CN110501611B - 一种配电网全线速动故障定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配电网全线速动故障定位方法及装置，用于实现以下方案：基于电容电子式电压传感器结构，选取能形成边界元件的电容作为高压臂电容及对应的电子式电压传感器，使用电流传感器对流过边界电容的相电流值进行采样，利用得到采样数据；设定启动阈值，搜索第一极值点及第一极值点后的多个数据点，并保存多个数据点；将多个数据点进行解耦处理，得到对应的线模电流值；采样数据及线模电流值根据衰减指数函数进行拟合计算，得到衰减时间常数；对边界电容值与实际边界电容参数进行对比，对比结果符合设定值的为近故障点。本发明的有益效果为：方案实现简单，无需复杂的设备；正常运行状态下峰值很小，且故障暂态信号易于提取。

Description

一种配电网全线速动故障定位方法及系统

技术领域

本发明涉及配电终端故障定位，特别涉及一种配电网全线速动故障定位方法及系统。

背景技术

随着配电断路器的造价逐年降低，配电负荷开关逐渐丧失价格优势，供电公司逐步更多使用配电断路器进行配电自动化建设，而配电断路器需要级差配合才能快速切除近故障点区段。但配电网供电半径较短、馈线开关分段层次较多，难以根据短路电流差异和通过设置时间级差有选择性地快速地隔离故障区段。目前，基于选线选段技术的就地馈线自动化模式在处理故障过程中存在越级跳闸，导致非故障区段停电，扩大事故影响范围；智能分布式馈线自动化具有迅速切除故障而不造成故障点电源侧非故障区段停电的优势，但成熟应用仅限于具备光纤通信的配电区域，且故障切除速度和可靠性受通信信道的影响较大。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种配电网全线速动故障定位方法及系统，对于近故障点，流过分压电容初始暂态故障电流满足指数衰减函数关系，衰减时间常数由分压电容与线路波阻抗确定；而对于远故障点区段，故障行波经过边界元件多次折反射后，流过分压电容初始暂态电流衰减时间常数变小。据此，利用流过分压电容电流拟合出衰减时间常数，在线路参数一定情况下求出边界电容值，再与实际分压电容值比较，当两者参数基本一致时即可识别出该点即为近故障点，进而确定故障区段。

本发明的技术方案包括一种配电网全线速动故障定位方法，该方法包括以下步骤：S10，基于电容电子式电压传感器结构，选取能形成边界元件的电容作为高压臂电容及对应的电子式电压传感器，使用电流传感器对流过边界电容的相电流值进行采样，利用得到采样数据进行故障区段定位；S20，设定启动阈值，当任意相的电流大于启动阈值时，搜索第一极值点及第一极值点后的多个数据点，并保存多个数据点；S30，将多个数据点进行解耦处理，得到对应的线模电流值；S40，基于采样数据及线模电流值根据衰减指数函数进行拟合计算，得到衰减时间常数；S50，根据衰减时间常数计算边界电容值，对边界电容值与实际边界电容参数进行对比，对比结果符合设定值的为近故障点。

根据所述的配电网全线速动故障定位方法，其中步骤S10具体包括：使用基于电容分压的电子式电压传感器测量线路相电压，以及，使用电流传感器以设定频率采集流过边界电容的三相电流i_CA、i_CB、i_CC。

在一个优选的实施方案中，其中采样频率f_s＝10MHz。

根据所述的配电网全线速动故障定位方法，其中步骤S20具体包括：设定启动阈值I_set，当i_CA、i_CB、i_CC其中一相电流瞬时绝对值大于启动值I_set时，开始搜寻第一个极值点，并保存第一个极值点后的N个数据点，其中N为τ_C*f_s，其

