CN111413591B - 一种基于电压故障分量分布特性的故障定位方法及装置 - Google Patents

一种基于电压故障分量分布特性的故障定位方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电压故障分量分布特性的故障定位方法及装置，所述方法包括：S1：根据故障时刻线路双端测得的电压电流故障分量，结合线路阻抗导纳参数得到沿线电压分布曲线；S2：基于所述电压分布曲线，得到初始故障定位区间；S3：对双端故障分量进行差值计算，构建差值电压分布曲线；S4：结合步骤S2确定的电压分布曲线斜率、初始故障定位区间以及步骤S3确定的差值电压分布曲线斜率，得到优化后的故障定位区间。通过本发明，能够有效改善线路长度较短时，电压故障分量分布曲线陡度较低导致存在较大定位区间的问题，从而提升了故障定位精度。

Description

一种基于电压故障分量分布特性的故障定位方法及装置
技术领域
本发明属于配电网故障定位技术领域，更具体地，涉及一种基于电压故障分量分布特性的故障定位方法及装置。
背景技术
随着经济发展和社会需求的不断提高，用户对供电质量的要求也不断提高。电网在实际运行过程中受到运行方式、恶劣环境、自身老化等不同程度影响，线路极易发生故障。而在我国城市广泛分布的配电网存在分支多、供电量大、网络结构复杂的特点，因此线路故障发生概率极大，如果故障没有被及时发现或未能及时定位故障所在位置，将会严重影响电网供电可靠性和稳定性。
目前，输电线路故障测距的方法主要是基于稳态信息和暂态信息进行研究。基于稳态信息的方法主要通过分析故障发生时沿线电压电流是否异常，具体表现在其幅值、相角等；基于暂态信息的方法主要先通过信号分析提取特征量，再根据不同情况采取对应的识别方法进行定位。在实际工程中，现场获取波形混杂多种噪声，行波波头辨识困难，采用暂态信息测距的可靠性及准确性会受到严重影响。而采用线路双端电压电流稳态信息可以充分利用故障特征且不受过渡电阻影响，以往存在适应性差的问题也由于PMU装置的开发利用得以解决，更适用于实际工程中的故障定位。尽管如此，配电网广泛布置的中短长度线路的沿线电压分布受限于线路长度，电压特征不明显，导致双端测距结果与实际故障位置存在较大偏差。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于电压故障分量分布特性的故障定位方法和装置，其目的在于解决中短长度线路电压特征不明显，导致双端测距结果与实际故障位置存在较大偏差的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于电压故障分量分布特性的故障定位方法，包括以下步骤：
S1：根据故障时刻线路双端测得的电压电流故障分量，结合线路阻抗导纳参数得到沿线电压分布曲线；
S2：基于所述电压分布曲线，得到初始故障定位区间；
S3：对双端故障分量进行差值计算，构建差值电压分布曲线；
S4：结合步骤S2确定的电压分布曲线斜率、初始故障定位区间以及步骤S3确定的差值电压分布曲线斜率，得到优化后的故障定位区间。
进一步地，所述步骤S1中，以单线模型表示所述线路，以P、Q为始末端的故障线路全长为l；
所述单线模型为集中参数模型，线路始端P处起始的电压分布曲线方程为：ΔuPx＝ΔuP-(ΔiP-ΔuP﹒Yx)Zx；线路末端Q处起始的电压分布曲线方程为：ΔuQx＝ΔuQ-[ΔiQ-ΔuQ﹒Y(l-x)]Z(l-x)；
其中，ΔuP和ΔiP为线路始端P处的电压故障分量和电流故障分量，ΔuQ和ΔiQ为线路末端Q处的电压故障分量和电流故障分量，Z和Y为故障线路单位阻抗和单位导纳。
进一步地，所述步骤S1中，以单线模型表示所述线路，以P、Q为始末端的故障线路全长为l；
所述单线模型为分布参数模型，线路始端P处起始的电压分布曲线方程为：ΔuPx＝ΔuP cosh(γx)-zcΔiP sinh(γx)；线路末端Q处起始的电压分布曲线方程为：ΔuQx＝ΔuQcosh(γ(l-x))-zcΔiQ sinh(γ(l-x))；
