CN108802564A - 配电网t型线参数无关故障测距算法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了配电网T型线参数无关故障测距算法及系统，由T型线的主线、分支线的长度和故障后的三端电压电流基波分量，建立测距方程组，根据求解结果判断故障分支和故障距离。本发明为了实现T型线故障测距不受线路参数影响，避免保护CT、PT的精度问题带来的测距误差，并且可以适用于主线和分支线参数不同的情况，本文提出一种适用于中性点经低阻接地的配电网T型线故障测距算法。因配电网非对称故障发生概率远大于其它故障类型，本算法重点解决非对称故障测距问题。

Description

配电网T型线参数无关故障测距算法及系统

技术领域

本发明涉及故障测距技术领域，特别是涉及配电网T型线参数无关故障测距算法及系统。

背景技术

配电网是电力系统重要组成部分，是与用户直接相关的重要环节，承担着分配电能的作用。T接线因其接线简便、造价低、走廊面积占用少等特点，已越来越多地应用于配电网中。因此T接线发生故障时进行及时有效地故障测距，直接关系着供电可靠性的保障，具有十分重要的意义。

T型线故障测距主要分为故障支路判断和故障测距两个部分。当前T型线测距分为参数计算法和行波测距法。行波法虽已发展成熟，但是由于配电网线路较短且噪声大，造成了波头提取较难，故配电网T型线多采用参数计算法。参数计算法中，若仅使用单端电流电压数据，则无法消除过渡电阻引起的测距误差，若使用多端电气量，便可以从原理上消除过渡电阻的影响。目前，微型PMU装置在配电网的广泛使用，使得多端同步测量成为了可能。

现有文献中，存在利用T型线路的三端电流、电压和线路阻抗的正序分量，在各端分别推算T接点的电压，比较得到的三个T接点电压幅值，判断出故障支路。再利用T接点和故障支路端电压进行双端测距。现有文献中还存在使用了和上述文献相同的故障支路判别方法，但是采用了负序分量进行故障测距。现有文献中还存在故障支路判别方法依然同上，但是求解故障距离时采用了时域法。以上三种算法考虑了故障点过渡电阻的影响，呈现出较高的精度，但是算法均是建立在线路参数准确的情况下。若线路参数受天气影响或老化而改变参数，应用上述算法进行测距，精度就会受到较大影响。

现有文献中，提出了一种不受线路参数影响的输电网T型线故障测距算法，将故障定位问题转化为寻优问题，求解线路参数和故障距离。此算法解决了T型线测距受线路参数影响的问题，达到了较高的精度，但是此算法假设T型线主线和分支线参数相同，并且使用了故障前的电压电流数据，因保护CT的精度不及量测CT，故此算法存在一定的精度误差。

发明内容

为了实现T型线故障测距不受线路参数影响，避免保护CT、PT的精度问题带来的测距误差，并且可以适用于主线和分支线参数不同的情况，本发明提出一种适用于中性点经低阻接地的配电网T型线故障测距算法。因配电网非对称故障发生概率远大于其它故障类型，本算法重点解决非对称故障测距问题。

配电网T型线参数无关故障测距算法，由T型线的主线、分支线的长度和故障后的三端电压电流基波分量，建立测距方程组，根据求解结果判断故障分支和故障距离。

进一步优选的技术方案，配电网T型线参数无关故障测距算法包括的具体步骤为：

输入数据；MN线路全长L_mn、PT线路全长L_pt和故障后三端各相电压电流基波分量

求解PT段测距方程组；

判断PT段测距方程组的解是否在合理范围内，若是，则将PT段测距方程组的解作为测距结果，否则，求解MT段测距方程组；

判断NT段测距方程组的解是否在合理范围内，若是，则将NT段测距方程组的解作为测距结果，否则，将MT段测距方程组的解作为测距结果。

本申请的上述技术方案中，对故障后的电压、电流采样数据，用全周波傅氏算法提取出基波分量。

进一步优选的技术方案，针对T型线结构，忽略配电网线路分布电容的影响，T型线采用R-L线路模型，并假设线路对称和多端同步测量，其中主线MN和分支线TP的线路参数不同。

