CN112415327B - 基于接地线电流方向差异的电缆配电网故障区段辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于接地线电流方向差异的电缆配电网故障区段辨识方法，适用于电力系统中使用。在检测到配电网故障后，获取全网每段电缆首端的接地线电流，判断故障出线；获取故障出线每段电缆首端的接地线电流；若系统中性点消弧接地，则所有测得的接地线电流都将低频成分进行滤波处理仅保留高频成分，若不接地则直接使用测得的接地线电流；取所测首段电缆接地线电流方向作为参考，定故障出线上剩余电缆首端接地线电流的方向；最后由接地线电流方向，根据网络拓扑结构确定故障路径，故障电缆区段即位于所得故障路径的末端。其具有很高的有效性和鲁棒性，且对配电电缆接地电弧故障具备适应性。

Description

基于接地线电流方向差异的电缆配电网故障区段辨识方法

技术领域

本发明涉及一种电缆配电网故障区段辨识方法，尤其适用于电力系统中使用的基于接地线电流方向差异的电缆配电网故障区段辨识方法。

背景技术

随着城市配网的不断发展，由于对土地的需求少，对城市面貌的影响小，配电线路一直以三芯地下电缆为主。例如，在北京、上海等中国大城市的市中心，超过98％的架空输电线路已经被地下电缆取代。然而，由于外力或内部缺陷等不利因素，三芯地下电缆容易发生故障。快速可靠的故障区段定位有助于加快故障隔离，减少停电时间，确保整个网络的稳定和安全。

配电线路发生故障时，其电压和电流与正常电压和电流发生偏离，为故障线路区段的辨识提供了依据。目前的研究表明，在以架空线路为主的配电网中，故障区段辨识技术已经表现出良好的性能。然而，在地下配电电缆系统中，故障区段辨识方法却还没有得到充分的发展。

三芯电缆一般铺设在地下，三相芯线由绝缘橡胶包绕，一些类型的智能电表(如uPMUs或故障指示器)不能沿电缆安装。虽然在三芯电缆中不容易获得相电流和电压，但是电缆的接地线电流仅需要通过一个普通的测量单元便可以完成测量。因此基于电缆接地线电流信息研究原理简单、实用性强的配电网单相故障区段辨识方法不仅具有理论研究价值，而且对于工程实践具有重要的现实意义。

发明内容

发明目的：针对上述技术问题的不足之处，提供一种步骤简单，判别效果好，能够准确识别出故障电缆线路的基于接地线电流方向差异的电缆配电网故障区段辨识方法。

为实现上述技术目的，本发明的基于接地线电流方向差异的电缆配电网故障区段辨识方法，适用于配电网中共有M段电缆线路，每条电缆线路首端配置有接地线电流测量点，其步骤如下：

a当配电网发生故障后，由电缆线路首端接地线处测量点获取配电电缆线路q首端接地线上的电流i_q(q＝1,2,...,M)；

b获取所有配电电缆线路首端接地线电流信息，依据所属出线进行归类，取其中任一接地线电流的方向为参考，利用Pearson相关性系数确定配电网剩余电缆线路首端接地线电流方向，进而可以得出各电缆线路首端接地线电流方向；

c确定电网中性点的接地方式，若中性点通过消弧线圈接地，则利用带通滤波器处理全部接地线电流，对于任意电缆q，滤波后的首端接地线电流记为i_qf，若电网中性点不接地，则无需处理获取的接地线电流；

d根据各段电缆线路接地线电流方向，结合网络拓扑结构确定出故障路径，进而确定故障电缆线路；

如果配电网中性点经消弧线圈接地，所获得的接地线电流需要被带通滤波处理，步骤c中，滤波器通频带的下限设为250Hz，上限设为750Hz；截止频带的下限频率设为150Hz，上限设为1kHz。

步骤d中的故障路径具有如下特征：故障路径包含至少一条电缆线路，故障路径包含的所有电缆线路在配电网拓扑中是呈首尾连接的连续分布，且各故障路径包含的各条电缆线路首端接地线电流方向均一致；故障电缆线路对应故障路径最末端，即距离母线最远的那条电缆线路。

