CN112345876A - 一种适用于间隔式dtu的故障定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种适用于间隔式DTU的故障定位方法及系统，包括：基于线路设置的故障点，采集故障后一个工频周期的暂态零序电流信号；对所述暂态零序电流信号进行广义S变换，得到所述暂态零序电流的信号采样时间和离散频率的S矩阵；基于所述S矩阵计算故障线路中相邻两故障点的暂态零序电流信号能量差值，并基于所述能量差值确定故障区段，故障定位结果不受故障点位置、故障角以及过渡电阻影响，且故障区段两端能量差明显大于健全区段两端能量差，定位结果可靠性较高。
Description
技术领域
本发明涉及配电网故障处理技术领域，具体涉及一种适用于间隔式DTU的故障定位方法及系统。
背景技术
中国中压配电网大多为小电流接地系统，其故障类型中，单相接地故障发生概率较高。尤其是电缆线路发生单相接地故障后，需尽快采取处理措施，否则可能扩大成相间短路故障，导致跳闸停电事故。
随着中国国家电网公司配电设备一二次融合技术的发展，以及配电自动化终端的标准化设计的深入开展，分布式站所终端应用规模逐渐扩大，有必要研究其故障处理方法，保障配电系统稳定运行，提高供电可靠性。
目前，通过国内外学者的不断研究，已提出很多故障区段定位方法，大致可分为主动式和被动式定位方法，其中被动式又分为基于稳态特征量和基于暂态特征量的定位方法。主动式定位方法需增加辅助检测设备，投资成本大。基于稳态量的定位方法由于谐振接地系统单相接地故障时特征量微弱且易受干扰，会导致定位效果较差。而故障发生后系统中存在大量暂态信息，且消弧线圈的存在不影响故障暂态信号。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种适用于间隔式DTU的故障定位方法及系统。
本发明提供的技术方案是：
一种适用于间隔式DTU的故障定位方法，所述方法包括：
基于线路设置的故障点，采集故障后一个工频周期的暂态零序电流信号；
对所述暂态零序电流信号进行广义S变换，得到所述暂态零序电流的信号采样时间和离散频率的S矩阵；
基于所述S矩阵计算故障线路中相邻两故障点的暂态零序电流信号能量差值，并基于所述能量差值确定故障区段。
优选的，所述基于线路设置的故障点，采集故障后一个工频周期的暂态零序电流信号，之前还包括：
基于周期内采样零序电流计算零序电流突变量；
当所述零序电流突变量大于设定的阈值时，基于线路设置的故障点，采集故障后一个工频周期的暂态零序电流信号。
优选的，所述零序电流突变量的计算式如下：
Δi0(k)＝|i0(k)-i0(k-N)|
式中，Δi0(k)为零序电流突变量；i0(k)为采样零序电流；N为一周期内采样点数。
优选的，所述对所述暂态零序电流信号进行广义S变换，得到所述暂态零序电流的信号采样时间和离散频率的S矩阵，包括：
基于故障线路故障点的采样时间间隔、采样总点数、频率采样点对所述暂态零序电流信号进行广义S变换，得到列为采样时间，行为离散频率的S矩阵。
优选的，所述基于所述S矩阵计算故障线路中相邻两故障点的暂态零序电流信号能量差值，并基于所述能量差值确定故障区段，包括：
基于相邻两故障点的S矩阵计算所述两个S矩阵中每个离散频率下的能量；
基于所述每个离散频率下的能量计算相邻两S矩阵中同离散频率下的能量差值的绝对值；
基于所述每个能量差值的绝对值进行求和得到相邻两故障点的零序电流信号能量差值。
优选的，所述基于所述能量差值确定故障区段，包括：
基于每相邻两故障点的零序电流信号能量差值进行比较，得到最大能量差值；
基于所述最大能量差值确定所述最大能量差值对应的两故障点，并基于所述确定的两故障点确定故障区段。
优选的，所述能量的计算式如下：
式中，Ei,n为故障点i的时域信号的S矩阵中第n行对应的频率下的能量；
为故障点i的时域信号广义S变换后的S矩阵；T为采样时间间隔；N为总采样点数；k为时间采样点，k＝0,1,…,N-1；n为频率采样点，n＝0,1,…,N-1。