进一步优选的技术方案，当MT线路发生故障时，M端流向F点的电流为I_m，T点流向F点的三相电流I_t为N端三相电流I_n与P端三相电流I_p之和，如式(1)所示：

I_t＝I_n+I_p (1)

利用故障后故障支路MT的M端三相电压U_m、电流I_m推算得到的T点三相电压U_t与利用非故障支路NT的N端三相电压U_n、电流I_n推算得到的T点三相电压相等，也与利用P端三相电压U_p、电流I_p推算得到的T点三相电压相等，建立方程组。

进一步优选的技术方案，当MT线路发生故障时，所建立方程组为：

U_m-Z₁I_mx₁＝U_n-Z₁I_n(L_mn-L_mt)-Z₁(I_n+I_p)(L_mt-x₁)

U_m-Z₁I_mx₁＝U_p-Z₂I_pL_pt-Z₁(I_n+I_p)(L_mt-x₁)

其中，故障点与M端的距离x₁、T接点与M端的距离L_mt、MN线路单位长度自阻抗Z_s1和单位长度互阻抗Z_m1、PT线路单位长度自阻抗Z_s2和单位长度互阻抗Z_m2为6个未知量，MN线路全长L_mn、PT线路全长L_pt和故障后三端各相电压电流基波分量U_m、U_n、U_p、I_m、I_n、Ι_p为已知量；

其中，

进一步优选的技术方案，当NT线路发生故障时，其中x₂表示故障点与N端的距离，测距方程如下式：

U_n-Z₁I_nx₂＝U_m-Z₁I_mL_mt-Z₁(I_n+I_p)(L_mn-L_mt-x₁)

U_n-Z₁I_nx₂＝U_p-Z₂I_pL_pt-Z₁(I_n+I_p)(L_mn-L_mt-x₁)

进一步优选的技术方案，当PT线路发生故障时，其中x₃表示故障点与P端的距离，测距方程如下式：

U_p-Z₂I_px₃＝U_m-Z₁I_mL_mt-Z₂(I_m+I_p)(L_pt-x₃)

U_p-Z₂I_px₃＝U_n-Z₁I_n(L_mn-L_mt)-Z₂(I_m+I_p)(L_pt-x₃)

进一步优选的技术方案，上述测距方程采用对迭代初值具有较高鲁棒性的trust-region-dogleg算法进行方程求解。

进一步优选的技术方案，当故障发生时，判断故障发生所在分支时，需要同时求解当MT线路发生故障时、当NT线路发生故障时及当PT线路发生故障时对应的测距方程；

某一条支路故障后的数据，只有代入对应的方程组才能得出合理解，代入另外两个方程都会得出不合理解；

进一步优选的技术方案，合理解表现为求得的故障距离大于零且小于等于对应线路全长、MN和PT线路的参数实虚部均为正，且在常用线路参数范围内；

不合理解表现为故障距离大于对应线路全长，MN和PT线路参数实虚部不全为正，或不在常用线路参数范围内。

进一步优选的技术方案，故障判据为：

若PT段测距方程组的解是合理解，则故障发生在PT段；

若PT段测距方程组的解是不合理解，则故障发生在MN段；

若NT段测距方程组的解是合理解，则故障发生在NT段；

若NT段测距方程组的解是不合理解，则故障发生在MT段；

当T接点发生故障时，PT段测距方程组、MT段测距方程组及NT段测距方程组的解均为合理解，但T点故障可以归类为任一段线路的故障。

配电网T型线参数无关故障定位系统，包括用于测量T型线故障后三端各相电压电流基波分量的测量装置，所述测量装置将测得的数据传输至监控计算机；

所述监控计算机基于上述算法实现对故障支路的判断及故障距离的判断。

测量装置为PMU，安装在各节点处。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明为了实现T型线故障测距不受线路参数影响，避免保护CT、PT的精度问题带来的测距误差，并且可以适用于主线和分支线参数不同的情况，本文提出一种适用于中性点经低阻接地的配电网T型线故障测距算法。因配电网非对称故障发生概率远大于其它故障类型，本算法重点解决非对称故障测距问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1 T接线结构图；

