CN111580008B - 一种基于相位跳变下扰动功率分析的短路故障选线方法 - Google Patents

一种基于相位跳变下扰动功率分析的短路故障选线方法 Download PDF

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    • G01R31/086—Locating faults in cables, transmission lines, or networks according to type of conductors in power transmission or distribution networks, i.e. with interconnected conductors

Abstract

本发明提出一种基于相位跳变下扰动功率分析的短路故障选线方法，包括步骤：电力系统发生短路故障时，读取SCADA的电压和电流的采样信息，获取短路故障波形的起始点、结束点；根据所获取的短路故障波形的起始点和结束点，在确定并计及有相位跳变的情况下，将采样点数据分为短路故障前、短路故障中和短路故障后三组；基于线性叠加原理计算线路首末端的扰动功率，确定短路故障所在线路。本发明中扰动功率的计算更为准确；根据电力系统SCADA的电压电流信息准确判断短路故障线路，便于电力系统短路故障排查和定位电网薄弱环节。

Description

一种基于相位跳变下扰动功率分析的短路故障选线方法
技术领域
本发明属电能质量分析技术领域，特别是涉及一种基于相位跳变下扰动功率分析的短路故障选线方法。
背景技术
电压暂降是电力系统中难以避免的电能质量问题，往往会引起巨大的经济损失。其中，多数电压暂降是由系统短路故障引起的，电力系统中某一处发生短路故障，即可能引发短路故障点附近的节点发生电压暂降。
电力电子设备对电压暂降十分敏感，同时随着自动化生产的普及，电力电子设备的应用日益广泛，电压暂降可能导致设备发生短路故障引发整个生产过程停滞，造成巨大的经济损失，甚至危及人们的生命安全。根据调查，美国的工商业大用户由电压暂降造成的平均经济损失达7694美元/次，短时间中断的平均经济损失达11027美元/次，因而电压暂降治理成为电力系统重点关注的问题。治理电压暂降的前提之一是定位短路故障，而短路故障定位一般是先进行短路故障选线，确定短路故障线路后通过巡线等方式定位准确短路故障位置排除短路故障。短路故障选线主要有通过电力系统中的监测装置记录的电压和电流信息判断短路故障位置和在电力系统中注入信号判断短路故障位置两种方案。在电力系统中注入信号进行短路故障选线的方法需要通过信号监测仪进行检测，操作较为复杂，而通过电力系统中的数据采集与监视控制系统(SCADA)所记录的短路故障的电压和电流信息进行短路故障选线，既在电力系统原有的信息系统中采集信息，节约成本，同时直接通过信号的处理、计算和分析进行短路故障选线，操作更加简便。同时，大多短路故障选线方法难以适用于环形电网，且对过渡电阻敏感，当过渡电阻过大时难以准确定位短路故障线路。
治理电压暂降的重要前提是定位电压暂降源，本发明主要的电压暂降源指的是短路故障。根据电力系统监测的电压和电流信息，定位短路故障线路，为短路故障排查和电压暂降的治理奠定基础，提高电力系统的可靠性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于相位跳变下扰动功率分析的短路故障选线方法。本发明运用基于叠加原理的短路故障选线方法，考虑相位跳变，确定短路故障起始点和结束点后剔除可能存在的相位跳变，将采样点分为同样周期数短路故障前、短路故障中和短路故障后三组，能够实现准确选出短路故障线路，可适用于不同的过渡电阻和采样点。
一种基于相位跳变下扰动功率分析的短路故障选线方法，其特征在于包括以下步骤：
电力系统发生短路故障时，读取SCADA的电压和电流的采样信息，获取短路故障波形的起始点、结束点；
根据所获取的短路故障波形的起始点和结束点，在确定并计及有相位跳变的情况下，将采样点数据分为短路故障前、短路故障中和短路故障后三组；
