CN109494696B - 基于自适应重合闸的配电网非对称性故障定位与隔离方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应重合闸的配电网非对称性故障定位与隔离方法及系统，根据故障信息选出故障相别，逐级重合过程中先重合健全相的开关，然后根据感性电压的大小判别故障性质；如果是永久性故障，则跳开已经闭合的健全相开关，实现故障区段的隔离。本发明通过电压选相以及故障性质识别实现配电网非对称故障下快速区段定位与隔离，相比于传统的电压时间型馈线自动化，本发明可以避免盲目重合于永久性故障，不会导致非故障区段两次停电，避免了开关的多次动作，同时有效缩短了故障定位与隔离的时间。

Description

基于自适应重合闸的配电网非对称性故障定位与隔离方法及 系统

技术领域

本发明属于配电网故障定位与隔离处理技术领域，具体涉及一种基于自适应重合闸的配电网非对称性故障探测式定位与隔离系统及方法。

背景技术

当前，配电网建设已成为我国智能电网发展中的关键组成部分，故障区段定位与隔离是提高供电可靠性重要策略，馈线自动化是配电线路故障区段定位与隔离的主要手段。经过十多年来的研究和工程实践，馈线自动化形成了三种典型模式：

1)基于光纤通信的分布智能馈线自动化和主站集中型馈线自动化；

2)无信道的电压时间型和电压电流计数型馈线自动化；

3)基于无线通信的主站集中型馈线自动化和分布智能馈线自动化。无信道的馈线自动化模式将是我国今后馈线自动化建设的方向。

此外，我国配电网地域宽广，在形成配电自动化规模化过程中还需考虑投资性价比，不同地区选用馈线自动化模式将依据各自的供电可靠性要求：A+、A区采用基于光纤通信的馈线自动化，B、C区采用无信道的馈线自动化。由于我国大多数地区属于B、C区，因此进一步总结分析和优化提升无信道的电压时间型馈线自动化具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于自适应重合闸的配电网非对称性故障探测式定位与隔离系统及方法，在故障导致故障线路停电后，从靠近变电站母线的区段开始逐级合闸供电。

本发明采用以下技术方案：

本发明一种基于自适应重合闸的配电网非对称性故障定位与隔离方法，根据故障信息选出故障相别，逐级重合过程中先重合健全相的开关，然后根据感应电压的大小判别故障性质；如果为永久性故障，则跳开已经闭合的健全相开关，实现故障区段的隔离。

具体的，根据故障信息选出故障相别具体为：采集出线开关、分段开关以及联络开关处的三相电压和零序电压，首先判断是否出现零序电压，当出现零序电压时为接地故障，无零序电压时为非接地故障；然后分别对接地故障和非接地故障进行判断，完成故障相识别。

进一步的，对接地故障进行判断如下：当一相电压降低且其余两相电压升高时为单相接地故障且电压降低相为故障相；当两相电压降低且另外一相电压升高时为两相接地故障且电压降低相为故障相。

进一步的，对非接地故障判断如下：当两相电压降低且另外一相电压保持不变时为相间非接地故障且电压降低的两相为故障相；当三相电压都降低时为三相短路故障。

进一步的，出线开关、分段开关以及联络开关采用三相分相开关，用于实现分相合闸。

具体的，选出故障相别后，首先重合第一级线路的健全相开关，然后进行永久性故障识别，测量故障相上的感应电压U_Dz，当故障相上的感应电压满足U_Dz＜k_relU_xl时，判断为永久性故障，k_rel为可靠系数，U_xl为电感耦合电压。

进一步的，当故障相上的感应电压满足U_Dz＞k_relU_xl时,确定为线路前方无故障点，重合故障相对应的开关，实现第一级区段的负荷供电，然后重合下级线路的健全相开关，最后重复永久性故障的识别。

