CN112130027A - 基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法，首先在考虑单相接地故障时暂态零序电流的特点的基础上，分析分布式电源DG接入小电流接地系统后对系统故障时暂态特性的影响；然后，利用动态时间弯曲距离算法计算系统线路各侧的动态时间弯曲值，实现对故障区段和非故障区段的区分，通过与设定阈值比较，即判断出故障区段。本发明方法在不同合闸角、不同接地方式、不同过渡电阻以及不同容量DG的加入下，都能准确定位出故障区段。

Description

基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法

技术领域

本发明涉及配电网故障定位领域，具体涉及一种基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法。

背景技术

由分布式电源接入的主动配电网，可以对配电网进行规划、运行和控制，已经成为当前主动配电网的热点问题。由于分布式电源接入传统配电网中，使配电网从原来的单端供电变成双端甚至多端供电，潮流方向也变得复杂多变，其中发生单相接地故障时的特征也会有所变化，导致传统的故障定位方法不再适用。因此，为了快速隔离故障，确保DG接入之后电网能够安全稳定的运行，特别是解决有分支的主动配电网发生单相接地故障时的故障区段定位问题，具有重要的意义。

针对主动配电网发生的单相接地故障定位计算，已有很多文献对此进行了研究。目前故障区段定位算法分为基于矩阵算法和智能算法两大类。

(1)：矩阵算法主要是运用图论的知识，通过故障判断矩阵来确定故障区段。例如：运用一种主从式纵联保护方案，当线路发生故障时，位于某条故障线路出口处的保护从机就会检测到请求保护的相关信息，再结合矩阵算法的原理去实现主动配电网的快速定位。

(2)：智能算法主要是通过配电自动化来获得信息，然后将信息传给主站的过程。例如：人工智能算法可以将0和1的规划问题转换成故障定位问题，通过建立相应的开关函数，来构造出对应的评价函数，在智能算法可以进行全局寻优的前提下实现故障区段定位。

上述第(1)类矩阵算法虽然原理简单，但是其非常依赖于馈线终端上传的信息，当馈线信息出现畸变时，该方法的容错性就会降低，导致定位不准确。第(2)类方法中的智能算法会陷入局部最优，运用整数规划思想建立的开关函数比较复杂，不能用于发生多重故障的主动配电网中。

针对以上方法存在的一些问题，结合DG接入配电网后，使得配电网的拓扑结构变得复杂、出现多端供电，以及运行方式也复杂多样，发生单相接地故障时故障电流比较小、电气量特征不明显等一系列问题，提出一种适用于主动配电网的故障定位且快速准确地定位到故障区段的方法，成为现阶段研究的重点。

发明内容

针对现有的故障定位方法定位复杂、以及不适用于发生多重故障的主动配电网的缺陷。本发明提供一种基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法，首先分析系统发生单相接地故障时，故障线路与非故障线路暂态零序电流的特征；其次，引入动态时间弯曲距离算法，测算线路两侧暂态零序电流的相似程度，并计算动态时间弯曲值，通过与设定的阈值进行比较，可以准确地区分出故障区段。该方法在不同合闸角、不同接地方式、不同过渡电阻以及不同容量DG的加入下，都能准确定位出故障区段。

本发明采取的技术方案为：

基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法，首先在考虑单相接地故障时暂态零序电流的特点的基础上，分析分布式电源DG接入小电流接地系统后对系统故障时暂态特性的影响；然后，利用动态时间弯曲距离算法计算系统线路各侧的动态时间弯曲值，实现对故障区段和非故障区段的区分，通过与设定阈值比较，即判断出故障区段。

基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法，包括以下步骤：

步骤1：根据小电流接地系统的运行方式，分析其发生单相接地故障时暂态零序电流的特点；

步骤2：分析分布式电源接入小电流接地系统后，对系统故障时暂态特性的影响；

步骤3：将动态时间弯曲算法引入到配电网故障区段定位中；

步骤4：确定动态时间弯曲算法故障定位判据；

步骤5：对含分布式电源的IEEE33节点配电网模型进行仿真，计算各区段的动态时间弯曲距离值，进而确定故障区段。

本发明一种基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法，技术效果如下：

1)针对小电流接地系统发生单相接地故障时故障电流信号比较微弱的特征，利用动态时间弯曲距离计算线路两侧暂态零序电流的相似程度，通过设置阈值进行比较，从而实现故障区段定位，大量的仿真验证了该方法的准确性。

