CN107462810B - 一种适用于有源配电网的故障区段定位方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于有源配电网的故障区段定位方法，基于有源配电网的网络正方向的定义，对该有源配电网进行区段划分。采集各个区段两端节点处的三相电流信息，经计算得出各个节点处的节点综合电流。设计用于节点综合电流的暂态电流信息提取的信号滤波器，利用该信号滤波器对各个区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息进行提取。对各个区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息之间的相关因子进行实时计算，并根据各个区段的相关因子的计算结果对各个区段进行故障判定。基于有源配电网内各个区段的故障判定结果，根据有源配电网的故障区段判定方法，对该有源配电网进行故障区段定位，得到当前时刻下的故障区段定位结果。

Description

一种适用于有源配电网的故障区段定位方法

技术领域

本发明涉及一种有源配电网的故障区段定位方法。

背景技术

配电网的故障定位技术能够快速准确的找到配电网内故障的具体方位，是实现配电网内故障的小范围隔离的重要支撑技术，有利于配电网内故障的快速检修。因此，配电网的故障定位技术对配电网的安全稳定运行有着重要的作用与意义。

目前，越来越多的分布式电源(Distributed Generators，DG)接入配电网，使得传统的配电网变为有源配电网。有源配电网在拓扑结构和运行方式上与传统配电网有着较明显的区别，其中DG发电与负荷用电的波动性、系统潮流的双向性以及系统运行拓扑与方式的灵活性使得配电网中现有的继电保护容易出现误动、拒动的情况，系统内的保护装置变得难以协调配合。传统的配电网故障定位方法由于没有考虑到DG接入后给配电网带来的新变化，因此不再适用于有源配电网。

中国发明专利201210532103.3公开了一种基于阻抗模型短路故障特征的含DG配电网故障区间判定方法，该方法通过建立分析模型得出故障区间判定的电流阈值，在实际应用中受模型参数准确度与网络运行拓扑变化的影响大，不具备自适应性。中国发明专利201610000272.0公开了一种具有容错性的含分布式电源配电网故障定位方法，该方法利用FTU或故障指示器设备上传的故障电流信息，通过对开关故障电流信息和线路状态信息进行编码建立了故障位置求解的数学优化模型，并采用和声搜索算法搜索最优解，最终得到故障的具体位置，但该方法所需的计算量将随配电网规模的增大而呈指数增长，使得该方法在具备一定规模的配电网内难以取得较快的定位速度。N.Perera等人在《IEEETRANSACTIONS ON POWER DELIVERY》2008年第23卷第4期所著《Isolation of Faults inDistribution Networks with Distributed Generators》中通过比较小波系数的符号实现故障区段的定位，但小波算法冗长复杂，对硬件的采样率及数据处理能力要求高，高昂的配置成本使其在配电网中难以实现应用。

国内外现有的针对有源配电网的故障定位方法的研究大多采用多个彼此之间相互独立的节点处的电压或电流信息，这使得这些研究方法的自适应性存在一定不足。考虑到有源配电网内实时波动的发电与用电以及灵活的系统运行拓扑和运行方式，这使得有源配电网的故障定位方法必须具备较好的自适应性。此外，当有源配电网内发生故障时，故障点往往距离电源比较近，必须快速准确的隔离故障所在区段，否则将可能导致严重的后果，例如DG的脱网和频率失稳等严重问题。

综上所述，为了应对有源配电网对快速准确的故障小范围隔离的实际需求，有源配电网中需要一种兼具快速性和自适应性的故障区段定位方法。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的有源配电网的故障定位方法所存在的自适应性不足的问题，提出一种适用于有源配电网的故障区段定位方法。

本发明可以在有源配电网内实现故障的区段定位，能够在有源配电网内发生多种故障，如单相接地短路、两相接地短路、两相相间短路、三相短路的情况下快速、准确地定位故障，且不受非故障扰动的影响，具有良好的自适应性。