图2故障支路判别和距离确定流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请的一种典型的实施方式中，配电网T型线参数无关故障测距算法，T型线结构如图1所示。

由于配电网线路较短，忽略分布电容的影响，T型线采用R-L线路模型，并假设线路对称和多端同步测量。其中主线MN和分支线TP的线路参数不同。

当MT线路发生故障时，M端流向F点的电流为I_m，T点流向F点的三相电流I_t为N端三相电流I_n与P端三相电流I_p之和，如式(1)所示。

I_t＝I_n+I_p (1)

利用故障后故障支路MT的M端三相电压U_m、电流I_m推算得到的T点三相电压U_t与利用非故障支路NT的N端三相电压U_n、电流I_n推算得到的T点三相电压相等，也与P端三相电压U_p、电流I_p推算得到的T点三相电压相等。据此建立6个方程(2)。

其中故障点与M端的距离x₁、T接点与M端的距离L_mt、MN线路单位长度自阻抗Z_s1和单位长度互阻抗Z_m1、PT线路单位长度自阻抗Z_s2和单位长度互阻抗Z_m2为6个未知量，MN线路全长L_mn、PT线路全长L_pt和故障后三端各相电压电流基波分量U_m、U_n、U_p、I_m、I_n、Ι_p为已知量(下标a、b、c表示A、B、C三相)。

U_ma-I_ma×Z_s1×x₁-I_mb×Z_m1×x₁-I_mc×Z_m1×x₁

＝U_na-I_na×Z_s1×(L_mn-L_mt)-I_nb×Z_m1×(L_mn-L_mt)-I_nc×Z_m1×(L_mn-L_mt)

-(I_na+I_pa)×(L_mt-x₁)×Z_s1-(I_nb+I_pb)×(L_mt-x₁)×Z_m1-(I_nc+I_pc)×(L_mt-x₁)×Z_m1

U_mb-I_mb×Z_s1×x₁-I_ma×Z_m1×x₁-I_mc×Z_m1×x₁

＝U_nb-I_nb×Z_s1×(L_mn-L_mt)-I_na×Z_m1×(L_mn-L_mt)-I_nc×Z_m1×(L_mn-L_mt)

-(I_nb+I_pb)×(L_mt-x₁)×Z_s1-(I_na+I_pa)×(L_mt-x₁)×Z_m1-(I_nc+I_pc)×(L_mt-x₁)×Z_m1

U_mc-I_mc×Z_s1×x₁-I_ma×Z_m1×x₁-I_mb×Z_m1×x₁

＝U_nc-I_nc×Z_s1×(L_mn-L_mt)-I_na×Z_m1×(L_mn-L_mt)-I_nb×Z_m1×(L_mn-L_mt)

-(I_nc+I_pc)×(L_mt-x₁)×Z_s1-(I_na+I_pa)×(L_mt-x₁)×Z_m1-(I_nb+I_pb)×(L_mt-x₁)×Z_m1

U_ma-I_ma×Z_s1×x₁-I_mb×Z_m1×x₁-I_mc×Z_m1×x₁

＝U_pa-I_pa×Z_s2×L_pt-I_pb×Z_m2×L_pt-I_pc×Z_m2×L_pt

-(I_na+I_pa)×(L_mt-x₁)×Z_s1-(I_nb+I_pb)×(L_mt-x₁)×Z_m1-(I_nc+I_pc)×(L_mt-x₁)×Z_m1

