CN109709442A - 基于母线注入信号的配电网行波测距方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于母线注入信号的配电网行波测距方法和系统，包括：获取配电网线路参数和电压值；在发生故障的情况下，根据电压值检测故障并识别故障相；闭合开关，向系统注入行波信号，并记录闭合开关的时刻；选择母线处电压行波的有效线模分量，并记录返回时刻；根据线路参数进行故障测距计算得到融合测距结果。本发明利用了现有的信号注入源设备，仅需在母线的控制单元装设行波检测装置，可以同时实现区段定位和故障测距，故障测距结果准确性高。同时，基于单端量测无需GPS时钟同步，降低了设备成本。

Description

基于母线注入信号的配电网行波测距方法和系统
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，尤其是涉及基于母线注入信号的配电网行波测距方法和系统。
背景技术
我国中压配电网通常采用中性点不接地或消弧线圈接地方式，单相接地故障是影响配电系统供电可靠性的重要原因之一，快速、准确的故障测距技术能够缩小停电范围、缩短停电时间，对提高配电网的安全性、可靠性和经济性具有重要的意义。
现有故障测距技术从基本原理上可以分为阻抗法和行波法。行波法因为受线路参数、故障电阻及运行方式影响小，得到了广泛的重视。行波法根据行波的产生方式又可以分为基于故障信号和基于注入信号两类。基于故障信号的行波测距技术利用故障产生的行波进行测距，包括单端法、双端法、多端法等。基于故障信号的行波测距技术最大的问题是受故障时刻相角影响较大，如果故障时刻相角较小，则将导致行波信号微弱造成测距误差较大。且基于双端或多端测量原理的测距技术需要实现同步测量，增大了设备成本。
综上所述，现有技术中缺少能够有效实现故障测距的方法和系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供基于母线注入信号的配电网行波测距方法和系统，利用了现有的信号注入源设备，仅需在母线的控制单元装设行波检测装置，可以同时实现区段定位和故障测距，故障测距结果准确性高。同时，基于单端量测无需GPS时钟同步，降低了设备成本。
第一方面，本发明实施例提供了基于母线注入信号的配电网行波测距方法，包括：
获取配电网线路参数和电压值；
在发生故障的情况下，根据所述电压值检测故障并识别故障相；
闭合开关，向系统注入行波信号，并记录闭合开关的时刻；
选择母线处电压行波的有效线模分量，并记录返回时刻；
根据所述线路参数进行故障测距计算得到融合测距结果。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述电压值包括三相电压和零序电压，所述在发生故障的情况下，根据所述电压值检测故障并识别故障相包括：
变电站的控制单元监视所述三相电压和所述零序电压；
在发生单相接地故障的情况下，所述控制单元根据所述三相电压和所述零序电压的变化值检测故障并识别故障相。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述闭合开关，向系统注入行波信号，并记录闭合开关的时刻包括：
判断故障是否为永久性接地故障；
若为所述永久性接地故障，则变电站的控制单元向系统中注入所述行波信号，并记录闭合开关的时刻。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述根据所述线路参数进行故障测距计算得到融合测距结果包括：
计算故障点到母线的距离；
计算从开关闭合时刻到有效线模信号到达母线时刻的时间差；
重复注入所述行波信号，并进行所述故障测距计算得到多个测距结果；
对所述多个测距结果利用最小二乘估计得到所述融合测距结果。
第二方面，本发明实施例提供了基于母线注入信号的配电网行波测距系统，包括：
获取单元，用于获取配电网线路参数和电压值；
故障识别单元，用于在发生故障的情况下，根据所述电压值检测故障并识别故障相；
信号注入单元，用于闭合开关，向系统注入行波信号，并记录闭合开关的时刻；
返回时间记录单元，用于选择母线处电压行波的有效线模分量，并记录返回时刻；
计算单元，用于根据所述线路参数进行故障测距计算得到融合测距结果。
本发明提供了基于母线注入信号的配电网行波测距方法和系统，包括：获取配电网线路参数和电压值；在发生故障的情况下，根据电压值检测故障并识别故障相；闭合开关，向系统注入行波信号，并记录闭合开关的时刻；选择母线处电压行波的有效线模分量，并记录返回时刻；根据线路参数进行故障测距计算得到融合测距结果。本发明利用了现有的信号注入源设备，仅需在母线的控制单元装设行波检测装置，可以同时实现区段定位和故障测距，故障测距结果准确性高。同时，基于单端量测无需GPS时钟同步，降低了设备成本。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1为本发明实施例提供的基于母线注入信号的配电网行波测距方法流程图；