基于线性叠加原理计算线路首末端的扰动功率，确定短路故障所在线路。
短路故障波形的起始点、结束点利用matlab中的小波包工具来获取。
确定是否有相位跳变情况的方法为，计算短路故障起始点前的最后一个过零点与短路故障起始点后的第一个过零点的相位差
Figure BDA0002453394650000021
为
Figure BDA0002453394650000022
判断
Figure BDA0002453394650000023
是否为360度，若不是，则存在相位跳变；
Figure BDA0002453394650000024
为短路故障起始点前的最后一个过零点的相位，
Figure BDA0002453394650000025
为短路故障起始点后的第一个过零点的相位；短路故障前的终点取短路故障起始点前一个周期的过零点，短路故障中的起点取短路故障起始点后一个周期的过零点，短路故障中的终点取短路故障结束点前一个周期的过零点，短路故障后的起点取短路故障结束点后一个周期的过零点，过零点定义为过零点左边的值小于0，过零点右边的值大于0，从而，将电压和电流的采样点分为短路故障前、短路故障中和短路故障后三组，并对三组采样点截取同样周期，形成三组相同数量短路故障前、短路故障中和短路故障后采样点，
[Upf Udf Uaf]
[Ipf Idf Iaf]
式中，Upf和Ipf分别指短路故障前的电压和电流，Udf和Idf分别指短路故障时的电压和电流，Uaf和Iaf分别指短路故障后的电压和电流。
以短路故障起始点为分点在短路故障前和短路故障中取相同的周期作为扰动前后的采样量，定义监测点i监测到的扰动期间的电压和电流以及扰动前的电压和电流
Figure BDA0002453394650000031
Figure BDA0002453394650000032
式中，uadfi(k)、ubdfi(k)和ucdfi(k)分别是扰动期间第i个监测点A、B、C三相的电压的采样值；iadfi(k)、ibdfi(k)和icdfi(k)分别是扰动期间第i个监测点A、B、C三相的电流的采样值；uapfi(k)、ubpfi(k)和ucpfi(k)分别是扰动前第i个监测点A、B、C三相的电压的采样值；iapfi(k)、ibpfi(k)和icpfi(k)分别是扰动前第i个监测点A、B、C三相的电流的采样值；k表示第k个采样点；
扰动电压和扰动电流通过短路故障期间和短路故障前的波形进行计算
Figure BDA0002453394650000033
Figure BDA0002453394650000034
式中，Δuai(k)、Δubi(k)和Δuci(k)分别是第i个监测点A、B、C三相的扰动电压的采样值；Δiai(k)、Δibi(k)和Δici(k)分别是第i个监测点A、B、C三相的扰动电流的采样值；
定义监测点i监测到的扰动电压和扰动电流
Figure BDA0002453394650000041
则可计算短路故障相的扰动功率瞬时值的表达式
Δpi(k)＝Δii(k)TΔui(k)
式中，Δpi(k)表示第i个监测点的扰动功率瞬时值；
扰动功率的平均值定义为
Figure BDA0002453394650000042
式中，ΔPi(k)表示第i个监测点的扰动功率平均值；
若计算得线路首末端的扰动功率均大于0，则说明短路故障位于该线路的上游，线路首末端均标记为1；若计算的线路首末端的扰动功率均小于0，则说明短路故障位于该线路的下游，线路首末端均标记为-1；若计算的线路首末端的扰动功率分为大于0和小于0或者小于0和大于0，则说明短路故障位于该线路上，线路首末端标记为1和-1或者-1和1；遍历所有线路首末端标记的结果，选出首末端标记不同的线路，即为短路故障所在线路。
本发明的技术效果：
