用的母小波函数为：

其中，Fc为母小波中心频率，Fb为量测带宽，x为时域采样数据，y为频域幅值灰度。

所述线路单位长度的高频阻抗值的计算公式为：

z_n＝r+j2πf_nl

其中，r表示线路单位长度的电阻 ，l表示线路单位长度的电感，f_n为高频阻抗对应的计算频率，j表示测阻抗虚部。

所述计算确定故障距离的步骤包括：

对不同频点分别进行故障距离的计算，并对不同频点的故障距离值进行拟合处理获得最终的故障测量结果。

所述对不同频点分别进行故障距离的计算的步骤包括：

选取一定的频率范围和频率间隔，利用连续小波变换CWT将每一个对应频率点下的电压幅值最大时刻的电压和电流提取出来，计算得出一组不同频点对应的高频阻抗值；

根据所述一组不同频点的高频阻抗值及单位长度的阻抗值，计算出包含一组不同频点对应的故障距离的故障距离矩阵。

所述选取一定的频率范围和频率间隔的步骤包括：

所述频率范围选择在3000Hz以内，所述频率间隔选择100Hz。

所述计算得出一组不同频点对应的高频阻抗值的步骤包括：根据经过连续小波变换 CWT之后的各相电压值和电流值，计算得出一组不同频点对应的各相高频阻抗值；

所述单位长度的阻抗值包括：线路单位长度自阻抗和线路单位长度的互阻抗。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种配网故障测距方法可以在保证定位故障位置精度的同时，有效缩减故障定位时间，具有很高的效率和实用性，并且在整个故障测距过程中不需要引入额外的设备和信号通道。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为配网仿真系统示意图；

图2为本发明实施例提供的重合闸后IED1测到的电压波形；

图3为本发明实施例提供的重合闸后IED1测到的电流波形；

图4(a)和图4(b)分别为本发明实施例提供的测量阻抗和故障距离示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供的配网故障测距方法是基于出现故障的系统重合闸之后产生的高频信息进行配网故障测距。具体是在故障发生后对故障区域始端的断路器进行快速重合闸，利用重合闸后的暂态信息计算出其高频阻抗值，再利用该高频阻抗值除以对应频率的单位长度线路高频阻抗值，从而计算出故障距离，以便于确定故障的准确位置进而快速恢复系统正常供电。本发明实施例提供的技术方案可以在保证定位故障位置精度的同时，缩减了故障定位时间，具有很高的效率和实用性，并且整个故障测距过程中不需要引入额外的设备和信号通道。

下面将对本发明实施例提供的技术方案的实现方式进行详细描述。

本发明实施例提供的一种配网故障测距方法，其具体实现过程可以包括以下步骤：

(1)在故障发生后，对线路始端断路器执行重合闸操作，并测量永久性故障状态后预定高频下的电压值和电流值；

其中，所述测量永久性故障状态后预定高频下的电压值和电流值的步骤可以包括：

测量永久性故障状态下的电压电流暂态量，并对测量到的所述电压电流暂态量进行连续小波变换CWT，提取出预定高频下的电压值和电流值。

具体地，在故障发生后，对线路始端断路器执行重合闸，重合到永久性故障后会产生电压电流暂态量；之后，可以通过智能测量装置(IED)进行电压电流暂态量进行测量，并对智能测量装置(IED)测到的电压电流暂态量进行连续小波变换(CWT)提取出各频率下的电压值和电流值；