本发明所采取的技术方案是：

本发明方法首先定义有源配电网的网络正方向；第二，对该有源配电网进行区段划分；第三，采集该有源配电网内各个区段两端节点处的三相电流信息，基于各个节点的三相电流信息计算得到各个节点处的节点综合电流；第四，设计用于节点综合电流的暂态电流信息提取的信号滤波器，利用该信号滤波器对各个区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息进行提取；第五，对各个区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息之间的相关因子进行实时计算，并根据各个区段的相关因子的计算结果，对各个区段进行故障判定；最后，基于有源配电网内各个区段的故障判定结果，根据有源配电网的故障区段判定方法，对该有源配电网进行故障区段定位，得到当前时刻下的故障区段定位结果。

本发明方法的具体步骤如下：

(一)定义有源配电网的网络正方向；

所述有源配电网的网络正方向定义为：对于一个有源配电网，规定该配电网的主电源，一般为主变压器，所在节点为整个系统的上游，则可定义该配电网的网络正方向为由系统上游指向系统下游。

(二)对有源配电网进行区段划分；

在步骤(一)的基础上，对所述有源配电网进行区段划分，方法为：对于该有源配电网，根据定义的网络正方向，将该配电网按其网络的拓扑结构由系统上游至系统下游依次划分为若干个双端无分支区段，划分所得的各个区段具有并仅有两个端节点，且区段在两个端节点之间无其他分支路。

(三)采集区段两端节点处的三相电流信息，分别计算区段两端节点处的节点综合电流；

在步骤(二)的基础上，采集该有源配电网内各个区段两端节点处的三相电流信息，基于各个节点的三相电流信息可以计算得到各个节点处的节点综合电流。

所述的节点综合电流计算方法为：

令该有源配电网内的某一个区段一端节点处的A、B及C相电流分别为

该节点处的节点综合电流为

则

可以根据如下公式计算：

其中，a、b、c分别为

的组合系数，a、b、c均为实数，且同一区段两端节点处的节点综合电流的计算公式中的a、b、c的数值必须保持一致。a、b、c的数值之间必须满足如下关系式：

例如，在该有源配电网内，可以令该配电网内各个区段的两端节点处的节点综合电流的计算公式为：

(四)提取区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息；

在步骤(三)的基础上，利用计算得到的该有源配电网内各个区段两端节点处的节点综合电流，设计用于节点综合电流的暂态电流信息提取的信号滤波器，利用该信号滤波器对各个区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息进行提取。

所述的用于节点综合电流的暂态电流信息提取的信号滤波器的设计方法为：

将用于节点综合电流的暂态电流信息提取的信号滤波器的系统传递函数H(z)设计为：

其中，z为一个复变量，是Z变换算子；f为三相电流的基波频率，一般情况下可令f＝50Hz；T_S为信号采样周期；ρ为常数，且0≤ρ<1，一般情况下可令ρ＝0.9。

(五)计算区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息之间的相关因子，进行区段的故障判定；

在步骤(四)的基础上，利用提取得到的该有源配电网内各个区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息，对各个区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息之间的相关因子进行实时计算，并根据各个区段的相关因子的计算结果，对各个区段进行故障判定。

所述的区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息之间的相关因子的实时计算方法为：

若当前的时刻为t，定义n为采样周期数，n为非负整数，则有n＝t/T_S，其中TS为信号的采样周期，则对应于该时刻下区段两端节点p、q处的节点综合电流的暂态电流信息的采样值分别为

或分别为

令滑动的数据窗内的数据点总数为N，针对区段两端节点p、q处的节点综合电流的暂态电流信息分别定义两个用于保存信息采样值、维数为1×N的矩阵

定义t时刻下区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息之间的相关因子为R(t)，则R(t)的实时计算方法将分为以下10个步骤：

