CN110927539B - 一种单端暂态能量谱相似性的配电网故障区段定位方法 - Google Patents

一种单端暂态能量谱相似性的配电网故障区段定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明专利提出了一种单端暂态能量谱相似性的配电网故障区段定位方法。首先假设一暂态行波从变电站中压配电线路母线处注入配电网，记录母线处随后一段时间内的暂态电压响应波形，然后对采集到的暂态电压响应波形进行频谱分析，根据特征频率确定频率段的分割方案。据此，对配电网典型故障位置发生故障后母线处采样得到的暂态电压波形进行频谱分析，得到各频率段能量值，形成配电网故障区段定位数据库。一旦发生故障，对母线处记录的故障暂态波形进行分析，得到真实故障时各频率段能量值，匹配查找定位数据库，即可进行故障区段定位。该方法定位准确，不存在故障区间误判现象，满足故障区段定位工程需要，实用性好。

Description

一种单端暂态能量谱相似性的配电网故障区段定位方法
技术领域
本发明属于非有效接地配电网技术领域，具体涉及一种单端暂态能量谱相似性的配电网故障区段定位方法。
背景技术
配电自动化系统中的核心功能之一为馈线自动化，其根据馈线沿线安装的配电自动化终端上报的多点故障信息进行短路故障的区段定位，确定故障位置位于某相邻配电自动化终端之间。其中配电自动化终端一般分为馈线终端单元(FTU，Feeder TerminalUnit)、环网柜终端单元(DTU，Distribution Terminal Unit)和故障指示器(FI，FaultIndicator)。
在工程现场，配电网故障区段定位效果依然不理想。主要原因是配电自动化终端的安装不可能太密集，一般相邻的配电自动化终端距离为1千米到3千米之间，一旦发生故障，无法缩小故障区段定位结果的范围。同时，目前常规的配电自动化终端设备难以有效解决单相接地故障的区段定位问题，需在多处加装暂态录波传感设备，且其定位效果易受线路分支的影响。
针对以上配电网故障区段定位问题，基于采集到的单端或多端电流电压数据，国内外学者做了大量的研究，提出了大量的改进方法，主要分为以下两类：利用工频量信息来进行故障定位，此类方法多利用阻抗等效及迭代求解来定位故障，多用于配电网有效接地系统，对于我国大部分非有效接地配电系统存在适用性问题。利用暂态量信息进行故障定位,此类方法大多利用暂态行波在配电网中的传播特性来进行故障定位，基本不受接地方式、过渡电阻等的影响。在这些方法中，单端故障区段定位的方法仅利用单端电气量，定位可靠，经济性好。其一般是在变电站中压配电线路母线处加装一套暂态行波传感装置实现。核心难点是如何提取与故障位置相关的故障特征信息。现有方法只考虑了故障暂态电流电压的多频率特征，忽略了故障暂态电流电压在各频率下的能量密度特征，暂态信息利用度不高，不利于准确可靠地配电网区段故障定位。
因此，本专利提出基于单端暂态能量谱相似性的配电网故障区段定位新方法，此方法首先建立待定位配电网的单端暂态能量谱标准数据库，一旦发生故障，分析母线采样处单端暂态电流或电压波形的多频率特征以及各频率下的能量密度特征，最后分析故障波形暂态能量谱与标准数据库间的相似性，并据此确定故障位置。仿真结果显示此方法定位准确，不存在故障区间误判现象，满足故障区段定位工程需要，实用性好。
发明内容
本发明的目的是提供一种单端暂态能量谱相似性的配电网故障区段定位方法，可用于确定配电网单相接地的故障区段，以克服背景技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
步骤1：假设一暂态行波从变电站中压配电线路母线处注入配电网，记录母线处随后一段时间内的暂态电压响应波形，暂态线电压波形的采样存储自行波注入时刻起，经过一定时间窗后，停止暂态电压响应波形的记录；
步骤2：对采集到的暂态电压响应波形进行频谱分析得到多个固有特征频率；
步骤3：根据固有特征频率进行频率段的分割；
步骤4：对采集到的暂态电压响应波形进行频率段能量值的分析与归一化；
步骤5：建立配电网故障区段定位数据库；
步骤6：若发生故障，按步骤4方法对母线处记录的故障暂态波形进行分析，得到多个频率段中各频率段能量值，匹配步骤5中所述配电网故障区段定位数据库，即可进行故障区段定位；
作为优选，步骤1中所述暂态电压响应波形为Useries，采样间隔为Tc，采样点数为Nc；
作为优选，步骤2中所述对采集到的暂态电压响应波形进行频谱分析具体为：
Figure BDA0002304024120000021
其中，
Figure BDA0002304024120000022
代表频谱分析中利用的暂态电压响应波形采样数据的个数，floor()表示返回不大于括号中数值的最大整数值，