U_mb-I_mb×Z_s1×x₁-I_ma×Z_m1×x₁-I_mc×Z_m1×x₁

＝U_pb-I_pb×Z_s2×L_pt-I_pa×Z_m2×L_pt-I_pc×Z_m2×L_pt

-(I_nb+I_pb)×(L_mt-x₁)×Z_s1-(I_na+I_pa)×(L_mt-x₁)×Z_m1-(I_nc+I_pc)×(L_mt-x₁)×Z_m1

U_mc-I_mc×Z_s1×x₁-I_ma×Z_m1×x₁-I_mb×Z_m1×x₁

＝U_pc-I_pc×Z_s2×L_pt-I_pa×Z_m2×L_pt-I_pb×Z_m2×L_pt

-(I_nc+I_pc)×(L_mt-x₁)×Z_s1-(I_na+I_pa)×(L_mt-x₁)×Z_m1-(I_nb+I_pb)×(L_mt-x₁)×Z_m1

现将式(2)进行简化，令

则式(2)可以改写为

同理，当NT线路发生故障时，测距方程如式(4)所示，其中x₂表示故障点与N端的距离。

当PT线路发生故障时，测距方程如式(5)所示，其中x₃表示故障点与P端的距离。

6个非线性方程包含6个未知数，采用对迭代初值具有较高鲁棒性的trust-region-dogleg算法[16][17]进行方程求解。

2、故障支路判断与故障距离确定

当故障发生时，尚未知道故障发生在哪条分支，因此需要同时求解式(3)(4)(5)。某一条支路故障后的数据，只有代入对应的方程组才能得出合理解，代入另外两个方程都会得出不合理解。合理解表现为求得的故障距离大于零且小于等于对应线路全长、MN和PT线路的参数实虚部均为正，且在常用线路参数范围内；不合理解表现为故障距离大于对应线路全长，MN和PT线路参数实虚部不全为正，或不在常用线路参数范围内。因此得出如下判据：

若PT段测距方程组(5)的解是合理解，则故障发生在PT段；若PT段测距方程组(5)的解是不合理解，则故障发生在MN段；若NT段测距方程组(3)的解是合理解，则故障发生在NT段；若NT段测距方程组(3)的解是不合理解，则故障发生在MT段。最终以合理的解作为故障支路判断与测距结果。

特殊地，当T接点发生故障时，式(3)(4)(5)的解均为合理解，但T点故障可以归类为任一段线路的故障，所以依然适用于上述判据。

因此故障支路判别和距离计算可以同时进行，流程图如图(2)所示。

下面给出具体的仿真验证例子：

基于simulink仿真平台，按照图1所示搭建T接线R-L线路模型，电网参数设置如下：电压等级为10kv，M、N、P侧电源电压幅值为1倍、1.05倍、1倍标幺值，相角差分别为0°，20°，10°，中性点经10Ω电阻接地。线路MN、PT长度分别为2km、2km，线路MT长度为0.8km。

MN线路参数为：

r₁＝0.45Ω/km；l₁＝0.293/100πH/km

r₀＝0.74Ω/km；l₀＝1.296/100πH/km

对应的线路单位长度自阻抗和互阻抗分别为0.5467+0.6273i和0.0967+0.3343iΩ/km

PT线路参数为：

r₁＝0.01273Ω/km；l₁＝0.9337×10^-3H/km

r₀＝0.3864Ω/km；l₀＝4.1264×10^-3H/km

对应的线路单位长度自阻抗和互阻抗分别为0.1373+0.6277i和0.1245+0.3343iΩ/km

为了减少衰减直流分量的影响，采用故障后40ms至60ms的三端电压电流采样数据进行基波提取，作为算法的输入值，在不同故障位置、不同非对称故障类型、不同过渡电阻情况下分别进行算法验证。

表一 T型线发生各种非对称故障时的测距结果(过渡电阻为10Ω)

