CN111929531B - 一种基于接地故障转移的配电网故障区段定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于接地故障转移的配电网故障区段定位方法及系统，中性点非有效接地系统发生弧光接地故障时，将故障相母线主动接地可有效抑制弧光过电压并消除弧光故障。同时，故障转移前后故障点上游测点零模电流极性相反，故障点下游测点零模电流极性相同，可由此来识别故障区段。对各馈线两次接地后各测点零模电流分别进行S变换，在奈奎斯特频率下按模极大值原则确定故障行波首波头达到时刻，并计算该时刻所对应的相位，进而得到各测点的极性系数；利用区段两端测点极性系数的乘积构造区段系数，实现故障区段定位。该方法可避免因数据采集不同步而造成的故障误判，且不受零序CT极性反接的影响，提高了配电网故障区段定位的可靠性。

Description

一种基于接地故障转移的配电网故障区段定位方法及系统
技术领域
本发明属于配电网故障区段定位技术领域，更具体地，是一种基于接地故障转移的配电网故障区段定位方法及系统。
背景技术
我国中低压配电网普遍采用中性点非有效接地方式，其结构复杂，分布域广，运行环境恶劣，随机故障频发。单相瞬时性接地故障发生时易产生弧光过电压，若不及时处理，将导致事故扩大，引发跳闸停电，破坏供电持续性。同时，为减小人工巡线的难度，有效缩减故障测距范围，高效准确地识别故障区段对快速恢复用户供电和提高配电网运行可靠性有重要作用。
中低压配电网网络拓扑复杂，具有多层分支复杂结构，分支点将整个网络划分为多个分支，区段定位即确定故障点所在分支。目前大多数区段定位方法，如零模电流相关性比较法、相电流模极大值极性比较法等，数据传输量大，对通信条件要求较高；且需同时利用故障区段与非故障区段信息，对数据同步要求较高。此外，现有的基于极性比较的区段定位方法要求CT两侧的参考方向一致，然而，在实际工程中，现场极易出现CT接线极性反接或极性不明确的情况，将导致电流极性结果计算错误而引起误判。
接地故障转移是一种新的故障处理方法，指在母线三相处分别安装快速开关，正常运行时开关处于分闸状态，线路发生弧光接地故障时，故障相快速开关瞬时合闸接地，将故障点处不稳定接地转换为母线处稳定金属性接地，可有效抑制弧光过电压，并实现故障转移。这种故障处理方法特有的两次接地过程使得故障点上、下游区段呈现不同的故障特性，为故障区段定位提供了新思路。
发明内容
针对现有方法的缺陷和改进需求，本发明的目的在于提出一种基于接地故障转移的配电网故障区段定位方法及系统，旨在解决转移接地装置投入后配电线路的故障区段定位问题。
为实现上述目的，本发明在配电系统发生单相接地故障时，利用接地故障转移的方法进行故障处理，其特有的两次接地过程中故障点上、下游区段暂态零模电流的极性存在差异，一方面提出了一种基于接地故障转移的配电网故障区段定位方法，其具体步骤为：
步骤1：单相接地故障发生后将接地故障转移，提取单相接地故障后各测点测得的零模电流i0.j.1及接地故障转移后各测点测得的零模电流i0.j.2，其中j为区段序号；
步骤2：分别对i0.j.1、i0.j.2进行S变换，在奈奎斯特频率下，按模极大值原则确定各自的故障行波首波头达到时刻，计算该时刻下S矩阵中对应时频数据的相位大小，分别记为θ0.j1和θ0.j2，以θ0.j1为参考相位，默认i0.j.1的极性为正，表示为rj.1，rj.1恒取值为1；当|θ0.j2-θ0.j1|<Kre1·180°时，认为i0.j.2与i0.j.1的极性相同，表示为rj.2，取值为1；当|θ0.j2-θ0.j1|>Kre2·180°时，认为i0.j.2与i0.j.1的极性相反，表示为rj.2，取值为-1；其中，Kre1和Kre2为可靠系数，按经验值通常分别取为0.2和0.8；