2)利用零序电流信号来进行故障定位，需要上传的数据比较少，消弧线圈对系统的影响比较小，有利于故障定位。

3)动态时间弯曲算法在DG接入配电网后，仍然是故障线路两侧的暂态零序电流幅值差异还是很大，非故障线路两侧的暂态零序电流幅值差异很小，所以判据依旧有效。且该算法不受DG容量和不同接入位置的影响，对于配电网中发生的两点故障仍能准确定位出故障区段，有较好的准确性。

4)只需要检测零序电流的信息，不需要测量电压信息，定位简单准确，鲁棒性较强。

5)仿真结果表明，该方法不仅定位速度快，而且在多重故障的情况下也能准确定位。

附图说明

图1为小电流接地系统暂态等效电路图。

图2为动态时间弯曲路径图。

图3为含分布式电源的IEEE33节点配电网模型图。

具体实施方式

基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法，包括以下步骤：

步骤1：根据小电流接地系统的运行方式，分析其发生单相接地故障时暂态零序电流的特点；

步骤2：分析分布式电源接入小电流接地系统后，对系统故障时暂态特性的影响；

步骤3：将动态时间弯曲算法引入到配电网故障区段定位中；

步骤4：确定动态时间弯曲算法故障定位判据；

步骤5：对含分布式电源的IEEE33节点配电网模型进行仿真，计算各区段的动态时间弯曲距离值，进而确定故障区段。

所述步骤1中，在我国6～35kV的中压配电网就称为小电流接地系统，其中小电流接地系统的运行方式，主要包括：中性点经高阻接地、中性点不接地和中性点经消弧线圈接地三种。

单相接地故障主要是指小电流接地系统中出现的某一相发生单相接地，这种故障情况是配电网中最常见的。当系统中发生了单相接地故障时，就会出现非故障相的电压升高为线电压，这样运行下去会对设备造成损坏，也会存在一些问题如故障电流信号微弱、较容易收到外界的干扰等等。

暂态零序电流的特点是，当系统中发生了单相接地故障时，故障相的零序电流的幅值是最大的，大小等于所有非故障相零序电流的幅值之和，对于极性来说，故障相与非故障相的暂态零序电流的方向也是相反的。

所述步骤1中，暂态零序电流是由暂态电容电流和暂态电感电流叠加而来的，暂态电容电流，如公式(1)所示：

其中，i_C为暂态电容电流，i'_C为自由振荡分量，i”_C为工频稳态分量，I_cm为电容电流的幅值，ω_f为暂态角频率，ω为系统角频率，

为故障时的初相角，t为时间，δ表示振荡分量衰减的程度，δ＝1/τ_c＝R₀/2L₀，τ_c就表示一个时间常数，sin表示正弦函数，cos表示余弦函数，i_C随着的τ_c减小而减小，表明它的衰减速度越来越快，相反τ_c的值越大，i_C的衰减速度就越慢。

暂态电感电流如公式(2)所示：

其中，i_L表示的是暂态电感电流，I_Lm表示的是电感电流的幅值，τ_c同样表示时间常数，t为时间，

为故障时的初相角，ω为系统角频率，cos表示余弦函数，暂态电感电流由逐渐衰减的直流分量和稳定的交流分量两部分组成。

所述步骤2中，当线路中接入分布式电源DG时，分布式电源DG的接入只会影响系统的零序电流的分布，对于各线路的零序电流的特征没有什么影响，且不论故障发生在有分布式电源DG的线路，或者发生在无分布式电源DG的线路，都不会改变系统发生故障时的基本暂态特性，仍然是故障线路的暂态零序电流的幅值是最大的，极性与健全线路相反。所述步骤3中，将动态时间弯曲算法引入到小电流接地故障的配电网中，去解决主动配电网中的故障区段定位问题。动态时间弯曲算法主要描述了两个不同序列的相似程度，对于故障线路两侧波形相差很大，健全线路两侧的波形很相似。运用了动态规划思想，来调整两个序列不同点之间的对应关系，进而求出一条最佳路径。此算法通过FTU将检测到的故障暂态零序电流信息上传给主站，然后计算线路两侧不同序列暂态零序电流的动态时间弯曲距离值，然后与设定的阈值进行比较，可以有效地区分出故障区段。配电网故障区段定位就是当系统中发生单相接地故障时，运用动态时间弯曲算法去确定配电系统中发生故障的某个区段，以便快速的排查出故障，将故障从配电系统中隔离出去。