有益效果：

与现有技术相比，本发明仅利用接地线电流信号实现电缆配网故障区段定位，无需测量零序电流，无需各测点精确同步，而且不受电弧故障影响，现场实施简单，检测速度快，准确率高，具有很高的工程实践价值。

附图说明

图1为本发明基于接地线电流方向差异的电缆配电网故障区段辨识方法的流程示意图；

图2为典型辐射状配电电缆网络拓扑示意图；

图3为所建立的10kV电缆型配电网故障仿真模型示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明：

如图1所示，本发明的利用广域接地线电流时域特征的基于接地线电流方向差异的电缆配电网故障区段辨识方法，适用于配电网中共有M段电缆线路，每条电缆线路首端配置有接地线电流测量点，其步骤如下：

a当配电网发生故障后，由电缆线路首端接地线处测量点获取配电电缆线路q首端接地线上的电流i_q(q＝1,2,...,M)；

b获取所有配电电缆线路首端接地线电流信息，依据所属出线进行归类，取其中任一接地线电流的方向为参考，利用Pearson相关性系数确定配电网剩余电缆线路首端接地线电流方向，进而可以得出各电缆线路首端接地线电流方向；

c确定电网中性点的接地方式，若中性点通过消弧线圈接地，则利用带通滤波器处理全部接地线电流，对于任意电缆q，滤波后的首端接地线电流记为i_qf，若电网中性点不接地，则无需处理获取的接地线电流；滤波器通频带的下限设为250Hz，上限设为750Hz；截止频带的下限频率设为150Hz，上限设为1kHz

d根据各段电缆线路接地线电流方向，结合网络拓扑结构确定出故障路径，进而确定故障电缆线路；步骤d中的故障路径具有如下特征：故障路径包含至少一条电缆线路，故障路径包含的所有电缆线路在配电网拓扑中是呈首尾连接的连续分布，且各故障路径包含的各条电缆线路首端接地线电流方向均一致；故障电缆线路对应故障路径最末端，即距离母线最远的那条电缆线路。

实施例一

1)在配电网发生故障后，设全网共有M段电缆线路配置有接地线电流测量点，由配电电缆线路首端接地线处测量点，获取全网配电电缆线路首端接地线上的故障电流i_{qs_af}(t)(q＝1,2,...,M)；

2)对所测得的全网电缆线路首端接地线电流i_{qs_af}(t)依据所属出线进行归类，取其中任一接地线电流的方向为参考，利用Pearson相关性系数确定全网剩余电缆首端接地线电流方向，进而可以得出各出线的整体接地线电流方向，根据各出线的整体接地线电流方向，经过比较选取接地线电流方向与其他出线均相异的线路即为故障出线，公式如下：

D_ir(i_{ps_af}(t))＝-D_ir(i_{qs_af}(t))

其中，函数Dir()表示电流的方向，ips_af(t)和iqs_af(t)分别表示故障电缆出线p的整体接地线电流方向和健全电缆出线q的整体接地线电流方向，两者的电流方向相反；

3)在确定故障出线后，设故障出线上有N段电缆配置有接地线电流测量点，由步骤1)中所得全网电缆首端接地线电流信息，获取故障出线全线各电缆首端接地线上的故障电流i_{ks_af}(t)(k＝1,2,...,N)；

4)如果电网中性点通过消弧线圈接地，所获得的接地线电流全部通过带通滤波器处理，其中，滤波器通频带的下限设为250Hz，上限设为750Hz左右；截止频带的下限频率设为150Hz，上限设为1kHz左右，对于任意电缆k，滤波后的首端接地线电流记为i_{ks_fil_af}(t)，如果不接地，则只利用每根电缆最初取样的接地线电流i_{ks_af}(t)；

5)以故障出线首段电缆的接地线电流i_{ks_af}(t)(或消弧线圈接地系统中滤波后的接地线电流i_{ks_fil_af}(t))的方向为参考(k＝1)，利用Pearson相关性系数确定故障出线上剩余电缆首端接地线电流方向；

6)根据故障出线各段电缆接地线电流方向，结合网络拓扑结构，由台区变电站母线出发直至某段电缆线路与出线首段电缆接地线电流方向相异为止即确定出故障路径，故障电缆即位于故障路径的末端，公式如下：