一种适用于间隔式DTU的故障定位系统，所述系统包括：
采集模块：用于基于线路设置的故障点，采集故障后一个工频周期的暂态零序电流信号；
变换模块：用于对所述暂态零序电流信号进行广义S变换，得到所述暂态零序电流的信号采样时间和离散频率的S矩阵；
确定模块：用于基于所述S矩阵计算故障线路中相邻两故障点的暂态零序电流信号能量差值，并基于所述能量差值确定故障区段。
优选的，所述变换模块，包括：获得单元；
所述获得单元，用于基于故障线路故障点的采样时间间隔、采样总点数、频率采样点对所述暂态零序电流信号进行广义S变换，得到列为采样时间，行位离散频率的S矩阵；
其中，所述S矩阵为二维复时频矩阵。
优选的，所述确定模块，包括：第一计算单元、第二计算单元和第三计算单元；
基于相邻两故障点的所述S矩阵计算相邻两S矩阵中每个离散频率下的能量；
基于所述每个离散频率下的能量计算相邻两S矩阵中同离散频率下的能量差值的绝对值；
基于所述每个能量差值的绝对值进行求和得到相邻两故障点的零序电流信号能量差值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的技术方案，包括：基于线路设置的故障点，采集故障后一个工频周期的暂态零序电流信号；对所述暂态零序电流信号进行广义S变换，得到所述暂态零序电流的信号采样时间和离散频率的S矩阵；基于所述S矩阵计算故障线路中相邻两故障点的暂态零序电流信号能量差值，并基于所述能量差值确定故障区段，故障定位结果不受故障点位置、故障角以及过渡电阻影响，且故障区段两端能量差明显大于健全区段两端能量差，定位结果可靠性较高。
2、本发明提供的技术方案，无需电压量，以故障后信息量丰富的暂态零序电流作为分析对象，特征现象明显。故障处理不依赖与主站通信，通过间隔式DTU相互通信即可实现故障定位。
附图说明
图1为本发明适用于间隔式DTU的故障定位方法流程示意图；
图2为本发明的分布站式所终端总线连接示意图；
图3为本发明的小电流接地系统零序等效网络示意图；
图4为本发明的M点暂态零序电流示意图；
图5为本发明的N点暂态零序电流示意图；
图6为本发明的P点暂态零序电流示意图；
图7为本发明的Q点暂态零序电流示意图；
图8为本发明故障区段定位流程图；
图9为本发明的小电流接地系统仿真示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1
利用小波的时频分析能力可以提取暂态故障信号，但小波变换对母小波的选择依赖性较强，且对突变信号敏感，抗干扰能力较差。利用S变换提取故障信号特征时，相比小波变换，S变换提取非平稳信号时频特征的能力更突出。广义S变换通过调节窗宽系数，相比S变换能更灵活地提取信号特征。本发明首先对馈线上各间隔DTU采集的暂态零序电流进行广义S变换，然后通过计算相邻信号经广义S变换后的能量差确定故障区段。该区段定位方法适用于不同故障点位置、不同故障角、不同过渡电阻情形下的故障定位，仿真结果验证了所提方法的有效性。
具体实施步骤如图1所示，包括：
步骤一：基于线路设置的故障点，采集故障后一个工频周期的暂态零序电流信号；
步骤二：对所述暂态零序电流信号进行广义S变换，得到所述暂态零序电流的信号采样时间和离散频率的S矩阵；
步骤三：基于所述S矩阵计算故障线路中相邻两故障点的暂态零序电流信号能量差值，并基于所述能量差值确定故障区段。
其中，分布式站所终端，包括：
分布式站所终端较传统站所终端具备即插即用、小型化、平台化、通用性、统一运维、批量检测特点。分布式站所终端由间隔单元和公共单元组成，总线连接如图2所示。其中，DTU(Distribution Terminal Unit,站所终端)间隔单元实现本间隔的三遥采集、相间与接地故障处理、与DTU公共单元通信功能；DTU公共单元与配电主站通信，并通过以太网与各间隔单元实现通信。
接地暂态零序电流特征分析
配电网发生单相接地故障时，系统中产生的电气暂态量比稳态量要大得多，且消弧线圈的存在几乎不影响暂态电流分布情况。因此，利用故障后零序电流暂态量能很好描述系统参数变化，以便进行故障分析。
