CN112782528B - 一种利用pmu的配电网故障区段定位方法 - Google Patents

一种利用pmu的配电网故障区段定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用PMU的配电网故障区段定位方法，首先，进行故障相判定：发生故障时，采用发电机出线母线处三相的电流幅值分别对故障前三相均相等的单相电流幅值做差，通过差值结果的绝对值判断故障相；其次，进行幅值比较初步判定：将配电馈线上各区段首末端PMU监测的三相电流幅值分别做差，进而初步判定故障区段；再次，进行相位比较初步判定：对各PMU监测点的两个故障相电流分别进行集合经验模态分解，得到特征模态分量，进而计算各区段的余弦相似度，通过余弦相似度数值大小初步判定故障区段；最后，当两个初步判定结果一致时，输出最终的故障区段判别结果，当结果不一致，则返回重新计算。通过多判据融合提高故障判断的准确性。

Description

一种利用PMU的配电网故障区段定位方法
技术领域
本发明属于电力系统配电网继电保护技术领域，具体涉及一种利用PMU的配电网故障区段定位方法。
背景技术
长期以来，我国的电力投资建设和研究主要集中在高压输电网，导致配电网故障定位技术等方面的发展受到严重制约。配电网作为电力系统的末端，直接反映着用户在供电可靠性、电能质量、安全和经济等方面所提出的要求。统计表明，配电网是电力系统故障多发部分，95％以上的用户停电事故是由配电网故障造成的，其中大部分是短路故障。我国配电网主要采用非有效接地方式,传统上将其故障分为相间故障和接地故障。相比而言,相间故障故障电流所造成的影响更为严重，因而也更值得重点关注。
现有故障区段定位方法在故障特征提取方面，存在这样或那样的问题，比如：
传统的傅里叶变换分析方法并不能分析出信号的某一频率在什么时刻出现，为此产生了能同时在时间和频率上表示信号密度和强度的时频分析，如短时傅里叶变换和小波变换等，但其基本思想都是根据傅里叶分析理论，对非线性非平稳信号的分析能力不足，受限于Heisenberg不确定原理。而且其基函数大多固定，导致特征表征能力不强，且在提取过程中，不具有自适应性，且容易得出没有实际物理意义的特征分量，不利于识别判据的构建。传统经验模态分解算法(EMD)虽然具备自适应特性，但易产生模态混叠现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用PMU的配电网故障区段定位方法，通过多判据融合提高故障判断的准确性。
本发明所采用的技术方案是，一种利用PMU的配电网故障区段定位方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、故障相判断：根据故障前三相均相等的单相电流幅值和故障发生后发电机出线母线处的各相电流幅值，确定发生相间故障的两个故障相；
步骤2、监测点编号：对于需要故障区段定位的配电网馈线设置PMU监测点，并对每个监测点进行编号，y＝1,2,3,…,n；
步骤3、幅值比较初步判定：根据任意两个相邻监测点之间各相电流幅值差的绝对值与故障前三相均相等的单相电流幅值之间的关系，初步确定基于幅值比较判定的故障区段；
步骤4、相位比较初步判定：对各PMU监测点发生相间故障的两个故障相电流分别进行模态分解，根据两个模态分解得到的两个特征模态波形之间的时间差、相位差，确定基于相位比较判定的故障区段；
步骤5：最终判定：判断基于幅值比较初步判定的故障区段与基于相位比较初步判定的故障区段是否一致，若一致，则输出最终的故障区段；否则返回步骤3。
本发明的特点还在于：
步骤1具体过程为：测定故障前各相电流幅值均为I，测定Ifxi为发生故障时发电机出线母线处，即x位置三相的电流幅值，i＝a，b，c，则发生故障时，位置x处a，b，c三相的电流幅值分别为Ifxa，Ifxb，Ifxc；当计算式|Ifxi-I|满足位置x处任意两个计算式的计算结果大于故障前单相电流幅值I，同时满足第三个计算式的计算结果小于0.5I时，则判定计算结果均大于I的两相为故障相，小于0.5I的一相为健全相。
