CN111965475A - 一种基于零序电流分布特性的配电网综合故障研判方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于零序电流分布特性的配电网综合故障研判方法，包括如下步骤：通过针对零序电流分布特征分析，对小电流接地系统故障特性进行研究；根据健全线路与故障线路的零序电流分布特征差异，构造故障区段辨识判据；基于层次聚类算法对配电网故障区段进行辨识。本发明的故障研判方法基于零序基频分量，采样要求低、抗噪能力强，提高了区段辨识方法的适应性；使用多周期故障数据，放大区段两端零序电流幅值的差异，抗干扰能力强，提高了区段辨识方法的可靠性；对故障数据进行层次聚类分析，定义距离比值筛选故障线路，简单、直观，提高了区段辨识方法的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种配电网综合故障研判方法，尤其涉及一种基于零序电流分布特性的 配电网综合故障研判方法，属于配电网技术领域。
背景技术
电能质量的高低对于维护电力系统安全可靠的运行起着不可或缺的作用，在目前世 界上6～35kV配电网系统中，电力系统出现故障所占比例最大的是单相接地故障。当系统中的某一相接地时，但由于故障电流比较小，所以在故障发生后仅仅相电压产生改变，但是线电压还是保持对称，还能够对用户正常供电，因此，当发生单相故障后，系统可 以带电运行一段时间，但是保护设备需要快速做出动作并发出故障信号，采取恰当的解 决办法，缩短故障时间，提高供电可靠性。
目前，世界各国电力系统水平随着经济的高速发展也得到了提高，配电网的规模越 来越大，出线越来越多，为了提高配网系统的节能高效性，电缆和架空线混合的出线方式被大量使用，致使配电系统的对地电容增大，当发生接地时流过线路的故障电流随之 增大，如果在这种情况下发生单相接地故障而没有及时处理，那么就很容易引发其他更 严重的故障，倘若长时间处于单相接地的运行模式下，极有可能导致电力系统失去平衡， 会威胁到整个系统的运行安全。此外，由于发生单相接地后的非故障相的相电压突增为 原来的3倍，会对配电设备的绝缘性能产生影响，大大增加了事故发生的可能性。因此， 为了保证系统的可靠性及安全性，必须要准确识别并及时找出故障线路。
发明内容
发明目的：本发明的目的为提供一种保证用户的正常用电、提高配电网的安全可靠 性、减少误判造成的严重后果、避免造成更大范围的危害和影响的基于零序电流分布特性的配电网综合故障研判方法。
技术方案：本发明的基于零序电流分布特性的配电网综合故障研判方法，包括如下 步骤：
(1)通过针对零序电流分布特征分析，得到小电流接地系统故障特性；
(2)根据所得故障特性研究健全线路与故障线路的零序电流分布特征差异，构造故障区段辨识判据；
(3)根据构造的故障区段判识判据并基于层次聚类算法对配电网故障区段进行辨识。
进一步地，步骤(1)中零序电流分布特征包括：
对于故障线路，故障点至线路末端的的零序电流分布与健全线路一致；而母线至故 障点线路上的零序电流与中性点接地方式有关；
不接地系统线路上的零序电流为健全线路对地电容电流之和与不接地系统线路对 地电容电流之和，不接地系统线路上的零序电流沿母线至故障点方向递增；
谐振接地系统线路上的零序电流包括健全线路对地电容电流之和、谐振接地系统线 路上对地电容电流之和以及消弧线圈补偿的电感电流，谐振接地系统线路零序电流幅值 沿母线至故障点方向递减。
步骤(1)中零序电流分布特征分别利用如下公式计算零序参数恒定的线路上每一点处的零序电流相量：
其中，x为故障点与线路始端的距离，
分别为线路始端零序电流、电压相量，
分别为线路末端零序电流、电压相量，γ(0)为零序网络的传播常数，Zc (0)为零序网络的特征阻抗，
为零序电流向量，L为线路长度。
由于式中的特征阻抗Z(0)c和传播常数γ(0)均是复数，并且两个公式本身都是高阶非 线性函数，很难直接分析该函数的凹凸性，考虑使用双曲函数的Taylor展开式对其进行 降阶处理，将零序电流相量计算公式降阶成一次函数，即近似认为在低压配电网中，零序电压处处相等，降阶后的零序电流相量计算公式如下：
步骤(2)中故障区段辨识判据的零序电流幅值差的计算公式如下：
图5中为一典型配电网结构示意图，假设线路C4发生单相接地故障，由于线路上的零序电压处处相等，等于故障点处的零序电压，规定故障后零序电流的流向为正方向， 则根据式(2)可得，线路上任意点x处的零序电流幅值为：
其中，Lx为x点上游线路的长度之和。
健全线路C1上母线至故障点间线路上任意两个故障指示器i1与i2之间的零序电流幅 值差为：
其中，LS为两个故障指示器的间距。
对于故障线路C4，任意非故障区段两端的故障指示器j1与j2之间的零序电流幅值差 为：