动态时间弯曲最佳路径间的距离矩阵为M_t×r，如公式(3)所示：

其中，M表示最佳距离矩阵，两个不同的时间序列分别为X＝{x₁,x₂,…,x_t}和Y＝{y₁,y₂,…,y_r}，t和r表示这两个序列的维数，i和j表示两个序列中的第i和第j个数，式中d(x_i,y_j)表示了两个序列中各元素的对应关系。

可以用欧氏距离表示两个序列X和Y之间的关系,用M_ij来表示，如公式(4)所示：

M_ij＝d(x_i,y_j)＝(x_i-y_i)² (4)

其中：d(x_i,y_j)表示了两个序列中各元素的对应关系，i和j表示两个序列中的第i和第j个数，x_i和y_i为序列X和Y中的元素。

动态时间弯曲距离的递归算法求出最佳路径，如公式(5)所示：

其中，D_TW(X,Y)表示弯曲路径的最小值，D(t,r)表示t和r位置处的弯曲路径值，D(0,0)表示(0,0)处的弯曲路径，D(0,∞)表示(0,∞)位置处的弯曲路径值，D(∞，0)表示(∞，0)位置处的弯曲路径值，i和j表示两个序列中的第i和第j个数，D(i,j)表示i和j位置处的弯曲路径值，m_ij表示欧式距离M_ij中的一个值，D(i,j-1)表示(i,j-1)位置处的弯曲路径值，D(i-1,j)表示(i-1,j)位置处的弯曲路径值。

所述步骤3中，需要求解的最小动态时间弯曲值，如公式(6)所示：

其中，D_TW(X,Y)表示动态时间弯曲距离值，s表示路径上点的位置，从1开始到k结束，k表示总的点数，p_s表示路径上第s点的位置，min表示的是最小值。

所述步骤4中，当对线路两侧FTU检测到的暂态零序电流的波形求解动态时间弯曲距离时，若某区段的动态时间弯曲距离值远大于其他区段，则该区段就为故障区段，如公式(7)所示：

其中，k表示故障区段，D_k(X,Y)表示故障区段k处的动态时间弯曲距离值，x表示非故障区段中的一条线路，Z表示其他区段的集合，D_x≠k,x∈Z表示其他区段的动态弯曲距离值。考虑到由于不同线路两侧的暂态零序电流的幅值相差会比较大，因此求得的动态时间弯曲距离值差异也会很大，无法找到一个固定的阈值去比较各个区段的动态时间弯曲值，可以运用一个归一化方法对D_TW(X,Y)进行标准处理，如公式(8)所示：

其中，D_TW(X,Y)为(X,Y)处的动态时间弯曲距离值，

为归一化的动态弯曲距离值，两个不同的时间序列分别为X＝{x₁,x₂,…,x_t}和Y＝{y₁,y₂,…,y_r}，t和r表示这两个序列的维数，i和j表示两个序列中的第i和第j个数，i从1开始到t结束，j从1开始到r结束；

设定一个阈值

与计算所得的

进行比较，计算系统发生故障后各个区段处的动态时间弯曲距离值。若

则该区段为故障区段；若

则该区段就为健全区段；若所有的

都小于

则可以认为故障发生在线路末端。其中，阈值

认为是一个经验值，通常设为0.3。

所述步骤5中，建立含分布式电源的IEEE33节点的仿真模型，进行主动配电网仿真分析。模型中1-33表示分段开关，(1)-(33)表示馈线区段，共接入4个分布式电源，4个分布式电源的类型都是PV型，分别接在13、15、22和28节点处。对配电网在不同合闸角、不同接地方式、不同过渡电阻、不同容量DG以及DG接入位置不同的情况下进行仿真验证。