步骤3具体过程为：获取发生故障时各PMU监测点三相的电流幅值，当相邻两个监测点之间一组计算式|Ifyi-If(y+1)i|,中存在任意两个计算式的计算结果大于故障前单相电流幅值I，且第三个计算式的计算结果小于0.5I时，则可初步判定监测点y与监测点y+1之间区段为基于幅值比较判定的故障区段，当相邻两个监测点之间一组计算式|Ifyi-If(y+1)i|,都小于0.5I时，则初步判定该区段为健全区段。
步骤4具体过程为：
步骤4.1、获取发生故障时各PMU监测点两个故障相的电流；
步骤4.2、对获取的两个故障相电流分别进行集合经验模态分解，得到其本征模态分量IMFyij，其中，j为本征模态分量数目，j＝1，2，…，m；
步骤4.3、将获得的本征模态分量IMFyij中最低频率的7个本征模态分量IMFm-6，IMFm-5，IMFm-4，…，IMFm进行叠加，得到两个故障相分别对应的特征模态分量的波形；
步骤4.4、计算两个故障相分别对应的特征模态分量的波形从故障发生时刻开始第1个基波的波峰的时间差Δty；
步骤4.5、计算两个故障相分别对应的特征模态分量的相位差αy，即各PMU监测点两个故障相的相位差αy，计算式如下：
步骤4.6、分别对相邻两个PMU监测点两个故障相的相位差αy做差，得δ；进而，对δ计算余弦相似度cosδ；
步骤4.7、若cosδ>0.5时，则初步判定δ对应的相邻两个PMU监测点之间的区段为基于相位比较判定的健全区段；若cosδ<0.5时，则初步判定δ对应的相邻两个PMU监测点之间形成的区段为基于相位比较判定的故障区段。
步骤4.2集合经验模态分解中附加白噪声标准差与故障相电流标准差之比取为0.1，添加噪声的次数取为100。
本发明的有益效果是：
1)通过对两个故障相电流进行集合经验模态分解，快速得到故障时稳态的电流波形，故障发生后两个半周波内可以完成相位比较判据的计算，从而判定故障区段。
2)多判据融合，可靠性高。
附图说明
图1为本发明一种利用PMU的配电网故障区段定位方法流程图；
图2为本发明说明书中b，c两相短路时电流流向原理图；
图3为本发明说明书中b，c两相短路时故障处电流相量图；
图4为本发明实施例所述10kV辐射状配电网图；
图5为本发明实施例所述发电机出线母线处(M测点)三相电流波形图；
图6为本发明实施例所述故障区段靠近电源侧(N测点)三相电流波形图；
图7为本发明实施例所述N测点两故障相IMF分别叠加后的波形图；
图8为本发明实施例所述故障区段靠近负荷侧(O测点)三相电流波形图；
图9为本发明实施例所述O测点两故障相IMF分别叠加后的波形图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种利用PMU的配电网故障区段定位方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1、故障相判断：测定故障前各相电流幅值均为I，测定Ifxi为发生故障时发电机出线母线处，即x位置三相的电流幅值，i＝a，b，c，则发生故障时，位置x处a，b，c三相的电流幅值分别为Ifxa，Ifxb，Ifxc；当计算式|Ifxi-I|满足位置x处任意两个计算式的计算结果大于故障前单相电流幅值I，同时满足第三个计算式的计算结果小于0.5I时，则判定计算结果均大于I的两相为故障相，小于0.5I的一相为健全相。
以b，c相发生相间故障为例，则有
依据以上公式，可判定b，c两相发生相间故障，其它类型的相间短路故障判别与以上方法相同。
步骤2、监测点编号：对于需要故障区段定位的配电网馈线设置PMU监测点，并对每个监测点进行编号，y＝1,2,3,…,n；
步骤3、幅值比较初步判定：根据任意两个相邻监测点之间各相电流幅值差的绝对值与故障前三相均相等的单相电流幅值之间的关系，初步确定基于幅值比较判定的故障区段；步骤3具体过程为：
获取发生故障时各PMU监测点三相的电流幅值，当相邻两个监测点之间一组计算式|Ifyi-If(y+1)i|,中存在任意两个计算式的计算结果大于故障前单相电流幅值I，且第三个计算式的计算结果小于0.5I时，则可初步判定监测点y与监测点y+1之间区段为基于幅值比较判定的故障区段，当相邻两个监测点之间一组计算式|Ifyi-If(y+1)i|,都小于0.5I时，则初步判定该区段为健全区段。取4个PMU监测点进行标记为M、N、O、P，其中M表示第n个监测点，N表示第n+1个监测点，O表示第n+2个监测点，P表示第n+3个监测点，可得到三个区段为MN，NO，OP；以b，c相发生相间故障为例，若满足如下3组计算式：