更进一步的，k_rel取1.1～1.2。

具体的，如果为瞬时性故障，则闭合故障相开关，恢复负荷供电。

一种自适应重合闸配电网非对称性故障定位与隔离系统，包括：

故障相定位单元，用于根据故障信息选出故障相别；

第一控制单元，用于控制配电网逐级重合，并在逐级重合过程中先重合健全相的开关；

故障性质识别单元，用于获取故障相定位单元选定的故障相的感应电压，并根据感应电压的大小判别故障性质；

第二控制单元，用于接收故障性质识别单元判别的结果，若故障性质为永久性故障，则跳开已经闭合的健全相开关，实现故障区段的隔离。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明基于自适应重合闸的配电网非对称性故障定位与隔离方法，相比于传统电压时间型馈线自动化系统故障定位与隔离时间长、重合于永久性故障后导致开关多次动作以及非故障区段出现两次短时停电的缺点，本发明可以避免盲目重合于永久性故障，不会导致非故障区段两次停电，避免了开关的多次动作，同时有效缩短了故障定位与隔离的时间。

进一步的，通过基于相电压和零序电压的选相判据，可以准确选出故障相别，避免开关重合于故障点而导致上游开关二次跳闸。

进一步的，当配电网发生接地故障时，会出现较大的零序电压，健全相电压会因为中性点零序电压的作用增大，但故障相会因为故障点的存在为电压降低，据此可有效区分接地故障中的两相接地故障和单相接地故障。

进一步的，当配电网发生非接地故障时，不会出现零序电压，所以健全相电压保持不变但故障相电压会降低，据此可以有效区分两相故障和三相故障。

进一步的，通过逐级探测式重合，在首先判别故障性质的前提下可以有效避免重合于故障点而导致上游开关二次跳闸，同时可以实现故障区段的快速定位与隔离。

进一步的，对于永久性故障，由于接地点的存在导致故障电容耦合电压为0，但电感耦合电压与瞬时性故障时相同，而瞬时性故障时电容耦合电压较大，所以通过设置合理的整定值就可以通过感应电压有效区分瞬时性故障和永久性故障。

本发明还公开了一种基于自适应重合闸的配电网非对称性故障定位与隔离系统，通过设置监测数据的采集单元、故障相定位单元、故障性质识别单元、第一控制单元和第二控制单元，实现对配电网非对称故障下的快速区段定位与隔离。

综上所述，本发明通过电压选相以及故障性质识别实现配电网非对称故障下快速区段定位与隔离，相比于传统的电压时间型馈线自动化，本发明可以避免盲目重合于永久性故障，不会导致非故障区段两次停电，避免了开关的多次动作，同时有效缩短了故障定位与隔离的时间。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为配电网结构示意图；

图2为基于自适应重合闸的探测式故障区段定位特点示意图；

图3为10kV配电网仿真模型图；

图4为瞬时性故障下区段4C相电压和电压整定值的比较图，其中，(a)为时域波形，(b)为全周傅氏算法提取的有效值；

图5为区段4负荷恢复供电后的电流波形图；

图6为区段14C相电压和电压整定值的比较图，其中，(a)为时域波形，(b)为全周傅氏算法提取的有效值；

图7为区段14负荷恢复供电后的电流波形图；

图8为永久性故障下区段4C相电压和电压整定值的比较图，其中，(a)为时域波形，(b)为全周傅氏算法提取的有效值。

具体实施方式

本发明提供了一种基于自适应重合闸的配电网非对称性故障定位与隔离方法，对于就地型馈线自动化，首先根据故障信息选出故障相别，逐级重合过程中先重合健全相的开关，然后根据感性电压的大小判别故障性质，如果是瞬时性故障，则闭合故障相开关，恢复负荷供电；如果是永久性故障，则跳开已经闭合的健全相开关，实现故障区段的隔离。本发明相比于传统基于重合器和分段器配合的故障定位和隔离方法恢复供电时间更短，设备动作次数更少，所以对开关的影响也更小。