而故障区段两端的故障指示器k1与k2之间的零序电流幅值差与中性点接地方式有关，分别为：
中性点不接地系统：
谐振接地系统：
其中，
分别与为k1点上游线路的长度之和与k2点下游线路的长度之和，IL为消弧线圈产生的电感电流的幅值。
步骤(3)中层次聚类算法将m条线路上n个故障指示器t个周期的r个数据分别 放入m个矩阵中，称为数据对象矩阵，记为IM，M＝1，2，……，m，IM为r×n阶矩阵， 将故障指示器t个周期的r个数据作为反映故障信息的r维数据对象，每条线路上的n 个故障指示器的数据作为数据对象集合，使用曼哈顿距离Dmn度量两个r维数据对象之 间的距离：
式中，Xtm、Xtn分别为两个r维数据对象的相对距离。
步骤(3)中层次聚类算法包括构建数据对象矩阵和故障区段定位。
本发明的基于零序电流分布特性的配电网综合故障研判系统，包括零序电流分布特 征分析模块、降阶误差分析模块和故障区段辨识模块程序，降阶误差分析模块从零序电流分布特征分析模块提取零序电流分布特征数据，故障区段辨识模块程序根据降阶误差分析模块构造的故障区段辨识判据对配电网故障区段进行辨识。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：通过分析健全线路与故障线路的零序电流分布特征差异，构造故障区段辨识判据，利用层次聚类分析分布式故障 指示器的量测信息，辨识故障区段，方法简单、可靠，具有重要的应用价值；能够保证 用户的正常用电，提高配电网的安全可靠性，减少误判造成的严重后果，避免造成更大 范围的危害和影响，对配电网的安全运行具有非常重要的意义。
附图说明
图1是不同线路的零序电流分布图；
图2是健全线路与故障线路零序电流幅值分布图；
图3是三种形式的零序电流分布图；
图4是不同截面积电缆的降阶误差图；
图5是典型的配电网结构图；
图6是10kV配电网仿真模型图；
图7(a)-(c)是零序电流幅值三维分布图，图7(a)为线路C5的零序电流幅值三维分布 图，图7(b)为线路C8的零序电流幅值三维分布图，图7(c)为线路C9的零序电流幅值三维分布图；
图8是故障区段辨识流程图；
图9(a)-(b)是仿真数据的层次聚类树状图，图9(a)为健全线路C8的仿真数据的层次 聚类树状图，图9(b)为故障线路C9的仿真数据的层次聚类树状图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
步骤1，通过针对零序电流分布特征分析，对小电流接地系统故障特性进行研究。
具体如下：
(1)零序电流分布特征
目前，小电流接地系统主要为中性点不接地和谐振接地两种形式。下面以A相发生单相接地故障为例，定性分析线路上零序电流的分布特征，对于健全线路与故障线路故 障点至线路末端部分，零序电流不受消弧线圈的影响，分析时不加以区分。将系统的零 序网络划分为无穷个参数恒定的小区间，且假设第k个区间Δx所产生的对地电容电流 为ΔICk。
对于健全线路T1，如图1BUS右侧区域所示，健全线路上某处零序电流为该点之后所有线路对地电容电流之和，所以健全线路上的零序电流沿着出线方向递减。
对于故障线路T2，如图1BUS左侧区域所示，故障点至线路末端的的零序电流分布与健全线路一致(红色虚线)；而母线至故障点这一部分线路上的零序电流与中性点接地方式有关：
对于不接地系统，该段线路上的零序电流为健全线路对地电容电流之和(黑色虚线) 与线路对地电容电流之和(蓝色虚线)，沿母线至故障点方向递增。
对于谐振接地系统，该段线路上的零序电流由三部分组成：健全线路对地电容电流 之和(黑色虚线)、本区间上对地电容电流之和(蓝色虚线)、以及消弧线圈补偿的电感电流 (绿色虚线)，该部分线路零序电流幅值沿母线至故障点方向递减。
对于零序参数恒定的线路，可分别利用下式计算每一点处的零序电流相量：
其中，x为故障点与线路始端的距离，I(0) st、U(0) st分别为线路始端零序电流、电压相量，I(0) ed、U(0) ed分别为线路末端零序电流、电压相量，γ(0)为零序网络的传播常数，Z(0) c为零序网络的特征阻抗。
由于式中的特征阻抗
和传播常数γ(0)均是复数，并且两个公式本身都是高阶非线 性函数，很难直接分析该函数的凹凸性，考虑使用双曲函数的Taylor展开式对其进行降 阶处理，将方程降阶成一次函数，即近似认为在低压配电网中，零序电压处处相等，将式(17)简化成式(18)，零序电流幅值的分布曲线如图2所示。
(2)降阶误差分析
在PSCAD中搭建两条出线电缆模型，线路参数按照YJV 8.7/15kV 1×300型电缆设置， 利用仿真数据分析降阶处理的误差。在一条线路上设置A相接地故障，故障电阻10Ω，图3为三种形式的健全线路零序电流幅值分布曲线。