则可初步判定NO区段为故障区段，初步判定MN区段与OP区段为健全区段。
步骤4、相位比较初步判定：对各PMU监测点发生相间故障的两个故障相电流分别进行模态分解，根据两个模态分解得到的两个特征模态波形之间的时间差、相位差，确定基于相位比较判定的故障区段；步骤4具体过程为：
步骤4.1、获取发生故障时各PMU监测点两个故障相的电流；
步骤4.2、对获取的两个故障相电流分别进行集合经验模态分解，得到其本征模态分量IMFyij，其中，j为本征模态分量数目，j＝1，2，…，m；集合经验模态分解时，附加白噪声标准差与故障相电流标准差之比取为0.1，添加噪声的次数取为100。
步骤4.3、将获得的本征模态分量IMFyij中最低频率的7个本征模态分量IMFm-6，IMFm-5，IMFm-4，…，IMFm进行叠加，得到两个故障相分别对应的特征模态分量的波形；
步骤4.4、计算两个故障相分别对应的特征模态分量的波形从故障发生时刻开始第1个基波的波峰的时间差Δty；
步骤4.5、计算两个故障相分别对应的特征模态分量的相位差αy，即各PMU监测点两个故障相的相位差αy，计算式如下：
步骤4.6、分别对相邻两个PMU监测点两个故障相的相位差αy做差，得δ；进而，对δ计算余弦相似度cosδ；
步骤4.7、若cosδ>0.5时，则初步判定δ对应的相邻两个PMU监测点之间的区段为基于相位比较判定的健全区段；若cosδ<0.5时，则初步判定δ对应的相邻两个PMU监测点之间形成的区段为基于相位比较判定的故障区段。
步骤5：最终判定：判断基于幅值比较初步判定的故障区段与基于相位比较初步判定的故障区段是否一致，若一致，则输出最终的故障区段；否则返回步骤3。
本发明一种利用PMU的配电网故障区段定位方法工作原理为：
1.相间短路不同位置各相电流相位与幅值特征
如图2，当f点发生BC两相短路时，该点三相对地电压及流出该点的相电流具有下列边界条件：
将它们转换为用对称分量表示，
即为
由复合序网图可解得
故障相短路电流为
由上式可知故障时两故障相相位互差180°，如图3，且幅值为显著大于故障前相电流幅值。
当过渡电阻很小时，由于两故障相从短路点到负荷处被短路，从短路点到负荷处故障相电流主要来源于此区段线路两故障相的电感和对地电容，且两相线路参数基本相同，所以此区段两故障相等效电路相同，相电流都从线路流向负荷，相位近似相等，即此区段各测点两故障相电流相位约为0°。当过渡电阻变大时，短路点前的线路与短路点后的线路、负荷并联，从短路点到负荷处故障相电流主要来源于电源，相位差会由0°开始越来越接近但不会超过120°。
2.集合经验模态分解理论
集合经验模式分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD)方法能把非平稳、非线性信号分解成一组稳态和线性的序列集，即本征模式函数。根据Huang的定义，每一阶的IMF应满足两个条件:
条件1：在整个数据段内，极值点和过零点的个数必须相等或者相差最多不能超过一个。
条件2：任意时刻由局部极大值点形成的上包络线和由局部极小值点形成的下包络线的平均值为零。
其筛选算法如下:
(1)对于输入信号x(t)，确定x(t)所有极值点。
(2)用三次样条函数对极大点和极小点分别进行拟合得到x(t)的上下包络线。
(3)用原始数据序列减去上下包络线的均值。
(4)通常s(t)还不满足IMF的条件，需重复进行以上步骤，进行迭代处理，迭代停止准则为:
SD是筛选门限值，一般取值为0.2-0.3，若计算SD小于这个门限值，筛选迭代将会结束。
经过n次迭代满足停止准则后得到的sn(t)即为有效IMF，剩余信号则进入下一轮筛选过程。
经过多次筛选后，原始数据序列被分解为一组IMF分量和一个残余量，得到的IMF都是平稳的。