本发明一种基于自适应重合闸的配电网非对称性故障定位与隔离方法，采用三相分相开关作为出线开关、分段开关以及联络开关，实现分相合闸；包括为：

S1、采集出线开关、分段开关以及联络开关处的三相电压和零序电压，进行故障相识别；

S2、故障相识别完成后，首先重合第一级线路的健全相开关，然后进行永久性故障识别，当判断为永久性故障时，跳开已经重合的健全相开关，实现故障区段的识别与隔离。

具体识别流程为：

首先判断是否出现零序电压，当出现零序电压时为接地故障，无零序电压时为非接地故障；对接地故障进行判断如下：

当一相电压降低且其余两相电压升高时为单相接地故障且电压降低相为故障相；

当两相电压降低且另外一相电压升高时为两相接地故障且电压降低相为故障相；

对于非接地故障判断如下：

当两相电压降低且另外一相电压保持不变时为相间非接地故障且电压降低的两相为故障相；

当三相电压都降低时为三相短路故障。

永久性故障识别方法如下：

测量故障相上的感应电压U_Dz，当满足U_Dz＞k_relU_xl时可确定为线路前方无故障点，其中，k_rel为可靠系数，一般取1.1～1.2，U_xl为电感耦合电压，其次重合故障相对应的开关，实现第一级区段的负荷供电，最后重合下级线路的健全相开关，然后重复永久性故障的识别；

当感应电压满足U_Dz＜k_relU_xl时，判断为永久性故障。

一种自适应重合闸配电网非对称性故障定位与隔离系统，包括：

采集单元，采集获取配电网故障信息；

故障相定位单元，根据故障信息选出故障相别；

第一控制单元，控制配电网逐级重合，并在逐级重合过程中先重合健全相的开关；

故障性质识别单元，获取故障相定位单元选定的故障相的感应电压，并根据感应电压的大小判别故障性质；

第二控制单元，接收故障性质识别单元判别的结果，若故障性质为永久性故障，则跳开已经闭合的健全相开关，实现故障区段的隔离。

采集单元采集出线开关、分段开关以及联络开关处的三相电压和零序电压并发送至故障相定位单元；故障相定位单元通过根据采集单元发送的三相电压和零序电压进行判断，然后将结果发送给故障性质识别单元，当出现零序电压时故障性质识别单元识别为接地故障，否则识别为非接地故障，故障性质识别单元根据三相电压信息确定故障相并将结果发送至第一控制单元；第一控制单元根据接收到的故障相信息控制配电网逐级重合，并在逐级重合过程中先重合健全相的开关，实现故障区段的隔离；当故障性质识别单元识别故障性质为永久性故障时发送给第二控制单元，第二控制单元根据接收到的故障相信息跳开已经闭合的健全相开关，实现故障区段的隔离。

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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图中含4个区段的配电网结构，用于说明基于自适应重合闸的探测式单相接地故障区段定位和隔离方法。

假设区段2的A相发生故障后导致所有开关跳开；首先根据相电压最低的一相为选相依据选出故障相，然后从电源侧开始合开关，合开关的顺序是先依次合B1B和B1C，然后测量区段1的B相和C相电流

计算出U_xl，将测量得到的A相电压工频幅值与整定值比较，由于A相未发生故障，所以测得的电压必然大于整定值，从而闭合开关B1A。

U_xl计算如下：

其中，Z_M为耦合电感阻抗，L为本级线路长度。

此时区段1的负荷完成供电，区段2和4的开关感受到电压后开始同时合B2B和B4B，然后同时合B2C和B4C，用和区段1相同的方法分别整定区段2和4的重合闸判据，此时区段4的电压必然大于整定值，从而合B4A，从而完成负荷供电。

对于区段2，如果测量电压低于整定值，则发生的是永久性故障，此时不再合开关B2A，而是跳开B2B和B2C，实现故障隔离。

如果测量电压高于整定值，则发生的是瞬时性故障，此时合开关B2A，恢复区段2的负荷供电。相同的方法，区段3可恢复供电。对于有更多区段的配电网，依据相同的方法实现即可。

综合以上分析可以看出，基于自适应重合闸的探测式故障区段定位和故障隔离方法式在故障导致故障线路停电后，从靠近变电站母线的区段开始逐级合闸供电，该方法的特点如图2所示。