Figure BDA0002304024120000023
k取值从1到N/2+1。X(k)表示暂态电压响应波形在频率f(k)处的功率，
Figure BDA0002304024120000024
根据X(k)可得到该暂态响应波形的频率特性，记为中压配电网固有特征频率，包括：f1，f2，f3……fP共p个频率，对应p个功率峰值，p取决于中压配电网线路不连续点的个数，所述不连续点为线路分支点、线路末端点、架空与电缆连接点；
作为优选，步骤3中所述根据固有特征频率进行频率段的分割为：
首先将所有的固有特征频率排序，记为f1、f2…fi…fp，将固有特征频率分为p+1段：0-(f1-1)kHz为第一个频率段，(fi-1)-(fi+1-1)为中间频率段，大于(fp-1)kHz的频率段为最后一个频率段；
作为优选，步骤4中所述采集到的暂态电压响应波形进行频率段能量值的分析与归一化，具体为：
Figure BDA0002304024120000031
其中，Ei表示经FFT分析和频率段分割之后第i频率段((fi-1-1)-(fi-1)之间的频段)的能量值，p表示频率段分割总数，Ei *表示规格化处理后的能量值；
其中，
Figure BDA0002304024120000032
x1＝floor((fi-1-1)*2Ts)，x2＝floor((fi-1)*2Ts)；
作为优选，步骤5中所述建立配电网故障区段定位数据库，具体为：
利用电磁暂态仿真软件对配电系统建模与仿真，获得配电网各典型故障位置对应的母线测量点处故障时暂态电压响应波形；
假设配电网有Zty个典型故障位置。那么对于第x个典型故障，其一旦发生，变电站母线处同样会检测到故障行波，按照步骤1的采样率和时间窗，采样存储故障暂态波形；
然后按照步骤4方法，计算出第x个典型故障位置对应的p+1个频率段的能量值，分别为E* x1、E* x2、……、E* x(p+1)。据此对所有Zty个典型故障位置发生故障的暂态波形进行分析，形成各典型故障位置的各频率段能量值的标准数据库。
作为优选，步骤6中所述匹配规则为：
实际故障对应的各频率段能量值与数据库中某典型故障位置对应的各频率段能量值之差的平方和最小，具体如下所示：
Figure BDA0002304024120000033
式中，V表示故障定位数据库中所有典型故障位置的集合，j表示第j个典型故障位置，Eif表示实际故障f对应的第i个频率段能量值，E* ij表示第j个典型故障位置对应的第i个频率段能量值，p表示按步骤2得出的所要研究的配电网系统的频率段分割总数。
因此，本发明具有如下优点：
建立各典型故障位置对应的单端暂态波形全频率带的多点频率及各子频带的能量值标准数据库，一旦发生故障，将故障记录的单端暂态波形能量谱与标准数据库进行相似性比对，实现故障区段定位。提出的方法综合利用单端暂态波形频域中的频率信息和各频率带的能量信息，提高了故障区段定位的准确度，不存在故障区间误判现象，满足故障区段定位工程需要，实用性好。
附图说明
图1：本发明方法流程图。
图2：某典型配电网拓扑结构。
具体实施方式
为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明专利，并不用于限定本发明专利。此外，下面所描述的本发明专利各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
步骤1：假设一暂态行波从变电站中压配电线路母线处注入配电网，记录母线处随后一段时间内的暂态电压响应波形，暂态线电压波形的采样存储自行波注入时刻起，经过一定时间窗后，停止暂态电压响应波形的记录；
步骤1中所述暂态电压响应波形为Useries，采样间隔为Tc，采样点数为Nc；
步骤2：对采集到的暂态电压响应波形进行频谱分析得到多个固有特征频率；
步骤2中所述对采集到的暂态电压响应波形进行频谱分析具体为：
Figure BDA0002304024120000041
其中，
Figure BDA0002304024120000042
代表频谱分析中利用的暂态电压响应波形采样数据的个数，floor()表示返回不大于括号中数值的最大整数值，
Figure BDA0002304024120000043
k取值从1到N/2+1。X(k)表示暂态电压响应波形在频率f(k)处的功率，
Figure BDA0002304024120000044
根据X(k)可得到该暂态响应波形的频率特性，记为中压配电网固有特征频率，包括：f1，f2，f3……fP共p个频率，对应p个功率峰值，p取决于中压配电网线路不连续点的个数，所述不连续点为线路分支点、线路末端点、架空与电缆连接点。事实上，这些固有频率的理论计算公式为：
