CN109444666A - 一种配电网单相高阻断线故障辨识方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网单相高阻断线故障辨识方法及装置，利用广域测量系统对故障下游负载侧的三相电压进行同步测量，对负载侧故障相电压幅值大小进行计算分析，并基于负载侧故障相电压幅值大小进行高阻单相断线故障辨识。相对于传统辨识方法，本方法对不同接地情况、不同接地过渡电阻阻值下的负载侧等效电路模型进行了分析计算，得出的故障辨识方法具有较好的辨识准确度与较广泛的适用范围，为解决配电网单相断线故障辨识难题提出了一种可行有效的新方案。

Description

一种配电网单相高阻断线故障辨识方法及装置

技术领域

本发明涉及配电网线路故障辨识方法，更具体地，涉及一种基于广域测量的配电网单相高阻断线故障辨识方法及装置。

背景技术

配电网与用户直接相连，是电力系统的重要组成部分，其运行状态与用户的用电质量和人身安全直接相关。配电网单相断线故障发生后，故障下游负载侧三相电压出现明显的不平衡现象，导致电动机等三相动力设备缺相运行，最终因发热而烧毁，造成严重的经济损失；同时单相断线故障发生时往往还伴随着接地故障，这种断线接地故障与配电网中常见的单相接地故障不同，极有可能导致人畜触电、山林失火等安全事故，具有很高的危险性，对人民的生命财产安全造成巨大威胁。

目前，虽然已经有许多学者专注于在配电网中利用单相断线故障的电压、电流特征进行故障辨识，如山东大学学者在研究中对三种不同接地情况下的单相断线故障的三相序电压、序电流进行了较为详细的分析，提出采用正、负序电流及其变化量作为单相断线故障辨识的判据，但是对接地过渡电阻的阻值范围考虑不足，实际辨识效果不理想。

在我国以小电流接地方式为主的配电网中，由于单相断线故障与单相接地故障在电源侧的电气特征十分相似，以传统的集中式测量装置难以进行故障辨识，配电网在单相断线故障发生后可能继续保持运行数小时，严重威胁配网的安全可靠运行。

广域监测系统(WAMS，Wide Area Measurement System)由全球定位系统提供精准时标，获取高采样率、高精度的电流、电压以及频率信号，具有相量获取、同步采集以及数据实时处理的特性，可广泛用于全网运行监测控制，区域保护控制，故障诊断以及污染源定位等各个领域。

WAMS采用同步相角测量技术，将相量量测单元PMU布置在电网的关键监测点，实现对全网相量的同步采集。PMU通过GPS技术同步对时，将带有时标的信息发送至监控主站，调度人员根据同步信息实时监控电网的运行状态。WAMS系统被广泛应用于电力系统状态估计、电网暂态与稳态控制、继电保护与自动化控制、故障诊断与故障定位等多项高级运行分析之中。国外对于WAMS的研究开始于1990年前后，美国、西班牙等国家先后针对WAMS系统的同步量测、现场应用等方面进行了研究；我国对于WAMS系统的研究开始于2000年，研发重点关注相量量测装置的设计及使用。

发明内容

虽然单相断线故障与单相接地故障具有难以分辨的电源侧电气特征，但是这两种故障在负载侧却有着不同的电压特性。根据这一特点，为获取故障负载侧的故障信息，本发明在采用广域监测系统的基础上进行故障辨识。在WAMS的基础上，本发明通过分布式测量装置对故障下游负载侧电压进行检测分析，并以此为依据对单相断线故障进行故障辨识，以解决目前配电网中单相断线故障辨识难的问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于广域测量的配电网单相高阻断线故障辨识方法，包括：

步骤S1：采用广域测量系统，对配电网保持在线监测；

步骤S2：检测到故障发生时，对故障进行区段定位与初步辨识，判别故障是否为单相接地故障或单相断线故障；如果是，则进入步骤S3；如果否，则判定故障不是单相断线故障，结束故障辨识；

步骤S3：同步采集故障t时刻的故障点下游测量装置的三相电压数据，并存储；

步骤S4：利用存储的三相电压数据，计算峰值系数K；

步骤S5：基于峰值系数K进行故障辨识。

进一步地，

步骤S2中，检测到故障发生时，利用广域测量系统采集到的电压、电流数据，按照D型行波定位方法对故障进行区段定位。

进一步地，

按照D型行波定位方法对故障进行区段定位具体包括：

检测装置中记录的故障初始行波到达线路两端的时间分别为T1，T2，选出所有检测节点中T1,T2之和最小的节点作为两个故障节点，以两个故障节点之间的线路作为故障区段。