实施例：

以含分布式电源的IEEE33节点配电网模型作为案例，对配电网故障定位和本发明有效性进行分析。含分布式电源的IEEE33节点模型如图1所示，该模型中S为系统电源，DG为分布式电源，共接入4个分布式电源，4个分布式电源的类型都是PV型，分别接在13、15、22和28节点处，1-33表示分段开关，(1)-(33)表示馈线区段。

将不同容量的4个DG接入到IEEE33节点的配电网中，计算故障区段和非故障区段的动态时间弯曲值，然后与阈值进行比较分析。对DG接入后不同故障合闸角的参数与无DG接入时一样，表1和表2统计了DG接入后两种接地方式下不同故障合闸角下的动态时间弯曲值。

从表1和表2中可以看出，DG接入后在中性点不接地时故障区段(14)的动态时间弯曲值逐渐增加，中性点接地时故障线路(14)的动态时间弯曲值逐渐减小，但是仍然均大于阈值0.3，非故障线路中各区段的动态时间弯曲值远小于阈值0.3，因此可以判断出故障发生在区段(14)处。

表1 DG接入后中性点不接地时不同合闸角下的动态时间弯曲距离值

表2 DG接入后中性点经消弧线圈接地不同合闸角下时的动态时间弯曲距离值

为了分析补偿度的对故障定位的影响，对DG接入后的配电网模型设置不同的补偿度进行仿真验证，补偿度设为完全补偿、过补偿5％、过补偿10％、欠补偿5％，系统的合闸角设为45°，过渡电阻为20Ω，仿真结果如表3所示。

从表3可以看出，对于故障线路和非故障线路来说，过补偿下的动态时间弯曲值大于完全补偿，欠补偿下的动态时间弯曲值小于过补偿，故障线路中各个区段的动态时间弯曲值都远大于0.3，非故障线路中各个区段的动态时间弯曲值都远小于0.3，该方法在DG接入后不同补偿度下仍能准确定位到故障区段。

表3 DG接入后不同补偿度下的动态时间弯曲距离值

为了验证DG容量不同下的定位结果，保证DG1、DG2、DG3的容量不变，改变DG4的容量，验证不同容量下该算法的准确性，DG4的容量分别设为0.35MW、0.65MW、0.95MW，对不同过渡电阻下中性点经消弧线圈接地的情况下进行仿真分析，过渡电阻取1、50、100、500欧姆，将故障合闸角设为30°，仿真结果如表4所示。

从表4可以看到，DG容量的改变对各区段动态时间弯曲值影响很小。在过渡电阻相同的情况下，对于不同容量DG4，故障区段和非故障区段的动态时间弯曲值基本相等，故障线路中各区段的动态时间弯曲值仍然很大，远大于阈值0.3，健全线路各区段的动态时间弯曲值远小于阈值0.3，因此能准确判断出故障区段(14)。该算法不受DG接入容量的影响，有较强的适用性。

表4 DG4接入容量不同的情况下的仿真结果

为了验证线路中发生两点故障时，该算法的准确性，保证DG1、DG2、DG3、DG4的位置和容量都不变，设置馈线区段(13)在A相发生单相接地故障，馈线区段(14)在B相发生单相接地故障，故障时间仍然设为0.01s，对不同过渡电阻下中性点经消弧线圈接地的情况下进行仿真分析，验证DG接入后双重故障下该算法的适用性，仿真结果如表5所示。

表5双重故障下的仿真结果

由表5可知，在配电网发生双重故障时，故障区段(13)和(14)处的动态时间弯曲值都大于阈值，其他非故障区段处的动态时间弯曲值都小于阈值，定位结果准确。因此该算法在多重故障下仍然适用，具有较强的准确性。

Claims (9)

1.基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法，其特征在于:首先，在考虑单相接地故障时暂态零序电流的特点的基础上，分析分布式电源DG接入小电流接地系统后对系统故障时暂态特性的影响；然后，利用动态时间弯曲距离算法计算系统线路各侧的动态时间弯曲值，实现对故障区段和非故障区段的区分，通过与设定阈值比较，即判断出故障区段。

2.基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：根据小电流接地系统的运行方式，分析其发生单相接地故障时暂态零序电流的特点；