本发明基于叠加原理的扰动功率法，可应用于不同网络结构的电力系统短路故障选线；考虑相位跳变，确定短路故障起始点和结束点后剔除可能存在的相位跳变，将采样点分为同样周期数短路故障前、短路故障中和短路故障后三组，使扰动功率的计算更为准确；可适用于不同过渡电阻和采样点，不影响有效性和准确性；根据电力系统SCADA的电压电流信息准确判断短路故障线路，为电力系统短路故障排查和定位电网薄弱环节奠定基础。
附图表说明
图1是本发明的一种基于相位跳变下扰动功率分析的短路故障选线方法的流程图；
图2是本发明方法中的含相位跳变的短路故障电压波形；
图3是本发明方法中的电力系统的短路故障；
图4是本发明方法中的电力系统短路故障的等值电路；
图5是本发明方法中的扰动源等值电路；
图6是本发明方法中的线性叠加原理的等值电路；
图7是本发明方法中的等值叠加电路；
图8是本发明的具体实施方式的典型辐射网；
图9是本发明的具体实施方式中m1和m2监测点在不同类型的短路故障下的扰动功率；
图10是本发明的具体实施方式中m1监测节点在不同过渡电阻下的扰动功率；
图11是本发明的具体实施方式中m2监测节点在不同过渡电阻下的扰动功率；
图12是本发明的具体实施方式中m1监测节点在不同采样点下的扰动功率；
图13是本发明的具体实施方式中m2监测节点在不同采样点下的扰动功率。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明。
以下公开详细的推理分析方法和示范分析例。然而，此处公开的具体推理及分析过程细节仅仅是出于描述示范分析例的目的。
然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。
如图1所示，本发明提出的一种基于相位跳变下扰动功率分析的短路故障选线方法包括以下步骤：
步骤A、考虑相位跳变影响，读取并处理SCADA中电压和电流的采样信息。
步骤A1、读取电压电流信息，基于小波变换检测法判断短路故障起始点和结束点。
当电力系统发生短路故障时，母线节点的电压会发生突变，这种突变信号属于奇异信号的一种，相当于在信号的奇异点处叠加脉冲函数或阶跃函数。信号的奇异点与小波系数的模极大值点在时域上存在对应关系，并从一个尺度传播到另一个尺度，同时在各尺度上均保持极大值，通过检测小波分解高频段的模极大值点，进而确定原始信号中短路故障发生的起止时刻。
利用matlab中的小波包工具，获取短路故障波形的起始点和结束点。如图2所示，该短路故障波形采样点，经小波包工具分析获得短路故障起始点为td，短路故障结束点是tr。
步骤A2、计及相位跳变，将采样点数据分为短路故障前、短路故障中和短路故障后三组。
根据步骤A1中得到的短路故障起始点和结束点，判断是否有相位跳变情况，计算短路故障起始点前的最后一个过零点与短路故障起始点后的第一个过零点的相位差
Figure BDA0002453394650000061
判断
Figure BDA0002453394650000062
是否为360度，若不是，则存在相位跳变。如图2所示，
Figure BDA0002453394650000063
为360+δ1，即发生相位跳变。相位跳变可能使短路故障前和短路故障中采样点的选取不满足采样点的相位一致，导致扰动功率计算错误。
因此在求取扰动电压和电流采样点时，短路故障前的终点取短路故障起始点前一个周期的过零点，短路故障中的起点取短路故障起始点后一个周期的过零点，短路故障中的终点取短路故障结束点前一个周期的过零点，短路故障后的起点取短路故障结束点后一个周期的过零点。过零点定义为过零点左边的值小于0，过零点右边的值大于0。从而，将电压和电流的采样点分为短路故障前、短路故障中和短路故障后三组，并对三组采样点截取同样周期，形成三组相同数量短路故障前、短路故障中和短路故障后采样点。
[Upf Udf Uaf]
[Ipf Idf Iaf]
式中，Upf和Ipf分别指短路故障前的电压和电流，Udf和Idf分别指短路故障时的电压和电流，Uaf和Iaf分别指短路故障后的电压和电流。
步骤B、计算线路首末端的扰动功率，确定短路故障所在线路。
步骤B1、基于叠加原理的扰动功率法。
当系统中某点发生如图3所示的短路故障时，可等效为如图4所示的电路。