为近故障点初始暂态电流衰减时间常数，Z为线路波阻抗。

根据所述的配电网全线速动故障定位方法，其中线路波阻抗Z通过

进行计算，其中L₁为线路单位长度正序电感，C₁为正序电容C₁。

根据所述的配电网全线速动故障定位方法，其中步骤S30具体包括：通过卡伦鲍厄变换对保存的N点数据进行解耦，其公式为

得到流过测点边界电容的线模电流i₁为i₁(1)、i₁(2)、i₁(3)、……、i₁(N)。

根据所述的配电网全线速动故障定位方法，其中步骤S40具体包括：通过衰减指数函数

对采样数据进行计算，并采用最小二乘法对参数u和τ_C进行拟合计算，得到衰减时间常数，其中流过边界电容的初始暂态电流满足衰减指数函数要求。

根据所述的配电网全线速动故障定位方法，其中步骤S50具体包括：根据衰减时间常数τ_C计算出边界电容值

与实际边界电容参数C进行比较，即判断不等式

是否成立，将符合不等式判别对应的测量点作为近故障点，其中k为可靠误差系数，且k值取值范围为－10～10。

本发明的技术方案还包括一种配电网全线速动故障定位装置，所述故障定位装置用于执行上述任意一项方法，其特征在于：采集装置，包括基于电容分压的电子式电压传感器，以及，设置于电子式电压传感器的电流传感器，用于对流过边界电容的电流进行采样；分析装置，用于执行所述步骤S20～S50中任意一项的方法。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提出的基于分压电容电流的全线速动故障定位方法无需加装额外的一次边界元件，只需借助于现有的配电开关一二次深度融合的电子式电容电压传感器，加装电流测量元件，而流过分压电容的峰值电流小，只需二次侧电流传感器即可实现；

(2)传统利用线路故障电流行波和电压行波的全线速动保护方法易受测量精度的影响，暂态信号容易淹没，而本发明测量的电容电流在正常运行状态下峰值很小，只有几十μA，而故障状态下，电容峰值电流达到几十安培，因而故障暂态信号易于提取。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；

图1a，1b为行波旁过电容的示意图和等值电路图；

图2为故障行波旁过电容示意图；

图3所示为根据本发明实施方式的分压电容电流获取示意图；

图4所示为根据本发明实施方式的总体流程图；

图5所示为根据本发明实施方式的配电网相间故障仿真模型；

图6所示为根据本发明实施方式的近故障点三相电流波形图；

图7a，7b，7c所示为根据本发明实施方式的流过分段点分压电容的线模电流图；

图8所示为根据本发明实施方式的τ_C时间内流过分段点分压电容的线模电流及计算电容值。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

配电网发生故障时，故障点电压突变，近似于在故障点产生一个阶跃电压行波，行波的幅值与故障前的相电压大小相等，极性相反，并向故障点两端开始传播，当遇到线路参数不连续节点时，会产生波的折射和反射。如图1a和图1b，可以采用彼德逊法计算行波旁过电容时的折射波时域表达式。

从图1b中可以看出u_c＝u₁，进而列写回路方程：

从而可以求得故障行波经过旁路电容后的电压行波表达式为：

式中

为回路时间常数。则此时流过旁路电容的电流ic的时域表达式为：

图2为故障行波旁过电容示意图。当故障行波由故障点向线路某一侧传播时，如果遇到多处由旁路电容不连续节点，则会发生多次折射，对同一线路，边界电容两侧线路波阻抗参数一致，假定都为Z，则由上述分析可知：

则此时流过旁路电容C1的电流ic1的时域表达式为：

图3所示为根据本发明实施方式的分压电容电流获取示意图。鉴于目前配电开关一二次深度融合推进过程中，传统电磁式电压互感器逐渐被电子式电容分压传感器替代，用于获取相电压的传感器主要由高压电容壁C₁和取样电容C₂组成。为满足边界保护形成的条件，且不增加整个系统的对地容性电流，本发明中将高压电容壁C₁取值为0.01μf，再由相电压传感器一二次标准变比则可以确定取样电容值C₂，最终由分压电容C₁与C₂串联形成用于单端量故障定位的边界元件，即边界电容。通过测量流过边界元件的电流，如图3所示i_CA、i_CB、i_CC，采用式(3)即可拟合出衰减时间常数，进而求出边界电容值，再与实际电容值C比较，当两者参数基本一致时即可识别出该点即为近故障点，从而实现基于单端量的全线速动故障定位。