步骤3：定义各测点i0.j.1和i0.j.2的极性系数rj，rj＝rj.1×rj.2，其中，rj.1和rj.2分别表示零模电流i0.j.1和i0.j.2的极性；定义各区段j的区段系数ρj，并根据区段系数ρj来判断是否为故障区段，当j不为馈线末区段时，则ρj为各区段两端测点极性系数的乘积；当j为馈线末区段时，则ρj为rj与数值1的乘积，用公式表示为：
Figure BDA0002592646170000031
若ρj为负即判定为故障区段，否则为非故障区段。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于接地故障转移的配电网故障区段定位系统，包括：
零模电流提取模块，用于在单相接地故障发生后将接地故障转移，提取单相接地故障后各测点测得的零模电流i0.j.1及接地故障转移后各测点测得的零模电流i0.j.2，其中j为区段序号；
零模电流极性确定模块，用于分别对i0.j.1、i0.j.2进行S变换，在奈奎斯特频率下，按模极大值原则确定各自的故障行波首波头达到时刻，计算该时刻下S矩阵中对应时频数据的相位大小，分别记为θ0.j1和θ0.j2，以θ0.j1为参考相位，辨别i0.j.1和i0.j.2的极性，当极性为正时，取值为1；当极性为负时，取值为-1；以θ0.j1为参考相位，定义i0.j.1的极性为正，表示为rj.1，rj.1恒取值为1；当|θ0.j2-θ0.j1|<Kre1·180°时，认为i0.j.2与i0.j.1的极性相同，表示为rj.2，取值为1；当|θ0.j2-θ0.j1|>Kre2·180°时，认为i0.j.2与i0.j.1的极性相反，表示为rj.2，取值为-1；其中，Kre1和Kre2为可靠系数；
故障区段定位模块，用于定义各测点i0.j.1和i0.j.2的极性系数rj和各区段j的区段系数ρj，并根据区段系数ρj来判断是否为故障区段，若ρj为负即判定为故障区段，否则为非故障区段。
判断过程具体为：
各测点的i0.j.1和i0.j.2间的极性系数rj的计算式为：rj＝rj.1×rj.2；
其中，rj.1和rj.2分别表示零模电流i0.j.1和i0.j.2的极性，当极性为正时，取值为1；当极性为负时，取值为-1；
当j不为馈线末区段时，则ρj为各区段两端测点极性系数的乘积；当j为馈线末区段时，则ρj为rj与数值1的乘积，用公式表示为：
Figure BDA0002592646170000041
若ρj为负即判定为故障区段，否则为非故障区段。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的基于接地故障转移的配电网故障区段定位方法在接地故障转移装置投入的前提下构造定位判据，即故障点上游区段的零模电流在单相接地故障和接地故障转移时极性不同，而故障点下游区段的零模电流在单相接地故障和接地故障转移时极性不变，仅利用故障区段信息即可实现区段定位，避免了数据采集不同步而造成的故障误判；
2、本发明提供的基于接地故障转移的配电网故障区段定位方法中各测点的极性系数由两次接地过程中故障零模电流的极性关系确定，不受零序CT反接的影响，具有更高的工程适用性。
附图说明
图1为本发明对单相接地故障和接地故障转移时中性点非有效接地系统的零模电流分布特征分析图；
图2为本发明在仿真软件平台中搭建的中性点谐振接地配电网仿真模型图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
提出了一种基于接地故障转移的配电网故障区段定位方法，其具体步骤为：
步骤1：单相接地故障发生后将接地故障转移，提取单相接地故障后各测点测得的零模电流i0.j.1及接地故障转移后各测点测得的零模电流i0.j.2，其中j为区段序号；