进一步地，

步骤S2中进行区段定位后，利用对称分量法得出正序、负序、零序电压、电流数据，按照单相接地故障与单相断线故障的边界条件判别故障是否为单相接地故障或单相断线故障。

进一步地，

按照边界条件判别故障是否为单相接地故障或单相断线故障具体包括：

检验故障后零序电流不为零，且故障后正序电流和负序电流都小于故障前，则判定为单相接地故障或单相断线故障。

进一步地，

步骤S4中峰值系数具体计算如下：

利用存储的三相电压数据，得到负载侧故障相电压峰值记为U_p，并将U_p与系统额定电压U_e相除结果记为峰值系数K：

其中U_p为负载侧故障相电压峰值；U_e为系统额定电压。

进一步地，

步骤S5中，当K≥0.5时，判定为高阻单相断线故障.

而当K<0.5时，则判定为高阻单相接地故障。

本发明还提出一种配电网单相高阻断线故障辨识装置，包括：

监测模块：采用广域测量系统，对配电网保持在线监测；

初步辨识模块，与监测连接，用于检测到故障发生时，对故障进行区段定位与初步辨识，判别故障是否为单相接地故障或单相断线故障；如果是，则进行进一步判断；如果否，则判定故障不是单相断线故障，结束故障辨识；

采集和存储模块，与初步辨识模块连接，用于同步采集故障t时刻的故障点下游测量装置的三相电压数据，并存储；

计算模块，与采集和存储连接，利用存储的三相电压数据，计算峰值系数K。

故障判断模块，与计算模块连接，用于基于峰值系数K进行故障辨识。

进一步地，

初步辨识模块中，检测到故障发生时，利用广域测量系统采集到的电压、电流数据，按照D型行波定位方法对故障进行区段定位。

进一步地，

按照D型行波定位方法对故障进行区段定位具体包括：

检测装置中记录的故障初始行波到达线路两端的时间分别为T1，T2，选出所有检测节点中T1,T2之和最小的节点作为两个故障节点，以两个故障节点之间的线路作为故障区段。

进一步地，

初步辨识模块中，在进行区段定位后，利用对称分量法得出正序、负序、零序电压、电流数据，按照单相接地故障与单相断线故障的边界条件判别故障是否为单相接地故障或单相断线故障。

进一步地，

按照边界条件判别故障是否为单相接地故障或单相断线故障具体包括：

检验故障后零序电流不为零，且故障后正序电流和负序电流都小于故障前，则判定为单相接地故障或单相断线故障。

进一步地，

计算模块中峰值系数具体计算如下：

利用存储的三相电压数据，得到负载侧故障相电压峰值记为U_p，并将U_p与系统额定电压U_e相除结果记为峰值系数K：

其中U_p为负载侧故障相电压峰值；U_e为系统额定电压。

进一步地，

故障判断模块中，

当K≥0.5时，判定为高阻单相断线故障。

而当K<0.5时，则判定为高阻单相接地故障。

本发明主要公开一种利用广域测量系统对故障下游负载侧的三相电压进行同步测量，并对负载侧故障相电压幅值大小进行计算分析，并基于负载侧故障相电压幅值大小的高阻单相断线故障辨识方法。

相对于传统辨识方法，本方法对不同接地情况、不同接地过渡电阻阻值下的负载侧等效电路模型进行了分析计算，得出的故障辨识方法具有较好的辨识准确度与较广泛的适用范围，为解决配电网单相断线故障辨识难题提出了一种可行有效的新方案。

附图说明

图1是Y-Y型变压器等效电路图。

图2是Δ-Y型变压器等效电路图。

图3是单相接地故障负载侧电压向量图。

图4单相断线故障负载侧电压向量图。

图5为本发明的方法流程图。

图6为本发明的装置模块图。

图7配电网仿真拓扑结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

常用的配电变压器有Y-Y型与Δ-Y型两种接线方式。

对于Y-Y型变压器，其等效电路如图1所示。

其中U_IA、U_IB、U_IC分别为A、B、C三相线路对变压器的三相输入电压；C_A、C_B、C_C分别为三相线路的对地分布电容；Z_A、Z_B、Z_C分别为变压器的三相绕组；R₀为接地过渡电阻。