其中，ΔuP和ΔiP为线路始端P处的电压故障分量和电流故障分量，ΔuQ和ΔiQ为线路末端Q处的电压故障分量和电流故障分量，γ为传播系数，zc为故障线路特征阻抗。
进一步地，所述步骤S2中，
将所述电压分布曲线表示为一次函数形式，线路始端P处起始的电压分布曲线斜率和线路末端Q处起始的电压分布曲线斜率分别为KP和KQ；
由|ΔuPx|＝|ΔuQx|，计算得到故障点xf和故障电压uf；
根据uset＝uf-Δu计算电压门槛值uset；其中，Δu为电压互感器在不同精度等级下其二次侧存在的电压误差；
由
Figure BDA0002473047610000032
计算得到初始故障定位区间(x1,x2)。
进一步地，所述步骤S3中，对ΔuPx和ΔuQx进行差值计算，线路始端P处起始的差值电压分布曲线方程为：ΔUPx＝ΔuPx-ΔuQx，斜率为ΔKP；线路末端Q处起始的差值电压分布曲线方程为：ΔUQx＝ΔuQx-ΔuPx，斜率为ΔKQ。
进一步地，所述步骤S4中，Δu、KP、KQ、ΔKP、ΔKQ满足：
Figure BDA0002473047610000031
基于此，计算得到优化后的故障定位区间(x′1,x′2)。
进一步地，所述故障分量为以下之一：突变量，负序分量，零序分量。
本发明另一方面提供了一种基于电压故障分量分布特性的故障定位装置，包括以下模块：
故障分量获取模块，用于根据故障时刻线路双端测得的电压电流故障分量，结合线路阻抗导纳参数得到沿线电压分布曲线；
初始故障定位区间确定模块，用于基于所述电压分布曲线，得到初始故障定位区间；
差值电压分布曲线构建模块，用于对双端故障分量进行差值计算，构建差值电压分布曲线；
优化故障定位区间确定模块，用于结合所述初始故障定位区间确定模块确定的电压分布曲线斜率、初始故障定位区间以及所述差值电压分布曲线构建模块确定的差值电压分布曲线斜率，得到优化后的故障定位区间。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
本发明利用故障时刻线路双端测得电压电流故障分量，结合线路阻抗导纳参数列写沿线电压分布方程，并求解初始故障定位区间；并对双端故障分量进行差值计算，构建差值电压分布曲线，从而进一步突出故障分量特征；结合电压分布曲线斜率、初始故障定位区间以及差值电压分布曲线斜率，得到优化后的故障定位区间。如此，本发明能够有效改善线路长度较短时，电压故障分量分布曲线陡度较低导致存在较大定位区间的问题，从而提升了故障定位精度。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于电压故障分量分布特性的故障定位方法的流程示意图；
图2为本发明提供的故障线路单线结构示意图；
图3为本发明提供的线路故障分量等效电路示意图；
图4为本发明提供的故障发生时双端线路电压故障分量分布示意图；
图5为本发明对图4的电压曲线进行差值计算后得到的沿线电压故障分量示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明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。
本发明一方面提供了一种基于电压故障分量分布特性的故障定位方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
S1：根据故障时刻线路双端测得的电压电流故障分量，结合线路阻抗导纳参数得到沿线电压分布曲线；
具体的，如图2所示的故障线路，通过对线路双端电压、电流互感器采样获取实时电压电流，并转换生成故障分量，由工程台账读取线路阻抗及导纳参数。故障时刻故障分量等效电路如图3所示，以单线模型表示所述线路，以P、Q为始末端的故障线路全长为l，ΔuP和ΔiP为线路始端P处的电压故障分量和电流故障分量，ΔuQ和ΔiQ为线路末端Q处的电压故障分量和电流故障分量，Z和Y为故障线路单位阻抗和单位导纳。