步骤1、初始化定义，设定T_S、N的值，令n＝0，R(0)＝0，

保存

步骤2、输入t时刻下的采样值

并读取

其中t＝nT_S；

步骤3、判定n＝0是否成立，若判定结果为是，则进入步骤4；若判定结果为否，则进入步骤5；

步骤4、令

保存

令R(0)＝0，并进入步骤8；

步骤5、判定0<n<N是否成立，若判定结果为是，则进入步骤6；若判定结果为否，则进入步骤7；

步骤6、令

保存

令R(nT_S)＝0，并进入步骤9；

步骤7、令

保存

步骤8、令

步骤9、输出t时刻下的相关因子R(t)，即R(nT_S)的数值，其中t＝nT_S；

步骤10、令n＝n+1，进入下一个时刻，返回步骤2。

所述的区段的故障判定方法为：在t时刻下，将区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息之间的相关因子的数值R(t)与设定的判定阈值σ比较，可判定区段内是否发生故障，具体判定依据是：若R(t)≥σ，则区段内没有发生故障；若R(t)<σ，则区段内发生故障。其中，判定阈值σ在一般情况下可根据实际情况设定为-0.5≤σ≤-0.75。

(六)基于有源配电网内各个区段的故障判定结果，根据有源配电网的故障区段判定方法，对该有源配电网进行故障区段定位，得到当前时刻下的故障区段定位结果；

对于当前的t时刻，所述的有源配电网的故障区段判定方法分为以下几个步骤：

步骤1、输入有源配电网内各个区段的故障判定结果，生成系统的故障状态矩阵W，该矩阵的表达式为W＝[w₁ w₂ … w_d]，其中，d为该有源配电网内的区段总数；w_i为第i个区段的故障状态，i为区段的编号，i＝1,…,d，若该区段内发生故障，则w_i＝1；若该区段内没有发生故障，则w_i＝0；

步骤2、基于矩阵W进行如下判定，其判据为：若矩阵W中所有的元素的值均为0，则该有源配电网内没有故障发生，处于正常运行状态；若矩阵W中存在非0元素，则该有源配电网内发生故障，非0元素所对应的区段为故障区段；

步骤3、输出有源配电网的故障区段定位结果：若该有源配电网内没有发生故障，则输出“系统正常运行”；若该有源配电网内发生故障，则输出“系统故障”，并同时输出故障区段的编号。

本发明有源配电网的故障区段定位方法提出了一种适用于有源配电网的、兼具快速性与自适应性的故障区段定位方法，与现有技术相比，该方法所能产生的有益效果是：

第一，本发明方法可用于有源配电网的故障区段定位，能够在多种类型的故障情况下：单相接地短路、两相接地短路、两相相间短路、三相短路，快速准确的实现故障区段的定位，且不受各类非故障扰动的影响，具有良好的自适应性；

第二，本发明方法不受有源配电网中性点运行方式的限制，且在故障的过渡电阻较高的情况下仍然具有较高的灵敏度，其适用范围宽，通用性好；

第三，本发明方法仅需电流采集，能够在有源配电网内在线实时应用，有利于系统内故障的快速小范围隔离。

附图说明

图1为本发明的方法原理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1为本发明的方法原理流程图。如图1所示，在一个有源配电网内，首先执行步骤001，对有源配电网的网络正方向进行定义。然后，执行步骤002，对该有源配电网进行区段划分。接着，执行步骤003，对该有源配电网内各个区段两端节点处的三相电流信息进行采集，并执行步骤004，基于各个区段两端节点处的三相电流信息计算得到各个区段两端节点处的节点综合电流。设计用于节点综合电流的暂态电流信息提取的信号滤波器，利用该信号滤波器并执行步骤005，对各个区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息进行提取。执行步骤006，对各个区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息之间的相关因子进行实时计算，并执行步骤007，对各个区段进行故障判定，得出各个区段的故障判定结果；最后，基于该有源配电网内各个区段的故障判定结果，执行步骤008，生成系统故障状态矩阵，并执行步骤009，对系统故障状态矩阵进行判定，得出系统的故障区段定位结果，然后返回步骤003。

Claims (1)