1)如果将最靠近变电站母线的区段定义为第一级，然后逐级往后，则同一级的区段恢复供电时间相同。

2)相比于传统基于重合器和分段器配合的故障定位和隔离方法，本发明恢复供电时间更短，设备动作次数更少，所以对开关的影响也更小。

仿真验证：

请参阅图3，根据配网中各元件参数，建立配电网仿真模型，由于配电网中分支众多，要把所有分支反映在仿真模型中并不现实，所以需要将复杂的网络分支加以归并简化，得到图中的等效模型。该模型中，35kV变电站有两回进线，通过两台主变压器配出的10kV系统为单母线形式；母线带有4条馈线，出线上各区域的编号如图3所示。

其中，区域1、3、5、10为电缆，区域2、9、11、12、13为架空绝缘线，区域4、6、7、8、14为架空裸导线。消弧线圈装在所用变中性点上。开关K打开时，系统为中性点不接地系统；开关K闭合则为消弧线圈接地系统，过补偿度取为10％。仿真数据采样率为10kHz。

各区域线路长度分别为：L₁＝5.1km，L₂＝4km，L₃＝3.8km，L₄＝7.5km，L₅＝4km，L₆＝10km，L₇＝0.1km，L₈＝20km，L₉＝4km，L₁₀＝3.2km，L₁₁＝10km，L₁₂＝5km，L₁₃＝3km，L₁₄＝7.5km。

电缆参数分别为：r₁＝0.157Ω/km，x₁＝0.076Ω/km，b₁＝132×10^-6S/km；r₀＝0.307Ω/km，x₀＝0.304Ω/km，b₀＝110×10^-6S/km。

架空绝缘线参数分别为：r₁＝0.27Ω/km，x₁＝0.352Ω/km，b₁＝3.178×10^-6S/km；r₀＝0.42Ω/km，x₀＝3.618Ω/km，b₀＝0.676×10^-6S/km。

区域7、8中裸导线参数为：r₁＝0.91Ω/km，x₁＝0.403Ω/km，b₁＝2.729×10^-6S/km；r₀＝1.06Ω/km，x₀＝3.618Ω/km，b₀＝0.672×10^-6S/km。

其它区域裸导线参数分别为：r₁＝0.63Ω/km，x₁＝0.392Ω/km，b₁＝2.807×10^-6S/km；r₀＝0.78Ω/km，x₀＝3.593Ω/km，b₀＝0.683×10^-6S/km。

两台主变参数分别为：S_N＝2MVA，P_k＝20.586kW，U_k％＝6.37％，P₀＝2.88kW，I₀％＝0.61％；S_N＝2MVA，P_k＝20.591kW，U_k％＝6.35％，P₀＝2.83kW，I₀％＝0.62％。

令各配电变压器与所连接区域编号一致，则它们的容量分别为：S_5N＝50kVA，S_7N＝500kVA，S_8N＝200kVA，S_9N＝1MVA，S_10N＝100kVA，S_12N＝1MVA，S_13N＝400kVA，S_14N＝630kVA。

为简单起见，各配电变压器所带负荷统一为变压器容量的80％，功率因数为0.85。

基于以上模型验证基于自适应重合闸的探测式区段定位方法。分别假设区段4和区段14发生了C相瞬时性故障和永久性故障，仿真消弧线圈接地系统的区段定位情况。为了尽量减小配电网非全相运行的时间，各级线路的每相开关合闸的时间越小越好，但是依然需要考虑开关本身合闸所需要的时间以及配电网间歇性电弧持续的时间。

仿真时各级线路每相开关合闸的时间间隔为0.1s。

1)瞬时性故障

当C相在1.5s发生瞬时性故障后，区段4和14的开关都跳开；然后再1.6s合区段4的A相开关，1.7s合上B相开关，C相电压和根据闭合相电流以及参数整定的永久性故障识别的电压判据的波形如图4(a)所示，用全周傅氏算法计算得到的基频有效值如图4(b)所示。综合得出C相电压大于整定值，判定为该区段当前无故障，从而在1.8s合闸，区段4恢复负荷供电，其电流如图5所示。