图2为本发明实施例提供的注入信号源的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的混合配电网分支线路图；
图4为本发明实施例提供的另一混合配电网分支线路图。
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，下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
目前，我国中压配电网通常采用中性点不接地或消弧线圈接地方式，单相接地故障是影响配电系统供电可靠性的重要原因之一，快速、准确的故障测距技术能够缩小停电范围、缩短停电时间，对提高配电网的安全性、可靠性和经济性具有重要的意义。
现有故障测距技术从基本原理上可以分为阻抗法和行波法。行波法因为受线路参数、故障电阻及运行方式影响小，得到了广泛的重视。行波法根据行波的产生方式又可以分为基于故障信号和基于注入信号两类。基于故障信号的行波测距技术利用故障产生的行波进行测距，包括单端法、双端法、多端法等。基于故障信号的行波测距技术最大的问题是受故障时刻相角影响较大，如果故障时刻相角较小，则将导致行波信号微弱造成测距误差较大。且基于双端或多端测量原理的测距技术需要实现同步测量，增大了设备成本。
综上所述，现有技术中缺少能够有效实现故障测距的方法和系统。基于此，本发明实施例提供的基于母线注入信号的配电网行波测距方法和系统，利用了现有的信号注入源设备，仅需在母线的控制单元装设行波检测装置，可以同时实现区段定位和故障测距，故障测距结果准确性高。同时，基于单端量测无需GPS时钟同步，降低了设备成本。
实施例一：
参照图1，基于母线注入信号的配电网行波测距方法，包括：
步骤S101，获取配电网线路参数和电压值；
步骤S102，在发生故障的情况下，根据电压值检测故障并识别故障相；
步骤S103，闭合开关，向系统注入行波信号，并记录闭合开关的时刻；
步骤S104，选择母线处电压行波的有效线模分量，并记录返回时刻；
步骤S105，根据线路参数进行故障测距计算得到融合测距结果。
进一步地，电压值包括三相电压和零序电压，在发生故障的情况下，步骤S102包括：
变电站的控制单元监视三相电压和所述零序电压；
在发生单相接地故障的情况下，控制单元根据所述三相电压和所述零序电压的变化值检测故障并识别故障相。
进一步地，步骤S103包括：
判断故障是否为永久性接地故障；
若为永久性接地故障，则变电站的控制单元向系统中注入行波信号，并记录闭合开关的时刻。
具体地，本实施例需要对注入行波信号的过程机理进行详细阐述。首先需要进行相模变换，介于本技术较为成熟，本实施例将不再赘述。下面将主要注入信号源及行波传播机理进行分析。注入信号源的结构如图2所示，由控制单元、电流互感器(CT)、用于短接非故障相的开关KA,KB和 KC、限制短路电流的电阻Rs，以及控制单元等元件组成。
假设配电网发生A相接地故障，控制单元首先通过监测相电压和零序电压首先确定故障相，然后根据中性点接地方式选择合适的非故障相(如B 相闭合相应的开关使该相经电阻接地。为保证注入行波信号的幅值最大，控制单元选择B相电压峰值时刻闭合开关，使得B相经过电阻接地。这时，故障模式从原始单相接地故障变为不同位置且不同相的两个单相接地故障。
B相经过电阻RS接地后，电压行波将从母线传播到所有线路的末端。其传播过程可分为两个阶段：行波到达故障点前和行波到达故障点后。对于这两个阶段的分析具体如下：
1)行波到达故障点前
假设系统三相是对称的，在电压行波到达故障点之前，由于A、C两相通过B相耦合的程度相同，因此A、C两相的电压行波是相等的。A相和C 相之间的线模分量Vβ为零，而A相和B相之间的线模分量Uα和零模分量V0均不为零。
一般配电网络具有多条线路且线路存在多个分支。当行波到达分支节点时(如图2中的M点)，会发生反射。因此，Uα线模分量和V0零模分量只要到达分支点处，就有一部分行波被反射回母线，另一部分继续向线路末端传播。但线模分量Uβ总是等于零。
2)行波到达故障点后
当电压行波到达故障点时，线模和零模分量都将发生反射和折射。A 相中的行波将在故障点处反射至母线，而B相和C相中的行波将继续沿着线路传播直至线路末端。因此，Uα,Uβ和U0不再等于零并且将发生反射向母线传播。
基于以上对行波传播机理的分析可知，Uα和V0在行波到达故障点之前受分支点或短线路末端的影响，可能发生多次反射和折射，无法准确得到故障点处行波返回时间，从而导致故障测距失败。而Uβ不受这些因素影响，该线模分量到达母线的行波一定是由故障点反射产生的。
类似地，如果故障发生在其他相，可以参考表1获得故障测距的有效线模分量。
表1有效线模分量对照表
注入信号源的控制单元测量出Uβ分量到达母线的时刻，就可以结合波速实现故障测距如式(1)所示。
其中，L为故障点到母线的距离，v为线模分量在线路中的传播速度，Δt为从开关闭合时刻到有效线模分量Uβ波头到达母线时刻的时间差。
进一步地，步骤S105包括：
计算故障点到母线的距离；
计算从开关闭合时刻到有效线模信号到达母线时刻的时间差；
重复注入行波信号，并进行故障测距计算得到多个测距结果；