以图3所示的小电流接地系统零序等效网络为例，分析单相接地故障后系统中暂态零序电流的分布情况。
图3所示的配电网系统共3条馈线，假设线路Ⅲ点O处发生故障，线路上存在M、N、P、Q四个检测装置，其中，M点暂态零序电流，如图4所示，N点暂态零序电流，如图5所示，P点暂态零序电流，如图6所示，Q点暂态零序电流，如图7所示。位于上游区段的M、N点的零序电流关系式为：
iM＝iN+iC1 (1)
式中，iC1为MN区段的对地电容电流，通常MN区段距离较短，iC1相比于健全线路对地电容电流的总和可忽略不计，所以M、N两点的零序电流几乎相同。
故障点处相当于附加一个虚拟电源，流出的零序电流一部分由故障点处流向母线(与i1参考方向相反)，其他部分流向线路下游区段(与i2参考方向相同)。由于故障点上、下游网络参数差别很大，所以故障点两端的暂态零序电流无论幅值还是频率都有显著差异。图3给出故障线路上各点零序电流的波形。
其中，步骤一：基于线路设置的故障点，采集故障后一个工频周期的暂态零序电流信号，包括：
本发明根据零序电流值的突变量来确定各间隔DTU采集数据的起始时刻。
具体算法为
Δi0(k)＝|i0(k)-i0(k-N)|＞Δi0set (8)
式中，Δi0(k)为零序电流突变量；i0(k)为采样零序电流；N为一周期内采样点数；Δi0set为设定的启动阈值。
根据确定的采集数据的起始时刻，基于线路设置的故障点，采集故障后一个工频周期的暂态零序电流信号。
步骤二：对所述暂态零序电流信号进行广义S变换，得到所述暂态零序电流的信号采样时间和离散频率的S矩阵，包括：
S变换中高斯窗宽度与频率成反比关系，广义S变换在此基础上，进一步调整时频分辨率，引入窗宽调节系数g，从而得到信号x(t)的广义S变换(Generalized S-Transform,GST)为
式(2)中，式中，g为窗宽调节系数；τ为控制高斯窗在时间轴位置的参数；t为时间；f为频率；j为虚数单位。
当窗宽调节系数g＞1时，高斯窗宽度变化速度减慢，频率分辨率得到提高；当0＜g＜1时，窗宽与频率成反比加快改变，有更高时间分辨率。根据测不准原理，时、频分辨率不能同时提高，必须根据实际信号折中分析，但是广义S变换相比于S变换不增加运算量。
令f→n/NT、τ→kT，则离散广义S变换为
式中，T为采样时间间隔；g为窗宽调节系数；j为虚数单位；N为总采样点数；k为时间采样点，k＝0,1,…,N-1；n为频率采样点，n＝0,1,…,N-1。
由式(3)可知，时域信号x(t)的离散序列x(kT)经广义S变换结果为二维复时频矩阵，这里记作S矩阵。其中列对应采样时间，行对应离散频率。
步骤三：基于所述S矩阵计算故障线路中相邻两故障点的暂态零序电流信号能量差值，并基于所述能量差值确定故障区段。
能量差可以表征两信号各频段能量的差异情况，差值越大，两信号之间差异越明显；反之，差值越接近于零，两信号之间差异就越小。
信号xi(t)经广义S变换后结果为
则频率fn(fn为S矩阵第n行对应的频率)下的能量可表示为
则信号xi(t)与xj(t)在频率fn下的能量差为
d(i,j),n＝|Ei,n-Ej,n| (6)
则信号xi(t)与xj(t)总的能量差记为
因此，利用广义S变换能量差可以很好地表征两信号特征的差异情况。
利用选线结果，对故障线路各装置上的暂态零序电流进行广义S变换，根据相邻两信号时频矩阵的能量差值判断故障区段，具体流程如图8所示。
实施例2
以利用Matlab中Simulink搭建10kV配电系统仿真实验模型为例，如图9所示，共5路馈线。其中，L1＝15km，L2＝12km，L3＝10km，L4＝14km，L5＝9km。采用的线路参数：电阻的正序分量和零序分量分别为0.27Ω/km和2.7Ω/km，电感的正序分量和零序分量分别为0.25mH/km和1.02mH/km，电容的正序分量和零序分量分别为0.34μF/km和0.28μF/km。中性点经消弧线圈接地时，系统采用的过补偿度为10％。
为了方便查看定位结果，将各信号的能量差值按下式进行归一化处理