当区段4恢复供电后区段14的开关感受到电压开始合闸，A相开关在1.9s合闸，B相开关在2s合闸，C相电压和根据闭合相电流以及参数整定的永久性故障识别的电压判据的波形如图6(a)所示，得出消弧线圈接地系统的C相电压基本不含直流分量。用全周傅氏算法计算得到的基频有效值如图6(b)所示。综合得出C相电压大于整定值，判定为该区段当前无故障，从而在2.1s合闸，区段14恢复负荷供电，其电流如7所示。

2)永久性故障

考虑线路空载且过渡电阻大时所得的电压整定值最小，这种情况下只要电压判据能够识别永久性故障，则其他情况下都可以。所以仿真时设置过渡电阻为1000Ω，线路空载。

假设C相在1.5s发生故障后，让区段4和14的开关都跳开；然后再1.6s合区段4的A相开关，1.7s合上B相开关，C相电压和根据闭合相电流以及参数整定的永久性故障识别的电压判据的波形如图8(a)所示，用全周傅氏算法计算得到的基频有效值如图8(b)所示。综合得出C相电压远小于整定值，判定为该区段存在故障，从而跳开区段4的A相和B相开关。实现故障区段的隔离。

假设区段14和其他线路有联络开关，只需通过识别故障性质就可以像发生瞬时性故障一样实现负荷转移，保证其负荷继续供电。

综合以上仿真结果，电压判据构造的故障性质判据能够很好的识别永久性故障和瞬时性故障，基于自适应重合闸的探测式故障区段定位方法能够比较快的实现故障区段隔离和健全区段的负荷转移。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于自适应重合闸的配电网非对称性故障定位与隔离方法，其特征在于，根据故障信息选出故障相别，逐级重合过程中先重合健全相的开关，然后根据感应电压的大小判别故障性质；如果为永久性故障，则跳开已经闭合的健全相开关，实现故障区段的隔离；

根据故障信息选出故障相别具体为：采集出线开关、分段开关以及联络开关处的三相电压和零序电压，首先判断是否出现零序电压，当出现零序电压时为接地故障，无零序电压时为非接地故障；然后分别对接地故障和非接地故障进行判断，完成故障相识别；

对接地故障进行判断如下：当一相电压降低且其余两相电压升高时为单相接地故障且电压降低相为故障相；当两相电压降低且另外一相电压升高时为两相接地故障且电压降低相为故障相；

选出故障相别后，首先重合第一级线路的健全相开关，然后进行永久性故障识别，测量故障相上的感应电压U_Dz，当故障相上的感应电压满足U_Dz＜k_relU_xl时，判断为永久性故障，k_rel为可靠系数，k_rel取1.1～1.2，U_xl为电感耦合电压，当故障相上的感应电压满足U_Dz＞k_relU_xl时,确定为线路前方无故障点，重合故障相对应的开关，实现第一级区段的负荷供电，然后重合下级线路的健全相开关，最后重复永久性故障的识别。

2.根据权利要求1所述的基于自适应重合闸的配电网非对称性故障定位与隔离方法，其特征在于，对非接地故障判断如下：当两相电压降低且另外一相电压保持不变时为相间非接地故障且电压降低的两相为故障相；当三相电压都降低时为三相短路故障。

3.根据权利要求1所述的基于自适应重合闸的配电网非对称性故障定位与隔离方法，其特征在于，出线开关、分段开关以及联络开关采用三相分相开关，用于实现分相合闸。

4.根据权利要求1所述的基于自适应重合闸的配电网非对称性故障定位与隔离方法，其特征在于，如果为瞬时性故障，则闭合故障相开关，恢复负荷供电。

5.一种基于自适应重合闸的配电网非对称性故障定位与隔离系统，其特征在于，采用权利要求1所述的基于自适应重合闸的配电网非对称性故障定位与隔离方法，包括：

故障相定位单元，用于根据故障信息选出故障相别；

第一控制单元，用于控制配电网逐级重合，并在逐级重合过程中先重合健全相的开关；

故障性质识别单元，用于获取故障相定位单元选定的故障相的感应电压，并根据感应电压的大小判别故障性质；

第二控制单元，用于接收故障性质识别单元判别的结果，若故障性质为永久性故障，则跳开已经闭合的健全相开关，实现故障区段的隔离。

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