由于配网线路对地分布电容C_A、C_B、C_C很小，根据公式1/jwC换算得到阻抗远远大于变压器三相阻抗Z_A、Z_B、Z_C与接地过渡电阻R₀，因此在这种情况下对变压器等效电路进行计算时可以忽略经过C_A、C_B流入大地的电流，将其视为断路；并且R₀与C_C并联阻抗值可以视为R₀。同时假设变压器三相绕组对称，即三相绕组阻值Z_A＝Z_B＝Z_C＝Z₁。

对图1的电路进行计算，得到Y-Y型变压器C相一次侧电压值U_CL：

接着对Δ-Y型变压器进行相似的分析计算。

对于Δ-Y型变压器，其等效电路如图2所示。

其中U_IA、U_IB、U_IC分别为A、B、C三相线路对变压器的三相输入电压；C_A、C_B、C_C分别为三相线路的对地分布电容；Z_AB、Z_BC、ZA_C分别为变压器的三相绕组；R₀为接地过渡电阻。同理忽略配网线路对地分布电容的影响，并且三相绕组阻值Z_AB＝Z_BC＝Z_CA＝Z₂。

得到Δ-Y型变压器C相一次侧电压值U_CL：

通过将式(1)与式(2)中与绕组阻抗相关的项记为等效阻抗Z_k，可以将式(1)与式(2)统一为以下形式，作为U_CL的表达式：

而对于单相断线故障来说，负载侧的电压分析过程与单相接地故障的基本保持一致，只是由于断线的影响，C相的输入电压U_IC变为0。

故对式(3)稍作修改即可得到负载侧变压器C相一次侧电压值U_CL表达式：

对于单相接地故障，假设C相输入电压U_IC等于电源侧的C相电压。并基于式(3)记为U_k，则电压向量U_k位于为U_IA与U_IB向量和上。

由此可以得出如图3所示的负载侧的电压向量图。

而对于单相断线故障，C相的输入电压U_IC变为0。基于式(4)，对单相断线故障的负载侧进行向量图分析，如图4所示。

通过对比图3与图4可知，对于单相接地故障，故障后故障相C相电压由U_k与U_IC之和组成；而对于单相断线故障，C相电压仅仅包含负载侧的U_k部分。对于接地阻值非极大的单相接地故障，U_k与U_IC电压向量夹角为钝角，且U_IC幅值远小于U_k，故其电压总和U_CL的电压幅值小于U_k。高阻故障中，故障相电压幅值较大，抗干扰性强，使得这一特征更为明显。所以，利用负载侧故障相电压幅值大小对高阻单相断线故障进行辨识是一种可行有效的思路。

将负载侧故障相电压峰值记为U_p，并将U_p与系统额定电压峰值相除结果记为峰值系数K。对于一般的配电网高阻故障(R0>1000Ω)，单相断线故障的K值始终高于0.5，而单相接地故障的K值始终低于0.5。

故对于高阻故障来说，可以取阈值K_p＝0.5用于故障辨识：当K≥0.5时，判定为高阻单相断线故障；而当K<0.5时，则判定为高阻单相接地故障。

图5示出了本发明提出的基于广域测量的配电网单相高阻断线故障辨识方法的流程图，具体包括：

步骤S1：

采用广域测量系统，对配电网保持在线监测。

步骤S2：

检测到故障发生时，利用广域测量系统采集到的电压、电流数据，按照D型行波定位方法对故障进行区段定位：

检测装置中记录的故障初始行波到达线路两端的时间分别为T1，T2，选出所有检测节点中T1,T2之和最小的节点作为两个故障节点，以两个故障节点之间的线路作为故障区段。