定义扰动源为Δuf(t)＝udf(t)-upf(t)，则图4的等值电路可等效为图5的电路，若认为电力系统中的元件是线性的，则根据线性叠加原理，将图5的电路等效为图6的电路。其中：u1(t)、u2(t)为系统等效电源；udf(t)是短路故障期间短路故障点的电压；Zs1、Zs2为双侧电源内阻抗；ZL1、ZL2为线路阻抗；P为功率，下方“→”表示该mi监测点功率P的参考方向。下标p表示扰动前，d表示扰动期间。
由于电路正常运行时，f点的电位为upf，因此f点到地的电流为0，相当于开路，因此等效电路可等效为由正常运行电路和扰动电源叠加而成，如图7所示。
图7(b)中，扰动系统中仅有扰动源Δuf(t)为唯一电源，由扰动源向外发出能量，定义扰动源发出的功率为扰动功率，能量流流经m1、m2监测点，扰动源发出的功率消耗在双侧电源内阻抗Zs1、Zs2和线路阻抗ZL1、ZL2上，如图7(b)中P1(t)、P2(t)分别为扰动源向两个方向发出的功率，则m1和m2监测到的扰动功率分别为扰动源在电源内阻抗Zs1和Zs2上消耗的功率，m1参考方向与扰动功率流方向相反，指示方向表示短路故障源位于m1监测点的下游；m2参考方向与扰动功率流方向相同，指示方向表示短路故障源位于m2监测点的上游。
假设电源分别为
Figure BDA0002453394650000081
和
Figure BDA0002453394650000082
电源的内阻分别为Zs1和Zs2，负载分别为ZL1和ZL2。当f点发生短路故障时，设扰动前后f点的电压分别为：
Figure BDA0002453394650000083
且Udf＜Upf，则扰动源
Figure BDA0002453394650000084
由此可分别对m1和m2监测点的扰动功率进行计算。
对监测点m1来说，以扰动源的参考方向为正，则仅在扰动电源激励下m1监测点的电压和电流分别为
Figure BDA0002453394650000085
Figure BDA0002453394650000086
计算得其瞬时扰动功率值为
Figure BDA0002453394650000087
当m1参考方向与扰动源的电压参考方向一致时，此时扰动功率大于0，短路故障源位于监测点m1的上游；而当m1参考方向与扰动源参考方向相反时，扰动功率小于0，短路故障源位于监测点m1的下游。
对监测点m2来说，以扰动源的参考方向为正，则仅在扰动电源激励下m2监测点的电压和电流分别为
Figure BDA0002453394650000091
Figure BDA0002453394650000092
计算得其瞬时扰动功率值为
Figure BDA0002453394650000093
当m2参考方向与扰动源的电压参考方向一致时，此时扰动功率大于0，短路故障源位于监测点m2的上游；而当m2参考方向与扰动源参考方向相反时，扰动功率小于0，短路故障源位于监测点m2的下游。
综上所述可得，当监测点的扰动功率的极性为正时，短路故障源位于上游，极性为负时，短路故障源位于下游。
步骤B2、计算扰动功率，确定短路故障的上下游位置
根据步骤A解析监测点记录的短路故障波形所得到的三组短路故障前、短路故障中和短路故障后的采样点。以短路故障起始点为分点在短路故障前和短路故障中取相同的周期作为扰动前后的采样量。
定义监测点i监测到的扰动期间的电压和电流以及扰动前的电压和电流
Figure BDA0002453394650000094
Figure BDA0002453394650000095
式中，uadfi(k)、ubdfi(k)和ucdfi(k)分别是扰动期间第i个监测点A、B、C三相的电压的采样值；iadfi(k)、ibdfi(k)和icdfi(k)分别是扰动期间第i个监测点A、B、C三相的电流的采样值；uapfi(k)、ubpfi(k)和ucpfi(k)分别是扰动前第i个监测点A、B、C三相的电压的采样值；iapfi(k)、ibpfi(k)和icpfi(k)分别是扰动前第i个监测点A、B、C三相的电流的采样值；k表示第k个采样点。