在上述处理过程中，所述连续小波变换CWT的时-频变换过程中使用的改进Morlet连续小波变换的母小波函数可以为：

其中，Fc为母小波中心频率，Fb为量测带宽，x为时域采样数据，y为频域幅值灰度。

(2)根据所述电压值和电流值计算出所述高频下对应的故障点到测量点之间线路的高频阻抗值；

具体地，可以利用阻抗与电压电流的关系计算出故障点到测量点之间线路的高频阻抗值，相应的计算公式如下：

Z_fn＝U_nI_n ^-1；

(3)根据所述故障点到测量点之间线路的高频阻抗值，以及所述高频下对应的线路单位长度的高频阻抗值计算确定故障距离。

其中，相应的高频下对应的线路单位长度的高频阻抗值是已知量，所述线路单位长度的高频阻抗值的计算公式为：

z_n＝r+j2πf_nl

其中，r表示线路单位长度的电阻 ，l表示线路单位长度的电感，f_n为高频阻抗对应的计算频率，j表示量测阻抗虚部。

该步骤中计算确定故障距离的方式为利用故障点到测量点之间线路的高频阻抗值除以线路单位长度的高频阻抗值确定故障距离，相应的计算公式如下：

在该步骤(3)中，所述计算确定故障距离的过程中为提高故障距离测量的准确性，具体可以获得不同频点的故障距离，即该步骤可以包括：

对不同频点分别进行故障距离的计算，并对不同频点的故障距离值进行拟合处理获得最终的故障测量结果。

进一步地，所述对不同频点分别进行故障距离的计算的步骤包括：

根据测距精度符合预定要求的频段，通常量测频带在在3000Hz以内，主要取决于互感器量测精度和线性程度、数据处理装置计算高频能力以及高频信号的衰减程度和高频下系统参数的频变程度，根据量测频带设置母小波的中心频率Fc和最小频带带宽Fb，并在该频段下对不同频点分别进行故障距离的计算，以便之后对不同频点的故障距离值进行拟合得到最终故障距离，实现故障测距。

具体地，所述对不同频点分别进行故障距离的计算的步骤包括：

选取一定的频率范围和频率间隔，频率范围一般如上述，可以选择在3000Hz以内，频率间隔一般可以选100Hz，利用连续小波变换CWT将每一个对应频率点下的电压幅值最大时刻的电压和电流提取出来，计算得出一组不同频点对应的高频阻抗值；

根据所述一组不同频点的高频阻抗值及单位长度的阻抗值，计算出包含一组不同频点对应的故障距离的故障距离矩阵。

其中，

所述计算得出一组不同频点对应的高频阻抗值的步骤包括：根据经过连续小波变换 CWT之后的各相电压值和电流值，计算得出一组不同频点对应的各相高频阻抗值；

所述单位长度的阻抗值包括：线路单位长度自阻抗和线路单位长度的互阻抗。

需要说明的是，在电力系统中对暂态信号进行处理的方法有很多，其中傅里叶变换和小波变换被广泛使用。相比于傅里叶变换(FFT)，小波变换拥有可调节的时域、频域窗口。当聚焦到高频率信号时利用小窗；当聚焦到低频信号时，窗口会自动增大，变换焦距，在处理暂态信号时有更好的精确度，而且抗干扰能力也要优于傅里叶变换，故本发明实施例中提供的故障测距方法中优先使用连续小波变换(CWT)作为高频阻抗值的计算处理方法。当然，本发明实施例中也可以采用其他处理方法对暂态信号进行处理，如傅立叶变换等。

为便于理解，下面将对本发明实施例的具体实现方式进行详细说明。

当电力系统的配网发生短路故障之后，如果是永久性故障，则断路器进行重合闸之后，会产生暂态电压电流信号，其中包含了电压电流的高频分量。本发明实施例在实现过程中便可以使用CWT对电压的暂态量U和电流的暂态量I进行进一步的处理，先选取一定的频率范围和频率间隔，频率范围一般如上述，可以选择在3000Hz以内，频率间隔一般可以选100Hz然后利用CWT将每一个对应频率点f_n下的电压幅值最大时刻的电压U和电流I提取出来。

对于每一个特定的频率f_n，满足表达式：

变形后得到：

Z_fn＝U_nI_n ^-1；

通过计算得出一组各频率下的高频阻抗值，构成矩阵Z。

由于线路单位长度的阻抗值z＝r+jωl是已知的，将ω＝2πf代入即可确定每一频率下线路单位长度的阻抗值：

z_n＝r+j2πf_nl；

其中，r为线路单位长度的电阻值，l为线路单位长度的电感值，j为量测阻抗虚部。

之后，利用下述公式：

即可计算出故障距离矩阵H_n，然后利用数据拟合的方法将故障距离的最终值H算出，作为故障定位的最终结果。

具体地计算最终值H的实现方式可以包括：

考虑到实际线路中的三相互感，可以有如下公式：

其中，H为故障点距离，z_mm为线路单位长度自阻抗，其余阻抗z为线路单位长度的互阻抗，

分别为经过连续小波变换之后的各相电压值和电流值。

其中，以发生A相单相接地故障为例，则有如下公式：

U_a＝H(z_aaI_a+z_abI_b+z_acI_c)；

换算则可以确定故障距离为：

利用同样的方法计算出不同频点下的不同的多个故障距离值，之后，对多个不同的故障距离值进行数据拟合处理即可确定最终的故障位置。

通常，在电力系统发生故障时，可以由故障选相元件选出故障相(即确定发生故障所在的相)，之后便可以对应的用上述计算方式计算该故障相的阻抗。仍以A相故障为例，在计算其阻抗时，由于系统三相是耦合的，因而在计算过程中也需要量测其相的电流求算故障线路高频阻抗。