表二 T型线发生各种非对称故障时的MN线路参数计算结果(过渡电阻为10Ω)

表三 T型线发生各种非对称故障时的PT线路参数计算结果(过渡电阻为10Ω)

表四 T接点附近发生各种非对称故障时的测距结果(过渡电阻为10Ω)

表五 过渡电阻对测距结果的影响(故障发生在MT线路)

表一列出了过渡电阻为10Ω，发生各种非对称故障情况时求解的故障位置及T接点位置。表一中反映的单相接地(AG)、两相短路接地(ABG)、两相短路(AB)时的2km线路的最大测距误差仅为7.4m。表四列出了T接点附近的测距结果，依然呈现出较高的精度。因此本文算法在整条T接线路范围内，包括T接点附近，均能准确测距，不存在测距死区问题。

表二和表三列出了过渡电阻为10Ω，发生各种非对称故障情况时的线路参数计算结果，与表一的测距结果相对应，也呈现出很高的精度。

表五列出了在各种非对称故障类型、多种故障位置情况下，过渡电阻对本文算法测距结果的影响，呈现出的最大误差仅为0.4m。因此本算法基本不受过渡电阻的影响。

仿真结果表明，此算法在忽略线路分布电容和假设线路对称的中性点经低阻接地的配电网中，具有非常高的测距精度，并从原理上避免了线路参数对测距结果的影响，同时基本不受非对称故障类型、过渡电阻、故障位置的影响。并且当故障点在T接点附近时，算法依然可以准确判断故障位置。但是由于三相短路时，测距方程的奇异性，使得本算法不能适用于三相短路故障。同时由于大电流接地系统中，线路串联参数起主要作用；小电流接地系统中，线路并联参数起主要作用，而本文忽略了线路电容的影响，因此不适用于小电流接地系统。

鉴于线路参数误差对传统测距算法的影响，本申请提出了适用于中性点经低阻接地的配电网T型线路的参数无关故障支路判别和测距算法，在线路参数和T接点位置未知的情况下，仅利用故障后T接线三端同步量测电气量，便可进行故障支路判断和故障测距。该方法无需已知线路参数，测距精度不受故障位置、过渡电阻和非对称故障类型的影响，对于T接点附近的故障也可以准确判断。通过SIMULINK仿真验证了此方法的精确性和可行性。

本发明还公开了配电网T型线参数无关故障定位系统，包括用于测量T型线故障后三端各相电压电流基波分量的测量装置，所述测量装置包括电压测量单元及电流测量单元，所述电压测量单元及电流测量单元将测得的数据传输至监控计算机；

所述监控计算机基于上述算法实现对故障支路的判断及故障距离的判断。

测量装置为PMU，安装在各节点处。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.配电网T型线参数无关故障测距算法，其特征是，由T型线的主线、分支线的长度和故障后的三端电压电流基波分量，建立测距方程组，根据求解结果判断故障分支和故障距离。

2.如权利要求1所述的配电网T型线参数无关故障测距算法，其特征是，配电网T型线参数无关故障测距算法包括的具体步骤为：

输入数据；MN线路全长L_mn、PT线路全长L_pt和故障后三端各相电压电流基波分量

求解PT段测距方程组；

判断PT段测距方程组的解是否在合理范围内，若是，则将PT段测距方程组的解作为测距结果，否则，求解MT段测距方程组；

判断NT段测距方程组的解是否在合理范围内，若是，则将NT段测距方程组的解作为测距结果，否则，将MT段测距方程组的解作为测距结果。

3.如权利要求1所述的配电网T型线参数无关故障测距算法，其特征是，针对T型线结构，忽略配电网线路分布电容的影响，T型线采用R-L线路模型，并假设线路对称和多端同步测量，其中主线MN和分支线TP的线路参数不同。