为了验证降阶模型的其可行性，利用皮尔逊相关系数对降阶后的函数曲线与原始函 数曲线进行相似性分析。选取常用的10种不同截面积(截面积50-500mm2)的YJV 8.7/15kV电缆，相似性分析结果如图4所示。
从图4可以看出，对于不同截面积的电缆，截面积越大，降阶函数与原函数的相似性越小，但依旧在99.9％以上。
步骤2，根据健全线路与故障线路的零序电流分布特征差异，构造故障区段辨识判据。具体如下：
图5为典型的配电网结构示意图，线路上安装有分布式的故障指示器，按照从左往右，从上到下的顺序，对故障指示器进行编号，记为pq，p代表该故障指示器所在的支 路，p＝Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,…m，q代表每条支路上故障指示器的排序，q＝1,2,3,4,…n，此 外，把相邻的两个故障指示器i、j之间的线路定义为一个故障区段Si-j。
假设线路C4发生单相接地故障，由于线路上的零序电压处处相等，等于故障点处的 零序电压，规定故障后零序电流的流向为正方向，则根据式(18)可得，线路上任意点x处的零序电流幅值为：
其中，Lx为x点上游线路的长度之和。
健全线路C1上母线至故障点间线路上任意两个故障指示器i1与i2之间的零序电流幅 值差为：
其中，LS为两个故障指示器的间距。
对于故障线路C4，任意非故障区段两端的故障指示器j1与j2之间的零序电流幅值差 为：
而故障区段两端的故障指示器k1与k2之间的零序电流幅值差与中性点接地方式有关，分别为：
中性点不接地系统：
谐振接地系统：
其中，Lk1、Lk2分别与为k1点上游线路的长度之和与k2点下游线路的长度之和，IL为消弧线圈产生的电感电流的幅值。故本专利将故障区段与非故障区段两端零序电流幅 值差的差异作为区段辨识判据。
步骤3，基于层次聚类算法对配电网故障区段进行辨识。具体如下：
在PSCAD/EMTDC中搭建如图6所示10kV配电网仿真模型，系统共10条电缆线路， 具体参数见表1。在线路上间隔1km布置一个故障指示器并编号，在线路C9中距始端 6.5km处设置A相单相接地故障，故障电阻为10Ω，故障初相角为90°，中性点接地方 式为不接地。线路长度、变压器变比、负载容量如下表所示。
表1电缆线路参数
在实际故障过程中，过渡电阻阻值不断波动，系统的零序电压会随过渡电阻的变化 而变化，从式(20)-(23)可以看出，某一时刻故障区段与非故障区段两端零序电流幅值差 仅与零序电压幅值有关，可以充分利用多个周期的数据，提高故障区段辨识的准确性。图7(a)-(c)为仿真得到的故障后2周期零序电流幅值三维图，与理论分析结果一致。
基于以上分析，各线路n个故障指示器任意时刻的零序电流幅值变化趋势相同；健全线路上故障指示器同时刻零序电流幅值差恒定，而故障线路上故障点前后零序电流幅值差不同。因此，可使用层次聚类算法分辨故障区段。
图8为故障区段辨识流程图。将m条线路上n个故障指示器t个周期的r个数据分 别放入m个矩阵中，称为数据对象矩阵，记为IM，M＝1，2，……，m，IM为r×n阶矩 阵。将故障指示器t个周期的r个数据作为反映故障信息的r维数据对象，每条线路上 的n个故障指示器的数据作为数据对象集合，使用曼哈顿距离Dmn度量两个r维数据对 象之间的距离：
基于层次聚类方法对仿真数据进行区段辨识，结果如图8所示。图9(a)-(b)是仿真数 据的层次聚类树状图，图9(a)为健全线路C8的仿真数据的层次聚类树状图，图9(b)为故障线路C9的仿真数据的层次聚类树状图。
基于与方法实施例相同的技术构思，根据本发明的另一实施例，提供一种计算机设 备，所述设备包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个 或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述 程序被处理器执行时实现方法实施例中的各步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面 的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的 计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的 计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理 器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产 生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功 