CN112255499B - 基于相电流幅值的配电网断线故障定位与辨识方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相电流幅值的配电网断线故障定位与辨识方法及系统，基于当前采样时刻三相电流的幅值与上一采样时刻三相电流的幅值的差值判断是否发生断线故障，若发生，将当前采样时刻三相电流的幅值最小的相记为发生短线故障的相；计算上一采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差，以及当前采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差，进而确定故障区域的上游点及下游点，基于故障区域的上游点及下游点的故障相电流幅值判断断线故障类型。本发明仅利用相电流幅值即可实现配电网断线故障定位以及断线不接地、断线电源侧接地或断线负荷侧接地故障的辨别，无需信号同步、不依赖于快速采样，具有较高的可靠性和更好的实用性。

Description

基于相电流幅值的配电网断线故障定位与辨识方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，具体涉及一种基于相电流幅值的配电网断线故障定位与辨识方法及系统。

背景技术

配电网是直接面向用户的供电网络，是电力系统的重要组成部分，其供电可靠性和供电质量直接影响工业生产和社会经济发展，同时也与人们的生活质量密切相关。配电网络规模随着城市的发展而日益庞大和复杂。由于网络中线路众多，设备数量庞大且水平不一，在日常运行过程中，容易因自身和外部原因发生故障。

随着架空绝缘导线在配电网中应用比例的逐年上升，断线发生概率也在不断增加，使得断线故障已成为配电网的一个重要故障类型。配电线路发生断线故障的原因主要有：(1)外力作用，比如树木被风刮倒拉断线路，或者施工不慎导致物体高坠压断线路等；(2)电气作用，比如年久受损线路由于短路或者过载等原因流过大电流致使受损处发热烧断导线，或者电场分布不均导致断线；(3)自然灾害，比如雷击电弧断线、冻雨结冰断线等；(4)人为原因，比如施工质量差、金具盗窃和乱搭乱扯线路等原因导致断线。

配电网发生断线故障后，在电源侧和负载侧都将出现明显的三相电压、电流不平衡现象，导致电动机因缺相运行转速急剧下降甚至烧毁，造成严重的电气设备损害和较大的经济损失。除此之外，断线故障发生时往往还伴随着接地故障，但此类断线接地复合故障与常见的单相接地故障又有所不同，若不及时排查故障，极有可能导致人畜触电、山林失火等安全事故，对人民的生命财产安全造成巨大的威胁。因此，有必要对断线故障监测引起重视。

实际配电网复杂的运行状况，断线故障可分为断线不接地故障、断线电源侧接地故障、断线负荷侧接地故障3类。目前，配电网对短路和接地故障的处理相对成熟，但对于断线故障的监测识别还比较欠缺。由于断线接地故障在原理和本质上不同于普通的接地故障，因此不能借助现有的接地选线和定位装置处理。特别是线路断线不接地及断线负荷侧接地的情况下，由于无明显的过电流，系统依然可以带故障运行，运维人员很难发现断线故障，且无法由变电站内继电保护装置反映。目前，对断线故障的处理方式主要还是依靠用户反馈和人工巡线，导致工作人员获取故障信息滞后，故障确认和处理花费时间较长。随着对断线故障的重视和关注程度提升，已有学者提出了一些断线故障检测方法，但大多具有一定的局限性。例如，有学者提出了一种基于零序电压幅值和相位的小电流接地系统单相断线接地复故障类型的诊断判据，但仅利用中性点电压信息无法实现断线故障的选线和定位。有学者提出了一种基于负序电流和负序电压相位关系的断线故障区段定位方法，但需要获取序分量并计算相关系数，算法较为复杂且无法辨别故障类型。也有学者提出了一种相电流与相电压的组合选线判据，但仅适用于不接地系统且所需电气特征量较多。还有学者提出了基于零序电压幅值差的配电网断线故障隔离方法，但对设备通信和数据同步的要求较高。

综上所述，由于实际配电网断线故障可能伴随接地故障较为复杂，且其故障特征不明显，给断线故障的识别、定位带来了较大的困难，同时断线故障的危害不容忽视，因此，有必要对配电网断线故障监测方法进行研究。然而，现有短路、接地故障保护方法不适用于断线故障，且缺乏简单实用、经济可靠的断线故障保护方法。因此，如何实现对配电网各类断线故障的快速监测和定位，并提高保护方法的实用性、经济性、可靠性，是本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于相电流幅值的配电网断线故障定位与辨识方法及系统，有效解决了现有技术中断线故障保护算法复杂、所需检测量繁多、对通信同步要求高等技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于相电流幅值的配电网断线故障定位与辨识方法，包括:

S1、实时采集线路上各处的三相电流的幅值；

S2、基于当前采样时刻三相电流的幅值与上一采样时刻三相电流的幅值的差值判断是否发生断线故障，若发生，执行步骤S3，若未发生，返回执行步骤S1；

S3、将当前采样时刻三相电流的幅值最小的相记为发生短线故障的相；

S4、计算上一采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差，以及当前采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差；

S5、基于上一采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差，以及当前采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差，确定故障区域的上游点；

S6、基于上一采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差，以及当前采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差，确定故障区域的下游点；

S7、基于故障区域的上游点及故障区域的下游点的故障相电流幅值判断断线故障类型。

优选地，步骤S2中，当前采样时刻三相电流的幅值与上一采样时刻三相电流的幅值的差值按下式计算：

式中，ΔI_A(m)、ΔI_B(m)、ΔI_C(m)分别为线路上第m处的当前采样时刻三相电流的幅值与上一采样时刻三相电流的幅值的差值；

为线路上第m处的当前采样时刻三相电流的幅值；

为线路上第m处的上一采样时刻三相电流的幅值。

优选地，若线路上任意一处n的当前采样时刻三相电流的幅值与上一采样时刻三相电流的幅值的差值满足如下条件，则判断发生断线故障，否则，判断未发生断线故障；

式中，ΔI_A(n)、ΔI_B(n)、ΔI_C(n)分别为线路上第n处的当前采样时刻三相电流的幅值与上一采样时刻三相电流的幅值的差值；

为线路上第n处当前采样时刻的三相电流幅值中的最大值；

为线路上第n处当前采样时刻的三相电流幅值中的最小值；K_rel为可靠系数，取范围为1.1～1.2；I_unb为不平衡电流，由下式计算：

式中，

为线路上第n处在t-i采样时刻采集的三相电流幅值的最大值；

为线路上第n处在t-i采样时刻采集的三相电流幅值中的最小值；其中i＝1,2,3,…,t。

优选地，步骤S4中，上一采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差按下式计算：

式中，

为上一采样时刻线路上第m处与第m-1处的故障相电流幅值之差，

表示上一采样时刻线路上第m处的故障相电流幅值，

表示上一采样时刻线路上第m-1处的故障相电流幅值；

当前采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差按下式计算：

式中，

为当前采样时刻线路上第m处与第m-1处的故障相电流幅值之差，

表示当前采样时刻线路上第m处的故障相电流幅值，

表示当前采样时刻线路上第m-1处的故障相电流幅值。

优选地，步骤S5包括：

S501、当任意第m处满足下式，将其作为待选上游数据采集处，确定待选上游数据采集处集合P；

式中，

为第m-1处与第m处之间线路的电容电流，可按如下公式计算：

式中，U_rat为额定相电压，ω为系统角频率，C_m-1为第m-1处与第m处之间线路的对地电容；

S502、将待选上游数据采集处集合P中距离母线最远处的待选上游数据采集处作为故障区段的上游点x。

优选地，步骤S6包括：

S601、当任意第m处满足下式，将其作为待选下游数据采集处，确定待选下游数据采集处集合Q；

S602、将待选下游数据采集处集合Q中距离母线最近处的待选下游数据采集处作为故障区段的下游点y。

优选地，步骤S6中：

若满足如下判据，则判断发生断线不接地故障：

或

式中，

及

分别为当前采样时刻及上一采样时刻故障区域的上游点的故障相电流幅值；

及

分别为当前采样时刻及上一采样时刻故障区域的下游点的故障相电流幅值；

及

分别为故障区域的上游点及故障区域的下游点到线路末端的电容电流；

C_(x)及C_(y)分别为故障区域的上游点及故障区域的下游点到线路末端的对地电容值；

若满足如下判据，则判断发生断线电源侧接地故障：

若满足如下判据，则判断发生断线负荷侧接地故障：

或

一种基于相电流幅值的配电网断线故障定位与辨识系统，包括存储器、处理器及多个安装在线路各处的在线监测装置，其中：

在线监测装置用于实时采集线路上各处的三相电流的幅值；

存储器用于存储应用程序及应用程序产生的数据；

处理器用于运行存储器存储的应用程序以实现如权利要求1至7所述的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用配电网线路三相电流幅值，不仅可实现对断线故障区段的定位，还可实现故障类型的辨识。与现有基于电压、电流相量关系或序分量特征关系的断线保护技术相比，所需特征量更少、故障监测功能更加完善，且无需序分量，保护算法简单。