步骤2：分析分布式电源接入小电流接地系统后，对系统故障时暂态特性的影响；

步骤3：将动态时间弯曲算法引入到配电网故障区段定位中；

步骤4：确定动态时间弯曲算法故障定位判据；

步骤5：对含分布式电源的IEEE33节点配电网模型进行仿真，计算各区段的动态时间弯曲距离值，进而确定故障区段。

3.根据权利要求2所述基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法，其特征在于：所述步骤1中，6～35kV的中压配电网就称为小电流接地系统，其运行方式包括：中性点经高阻接地、中性点不接地和中性点经消弧线圈接地三种；

暂态零序电流的特点：当系统中发生了单相接地故障时，故障相的零序电流的幅值是最大的，大小等于所有非故障相零序电流的幅值之和，对于极性来说，故障相与非故障相的暂态零序电流的方向也是相反的。

4.根据权利要求3所述基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法，其特征在于：暂态零序电流是由暂态电容电流和暂态电感电流叠加而来的，暂态电容电流，如公式(1)所示：

其中，i_C为暂态电容电流，i'_C为自由振荡分量，i”_C为工频稳态分量，I_cm为电容电流的幅值，ω_f为暂态角频率，ω为系统角频率，

为故障时的初相角，t为时间，δ表示振荡分量衰减的程度，δ＝1/τ_c＝R₀/2L₀，τ_c就表示一个时间常数，sin表示正弦函数，cos表示余弦函数，i_C随着的τ_c减小而减小，表明它的衰减速度越来越快，相反τ_c的值越大，i_C的衰减速度就越慢；

暂态电感电流如公式(2)所示：

其中，i_L表示的是暂态电感电流，I_Lm表示的是电感电流的幅值，τ_c同样表示时间常数，t为时间，

为故障时的初相角，ω为系统角频率，cos表示余弦函数，暂态电感电流由逐渐衰减的直流分量和稳定的交流分量两部分组成。

5.根据权利要求2所述基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法，其特征在于：所述步骤2中，当线路中接入分布式电源DG时，故障线路的暂态零序电流的幅值是最大的，极性与健全线路相反。

6.根据权利要求2所述基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法，其特征在于：所述步骤3中，需要求解的最小动态时间弯曲值，如公式(6)所示：

其中，D_TW(X,Y)表示动态时间弯曲距离值，s表示路径上点的位置，从1开始到k结束，k表示总的点数，p_s表示路径上第s点的位置，min表示的是最小值。

7.根据权利要求2所述基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法，其特征在于：所述步骤4中，当对线路两侧FTU检测到的暂态零序电流的波形求解动态时间弯曲距离时，若某区段的动态时间弯曲距离值远大于其他区段，则该区段就为故障区段，如公式(7)所示：

其中，k表示故障区段，D_k(X,Y)表示故障区段k处的动态时间弯曲距离值，x表示非故障区段中的一条线路，Z表示其他区段的集合，D_x≠k,x∈Z表示其他区段的动态弯曲距离值。

8.根据权利要求7所述基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法，其特征在于：步骤4中，运用一个归一化方法对D_TW(X,Y)进行标准处理，如公式(8)所示：

其中，D_TW(X,Y)为(X,Y)处的动态时间弯曲距离值，

为归一化的动态弯曲距离值，两个不同的时间序列分别为X＝{x₁,x₂,…,x_t}和Y＝{y₁,y₂,…,y_r}，t和r表示这两个序列的维数，i和j表示两个序列中的第i和第j个数，i从1开始到t结束，j从1开始到r结束；

设定一个阈值

与计算所得的

进行比较，计算系统发生故障后各个区段处的动态时间弯曲距离值；若

则该区段为故障区段；若

则该区段就为健全区段；若所有的

都小于

则可以认为故障发生在线路末端。

9.根据权利要求1所述基于直流动态时间弯曲距离的主动配电网故障定位方法，其特征在于：所述步骤5中，建立含分布式电源的IEEE33节点的仿真模型，进行主动配电网仿真分析；模型中1-33表示分段开关，(1)-(33)表示馈线区段，共接入4个分布式电源，4个分布式电源的类型都是PV型，分别接在13、15、22和28节点处；对配电网在不同合闸角、不同接地方式、不同过渡电阻、不同容量DG以及DG接入位置不同的情况下进行仿真验证。

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