Huang将白噪声加入待分解信号，利用白噪声频谱的均匀分布，当信号加在遍布整个时频空间分布一致的白噪声背景上时，不同时间尺度的信号会自动分布到合适的参考尺度上，并且由于零均值噪声的特性，经过多次平均后，噪声将相互抵消,集成均值的结果就可作为最终结果。
EEMD步骤如下：
(1)向信号加入正态分布白噪声，每次加入幅值相同的新噪声。
si(t)＝x(t)+ni(t)
(2)将加入白噪声的信号分解成各IMF分量。
(3)重复步骤(1)，(2)，每次加入新的白噪声序列。
(4)将每次得到的IMF集成均值作为最终结果。
3.故障相判定、幅值比较初步判定、相位比较初步判定具体说明故障相判定：任何位置发生相间短路时，由于两故障相从短路点到电源处构成的回路负荷显著变小，发电机出线母线处两故障相的电流幅值对比故障前相电流会显著增大，非故障相电流幅值基本不会发生变化，和故障前相电流幅值近似相等。通过故障发生时发电机出线母线处三相的电流幅值分别与故障前相电流幅值进行比较，计算幅值之差的绝对值，可以得到故障时两故障相电流幅值与故障前相电流幅值差的绝对值大于故障前相电流幅值，且故障时非故障相电流幅值与故障前相电流幅值差的绝对值小于故障前相电流幅值的一半，由此可判别出故障相与非故障相；
幅值比较初步判定：发生相间短路时，任意位置非故障相电流幅值不变，由于两故障相从短路点到电源处构成的回路负荷显著变小，故障区段靠近电源端两故障相电流幅值会显著变大；故障区段靠近负荷端两故障相电流来源于从短路点到负荷处电感和对地电容或者来源于电源，所以幅值会变小。由于配电网线路短，健全段首末端三相的电流幅值基本没有变化。通过对故障时所有区段两端三相的电流幅值分别对应求差，故障区段两端两故障相幅值差大于故障前相电流幅值，健全区段首末端故障相幅值差小于故障前相电流幅值的一半，由此可判别出故障区段；
相位比较初步判定：发生相间短路时，由对称分量法，从发电机出线母线处到短路点的两故障相电流相位相反，即此区段各测点两故障相电流相位互差180°；当过渡电阻很小时，由于两故障相从短路点到负荷处被短路，从短路点到负荷处故障相电流主要来源于此区段线路两故障相的电感和对地电容，且两相线路参数基本相同，所以此区段两故障相等效电路相同，相电流都从线路流向负荷，相位近似相等，即此区段各测点两故障相电流相位约为0°。当过渡电阻变大时，短路点前的线路与短路点后的线路、负荷并联，从短路点到负荷处故障相电流主要来源于电源，相位差会由0°开始越来越接近但不会超过120°。用EEMD分解各测点两故障相电流，提取故障相电流最低频率的7个IMF，将其叠加，通过同频率分量相位差计算公式求取各测点两故障相相位差，所得多个相位差值，再对相邻测点的两个相位差值做差，将最终的相位差值计算余弦相似度。故障区段的余弦相似度小于0.5，健全区段的余弦相似度大于0.5，由此可判别故障区段与健全区段。
实施例
建立如图4的10kV辐射状配电网模型，共有3条馈线，均为架空线，其中架空线l3上安装有4个PMU监测点，分别为：M，N，O，P，其中M为发电机母线出线处监测点，架空线的参数如表1：
表1线路参数
仿真测得发生故障前三相电流幅值I均为0.004kA，设定在0.1秒处发生b，c两相短路故障，持续0.1秒，至0.2秒时故障结束。
由表2可得，当过渡电阻不同时，计算式|IfMa-I|的计算结果都显著小于0.5I＝0.5×0.004＝0.002kA，计算式|IfMb-I|与计算式|IfMc-I|的计算结果都显著大于I＝0.004kA，以过渡电阻为0.01Ω为例，如图5，M点非故障相电流幅值在故障发生后与故障前基本相等，两个故障相电流在故障后的幅值显著大于故障前的相电流幅值，判定b，c两相为故障相，a相为健全相。可以看出，本发明所述两相短路故障相判别方法判定结果准确。
计算式|IfMa-IfNa|，|IfMb-IfNb|与计算式|IfMc-IfNc|的计算结果约小于0.5I＝0.5×0.004＝0.002kA，判定MN区段为健全区段；计算式|IfNa-IfOa|的计算结果显著小于0.5I，计算式|IfNb-IfOb|与计算式|IfNc-IfOc|的计算结果显著大于I＝0.004kA，以过渡电阻为0.01Ω为例，如图6与图7，N测点非故障相电流幅值与O测点非故障相电流幅值近似相等，N测点两故障相电流幅值与O测点两故障相电流幅值大小差距明显，判定NO为故障区段；计算式|IfOa-IfPa|，|IfOb-IfPb|与计算式|IfOc-IfPc|的计算结果约小于0.5I，判定OP为健全区段。可以看出，本发明所述两相短路区段定位幅值判据判定结果准确。