步骤2：分别对i0.j.1、i0.j.2进行S变换，在奈奎斯特频率下，按模极大值原则确定各自的故障行波首波头达到时刻，计算该时刻下S矩阵中对应时频数据的相位大小，分别记为θ0.j1和θ0.j2，以θ0.j1为参考相位，默认i0.j.1的极性为正，表示为rj.1，rj.1恒取值为1；当|θ0.j2-θ0.j1|<Kre1·180°时，认为i0.j.2与i0.j.1的极性相同，表示为rj.2，取值为1；当|θ0.j2-θ0.j1|>Kre2·180°时，认为i0.j.2与i0.j.1的极性相反，表示为rj.2，取值为-1；其中，Kre1和Kre2为可靠系数，按经验值通常分别取为0.2和0.8；
步骤3：定义各测点i0.j.1和i0.j.2的极性系数rj，rj＝rj.1×rj.2，其中，rj.1和rj.2分别表示零模电流i0.j.1和i0.j.2的极性；定义各区段j的区段系数ρj，并根据区段系数ρj来判断是否为故障区段，当j不为馈线末区段时，则ρj为各区段两端测点极性系数的乘积；当j为馈线末区段时，则ρj为rj与数值1的乘积，用公式表示为：
Figure BDA0002592646170000061
若ρj为负即判定为故障区段，否则为非故障区段。
系统发生接地故障后，系统的零模网络需要在故障点处叠加一个等效零模电压源。如图1所示，线路LN区段3发生单相接地故障等效于在故障点处叠加一个等效零模电压源Uf，此时，故障点至母线的零模电流经系统侧及所有非故障线路对地电容流回大地，故障点至线路末端的零模电流经该区段对地电容流入大地，即故障点上游区段零模电流方向为线路流向母线，故障点下游区段零模电流方向为母线流向线路。当母线处故障相快速开关合闸接地，以实现接地故障转移时，系统零模网络等效为在母线处叠加一个零模电压源Uf'，此时非故障线路以及故障线路各区段零模电流方向均为母线流向线路。图中i01、i02、i03、i04分别代表单相接地故障时故障线路各测点零模电流，i01'、i02'、i03'、i04'分别代表接地故障转移时故障线路各测点零模电流，可见在两次接地过程中故障点上游区段零模电流极性相反，故障点下游区段零模电流极性相同。
中性点非有效接地系统在发生单相接地故障后，立即将母线处故障相快速开关合闸接地，故障点上游区段零模电流在两次接地过程中呈现极性相反的特征，故障点下游区段零模电流在两次接地过程中极性相同的特征。
由此构成的区段定位方法为：单相接地故障15ms后将接地故障转移，分别选取单相接地故障和接地故障转移后小于14ms时窗的零模电流数据，分别对i0.j.1、i0.j.2进行S变换，在奈奎斯特频率下，按模极大值原则确定各自的故障行波首波头达到时刻，计算该时刻下S矩阵中对应时频数据的相位大小；分别记为θ0.j1和θ0.j2。以θ0.j1为参考相位，默认i0.j.1的极性为正，表示为rj.1，rj.1恒取值为1；当|θ0.j2-θ0.j1|<Kre1·180°时，认为i0.j.2与i0.j.1的极性相同，表示为rj.2，取值为1；当|θ0.j2-θ0.j1|>Kre2·180°时，认为i0.j.2与i0.j.1的极性相反，表示为rj.2，取值为-1；其中，Kre1和Kre2为可靠系数，按经验值通常分别取为0.2和0.8。定义各测点i0.j.1和i0.j.2的极性系数rj，rj＝rj.1×rj.2,其中，rj.1和rj.2分别表示零模电流i0.j.1和i0.j.2的极性；定义各区段j的区段系数ρj，并根据区段系数ρj来判断是否为故障区段，当j不为馈线末区段时，则ρj为各区段两端测点极性系数的乘积；当j为馈线末区段时，则ρj为rj与数值1的乘积，若ρj为负即判定为故障区段，否则为非故障区段。
图2为本发明在仿真软件平台中搭建的中性点谐振接地配电网仿真模型。其中，G为无穷大电源；T为主变压器，接线方式为YNd11，变比为110kV/10.5kV；Ti(i代表线路)为配电变压器，接线方式为Dyn11，变比为10kV/0.4kV；Z为接地变压器，中性点经消弧线圈和阻尼电阻接地；四条馈线分别为L1(40km)、L2(32km)、L3(24km)、L4(16km)，等间距布置测点，即L1每10km布置一个测点，L2每8km布置一个测点，L3每6km布置一个测点，L4每4km布置一个测点；负荷采用三相平衡的恒定阻抗负载模型，统一等效为P＝0.405MW和Q＝0.2475MVar，功率因数为0.85；容性无功补偿装置的容量按主变压器容量的30％配置，每相电容为173μF；采样频率为10MHz。