对多个测距结果利用最小二乘估计得到融合测距结果。
具体地，对故障测距的计算方法和融合测距的实现进行阐述。
1)故障测距的计算方法：
图3和图4为混合配电网分支线路，在故障区段前有m段架空线路和n 段电缆线路。图3表示故障发生在第m+1段架空线路，图4表示故障发生在第n+1段电缆线路。故障区段的首末端分别用P和Q表示。
由图3可以得到，如果故障发生在第m+1段架空线路上，从开关闭合时刻到有效线模信号Vβ到达母线时刻的时间差为：
其中，lOi为第i段架空线路的长度，lCj为第j段电缆线路的长度，v1为行波线模分量在架空线路上的传播速度，v2为行波线模分量在电缆线路的传播速度，LOverhead为故障点F到母线的距离。
根据等式(2)，LOverhead的计算公式可以表示为：
同样，如果故障发生在图4所示的第n+1段电缆线路上，则故障点F 到母线的距离计算公式可表示为：
2)融合测距的实现：
由于测距装置自身性能及外界的随机干扰，有可能导致测距计算出现错误。为提高故障测距的准确性，可以通过多次注入行波信号，利用统计学中的最小二乘估计来实现融合测距。
假设母线处的控制单元投入开关k次，当k≥3时，对这些检测装置计算得到的故障距离进行最小二乘估计：
其中为融合测距结果，li表示第i次测距的结果。wi为针对第i 次测距的权重，实际运行中可以根据运行状况来确定权重。如果有某个数据偏离估计值过多，则说明该数据为不良数据，将该数据剔除掉之后重新利用公式(5)进行融合计算。
本发明提供了基于母线注入信号的配电网行波测距方法，包括：获取配电网线路参数和电压值；在发生故障的情况下，根据电压值检测故障并识别故障相；闭合开关，向系统注入行波信号，并记录闭合开关的时刻；选择母线处电压行波的有效线模分量，并记录返回时刻；根据线路参数进行故障测距计算得到融合测距结果。本发明利用了现有的信号注入源设备，仅需在母线的控制单元装设行波检测装置，可以同时实现区段定位和故障测距，故障测距结果准确性高。同时，基于单端量测无需GPS时钟同步，降低了设备成本。
实施例二：
基于母线注入信号的配电网行波测距系统，包括：
获取单元，用于获取配电网线路参数和电压值；
故障识别单元，用于在发生故障的情况下，根据电压值检测故障并识别故障相；
信号注入单元，用于闭合开关，向系统注入行波信号，并记录闭合开关的时刻；
返回时间记录单元，用于选择母线处电压行波的有效线模分量，并记录返回时刻；
计算单元，用于根据所述线路参数进行故障测距计算得到融合测距结果。
本发明实施例提供的基于母线注入信号的配电网行波测距系统，与上述实施例提供的基于母线注入信号的配电网行波测距方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，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所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.基于母线注入信号的配电网行波测距方法，其特征在于，包括：
获取配电网线路参数和电压值；
在发生故障的情况下，根据所述电压值检测故障并识别故障相；
闭合开关，向系统注入行波信号，并记录闭合开关的时刻；
选择母线处电压行波的有效线模分量，并记录返回时刻；
根据所述线路参数进行故障测距计算得到融合测距结果。
2.根据权利要求1所述的基于母线注入信号的配电网行波测距方法，其特征在于，所述电压值包括三相电压和零序电压，所述在发生故障的情况下，根据所述电压值检测故障并识别故障相包括：
变电站的控制单元监视所述三相电压和所述零序电压；
在发生单相接地故障的情况下，所述控制单元根据所述三相电压和所述零序电压的变化值检测故障并识别故障相。
3.根据权利要求1所述的基于母线注入信号的配电网行波测距方法，其特征在于，所述闭合开关，向系统注入行波信号，并记录闭合开关的时刻包括：
判断故障是否为永久性接地故障；
若为所述永久性接地故障，则变电站的控制单元向系统中注入所述行波信号，并记录闭合开关的时刻。
4.根据权利要求1所述的基于母线注入信号的配电网行波测距方法，其特征在于，所述根据所述线路参数进行故障测距计算得到融合测距结果包括：
计算故障点到母线的距离；
计算从开关闭合时刻到有效线模信号到达母线时刻的时间差；
重复注入所述行波信号，并进行所述故障测距计算得到多个测距结果；
对所述多个测距结果利用最小二乘估计得到所述融合测距结果。
5.基于母线注入信号的配电网行波测距系统，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取配电网线路参数和电压值；
故障识别单元，用于在发生故障的情况下，根据所述电压值检测故障并识别故障相；
信号注入单元，用于闭合开关，向系统注入行波信号，并记录闭合开关的时刻；
返回时间记录单元，用于选择母线处电压行波的有效线模分量，并记录返回时刻；
计算单元，用于根据所述线路参数进行故障测距计算得到融合测距结果。
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