然后利用对称分量法得出正序、负序、零序电压、电流数据，并按照单相接地故障与单相断线故障的边界条件判别故障是否为单相接地故障或单相断线故障。

如果是，则进入步骤S3；

如果否，则判定故障不是单相接地故障或单相断线故障，结束故障辨识。

其中按照边界条件判别故障是否为单相接地故障或单相断线故障具体包括：

检验故障后零序电流不为零，且故障后正序电流和负序电流都小于故障前，则判定为单相接地故障或单相断线故障。

步骤S3：

同步采集故障t时刻的故障点下游测量装置的三相电压数据，并存储。

步骤S4：

利用存储的三相电压数据，得到负载侧故障相电压峰值记为U_p，并将U_p与系统额定电压U_e相除结果记为峰值系数K：

其中U_p为负载侧故障相电压峰值；U_e为系统额定电压。

步骤S5：

基于峰值系数K进行故障辨识：

当K≥0.5时，判定为高阻单相断线故障；

当K<0.5时，则判定为高阻单相接地故障。

图6示出了本发明的基于广域测量的配电网单相高阻断线故障辨识装置，包括：

监测模块：

采用广域测量系统，对配电网保持在线监测。

初步辨识模块：

与监测连接，用于检测到故障发生时，对故障进行区段定位与初步辨识，判别故障是否为单相接地故障或单相断线故障。

如果是，则进入步骤S3；

如果否，则判定故障不是单相接地故障或单相断线故障，结束故障辨识。

具体地，检测到故障发生时，利用广域测量系统采集到的电压、电流数据，按照D型行波定位方法对故障进行区段定位：

检测装置中记录的故障初始行波到达线路两端的时间分别为T1，T2，选出所有检测节点中T1,T2之和最小的节点作为两个故障节点，以两个故障节点之间的线路作为故障区段。

在进行区段定位后，利用对称分量法得出正序、负序、零序电压、电流数据，按照单相接地故障与单相断线故障的边界条件判别故障是否为单相接地故障或单相断线故障。

如果检验故障后零序电流不为零，且故障后正序电流和负序电流都小于故障前，则判定为单相接地故障或单相断线故障。

采集和存储模块：

与初步辨识模块连接，用于同步采集故障t时刻的故障点下游测量装置的三相电压数据，并存储。

计算模块：

与采集和存储连接，利用存储的三相电压数据，计算峰值系数K。

负载侧故障相电压峰值记为U_p，并将U_p与系统额定电压U_e相除结果记为峰值系数K：

其中U_p为负载侧故障相电压峰值；U_e为系统额定电压。

故障判断模块：

与计算模块连接，用于基于峰值系数K进行故障辨识：

当K≥0.5时，判定为高阻单相断线故障；

而当K<0.5时，则判定为高阻单相接地故障。

为验证本发明的有效性，进行以下仿真实验。

使用PSCAD/EMTDC软件建立单回线配电网线路的仿真模型，线路额定电压为10kV，其拓扑图如图7所示。

在图7配网线路中不同位置设置两组故障，每组故障中包含单相断线故障与单相接地故障。所设置的故障位置分别位于图7中的线路5-6与线路2-3处，并对故障发生后故障下游的变压器一次侧电压进行测量。

在线路5-6与线路2-3两组故障中，所测量的下游变压器编号分别为E、D。通过改变接地过渡电阻R₀进行仿真测量(为了方便绘图对比，假设单相断线故障电源侧与负载侧的接地过渡电阻R₁与R₂相等，并以R₀表示)，得到的负载侧故障相电压峰值分别为U_p。

将U_p与系统额定电压峰值(此次仿真中为10kV)相除得到峰值系数K，其随R₀变化趋势如表1所示。

表1

在表1中可以看出，随着过渡接地电阻R₀不断上升，两种故障的K值也不断上升。对于配电网高阻故障(R0>1000Ω)，单相断线故障的K值始终高于0.5，而单相接地故障的K值始终低于0.5。

故对于高阻故障来说，本发明取阈值K_p＝0.5用于故障辨识是合适的：当K≥0.5时，判定为高阻单相断线故障；当K<0.5时，则判定为高阻单相接地故障。

以上仿真实验证明，本发明方法能够准确、有效地辨识配电网中的高阻单相接地故障和高阻单相断线故障。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种配电网单相高阻断线故障辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：采用广域测量系统，对配电网保持在线监测；

步骤S2：检测到故障发生时，对故障进行区段定位与初步辨识，判别故障是否为单相接地故障或单相断线故障；如果是，则进入步骤S3；如果否，则判定故障不是单相接地故障或单相断线故障，结束故障辨识；