4.如权利要求1所述的配电网T型线参数无关故障测距算法，其特征是，当MT线路发生故障时，M端流向F点的电流为I_m，T点流向F点的三相电流I_t为N端三相电流I_n与P端三相电流I_p之和，如式(1)所示：

I_t＝I_n+I_p (1)

利用故障后故障支路MT的M端三相电压U_m、电流I_m推算得到的T点三相电压U_t与利用非故障支路NT的N端三相电压U_n、电流I_n推算得到的T点三相电压相等，也与利用P端三相电压U_p、电流I_p推算得到的T点三相电压相等，建立方程组。

5.如权利要求1所述的配电网T型线参数无关故障测距算法，其特征是，当MT线路发生故障时，所建立方程组为：

U_m-Z₁I_mx₁＝U_n-Z₁I_n(L_mn-L_mt)-Z₁(I_n+I_p)(L_mt-x₁)

U_m-Z₁I_mx₁＝U_p-Z₂I_pL_pt-Z₁(I_n+I_p)(L_mt-x₁)

其中，故障点与M端的距离x₁、T接点与M端的距离L_mt、MN线路单位长度自阻抗Z_s1和单位长度互阻抗Z_m1、PT线路单位长度自阻抗Z_s2和单位长度互阻抗Z_m2为6个未知量，MN 线路全长L_mn、PT线路全长L_pt和故障后三端各相电压电流基波分量U_m、U_n、U_p、I_m、I_n、Ι_p为已知量；

其中，

6.如权利要求1所述的配电网T型线参数无关故障测距算法，其特征是，当NT线路发生故障时，其中x₂表示故障点与N端的距离，测距方程如下式：

U_n-Z₁I_nx₂＝U_m-Z₁I_mL_mt-Z₁(I_n+I_p)(L_mn-L_mt-x₁)

U_n-Z₁I_nx₂＝U_p-Z₂I_pL_pt-Z₁(I_n+I_p)(L_mn-L_mt-x₁)。

7.如权利要求1所述的配电网T型线参数无关故障测距算法，其特征是，当PT线路发生故障时，其中x₃表示故障点与P端的距离，测距方程如下式：

U_p-Z₂I_px₃＝U_m-Z₁I_mL_mt-Z₂(I_m+I_p)(L_pt-x₃)

U_p-Z₂I_px₃＝U_n-Z₁I_n(L_mn-L_mt)-Z₂(I_m+I_p)(L_pt-x₃)。

8.如权利要求1所述的配电网T型线参数无关故障测距算法，其特征是，当故障发生时，判断故障发生所在分支时，需要同时求解当MT线路发生故障时、当NT线路发生故障时及当PT线路发生故障时对应的测距方程；

某一条支路故障后的数据，只有代入对应的方程组才能得出合理解，代入另外两个方程都会得出不合理解；

合理解表现为求得的故障距离大于零且小于等于对应线路全长、MN和PT线路的参数实虚部均为正，且在常用线路参数范围内；

不合理解表现为故障距离大于对应线路全长，MN和PT线路参数实虚部不全为正，或不在常用线路参数范围内。

9.如权利要求1所述的配电网T型线参数无关故障测距算法，其特征是，故障判据为：

若PT段测距方程组的解是合理解，则故障发生在PT段；

若PT段测距方程组的解是不合理解，则故障发生在MN段；

若NT段测距方程组的解是合理解，则故障发生在NT段；

若NT段测距方程组的解是不合理解，则故障发生在MT段；

当T接点发生故障时，PT段测距方程组、MT段测距方程组及NT段测距方程组的解均为合理解，但T点故障可以归类为任一段线路的故障。

10.配电网T型线参数无关故障定位系统，其特征是，包括用于测量T型线故障后三端各相电压电流基波分量的测量装置，所述测量装置将测得的数据传输至监控计算机；

所述监控计算机基于上述权利要求1-9任一所述的算法实现对故障支路的判断及故障距离的判断。