则能量差值最大即“D＝1”的区段为故障区段。
(1)在1-2区段设置单相接地故障，不同故障情形下的仿真结果见表1～表2。
表1 0°时相邻检测点能量差(1-2区段故障)
表2 90°时相邻检测点能量差(1-2区段故障)
分析表1～表2数据可以发现，在任何故障情形下，故障区段两端的能量差值都最大。即使在故障角0°经5000Ω高电阻接地时，故障暂态特征最弱，但故障区段两端能量差值依然最大，本文方法能准确判断故障区段。
(2)在4-5区段设置单相接地故障，由于故障角0°时暂态特征相对最弱，为验证此情形下本文方法的有效性，且限于篇幅，这里只给出故障角0°时的仿真结果，见表3。
表3 0°时相邻检测点能量差(4-5区段故障)
综合以上仿真结果可得，在馈线的任一区段发生单相接地故障，通过能量差值大小都能准确判断故障位置。大量仿真数据表明，在不同的故障点位置、不同故障角、不同过渡电阻等情形下发生单相接地故障时，该方法都能准确定位故障区段。
实施例3
基于同一构思发明，本申请还提供一种适用于间隔式DTU的故障定位系统，所述系统包括：
采集模块：用于基于线路设置的故障点，采集故障后一个工频周期的暂态零序电流信号；
变换模块：用于对所述暂态零序电流信号进行广义S变换，得到所述暂态零序电流的信号采样时间和离散频率的S矩阵；
确定模块：用于基于所述S矩阵计算故障线路中相邻两故障点的暂态零序电流信号能量差值，并基于所述能量差值确定故障区段。
所述变换模块，包括：获得单元；
所述获得单元，用于基于故障线路故障点的采样时间间隔、采样总点数、频率采样点对所述暂态零序电流信号进行广义S变换，得到列为采样时间，行位离散频率的S矩阵；
其中，所述S矩阵为二维复时频矩阵。
所述确定模块，包括：第一计算单元、第二计算单元和第三计算单元；
基于相邻两故障点的所述S矩阵计算相邻两S矩阵中每个离散频率下的能量；
基于所述每个离散频率下的能量计算相邻两S矩阵中同离散频率下的能量差值的绝对值；
基于所述每个能量差值的绝对值进行求和得到相邻两故障点的零序电流信号能量差值。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于间隔式DTU的故障定位方法，其特征在于，所述方法包括：
基于线路设置的故障点，采集故障后一个工频周期的暂态零序电流信号；
对所述暂态零序电流信号进行广义S变换，得到所述暂态零序电流的信号采样时间和离散频率的S矩阵；
基于所述S矩阵计算故障线路中相邻两故障点的暂态零序电流信号能量差值，并基于所述能量差值确定故障区段。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述基于线路设置的故障点，采集故障后一个工频周期的暂态零序电流信号，之前还包括：
基于周期内采样零序电流计算零序电流突变量；
当所述零序电流突变量大于设定的阈值时，基于线路设置的故障点，采集故障后一个工频周期的暂态零序电流信号。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述零序电流突变量的计算式如下：
Δi0(k)＝|i0(k)-i0(k-N)|
式中，Δi0(k)为零序电流突变量；i0(k)为采样零序电流；N为一周期内采样点数。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述对所述暂态零序电流信号进行广义S变换，得到所述暂态零序电流的信号采样时间和离散频率的S矩阵，包括：
基于故障线路故障点的采样时间间隔、采样总点数、频率采样点对所述暂态零序电流信号进行广义S变换，得到列为采样时间，行为离散频率的S矩阵。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述基于所述S矩阵计算故障线路中相邻两故障点的暂态零序电流信号能量差值，并基于所述能量差值确定故障区段，包括：
基于相邻两故障点的S矩阵计算所述两个S矩阵中每个离散频率下的能量；