步骤S3：同步采集故障t时刻的故障点下游测量装置的三相电压数据，并存储；

步骤S4：利用存储的三相电压数据，计算峰值系数K；

步骤S5：基于峰值系数K进行故障辨识。

2.根据权利要求1所述的故障辨识方法，其特征在于，

步骤S2中，检测到故障发生时，利用广域测量系统采集到的电压、电流数据，按照D型行波定位方法对故障进行区段定位。

3.根据权利要求2所述的故障辨识方法，其特征在于，

按照D型行波定位方法对故障进行区段定位具体包括：

检测装置中记录的故障初始行波到达线路两端的时间分别为T1，T2，选出所有检测节点中T1,T2之和最小的节点作为两个故障节点，以两个故障节点之间的线路作为故障区段。

4.根据权利要求2或3所述的故障辨识方法，其特征在于，

步骤S2中进行区段定位后，利用对称分量法得出正序、负序、零序电压、电流数据，按照单相接地故障与单相断线故障的边界条件判别故障是否为单相接地故障或单相断线故障。

5.根据权利要求4所述的故障辨识方法，其特征在于，

按照边界条件判别故障是否为单相接地故障或单相断线故障具体包括：

检验故障后零序电流不为零，且故障后正序电流和负序电流都小于故障前，则判定为单相接地故障或单相断线故障。

6.根据权利要求1-5任一项所述的故障辨识方法，其特征在于，

步骤S4中峰值系数具体计算如下：

利用存储的三相电压数据，得到负载侧故障相电压峰值记为U_p，并将U_p与系统额定电压U_e相除结果记为峰值系数K：

其中U_p为负载侧故障相电压峰值；U_e为系统额定电压。

7.根据权利要求6所述的故障辨识方法，其特征在于，

步骤S5中，当K≥0.5时，判定为高阻单相断线故障。

8.根据权利要求6所述的故障辨识方法，其特征在于，

步骤S5中，当K<0.5时，则判定为高阻单相接地故障。

9.一种配电网单相高阻断线故障辨识装置，其特征在于，包括：

监测模块：采用广域测量系统，对配电网保持在线监测；

初步辨识模块，与监测连接，用于检测到故障发生时，对故障进行区段定位与初步辨识，判别故障是否为单相接地故障或单相断线故障；如果是，则进行进一步判断；如果否，则判定故障不是单相断线故障，结束故障辨识；

采集和存储模块，与初步辨识模块连接，用于同步采集故障t时刻的故障点下游测量装置的三相电压数据，并存储；

计算模块，与采集和存储连接，利用存储的三相电压数据，计算峰值系数K；

故障判断模块，与计算模块连接，用于基于峰值系数K进行故障辨识。

10.根据权利要求9所述的故障辨识装置，其特征在于，

初步辨识模块中，检测到故障发生时，利用广域测量系统采集到的电压、电流数据，按照D型行波定位方法对故障进行区段定位。

11.根据权利要求10所述的故障辨识装置，其特征在于，

按照D型行波定位方法对故障进行区段定位具体包括：

检测装置中记录的故障初始行波到达线路两端的时间分别为T1，T2，选出所有检测节点中T1,T2之和最小的节点作为两个故障节点，以两个故障节点之间的线路作为故障区段。

12.根据权利要求10或11所述的故障辨识装置，其特征在于，

初步辨识模块中，在进行区段定位后，利用对称分量法得出正序、负序、零序电压、电流数据，按照单相接地故障与单相断线故障的边界条件判别故障是否为单相接地故障或单相断线故障。

13.根据权利要求12所述的故障辨识装置，其特征在于，

按照边界条件判别故障是否为单相接地故障或单相断线故障具体包括：

检验故障后零序电流不为零，且故障后正序电流和负序电流都小于故障前，则判定为单相接地故障或单相断线故障。

14.根据权利要求13所述的故障辨识方法，其特征在于，计算模块中峰值系数具体计算如下：

利用存储的三相电压数据，得到负载侧故障相电压峰值记为U_p，并将U_p与系统额定电压U_e相除结果记为峰值系数K：

其中U_p为负载侧故障相电压峰值；U_e为系统额定电压。

15.根据权利要求14所述的故障辨识方法，其特征在于，

故障判断模块中，当K≥0.5时，判定为高阻单相断线故障。

16.根据权利要求14所述的故障辨识方法，其特征在于，

故障判断模块中，当K<0.5时，则判定为高阻单相接地故障。