结合图3所示工况下电压电流关系并考虑线路参数影响，所述单线模型为集中参数模型，线路始端P处起始的电压分布曲线方程为：ΔuPx＝ΔuP-(ΔiP-ΔuP﹒Yx)Zx；线路末端Q处起始的电压分布曲线方程为：ΔuQx＝ΔuQ-[ΔiQ-ΔuQ﹒Y(l-x)]Z(l-x)；
所述单线模型为分布参数模型，线路始端P处起始的电压分布曲线方程为：ΔuPx＝ΔuP cosh(γx)-zcΔiP sinh(γx)；线路末端Q处起始的电压分布曲线方程为：ΔuQx＝ΔuQcosh(γ(l-x))-zcΔiQ sinh(γ(l-x))；其中，γ为传播系数，zc为故障线路特征阻抗。
S2：基于所述电压分布曲线，得到初始故障定位区间；
具体的，沿线电压故障分量分布曲线如图4所示，当分别从P、Q侧观察故障点时，故障点前故障分量为真实电压，故障点后为虚拟电压，但仍然保持真实电压陡度延续。针对集中参数或是分布参数模型，电压分布均可近似表示为一次函数形式，线路始端P处起始的电压分布曲线斜率和线路末端Q处起始的电压分布曲线斜率分别为KP和KQ。
进一步，由|ΔuPx|＝|ΔuQx|，计算得到故障点xf和故障电压uf；
并根据uset＝uf-Δu计算电压门槛值uset；其中，Δu为电压互感器在不同精度等级下其二次侧存在的电压误差；
由
Figure BDA0002473047610000063
计算得到初始故障定位区间(x1,x2)。
S3：对双端故障分量进行差值计算，构建差值电压分布曲线；
具体的，为突出故障分量分布特征，提高分布曲线斜率，定义沿线差值电压分布表达式。以P端为起始点的差值电压定义为ΔUPx＝ΔuPx-ΔuQx，斜率为ΔKP；以Q端为起始点的差值电压定义为ΔUQx＝ΔuQx-ΔuPx，斜率为ΔKQ；此时利用差值电压绘制新的沿线故障分量规律曲线，如图5所示，相比于图4分布趋势更加明显。
S4：结合步骤S2确定的电压分布曲线斜率、初始故障定位区间以及步骤S3确定的差值电压分布曲线斜率，得到优化后的故障定位区间。
具体的，如图5所示，Δu、KP、KQ、ΔKP、ΔKQ满足：
Figure BDA0002473047610000061
基于此，推导得到x′1和x′2的表达式：
Figure BDA0002473047610000062
如图5所示，定位区间(x′1,x′2)相比于定位区间(x1,x2)得到有效缩减，从而提高了故障定位精度。
本发明实施例另一方面提供了一种基于电压故障分量分布特性的故障定位装置，包括以下模块：
故障分量获取模块，用于根据故障时刻线路双端测得的电压电流故障分量，结合线路阻抗导纳参数得到沿线电压分布曲线；
初始故障定位区间确定模块，用于基于所述电压分布曲线，得到初始故障定位区间；
差值电压分布曲线构建模块，用于对双端故障分量进行差值计算，构建差值电压分布曲线；
优化故障定位区间确定模块，用于结合所述初始故障定位区间确定模块确定的电压分布曲线斜率、初始故障定位区间以及所述差值电压分布曲线构建模块确定的差值电压分布曲线斜率，得到优化后的故障定位区间。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于电压故障分量分布特性的故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤；
S1：根据故障时刻线路双端测得的电压电流故障分量，结合线路阻抗导纳参数得到沿线电压分布曲线；所述故障分量为以下之一：突变量，负序分量，零序分量；
S2：将所述电压分布曲线表示为一次函数形式，线路始端P处起始的电压分布曲线斜率和线路末端Q处起始的电压分布曲线斜率分别为KP和KQ；由|ΔuPx|＝|ΔuQx|，计算得到故障点xf和故障电压uf；根据uset＝uf-Δu计算电压门槛值uset；由