下面将结合附图对本发明实施例的具体可用性作进一步的详细说明。

具体地，可以将本发明实施例提供的技术方案应用于如图1所示的配电网进行验证，以确定本发明实施例的可行性。

在图1中，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表示IED测量元件；F表示线路发生接地故障。

假设故障发生在F1处，距离该线路(即线路line5)始端5km的位置。对该线路(即线路line5)始端的断路器进行一次重合，存在永久性故障，产生了暂态电压电流量。利用本发明实施例中提出的故障测距方法来计算故障距离。IED1测到的故障相电压电流波形如图2和图3所示。

由于重合后测到的高频阻抗值是测量点到故障点的线路阻抗，选取计算精度最高的频段来计算故障距离。

通过计算得到100Hz-1kHz(频率间隔为20Hz)频段内线路阻抗计算值，并将其与理论值进行了比较，结果如图4(a)所示(该图中阻抗计算值和阻抗理论值基本重合为一条线)，在此频段内计算获得的故障距离如图4(b)所示。

从图3可以看出，在400Hz-800Hz的频段范围内测量精度较高。参照图4(b)所示，相应的拟合后得到的结果为：故障距离为4.954km，而故障点距断路器测量点的实际距离为5km，可见测距误差只有0.91％，因而本发明实施例提供的技术方案能够满足配网故障测距的应用要求。

综上所述，使用本发明实施例所提供的故障测距方法能够快速精确地定位电力系统配网的故障位置。在保证定位精度的同时，缩减了定位时间，具有很高的效率和实用性，并且不需要引入额外的设备和信号通道。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种配网故障测距方法，其特征在于，包括：

在故障发生后，对线路始端断路器执行重合闸操作，并测量永久性故障状态后预定高频下的电压值和电流值，所述测量永久性故障状态后预定高频下的电压值和电流值的步骤包括：测量永久性故障状态下的电压电流暂态量，并对测量到的所述电压电流暂态量进行连续小波变换CWT，提取出预定高频下的电压值和电流值；

根据所述电压值和电流值计算出所述高频下对应的故障点到测量点之间线路的高频阻抗值；

根据所述故障点到测量点之间线路的高频阻抗值，以及所述高频下对应的线路单位长度的高频阻抗值计算确定故障距离，所述计算确定故障距离的步骤包括：

对不同频点分别进行故障距离的计算，并对不同频点的故障距离值进行拟合处理获得最终的故障测量结果；其中，所述对不同频点分别进行故障距离的计算的步骤包括：

选取一定的频率范围和频率间隔，利用连续小波变换CWT将每一个对应频率点下的电压幅值最大时刻的电压和电流提取出来，计算得出一组不同频点对应的高频阻抗值；

根据所述一组不同频点的高频阻抗值及单位长度的阻抗值，计算出包含一组不同频点对应的故障距离的故障距离矩阵。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述连续小波变换CWT过程中使用的母小波函数为：

其中，Fc为母小波中心频率，Fb为量测带宽，x为时域采样数据，y为频域幅值灰度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线路单位长度的高频阻抗值的计算公式为：

z_n＝r+j2πf_nl

其中，r表示线路单位长度的电阻 ，l表示线路单位长度的电感，f_n为高频阻抗对应的计算频率，j表示测阻抗虚部。

4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述选取一定的频率范围和频率间隔的步骤包括：

所述频率范围选择在3000Hz以内，所述频率间隔选择100Hz。

5.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，

所述计算得出一组不同频点对应的高频阻抗值的步骤包括：根据经过连续小波变换CWT之后的各相电压值和电流值，计算得出一组不同频点对应的各相高频阻抗值；

所述单位长度的阻抗值包括：线路单位长度自阻抗和线路单位长度的互阻抗。

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