D_ir(i_{js_af}(t))＝-D_ir(i_{ks_af}(t))

其中，I_{js_af}(t)和i_{ks_af}(t)分别表示故障电缆段j的接地线电流方向和健全电缆段k的接地线电流方向，两者的电流方向相反。

仿真验证

典型的辐射状配电电缆网络拓扑结构如图2所示，在PSCAD/EMTDC建立的典型10kV三相配电电缆网络中，对各种故障进行了模拟，仿真模型示意图如图3所示。搭建了三芯电缆依频特性模型，每段电缆的长度信息见表1。

表1各段电缆的长度信息

开关K1决定系统的中性接地方式。CB1和CB2是连接三段母线的断路器。CB3、CB4、CB5为环网柜内的断路器。正常运行时，CB1、CB2关闭，CB3、CB4、CB5断开连接。所有电缆在两端通过接地电阻R_SG接地，如图3中表示。消弧线圈电感值基于10％的补偿度选取。采样率设定为5kHz。每段电缆首端的接地线电流由相应测量仪表记录。在上述电缆网络中进行了各种不同情况下的故障仿真。这些故障案例的详细模拟结果如表2和表3所示。

表2所设故障情况和故障区段辨识结果的信息

表3设置为电缆发生电弧故障的故障区段辨识结果

其中，#n表示相应电缆标号(n＝1,2,…,24)；R_f表示故障点过渡电阻；θ_f表示故障初相角；UNG表示中性点不接地；ASG表示中性点经消弧线圈接地；i_sn表示相应故障路径上电缆段n首端接地线电流。

从表中可以看出：本发明所提方法对于含有三芯电缆的辐射状配电网中，发生不同种单相接地故障以及电弧故障的故障区段均有较好辨识精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于接地线电流方向差异的电缆配电网故障区段辨识方法，适用于配电网中共有M段电缆线路，每条电缆线路首端配置有接地线电流测量点，其特征在于步骤如下：

a当配电网发生故障后，由电缆线路首端接地线处测量点获取配电电缆线路q首端接地线上的电流i _q (q=1,2,...,M)；

b获取所有配电电缆线路首端接地线电流信息，依据所属出线进行归类，取其中任一接地线电流的方向为参考，利用Pearson相关性系数确定配电网剩余电缆线路首端接地线电流方向，进而可以得出各段电缆线路首端接地线电流方向；根据各出线的整体接地线电流方向，经过比较选取接地线电流方向与其他出线均相异的线路即为故障出线，公式如下：

其中，函数Dir( )表示电流的方向，i _{ps_af} (t)和i _{qs_af} (t)分别表示故障电缆出线p的整体接地线电流方向和健全电缆出线q的整体接地线电流方向，两者的电流方向相反；

c确定电网中性点的接地方式，若中性点通过消弧线圈接地，则利用带通滤波器处理全部接地线电流，对于任意电缆q，滤波后的首端接地线电流记为i _qf ，若电网中性点不接地，则无需处理获取的接地线电流；

d 以故障出线首段电缆的接地线电流i _{ks_af} (t)的方向为参考k=1，利用Pearson相关性系数确定故障出线上剩余电缆首端接地线电流方向；根据各段电缆线路接地线电流方向，确定出故障路径，进而确定故障电缆线路；

由台区变电站母线出发直至某段电缆线路与出线首段电缆接地线电流方向相异为止即确定出故障路径，公式如下：

其中，i _{js_af} (t)和i _{ks_af} (t)分别表示故障电缆段j的接地线电流方向和健全电缆段k的接地线电流方向，两者的电流方向相反；

故障路径包含至少一条电缆线路，故障路径包含的所有电缆线路在配电网拓扑中是呈首尾连接的连续分布，且各故障路径包含的各条电缆线路首端接地线电流方向均一致；故障电缆线路对应故障路径最末端，即距离母线最远的那条电缆线路。

2.根据权利要求1所述基于接地线电流方向差异的电缆配电网故障区段辨识方法，其特征在于：如果配电网中性点经消弧线圈接地，所获得的接地线电流需要被带通滤波处理，步骤c中，滤波器通频带的下限设为250Hz，上限设为750Hz；截止频带的下限频率设为150Hz，上限设为1kHz。

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