Figure FDA0003153006500000011
计算得到初始故障定位区间(x1，x2)；其中，ΔuPx和ΔuQx分别为以P和Q处起始时故障线路中任意一点x的电压，
Figure FDA0003153006500000012
为以P处起始时在点x1的电压，
Figure FDA0003153006500000013
为以Q处起始时在点x2的电压，Δu为电压互感器在不同精度等级下其二次侧存在的电压误差；
S3：对ΔuPx和ΔuQx进行差值计算，线路始端P处起始的差值电压分布曲线方程为：ΔUPx＝ΔuPx-ΔuQx，斜率为ΔKP；线路末端Q处起始的差值电压分布曲线方程为：ΔUQx＝ΔuQx-ΔuPx，斜率为ΔKQ；
S4：基于
Figure FDA0003153006500000014
计算得到优化后的故障定位区间(x′1，x′2)。
2.如权利要求1所述的故障定位方法，其特征在于，所述步骤S1中，
以单线模型表示所述线路，以P、Q为始末端的故障线路全长为l；
所述单线模型为集中参数模型，线路始端P处起始的电压分布曲线方程为：ΔuPx＝ΔuP-(ΔiP-ΔuP·Yx)Zx；线路末端Q处起始的电压分布曲线方程为：ΔuQx＝ΔuQ-[ΔiQ-ΔuQ·Y(l-x)]Z(l-x)；x为故障线路中任意一点与始端P处的距离；
其中，ΔuP和ΔiP为线路始端P处的电压故障分量和电流故障分量，ΔuQ和ΔiQ为线路末端Q处的电压故障分量和电流故障分量，Z和Y为故障线路单位阻抗和单位导纳。
3.如权利要求1所述的故障定位方法，其特征在于，所述步骤S1中，
以单线模型表示所述线路，以P、Q为始末端的故障线路全长为l；
所述单线模型为分布参数模型，线路始端P处起始的电压分布曲线方程为：ΔuPx＝ΔuPcosh(γx)-zcΔIPsinh(γx)；线路末端Q处起始的电压分布曲线方程为：ΔuQx＝ΔuQcosh(γ(l-x))-zcΔIQsinh(γ(l-x))；x为故障线路中任意一点与始端P处的距离；
其中，ΔuP和ΔiP为线路始端P处的电压故障分量和电流故障分量，ΔuQ和ΔiQ为线路末端Q处的电压故障分量和电流故障分量，γ为传播系数，zc为故障线路特征阻抗。
4.一种基于电压故障分量分布特性的故障定位装置，其特征在于，包括以下模块；
故障分量获取模块，用于根据故障时刻线路双端测得的电压电流故障分量，结合线路阻抗导纳参数得到沿线电压分布曲线；所述故障分量为以下之一：突变量，负序分量，零序分量；
初始故障定位区间确定模块，用于将所述电压分布曲线表示为一次函数形式，线路始端P处起始的电压分布曲线斜率和线路末端Q处起始的电压分布曲线斜率分别为KP和KQ；由|ΔuPx|＝|ΔuQx|，计算得到故障点xf和故障电压uf；根据uset＝uf-Δu计算电压门槛值uset；由
Figure FDA0003153006500000021
Figure FDA0003153006500000022
计算得到初始故障定位区间(x1，x2)；其中，ΔuPx和ΔuQx分别为以P和Q处起始时故障线路中任意一点x的电压，
Figure FDA0003153006500000023
为以P处起始时在点x1的电压，
Figure FDA0003153006500000024
为以Q处起始时在点x2的电压，Δu为电压互感器在不同精度等级下其二次侧存在的电压误差；
差值电压分布曲线构建模块，用于对ΔuPx和ΔuQx进行差值计算，线路始端P处起始的差值电压分布曲线方程为：ΔUPx＝ΔuPx-ΔuQx，斜率为ΔKP；线路末端Q处起始的差值电压分布曲线方程为：ΔUQx＝ΔuQx-ΔuPx，斜率为ΔKQ；
优化故障定位区间确定模块，用于基于
Figure FDA0003153006500000031
计算得到优化后的故障定位区间(x′1，x′2)。
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