图4所示为根据本发明实施方式的总体流程图。该流程包括：S10，基于电容电子式电压传感器结构，选取能形成边界元件的电容作为高压臂电容及对应的电子式电压传感器，使用电流传感器对流过边界电容的相电流值进行采样，利用得到采样数据进行故障区段定位；S20，设定启动阈值，当任意一相边界电容流过的电流值大于启动阈值时，搜索第一极值点及第一极值点后的多个数据点，并保存多个数据点；S30，将多个数据点进行解耦处理，得到对应的线模电流值；S40，基于采样数据及线模电流值根据衰减指数函数进行拟合计算，得到衰减时间常数；S50，根据衰减时间常数计算边界电容值，对边界电容值与实际边界电容参数进行对比，对比结果符合设定值的为近故障点。

其中步骤S10于电容电子式电压传感器结构，选取能形成边界元件的电容作为高压臂电容，然后依据一二次融合成套设备要求的电压传感器变比选取适当的取样电容，从而构成满足本发明专利要求的电子式电压传感器；既可以用于测量10kV配电线路相电压，也可作为配电网全线速动故障定位的边界元件。后者还需采用高频性能传变好的电流传感器对流过边界电容的相电流值进行采样，利用得到采样数据进行故障区段定位。

基于上述流程，本发明的技术方案提出了较为详细的实施过程。如下(1)～(5)步骤所示：

(1)采用基于电容分压的电子式电压传感器测量线路相电压，并安装具有宽频带响应、高精度测量的电流传感器用于采集流过边界电容的电流i_CA、i_CB、i_CC，采样频率设定为f_s＝10MHz。

(2)设定启动阈值I_set，当i_CA、i_CB、i_CC其中一相电流瞬时绝对值大于启动值I_set时，开始搜寻第一个极值点，并保存第一个极值点后的N＝τ_C*f_s个数据点，其中

为近故障点初始暂态电流衰减时间常数，Z为线路波阻抗，可以利用线路单位长度正序电感L₁和正序电容C₁代入式(6)求得：

(3)利用式(7)卡伦鲍厄变换对保存的N点数据进行解耦：

得到流过测点边界电容的线模电流i₁为：i₁(1)、i₁(2)、i₁(3)……i₁(N)。

(4)预设流过边界电容的初始暂态电流满足式(8)所示的衰减指数函数，将采样数据代入函数，并采用最小二乘法对参数u和τ_C进行拟合。

(5)拟合出衰减时间常数τ_C后，即可以求出边界电容值

与实际边界电容参数C进行比较，当符合式(9)时即可判定该测量点为近故障点。

图5所示为根据本发明实施方式的配电网相间故障仿真模型。在PSCAD环境下搭建配电网相间故障仿真模型，对图5所示的10kV不接地配电系统进行仿真验证，其中架空线路选用频域相关的Frequency Dependent(Phase)Model模型，利用仿真平台自带子程序计算出工频下线路参数为：正序阻抗Z₁＝0.034675+j0.423365Ω/km；正序对地导纳b₁＝j2.726μs/km；零序阻抗Z₀＝0.3+j1.1426Ω/km；零序对地导纳b₀＝j1.93555μs/km。其中第一条馈线长度为L₄＝30km，第二条线路分成四个区段，各区段长度分别为L₁＝3m，L₂＝3km，L₃＝5km，故障点发生在分段开关F3的下游。为简化仿真，各电子式电压传感器用实际边界电容参数C为0.01微法的边界电容代替。

通过上述线路正序参数即可以求出线路的波阻抗为Z＝394Ω，进而求出近故障点流过边界电容的初始暂态电路衰减时间常数

当流过边界电容电流超启动值后，应保存第一个极值点后N＝τ_C＊f_s＝20个数据点用于拟合出求解τ_C′值，进而求出边界电容值。

图6所示为根据本发明实施方式的近故障点三相电流波形图。为BC两相故障时，近故障分段点F3处线路ABC三相电流，从图中可以看出，故障暂态行波电流相对线路工频故障电流非常微弱，基本上无法分辨故障电流行波。

图7a，7b，7c所示为根据本发明实施方式的流过分段点分压电容的线模电流图。表示故障线路上不同分段点F1、F2、F3处流过边界电容的电流值，从仿真结果可以看出当线路无故障时，边界电容电流基本为零，故障后，边界电容充电电流马上达到峰值，然后开始放电，如此不断充放电。