当0.12s时线路L1的C相在距离母线6km处发生单相电弧接地故障，即故障位置位于区段1，具体步骤如下：
步骤1：单相接地故障15ms后将接地故障转移，以采样频率10MHz分别采样并提取各测点单相接地故障和接地故障转移后小于14ms时窗的零模电流i0.1.1～i0.16.1、i0.1.2～i0.16.2；
步骤2：分别对i0.1.1～i0.16.1、i0.1.2～i0.16.2进行S变换，在奈奎斯特频率下，按模极大值原则确定各自的故障行波首波头达到时刻，计算该时刻下S矩阵中对应时频数据的相位大小；分别记为θ0.j1和θ0.j2。以θ0.j1为参考相位，辨别i0.j.1和i0.j.2的极性，记为r1.1～r16.1和r1.2～r16.2。当极性为正时，取值为1；当极性为负时，取值为-1；故障线路L1上各测点结果为：r1.1～r1.4＝1，r2.1＝-1，r2.2～r2.4＝1，计算过程如表1所示。
表1
测点1 测点2 测点3 测点4
θ<sub>0.j1</sub> -177.923 -178.836 1.752 -178.117
θ<sub>0.j2</sub> 0.365 -178.967 1.730 -177.609
|θ<sub>0.j2</sub>-θ<sub>0.j1</sub>| 178.288 0.131 0.022 0.508
r<sub>j.1</sub> 1 1 1 1
r<sub>j.2</sub> -1 1 1 1
步骤3：计算各测点i0.j.1和i0.j.2的极性系数rj和各区段的区段系数，ρj，故障线路L1各测点结果为：r1＝-1，r2＝1，r3＝1，r4＝1，ρ1＝-1，ρ2＝1，ρ3＝1，ρ4＝1，ρ1的计算值为负，可判定区段1为故障区段。
由于电弧故障多发生在合闸角为90°的情况，因此只在不同位置处设置电弧故障进行仿真，故障区段定位的过程与结果如表2～3所示。其中故障位置分别为：F1为线路L1距离母线6km处发生故障，F2为线路L2距离母线24km处发生故障，F3为线路L3距离母线12km处故障，F4为线路L4距离母线4km处故障。为验证零序CT反接对定位结果的影响，假设F5为测点14的零序CT反接且线路L4距离母线4km处故障。单相电弧接地故障时，表2列出各测点极性系数rj计算结果；表3列出各区段的区段系数ρj的计算结果和最终的定位结果。
表2
故障位置 测点1 测点2 测点3 测点4
F1 -1 1 1 1
故障位置 测点5 测点6 测点7 测点8
F2 -1 -1 -1 1
故障位置 测点9 测点10 测点11 测点12
F3 -1 -1 1 1
故障位置 测点13 测点14 测点15 测点16
F4 -1 1 1 1
F5 -1 1 1 1
表3
故障位置 区段1 区段2 区段3 区段4 定位结果
F1 -1 1 1 1 区段1
故障位置 区段5 区段6 区段7 区段8 定位结果
F2 1 1 -1 1 区段7
故障位置 区段9 区段10 区段11 区段12 定位结果
F3 1 -1 1 1 区段10
故障位置 区段13 区段14 区段15 区段16 定位结果
F4 -1 1 1 1 区段13
F5 -1 1 1 1 区段13
观察表3的定位结果，本发明提出的基于接地故障转移的配电网故障区段定位方法适用于不同位置发生故障时的区段定位，不受CT反接的影响，具有较高的准确性的可靠性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的一个实例而已，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 (2)