1.一种适用于有源配电网的故障区段定位方法，其特征在于：所述的方法首先定义有源配电网的网络正方向；第二，对该有源配电网进行区段划分；第三，采集该有源配电网内各个区段两端节点处的三相电流信息，基于各个节点的三相电流信息，计算得到各个节点处的节点综合电流；第四，设计用于节点综合电流的暂态电流信息提取的信号滤波器，利用该信号滤波器对各个区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息进行提取；第五，对各个区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息之间的相关因子进行实时计算，并根据各个区段的相关因子的计算结果，对各个区段进行故障判定；最后，基于有源配电网内各个区段的故障判定结果，根据有源配电网的故障区段判定方法，对该有源配电网进行故障区段定位，得到当前时刻下的故障区段定位结果；

所述的节点综合电流计算方法为：令该有源配电网内的某一个区段一端节点处的A、B以及C相电流分别为

该节点处的节点综合电流为

则该节点处的节点综合电流

根据如下的公式计算：

其中，a、b、c分别为

的组合系数，a、b、c均为实数，且同一区段两端节点处的节点综合电流的计算公式中的a、b、c的数值保持一致；a、b、c的数值之间满足如下关系式：

所述的用于节点综合电流的暂态电流信息提取的信号滤波器的设计方法为：将用于节点综合电流的暂态电流信息提取的信号滤波器的系统传递函数H(z)设计为：

其中，z为一个复变量，是Z变换算子；f为三相电流的基波频率；T_S为信号采样周期；ρ为常数，且0≤ρ<1；

所述的区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息之间的相关因子的实时计算方法为：若当前的时刻为t，定义n为采样周期数，n为非负整数，则有n＝t/T_S，其中T_S为信号的采样周期，则对应于该时刻下区段两端节点p、q处的节点综合电流的暂态电流信息的采样值分别为

或分别为

令滑动的数据窗内的数据点总数为N，针对区段两端节点p、q处的节点综合电流的暂态电流信息分别定义两个用于保存信息采样值、维数为1×N的矩阵

定义t时刻下区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息之间的相关因子为R(t)，则R(t)的实时计算方法为以下10个步骤：

步骤1、初始化定义，设定T_S、N的值，令n＝0，R(0)＝0，

保存

步骤2、输入t时刻下的采样值

并读取

其中t＝nT_S；

步骤3、判定n＝0是否成立，若判定结果为是，则进入步骤4；若判定结果为否，则进入步骤5；

步骤4、令

保存

令R(0)＝0，并进入步骤8；

步骤5、判定0<n<N是否成立，若判定结果为是，则进入步骤6；若判定结果为否，则进入步骤7；

步骤6、令

保存

令R(nT_S)＝0，并进入步骤9；

步骤7、令

保存

步骤8、令

步骤9、输出t时刻下的相关因子R(t)，即R(nT_S)的数值，其中t＝nT_S；

步骤10、令n＝n+1，进入下一个时刻，返回步骤2；

所述的区段的故障判定方法为：在t时刻下，将区段两端节点处的节点综合电流的暂态电流信息之间的相关因子的数值R(t)与设定的判定阈值σ进行比较，判定区段内是否发生故障；具体的判定依据是：若R(t)≥σ，则区段内没有发生故障；若R(t)<σ，则区段内发生故障；其中，判定阈值σ设定为：-0.5≤σ≤-0.75；

所述的有源配电网的故障区段判定方法分为以下几个步骤：

步骤1、输入有源配电网内各个区段的故障判定结果，生成系统的故障状态矩阵W，该矩阵的表达式为W＝[w₁ w₂…w_d]，其中，d为该有源配电网内的区段总数；w_i为第i个区段的故障状态，i为区段的编号，i＝1,…,d，若该区段内发生故障，则w_i＝1；若该区段内没有发生故障，则w_i＝0；

步骤2、基于矩阵W进行如下判定，其判据为：若矩阵W中所有的元素的值均为0，则该有源配电网内没有故障发生，处于正常运行状态；若矩阵W中存在非0元素，则该有源配电网内发生故障，非0元素所对应的区段为故障区段；

步骤3、输出有源配电网的故障区段定位结果：若该有源配电网内没有发生故障，则输出“系统正常运行”；若该有源配电网内发生故障，则输出“系统故障”，并同时输出故障区段的编号。

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