2、本发明通过线路各处的相电流幅值差值实现定位，整定计算仅与线路对地电容参数及额定电压相关，理论上不受中性点接地方式改变的影响，因此与现有技术相比，本发明具有广泛的适用性。

3、本发明实施方式明确，对在线监测装置精度和功能要求不高，仅需采集相电流幅值，利用配电网现有监测设备即可实现，具有较强的经济性。

4、本发明对通信技术要求较低，各装置之间无需时钟同步，数据处理简单，易于实现，具有较强的实用性。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是10kV配电网结构示意图；

图2是本发明公开的一种基于相电流幅值的配电网断线故障定位与辨识方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

以图1所示的10kV配电网结构为例。其中，Z1为主变压器，Z2为接地变压器，中性点接地电阻R₀为10Ω。共设有6条馈线，线路长度依次为10km、8km、9km、7km、6km、5km。馈线正序参数为：R₁＝0.031Ω/km，L₁＝0.096mH/km，C₁＝0.338μF/km，馈线零序参数为：R₀＝0.234Ω/km，L₀＝0.355mH/km，C₀＝0.3μF/km。在线监测装置T1、T2、T3、T4分别安装于馈线1的1km、2km、5km、8km处。相邻装置之间均接有负荷，分别为0.5MW、3MW、1MW、2MW。

如图2所示，本发明公开了一种基于相电流幅值的配电网断线故障定位与辨识方法，包括:

S1、实时采集线路上各处的三相电流的幅值；

S2、基于当前采样时刻三相电流的幅值与上一采样时刻三相电流的幅值的差值判断是否发生断线故障，若发生，执行步骤S3，若未发生，返回执行步骤S1；

S3、将当前采样时刻三相电流的幅值最小的相记为发生短线故障的相；

S4、计算上一采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差，以及当前采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差；

S5、基于上一采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差，以及当前采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差，确定故障区域的上游点；

S6、基于上一采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差，以及当前采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差，确定故障区域的下游点；

S7、基于故障区域的上游点及故障区域的下游点的故障相电流幅值判断断线故障类型。

具体实施时，步骤S2中，当前采样时刻三相电流的幅值与上一采样时刻三相电流的幅值的差值按下式计算：

式中，ΔI_A(m)、ΔI_B(m)、ΔI_C(m)分别为线路上第m处的当前采样时刻三相电流的幅值与上一采样时刻三相电流的幅值的差值；

为线路上第m处的当前采样时刻三相电流的幅值；

为线路上第m处的上一采样时刻三相电流的幅值。

本具体实施方式中，设馈线1于3km处发生单相断线负荷侧接地故障，根据S2，实时采集线路各在线监测装置三相电流幅值并计算相电流幅值之差，结果如表1所示。

表1各装置相邻两次采样时刻的三相电流幅值及幅值之差

具体实施时，若线路上任意一处n的当前采样时刻三相电流的幅值与上一采样时刻三相电流的幅值的差值满足如下条件，则判断发生断线故障，否则，判断未发生断线故障；

式中，ΔI_A(n)、ΔI_B(n)、ΔI_C(n)分别为线路上第n处的当前采样时刻三相电流的幅值与上一采样时刻三相电流的幅值的差值；

为线路上第n处当前采样时刻的三相电流幅值中的最大值；

为线路上第n处当前采样时刻的三相电流幅值中的最小值；K_rel为可靠系数，取范围为1.1～1.2；I_unb为不平衡电流，由下式计算：

式中，

为线路上第n处在t-i采样时刻采集的三相电流幅值的最大值；

为线路上第n处在t-i采样时刻采集的三相电流幅值中的最小值；其中i＝1,2,3,…,t。

本具体实施方式中，如表1所示，装置T1、T2、T3、T4采集的电流幅值之差都小于0。在当前采样时刻之前，装置T1、T2、T3、T4相电流偏差分别为0.1A、0A、0.1A、0.1A，取其中的最大值，则I_unb＝0.1A。在当前采样时刻，装置T1、T2、T3、T4三相电流偏差分别为205.4A、205.8A、173A、101.6A，取K_rel＝1.1。故判断发生断线故障。