基于所述每个离散频率下的能量计算相邻两S矩阵中同离散频率下的能量差值的绝对值；
基于所述每个能量差值的绝对值进行求和得到相邻两故障点的零序电流信号能量差值。
6.如权利要求5所述方法，其特征在于，所述基于所述能量差值确定故障区段，包括：
基于每相邻两故障点的零序电流信号能量差值进行比较，得到最大能量差值；
基于所述最大能量差值确定所述最大能量差值对应的两故障点，并基于所述确定的两故障点确定故障区段。
7.如权利要求5所述方法，其特征在于，所述能量的计算式如下：
式中，Ei,n为故障点i的时域信号的S矩阵中第n行对应的频率下的能量；
为故障点i的时域信号广义S变换后的S矩阵；T为采样时间间隔；N为总采样点数；k为时间采样点，k＝0,1,…,N-1；n为频率采样点，n＝0,1,…,N-1。
8.一种适用于间隔式DTU的故障定位系统，其特征在于，所述系统包括：
采集模块：用于基于线路设置的故障点，采集故障后一个工频周期的暂态零序电流信号；
变换模块：用于对所述暂态零序电流信号进行广义S变换，得到所述暂态零序电流的信号采样时间和离散频率的S矩阵；
确定模块：用于基于所述S矩阵计算故障线路中相邻两故障点的暂态零序电流信号能量差值，并基于所述能量差值确定故障区段。
9.如权利要求8所述系统，其特征在于，所述变换模块，包括：获得单元；
所述获得单元，用于基于故障线路故障点的采样时间间隔、采样总点数、频率采样点对所述暂态零序电流信号进行广义S变换，得到列为采样时间，行位离散频率的S矩阵；
其中，所述S矩阵为二维复时频矩阵。
10.如权利要求8所述系统，其特征在于，所述确定模块，包括：第一计算单元、第二计算单元和第三计算单元；
基于相邻两故障点的所述S矩阵计算相邻两S矩阵中每个离散频率下的能量；
基于所述每个离散频率下的能量计算相邻两S矩阵中同离散频率下的能量差值的绝对值；
基于所述每个能量差值的绝对值进行求和得到相邻两故障点的零序电流信号能量差值。
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| CN201910733299.4A CN112345876A (zh) | 2019-08-09 | 2019-08-09 | 一种适用于间隔式dtu的故障定位方法及系统 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN112345876A true CN112345876A (zh) | 2021-02-09 |
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| CN201910733299.4A Pending CN112345876A (zh) | 2019-08-09 | 2019-08-09 | 一种适用于间隔式dtu的故障定位方法及系统 |
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| CN (1) | CN112345876A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113484686A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-10-08 | 河北地质大学 | 一种电力线路故障位置确定方法、装置及终端 |
-
2019
- 2019-08-09 CN CN201910733299.4A patent/CN112345876A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN113484686A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-10-08 | 河北地质大学 | 一种电力线路故障位置确定方法、装置及终端 |
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