1.一种基于接地故障转移的配电网故障区段定位方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
(1)单相接地故障发生后将接地故障转移，提取单相接地故障后各测点测得的零模电流i0.j.1及接地故障转移后各测点测得的零模电流i0.j.2，其中j为区段序号；
(2)分别对i0.j.1、i0.j.2进行S变换，在奈奎斯特频率下，按模极大值原则确定各自的故障行波首波头达到时刻，计算该时刻下S矩阵中对应时频数据的相位大小，分别记为θ0.j1和θ0.j2，以θ0.j1为参考相位，辨别i0.j.1和i0.j.2的极性，定义i0.j.1的极性为正，表示为rj.1，rj.1恒取值为1；当|θ0.j2-θ0.j1|<Kre1·180°时，认为i0.j.2与i0.j.1的极性相同，表示为rj.2，取值为1；当|θ0.j2-θ0.j1|>Kre2·180°时，认为i0.j.2与i0.j.1的极性相反，表示为rj.2，取值为-1；其中，Kre1和Kre2为预设的可靠系数；
(3)定义各测点i0.j.1和i0.j.2的极性系数rj和各区段j的区段系数ρj，并根据区段系数ρj来判断是否为故障区段，若ρj为负即判定为故障区段，否则为非故障区段；具体为：
(31)各测点的i0.j.1和i0.j.2间的极性系数rj的计算式如下：
rj＝rj.1×rj.2
其中，rj.1和rj.2分别表示零模电流i0.j.1和i0.j.2的极性，当极性为正时，取值为1；当极性为负时，取值为-1；
(32)当j不为馈线末区段时，则ρj为各区段两端测点极性系数的乘积；当j为馈线末区段时，则ρj为rj与数值1的乘积，用公式表示为：
Figure FDA0003055096650000021
若ρj为负即判定为故障区段，否则为非故障区段。
2.一种基于接地故障转移的配电网故障区段定位系统，其特征在于，包括：
零模电流提取模块，用于在单相接地故障发生后将接地故障转移，提取单相接地故障后各测点测得的零模电流i0.j.1及接地故障转移后各测点测得的零模电流i0.j.2，其中j为区段序号；
零模电流极性确定模块，用于分别对i0.j.1、i0.j.2进行S变换，在奈奎斯特频率下，按模极大值原则确定各自的故障行波首波头达到时刻，计算该时刻下S矩阵中对应时频数据的相位大小，分别记为θ0.j1和θ0.j2，以θ0.j1为参考相位，辨别i0.j.1和i0.j.2的极性，定义i0.j.1的极性为正，表示为rj.1，rj.1恒取值为1；当|θ0.j2-θ0.j1|<Kre1·180°时，认为i0.j.2与i0.j.1的极性相同，表示为rj.2，取值为1；当|θ0.j2-θ0.j1|>Kre2·180°时，认为i0.j.2与i0.j.1的极性相反，表示为rj.2，取值为-1；其中，Kre1和Kre2为预设的可靠系数；
故障区段定位模块，用于定义各测点i0.j.1和i0.j.2的极性系数rj和各区段j的区段系数ρj，并根据区段系数ρj来判断是否为故障区段，若ρj为负即判定为故障区段，否则为非故障区段；所述故障区段定位模块的判断过程具体为：
各测点的i0.j.1和i0.j.2间的极性系数rj的计算式为：rj＝rj.1×rj.2；
其中，rj.1和rj.2分别表示零模电流i0.j.1和i0.j.2的极性，当极性为正时，取值为1；当极性为负时，取值为-1；
当j不为馈线末区段时，则ρj为各区段两端测点极性系数的乘积；当j为馈线末区段时，则ρj为rj与数值1的乘积，用公式表示为：
Figure FDA0003055096650000031
若ρj为负即判定为故障区段，否则为非故障区段。
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