之后，若min(I′_A(n),I′_B(n),I′_C(n))＝I′_A(n)，则判断装置Tn安装处线路的A相发生断线故障；

若min(I′_A(n),I′_B(n),I′_C(n))＝I′_B(n)，则判断装置Tn安装处线路的B相发生断线故障；

若min(I′_A(n),I′_B(n),I′_C(n))＝I′_C(n)，则判断装置Tn安装处线路的C相发生断线故障。

I′_A(n)、I′_B(n)、I′_C(n)为判断发生故障时，采样时刻装置Tn采集的三相电流幅值。

本具体实施方式中，当前采样时刻下，装置T3的A相电流最小，为44.7A，故确定故障相为A相。

具体实施时，步骤S4中，上一采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差按下式计算：

式中，

为上一采样时刻线路上第m处与第m-1处的故障相电流幅值之差，

表示上一采样时刻线路上第m处的故障相电流幅值，

表示上一采样时刻线路上第m-1处的故障相电流幅值；

当前采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差按下式计算：

式中，

为当前采样时刻线路上第m处与第m-1处的故障相电流幅值之差，

表示当前采样时刻线路上第m处的故障相电流幅值，

表示当前采样时刻线路上第m-1处的故障相电流幅值。

本具体实施方式中，计算上一采样时刻和当前采样时刻装置T1与T2、T2与T3、T3与T4的故障相电流幅值之差分别为：

具体实施时，步骤S5包括：

S501、当任意第m处满足下式，将其作为待选上游数据采集处，确定待选上游数据采集处集合P；

式中，

为第m-1处与第m处之间线路的电容电流，可按如下公式计算：

式中，U_rat为额定相电压，ω为系统角频率，C_m-1为第m-1处与第m处之间线路的对地电容；

S502、将待选上游数据采集处集合P中距离母线最远处的待选上游数据采集处作为故障区段的上游点x(x＝max(p)，p∈P)。

本具体实施方式中，U_rat＝10kV，ω＝314rad/s，C₁＝0.3μF，C₂＝C₃＝0.9μF，计算得

取K_rel＝1.1；此时，集合P＝{2}，则取x＝2。可确定装置T2的位置为断线故障区段的上游点。

具体实施时，步骤S6包括：

S601、当任意第m处满足下式，将其作为待选下游数据采集处，确定待选下游数据采集处集合Q；

S602、将待选下游数据采集处集合Q中距离母线最近处的待选下游数据采集处作为故障区段的下游点y(y＝min(q-1),q∈Q)。

此时，集合Q＝{4}，则取y＝3。可确定装置T3的位置为断线故障区段的下游点。

具体实施时，步骤S6中：

若满足如下判据，则判断发生断线不接地故障：

或

式中，

及

分别为当前采样时刻及上一采样时刻故障区域的上游点的故障相电流幅值；

及

分别为当前采样时刻及上一采样时刻故障区域的下游点的故障相电流幅值；

及

分别为故障区域的上游点及故障区域的下游点到线路末端的电容电流；

C_(x)及C_(y)分别为故障区域的上游点及故障区域的下游点到线路末端的对地电容值；

若满足如下判据，则判断发生断线电源侧接地故障：

若满足如下判据，则判断发生断线负荷侧接地故障：

或

本具体实施方式中，由于C₍₂₎＝2.4μF，C₍₃₎＝1.5μF，可计算得装置T2、T3到线路末端的电容电流分别为

根据表1，

取K_rel＝1.1。则装置T2、T3满足如下判据：

由此，可确定故障类型为断线负荷侧接地故障。

本发明中，当得到故障类型和位置后，还可发出跳闸命令或告警信号，故障位置即为装置T2、T3之间(上游点及下游点之间)。

本发明还公开了一种基于相电流幅值的配电网断线故障定位与辨识系统，包括存储器、处理器及多个安装在线路各处的在线监测装置，其中：

在线监测装置用于实时采集线路上各处的三相电流的幅值；

存储器用于存储应用程序及应用程序产生的数据；

处理器用于运行存储器存储的应用程序以实现如上述的方法。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于相电流幅值的配电网断线故障定位与辨识方法，其特征在于，包括:

S1、实时采集线路上各处的三相电流的幅值；

S2、基于当前采样时刻三相电流的幅值与上一采样时刻三相电流的幅值的差值判断是否发生断线故障，若发生，执行步骤S3，若未发生，返回执行步骤S1；

S3、将当前采样时刻三相电流的幅值最小的相记为发生短线故障的相；

S4、计算上一采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差，以及当前采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差；