扰动电压和扰动电流通过短路故障期间和短路故障前的波形进行计算
Figure BDA0002453394650000101
Figure BDA0002453394650000102
式中，Δuai(k)、Δubi(k)和Δuci(k)分别是第i个监测点A、B、C三相的扰动电压的采样值；Δiai(k)、Δibi(k)和Δici(k)分别是第i个监测点A、B、C三相的扰动电流的采样值。
定义监测点i监测到的扰动电压和扰动电流
Figure BDA0002453394650000103
则可计算短路故障相的扰动功率瞬时值的表达式
Δpi(k)＝Δii(k)TΔui(k)
式中，Δpi(k)表示第i个监测点的扰动功率瞬时值。
扰动功率的平均值定义为
Figure BDA0002453394650000104
式中，ΔPi(k)表示第i个监测点的扰动功率平均值。
若计算得线路首末端的扰动功率均大于0，则说明短路故障位于该线路的上游，线路首末端均标记为1；若计算的线路首末端的扰动功率均小于0，则说明短路故障位于该线路的下游，线路首末端均标记为-1；若计算的线路首末端的扰动功率分为大于0和小于0或者小于0和大于0，则说明短路故障位于该线路上，线路首末端标记为1和-1或者-1和1。
步骤B3、确定短路故障所在线路
遍历所有线路首末端标记的结果，选出首末端标记不同的线路，即为短路故障所在线路。
以下通过一个具体实施方式来说明本发明的技术效果。
如图8所示的辐射网，其主要参数如下：E1为系统侧等效电源，短路容量1000MVA；E2选取同步发电机，实际发出有功功率56MW；110kV侧线路阻抗Z＝0.002+j0.04Ω，线路导纳B/2＝j0.0059Ω，10kV侧线路阻抗Z＝0.057+j1.33Ω，线路导纳B/2＝j1.1e-5Ω；3个变压器依次为：Y/Δ、Δ/Y和Y/Y。系统频率50Hz，10kV侧为中性点不接地系统，110kV和380V侧均为中性点接地系统。选择一条线路设置短路故障F，设置过渡电阻为0，得到该辐射网配置的监测点监测到的电压和电流信息，通过本发明的方法可以求得各监测装置判断的短路故障上下游位置，如表1所示。
表1典型辐射网F点发生短路故障时各监测点的短路故障位置判断结果
Figure BDA0002453394650000111
根据表1可以选出短路故障所在线路为监测点m1和m2所在的线路，与实际设置短路故障所在线路判断一致。监测点m1和m2在四种不同类型短路故障单相接地、两相接地、两相短路和三相短路下计算得到的扰动功率的波形分别如图9所示，能够正确判别短路故障位置位于监测点的上下游位置。
改变过渡电阻大小考察该方法对过渡电阻的适用性，设置过渡电阻分别为0、500、1000和1500Ω，得到m1和m2的扰动功率波形如图10和图11所示，扰动功率的正负不发生改变，即证明在高阻接地情况下该短路故障选线方法仍然适用。
本发明仿真时设置一周期采样点为512，当采样点改变为64、128和256时，m1和m2的扰动功率波形如图12和图13所示，扰动功率的正负不发生改变，即证明采样点的多少并不影响该方法的准确性和有效性。
需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方式，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思的前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于相位跳变下扰动功率分析的短路故障选线方法，其特征在于包括以下步骤：
电力系统发生短路故障时，读取SCADA的电压和电流的采样信息，获取短路故障波形的起始点、结束点；
根据所获取的短路故障波形的起始点和结束点，在确定并计及有相位跳变的情况下，将采样点数据分为短路故障前、短路故障中和短路故障后三组；确定是否有相位跳变情况的方法为，计算短路故障起始点前的最后一个过零点与短路故障起始点后的第一个过零点的相位差