Figure BDA0002304024120000051
式中υi为电压暂态行波线模传播速度，LP为传播路径PATH的长度，np取决于路径两端的反射系数，同为正或者同为负时为2，相反时为4。传播路径PATH一般指变电站中压配电线路母线至分支点、线路末端、架空与电缆连接处的路径。假设传播路径PATH有p条，则对应有p个固有频率。
步骤3：根据固有特征频率进行频率段的分割；
步骤3中所述根据固有特征频率进行频率段的分割为：
首先将所有的固有特征频率排序，记为f1、f2…fi…fp，将固有特征频率分为p+1段：0-(f1-1)kHz为第一个频率段，(fi-1)-(fi+1-1)为中间频率段，大于(fp-1)kHz的频率段为最后一个频率段；
步骤4：为消除待分析信号强弱对结果的影响，对采集到的暂态电压响应波形进行频率段能量值的分析与归一化；
步骤4中所述采集到的暂态电压响应波形进行频率段能量值的分析与归一化，具体为：
Figure BDA0002304024120000052
其中，Ei表示经FFT分析和频率段分割之后第i频率段((fi-1-1)-(fi-1)之间的频段)的能量值，p表示频率段分割总数，Ei *表示规格化处理后的能量值；
其中，
Figure BDA0002304024120000053
x1＝floor((fi-1-1)*2Ts)，x2＝floor((fi-1)*2Ts)；
步骤5：建立配电网故障区段定位数据库；
步骤5中所述建立配电网故障区段定位数据库，具体为：
利用电磁暂态仿真软件对配电系统建模与仿真，获得配电网各典型故障位置对应的母线测量点处故障时暂态电压响应波形；
假设配电网有Zty个典型故障位置。那么对于第x个典型故障，其一旦发生，变电站母线处同样会检测到故障行波，按照步骤1的采样率和时间窗，采样存储故障暂态波形；
然后按照步骤4方法，计算出第x个典型故障位置对应的p+1个频率段的能量值，分别为E* x1、E* x2、……、E* x(p+1)。据此对所有Zty个典型故障位置发生故障的暂态波形进行分析，形成各典型故障位置的各频率段能量值的标准数据库。
步骤6：若发生故障，按步骤4方法对母线处记录的故障暂态波形进行分析，得到多个频率段中各频率段能量值，匹配步骤5中所述配电网故障区段定位数据库，即可进行故障区段定位；
所述匹配规则为：
实际故障对应的各频率段能量值与数据库中某典型故障位置对应的各频率段能量值之差的平方和最小，具体如下所示：
Figure BDA0002304024120000061
式中，V表示故障定位数据库中所有典型故障位置的集合，j表示第j个典型故障位置，Eif表示实际故障f对应的第i个频率段能量值，E* ij表示第j个典型故障位置对应的第i个频率段能量值，p表示按步骤2得出的所要研究的配电网系统的频率段分割总数。
下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
某典型配电网拓扑结构如附图2所示，该模型是一个10kV的配电网馈线系统。下面结合实施例描述本发明所述一种基于单端暂态能量谱相似性的配电网故障区段定位新方法。为确定故障区段定位方法，包括如下所述具体过程：
第1步，根据所提方法，计算该配电网的固有特征频率有5个，具体如表1所示。
表1 附图2所示配电网固有特征频率
Figure BDA0002304024120000062
第2步，确定频率段的分割：0-14.00kHz，14.00-17.75kHz，17.75-20.43kHz，20.43-24.00kHz，24.00-36.50kHz，36.50kHz及以上共6个频率段。
第3歩，对各频率带的能量值进行规格化，形成各典型位置对应的单端暂态波形能量谱特征。部分结果见表2所示。
表2 附图2所示配电网故障定位数据库部分数据
Figure BDA0002304024120000071
第4步，一旦出现故障，对母线处采样得到的单端暂态行波进行频谱分析，然后按照匹配规则搜索数据库，即可进行故障区段定位。匹配规则为实际故障对应的各频率段能量值与数据库中某典型故障位置对应的各频率段能量值之差的平方和最小。表3给出了部分定位结果，证明了本方法提高了故障区段定位的准确度，满足故障区段定位工程需要，实用性好。
表3 三相短路故障定位结果
Figure BDA0002304024120000081
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单端暂态能量谱相似性的配电网故障区段定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：假设一暂态行波从变电站中压配电线路母线处注入配电网，记录母线处随后一段时间内的暂态电压响应波形，暂态线电压波形的采样存储自行波注入时刻起，经过一定时间窗后，停止暂态电压响应波形的记录；