S5、基于上一采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差，以及当前采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差，确定故障区域的上游点；步骤S5包括：

S501、当任意第m处满足下式，将其作为待选上游数据采集处，确定待选上游数据采集处集合P；

式中，

为当前采样时刻线路上第m处与第m-1处的故障相电流幅值之差，

为上一采样时刻线路上第m处与第m-1处的故障相电流幅值之差，K_rel为可靠系数，取范围为1.1～1.2；

为第m-1处与第m处之间线路的电容电流，可按如下公式计算：

式中，U_rat为额定相电压，ω为系统角频率，C_m-1为第m-1处与第m处之间线路的对地电容；

S502、将待选上游数据采集处集合P中距离母线最远处的待选上游数据采集处作为故障区段的上游点x；

S6、基于上一采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差，以及当前采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差，确定故障区域的下游点；步骤S6包括：

S601、当任意第m处满足下式，将其作为待选下游数据采集处，确定待选下游数据采集处集合Q；

S602、将待选下游数据采集处集合Q中距离母线最近处的待选下游数据采集处作为故障区段的下游点y；

若满足如下判据，则判断发生断线不接地故障：

或

式中，

及

分别为当前采样时刻及上一采样时刻故障区域的上游点的故障相电流幅值；

及

分别为当前采样时刻及上一采样时刻故障区域的下游点的故障相电流幅值；

及

分别为故障区域的上游点及故障区域的下游点到线路末端的电容电流；

C_(x)及C_(y)分别为故障区域的上游点及故障区域的下游点到线路末端的对地电容值；

若满足如下判据，则判断发生断线电源侧接地故障：

若满足如下判据，则判断发生断线负荷侧接地故障：

或

S7、基于故障区域的上游点及故障区域的下游点的故障相电流幅值判断断线故障类型。

2.如权利要求1所述的基于相电流幅值的配电网断线故障定位与辨识方法，其特征在于，步骤S2中，当前采样时刻三相电流的幅值与上一采样时刻三相电流的幅值的差值按下式计算：

式中，ΔI_A(m)、ΔI_B(m)、ΔI_C(m)分别为线路上第m处的当前采样时刻三相电流的幅值与上一采样时刻三相电流的幅值的差值；

为线路上第m处的当前采样时刻三相电流的幅值；

为线路上第m处的上一采样时刻三相电流的幅值。

3.如权利要求2所述的基于相电流幅值的配电网断线故障定位与辨识方法，其特征在于，若线路上任意一处n的当前采样时刻三相电流的幅值与上一采样时刻三相电流的幅值的差值满足如下条件，则判断发生断线故障，否则，判断未发生断线故障；

式中，ΔI_A(n)、ΔI_B(n)、ΔI_C(n)分别为线路上第n处的当前采样时刻三相电流的幅值与上一采样时刻三相电流的幅值的差值；

为线路上第n处当前采样时刻的三相电流幅值中的最大值；

为线路上第n处当前采样时刻的三相电流幅值中的最小值；K_rel为可靠系数，取范围为1.1～1.2；I_unb为不平衡电流，由下式计算：

式中，

为线路上第n处在t-i采样时刻采集的三相电流幅值的最大值；

为线路上第n处在t-i采样时刻采集的三相电流幅值中的最小值；其中i＝1,2,3,…,t。

4.如权利要求3所述的基于相电流幅值的配电网断线故障定位与辨识方法，其特征在于，步骤S4中，上一采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差按下式计算：

式中，

为上一采样时刻线路上第m处与第m-1处的故障相电流幅值之差，

表示上一采样时刻线路上第m处的故障相电流幅值，

表示上一采样时刻线路上第m-1处的故障相电流幅值；

当前采样时刻线路上各相邻处之间的故障相电流幅值之差按下式计算：

式中，

为当前采样时刻线路上第m处与第m-1处的故障相电流幅值之差，

表示当前采样时刻线路上第m处的故障相电流幅值，

表示当前采样时刻线路上第m-1处的故障相电流幅值。

5.一种基于相电流幅值的配电网断线故障定位与辨识系统，其特征在于，包括存储器、处理器及多个安装在线路各处的在线监测装置，其中：

在线监测装置用于实时采集线路上各处的三相电流的幅值；

存储器用于存储应用程序及应用程序产生的数据；

处理器用于运行存储器存储的应用程序以实现如权利要求1至4中任一项所述的方法。

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