图8所示为根据本发明实施方式的τ_C时间内流过分段点分压电容的线模电流及计算电容值。此外，越是靠近故障点的边界电容电流波形越接近式(3)的衰减时间常数，通过拟合可得如图8所示的各分段点边界电容值，从拟合结果可得只有近故障点的拟合边界电容值与实际电容值误差在一个数量级范围内，其余各拟合边界电容值远大于实际电容值，因此根据式(9)即可判断定电流Is所在测点即为近故障点。

基于上述实施例，本发明具备以下优点：(1)本发明提出的基于分压电容电流的全线速动故障定位方法无需加装额外的一次边界元件，只需借助于现有的配电开关一二次深度融合的电子式电容电压传感器，加装电流测量元件，而流过分压电容的峰值电流小，只需二次侧电流传感器即可实现。(2)传统利用线路故障电流行波和电压行波的全线速动保护方法易受测量精度的影响，暂态信号容易淹没，而本发明测量的电容电流在正常运行状态下峰值很小，只有几十μA，而故障状态下，电容峰值电流达到几十安培，因而故障暂态信号易于提取。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种配电网全线速动故障定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S10，基于电容电子式电压传感器结构，选取能形成边界元件的电容作为高压臂电容及对应的电子式电压传感器，使用电流传感器对流过边界电容的相电流值进行采样，利用得到采样数据进行故障区段定位；

S20，设定启动阈值，当任意一相边界电容流过的电流值大于启动阈值时，搜索第一极值点及第一极值点后的多个数据点，并保存多个数据点；

S30，将多个数据点进行解耦处理，得到对应的线模电流值；

S40，基于采样数据及线模电流值根据衰减指数函数进行拟合计算，得到衰减时间常数；

S50，根据衰减时间常数计算边界电容值，对边界电容值与实际边界电容参数进行对比，对比结果符合设定值的为近故障点。

2.根据权利要求1所述的配电网全线速动故障定位方法，其特征在于，所述步骤S10具体包括：

使用基于电容分压的电子式电压传感器测量线路相电压，以及，使用电流传感器以设定频率采集流过边界电容的三相电流i_CA、i_CB、i_CC。

3.根据权利要求2所述的配电网全线速动故障定位方法，其特征在于，所述采样频率f_s＝10MHz。

4.根据权利要求2所述的配电网全线速动故障定位方法，其特征在于，所述步骤S20具体包括：

设定启动阈值I_set，当i_CA、i_CB、i_CC其中一相电流瞬时绝对值大于启动值I_set时，开始搜寻第一个极值点，并保存第一个极值点后的N个数据点，其中N为τ_C*f_s，其

为近故障点初始暂态电流衰减时间常数，Z为线路波阻抗。

5.根据权利要求4所述的配电网全线速动故障定位方法，其特征在于，所述线路波阻抗Z通过

进行计算，其中L₁为线路单位长度正序电感，C₁为正序电容C₁。

6.根据权利要求4所述的配电网全线速动故障定位方法，其特征在于，所述步骤S30具体包括：

通过卡伦鲍厄变换对保存的N点数据进行解耦，其公式为

得到流过测点边界电容的线模电流i₁为i₁(1)、i₁(2)、i₁(3)、……、i₁(N)。

7.根据权利要求6所述的配电网全线速动故障定位方法，其特征在于，所述步骤S40具体包括：

通过衰减指数函数

对采样数据进行计算，并采用最小二乘法对参数u和τ_C进行拟合计算，得到衰减时间常数，其中流过边界电容的初始暂态电流满足衰减指数函数要求。

8.根据权利要求7所述的配电网全线速动故障定位方法，其特征在于，所述步骤S50具体包括：

根据衰减时间常数τ_C计算出边界电容值

与实际边界电容参数C进行比较，即判断不等式

是否成立，将符合不等式判别对应的测量点作为近故障点，其中k为可靠误差系数，且k值取值范围为－10～10。

9.一种配电网全线速动故障定位装置，所述故障定位装置用于执行权利要求1－8中任一项所述的方法，其特征在于：

采集装置，包括基于电容分压的电子式电压传感器，以及，设置于电子式电压传感器的电流传感器，用于对流过边界电容的电流进行采样；

分析装置，用于执行所述步骤S20～S50中任意一项的方法。

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