步骤2：对采集到的暂态电压响应波形进行频谱分析得到多个固有特征频率；
步骤3：根据固有特征频率进行频率段的分割；
步骤4：对采集到的暂态电压响应波形进行频率段能量值的分析与归一化；
步骤4中所述采集到的暂态电压响应波形进行频率段能量值的分析与归一化，具体为：
Figure FDA0002774028970000011
其中，Ej表示经FFT分析和频率段分割之后暂态电压响应波形在步骤3中所确定的第j个频率段上的能量值；Ei表示经FFT分析和频率段分割之后暂态电压响应波形在步骤3中所确定的第i个频率段上的能量值；Ei *表示第i个频率段上的能量值Ei进行规格化处理后的能量值；其中fi-1表示按步骤2所得的第i-1个配电网固有特征频率，fi表示按步骤2所得的第i个配电网固有特征频率；第i个频率段为(fi-1-1)-(fi-1)kHz，p+1表示频率段分割总数；
其中，
Figure FDA0002774028970000012
x1＝floor((fi-1-1)×2Tc×N)，x2＝floor((fi-1)×2Tc×N)，X(m)表示暂态电压响应波形在频率f(m)处的功率，floor()表示返回不大于括号中数值的最大整数值，Tc为采样间隔；
步骤5：建立配电网故障区段定位数据库；
步骤5中所述建立配电网故障区段定位数据库，具体为：
利用电磁暂态仿真软件对配电系统建模与仿真，获得配电网各典型故障位置对应的母线测量点处故障时暂态电压响应波形；
假设配电网有Zty个典型故障位置，那么对于第x个典型故障，其一旦发生，变电站母线处同样会检测到故障行波，按照步骤1的采样率和时间窗，采样存储故障暂态波形；
然后按照步骤4方法，计算出第x个典型故障位置对应的p+1个频率段的进行规格化处理后的能量值，分别为E* x1、E* x2、……、E* x(p+1)，则据此对所有Zty个典型故障位置发生故障的暂态波形进行分析，形成含各典型故障位置相应各频率段能量值的标准数据库；
步骤6：若发生故障，按步骤4方法对母线处记录的故障暂态波形进行分析，得到多个频率段中各频率段能量值，匹配步骤5中所述配电网故障区段定位数据库，即可进行故障区段定位。
2.根据权利要求1所述的单端暂态能量谱相似性的配电网故障区段定位方法，其特征在于，步骤1中所述暂态电压响应波形为Useries，采样间隔为Tc，采样点数为Nc。
3.根据权利要求1所述的单端暂态能量谱相似性的配电网故障区段定位方法，其特征在于，步骤2中所述对采集到的暂态电压响应波形进行频谱分析具体为：
Figure FDA0002774028970000021
其中，
Figure FDA0002774028970000022
N<NC，式中floor()表示返回不大于括号中数值的最大整数值，k取值从1到N/2+1；X(k)表示暂态电压响应波形在频率f(k)处的功率；
根据X(k)可得到该暂态响应波形的频率特性，记为中压配电网固有特征频率，包括：f1，f2，f3……fP共p个频率，对应p个功率峰值，p取决于中压配电网线路不连续点的个数，所述不连续点为线路分支点、线路末端点、架空与电缆连接点。
4.根据权利要求1所述的单端暂态能量谱相似性的配电网故障区段定位方法，其特征在于，步骤3中所述根据固有特征频率进行频率段的分割为：
首先将所有的固有特征频率排序，记为f1、f2…fi…fp，单位为kHz，将固有特征频率分为p+1段：0-(f1-1)kHz为第一个频率段，(fi-1-1)-(fi-1)kHz为第i个频率段，(fp-1-1)-(fp-1)kHz为第p个频率段，大于(fp-1)kHz的频率段为第p+1个频率段。
5.根据权利要求1所述的单端暂态能量谱相似性的配电网故障区段定位方法，其特征在于，匹配步骤5中所述配电网故障区段定位数据库，即可进行故障区段定位，具体为：
实际故障对应的各频率段能量值与数据库中某典型故障位置对应的各频率段能量值之差的平方和最小，具体如下所示：
Figure FDA0002774028970000031
式中，V表示故障定位数据库中所有典型故障位置的集合，j表示第j个典型故障位置；Eif表示实际故障f对应的暂态电压响应波形在第i个频率段进行规格化后的能量值；E* ij表示所述配电网故障区段定位数据库中第j个典型故障位置对应的规格化处理后的第i个频率段能量值；按步骤3所得的第i个频率段为(fi-1-1)-(fi-1)kHz，其中fi-1表示按步骤2所得的第i-1个配电网固有特征频率，fi表示按步骤2所得的第i个配电网固有特征频率；p+1表示按步骤3得出的频率段分割总数。
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