Figure FDA0002946494170000011
为
Figure FDA0002946494170000012
判断
Figure FDA0002946494170000013
是否为360度，若不是，则存在相位跳变；
Figure FDA0002946494170000014
为短路故障起始点前的最后一个过零点的相位，
Figure FDA0002946494170000015
为短路故障起始点后的第一个过零点的相位；短路故障前的终点取短路故障起始点前一个周期的过零点，短路故障中的起点取短路故障起始点后一个周期的过零点，短路故障中的终点取短路故障结束点前一个周期的过零点，短路故障后的起点取短路故障结束点后一个周期的过零点，过零点定义为过零点左边的值小于0，过零点右边的值大于0，从而，将电压和电流的采样点分为短路故障前、短路故障中和短路故障后三组，并对三组采样点截取同样周期，形成三组相同数量短路故障前、短路故障中和短路故障后采样点，
[Upf Udf Uaf]
[Ipf Idf Iaf]
式中，Upf和Ipf分别指短路故障前的电压和电流，Udf和Idf分别指短路故障时的电压和电流，Uaf和Iaf分别指短路故障后的电压和电流；
基于线性叠加原理计算线路首末端的扰动功率，确定短路故障所在线路。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位跳变下扰动功率分析的短路故障选线方法，其特征在于，所述短路故障波形的起始点、结束点利用matlab中的小波包工具来获取。
3.根据权利要求1所述的一种基于相位跳变下扰动功率分析的短路故障选线方法，其特征在于以短路故障起始点为分点在短路故障前和短路故障中取相同的周期作为扰动前后的采样量，定义监测点i监测到的扰动期间的电压和电流以及扰动前的电压和电流
Figure FDA0002946494170000021
Figure FDA0002946494170000022
式中，uadfi(k)、ubdfi(k)和ucdfi(k)分别是扰动期间第i个监测点A、B、C三相的电压的采样值；iadfi(k)、ibdfi(k)和icdfi(k)分别是扰动期间第i个监测点A、B、C三相的电流的采样值；uapfi(k)、ubpfi(k)和ucpfi(k)分别是扰动前第i个监测点A、B、C三相的电压的采样值；iapfi(k)、ibpfi(k)和icpfi(k)分别是扰动前第i个监测点A、B、C三相的电流的采样值；k表示第k个采样点；
扰动电压和扰动电流通过短路故障期间和短路故障前的波形进行计算
Figure FDA0002946494170000031
Figure FDA0002946494170000032
式中，Δuai(k)、Δubi(k)和Δuci(k)分别是第i个监测点A、B、C三相的扰动电压的采样值；Δiai(k)、Δibi(k)和Δici(k)分别是第i个监测点A、B、C三相的扰动电流的采样值；
定义监测点i监测到的扰动电压和扰动电流
Figure FDA0002946494170000033
则可计算短路故障相的扰动功率瞬时值的表达式
Δpi(k)＝Δii(k)TΔui(k)
式中，Δpi(k)表示第i个监测点的扰动功率瞬时值；
扰动功率的平均值定义为
Figure FDA0002946494170000041
式中，ΔPi(k)表示第i个监测点的扰动功率平均值；
若计算得线路首末端的扰动功率均大于0，则说明短路故障位于该线路的上游，线路首末端均标记为1；若计算的线路首末端的扰动功率均小于0，则说明短路故障位于该线路的下游，线路首末端均标记为-1；若计算的线路首末端的扰动功率分为大于0和小于0或者小于0和大于0，则说明短路故障位于该线路上，线路首末端标记为1和-1或者-1和1；遍历所有线路首末端标记的结果，选出首末端标记不同的线路，即为短路故障所在线路。
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