能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定 方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指 令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算 机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或 其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图 一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
Claims (8)
1.一种基于零序电流分布特性的配电网综合故障研判方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过针对零序电流分布特征分析，得到小电流接地系统故障特性；
(2)根据所得故障特性研究健全线路与故障线路的零序电流分布特征差异，构造故障区段辨识判据；
(3)根据构造的故障区段判识判据并基于层次聚类算法对配电网故障区段进行辨识。
2.根据权利要求1所述基于零序电流分布特性的配电网综合故障研判方法，其特征在于，步骤(1)中所述零序电流分布特征包括：
对于故障线路，故障点至线路末端的零序电流分布与健全线路一致；母线至故障点线路上的零序电流与中性点接地方式有关；
不接地系统线路上的零序电流为健全线路对地电容电流之和与不接地系统线路对地电容电流之和，所述不接地系统线路上的零序电流沿母线至故障点方向递增；
谐振接地系统线路上的零序电流包括健全线路对地电容电流之和、谐振接地系统线路上对地电容电流之和以及消弧线圈补偿的电感电流，所述谐振接地系统线路零序电流幅值沿母线至故障点方向递减。
3.根据权利要求1所述基于零序电流分布特性的配电网综合故障研判方法，其特征在于，步骤(1)中所述零序电流分布特征分别利用如下公式计算零序参数恒定的线路上每一点处的零序电流相量：
其中，x为故障点与线路始端的距离，
分别为线路始端零序电流、电压相量，
分别为线路末端零序电流、电压相量，γ(0)为零序网络的传播常数，Zc (0)为零序网络的特征阻抗，
为零序电流向量，L为线路长度。
4.根据权利要求3所述基于零序电流分布特性的配电网综合故障研判方法，其特征在于，将所述零序电流相量计算公式降阶成一次函数，降阶后的零序电流相量计算公式如下：
5.根据权利要求1或4所述基于零序电流分布特性的配电网综合故障研判方法，其特征在于，步骤(2)中所述故障区段辨识判据的零序电流幅值差的计算公式如下：
假设故障线路C4发生单相接地故障，线路上任意点x处的零序电流幅值Ix (0)为：
其中，Lx为x点上游线路的长度之和，Uf (0)为故障点零序电压向量，γ0为零序网络的传播常数；
健全线路C1上母线至故障点间线路上任意两个故障指示器i1与i2之间的零序电流幅值差
为：
其中，LS为两个故障指示器的间距，
为故障指示器i1处零序电流向量，
为故障指示器i2处零序电流向量；
对于故障线路C4，任意非故障区段两端的故障指示器j1与j2之间的零序电流幅值差
为：
式中，
为故障指示器j1处零序电流向量，
为故障指示器j1处零序电流向量；
故障区段两端的故障指示器k1与k2之间的零序电流幅值差
式中，
为故障指示器k1处零序电流向量，
为故障指示器k1处零序电流向量；
谐振接地系统的故障指示器k1与k2之间的零序电流幅值差
其中，
分别与为k1点上游线路的长度之和与k2点下游线路的长度之和，IL为消弧线圈产生的电感电流的幅值。
6.根据权利要求1所述基于零序电流分布特性的配电网综合故障研判方法，其特征在于，步骤(3)中所述层次聚类算法是将数据对象矩阵记为IM，M＝1，2，……，m，IM为r×n阶矩阵，将故障指示器t个周期的r个数据作为反映故障信息的r维数据对象，每条线路上的n个故障指示器的数据作为数据对象集合，使用曼哈顿距离Dmn度量两个r维数据对象之间的距离：
式中，Xtm、Xtn分别为两个r维数据对象的相对距离。
7.根据权利要求1所述基于零序电流分布特性的配电网综合故障研判方法，其特征在于，步骤(3)中所述层次聚类算法包括构建数据对象矩阵和故障区段定位。
8.一种基于零序电流分布特性的配电网综合故障研判系统，其特征在于：包括零序电流分布特征分析模块、降阶误差分析模块和故障区段辨识模块程序，所述降阶误差分析模块从零序电流分布特征分析模块提取零序电流分布特征数据，所述故障区段辨识模块程序根据降阶误差分析模块构造的故障区段辨识判据对配电网故障区段进行辨识。
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