表2馈线3相间短路时各测点的电流幅值
以过渡电阻为0.01Ω为例，如图8，短路点前测点两故障相电流经EEMD分解与最低频率7个IMF叠加之后的波形相位差约为180°，如图9，短路点前测点两故障相电流经EEMD分解与最低频率7个IMF叠加之后的波形相位差远小于120°。由表3表4数据可得，相邻两测点M，N的两故障相相电流相位差之差的余弦值大于0.5，判定MN区段为健全区段；相邻两测点N，O的两故障相相电流相位差之差的余弦值小于0.5，判定NO区段为故障区段；相邻两测点O，P的两故障相相电流相位差之差的余弦值大于0.5，判定OP区段为健全区段；可以看出，本发明所述两相短路区段定位相位判据判定结果准确。
表3馈线3相间短路时各测点两故障相电流的相位差
表4馈线3相间短路时相邻两测点两故障相电流相位差之差的余弦值
通过上述方式，本发明一种利用PMU的配电网故障区段定位方法，首先，进行故障相判定：发生故障时，采用发电机出线母线处三相的电流幅值分别对故障前三相均相等的单相电流幅值做差，通过差值结果的绝对值判断故障相；其次，进行幅值比较初步判定：将配电馈线上各区段首末端PMU监测点，即相邻两个PMU监测点的三相电流幅值分别做差，进而初步判定故障区段；再次，进行相位比较初步判定：对各PMU监测点的两个故障相电流分别进行集合经验模态分解，得到特征模态分量，进而计算各区段的余弦相似度，通过余弦相似度数值大小初步判定故障区段；最后，当两个初步判定结果一致时，输出最终的故障区段判别结果，当结果不一致，则返回重新计算。

Claims (2)

1.一种利用PMU的配电网故障区段定位方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、故障相判断：根据故障前三相均相等的单相电流幅值和故障发生后发电机出线母线处的各相电流幅值，确定发生相间故障的两个故障相；具体过程为：测定故障前各相电流幅值均为，测定/>为发生故障时发电机出线母线处，即x位置三相的电流幅值，i=a，b，c，则发生故障时，位置x处a，b，c三相的电流幅值分别为/>，/>，/>；当计算式/>满足位置x处任意两个计算式的计算结果大于故障前单相电流幅值I，同时满足第三个计算式的计算结果小于/>时，则判定计算结果均大于I的两相为故障相，小于/>的一相为健全相；
步骤2、监测点编号：对于需要故障区段定位的配电网馈线设置PMU监测点，并对每个监测点进行编号，y=1,2,3,…,n；
步骤3、幅值比较初步判定：根据任意两个相邻监测点之间各相电流幅值差的绝对值与故障前三相均相等的单相电流幅值之间的关系，初步确定基于幅值比较判定的故障区段；具体过程为：获取发生故障时各PMU监测点三相的电流幅值I fyi，当相邻两个监测点之间一组计算式中存在任意两个计算式的计算结果大于故障前单相电流幅值I，且第三个计算式的计算结果小于/>时，则可初步判定监测点y与监测点y+1之间区段为基于幅值比较判定的故障区段，当相邻两个监测点之间一组计算式/>都小于/>时，则初步判定监测点y与监测点y+1之间区段为健全区段；
步骤4、相位比较初步判定：对各PMU监测点发生相间故障的两个故障相电流分别进行模态分解，根据两个模态分解得到的两个特征模态波形之间的时间差、相位差，确定基于相位比较判定的故障区段；具体过程为：
步骤4.1、获取发生故障时各PMU监测点两个故障相的电流；
步骤4.2、对获取的两个故障相电流分别进行集合经验模态分解，得到其本征模态分量IMFyij，其中，j为本征模态分量数目，j=1，2，…，m；
步骤4.3、将获得的本征模态分量IMFyij中最低频率的7个本征模态分量IMFyi(m-6)，IMF yi(m-5)，IMF yi(m-4)，…，IMFyim进行叠加，得到两个故障相分别对应的特征模态分量的波形；
步骤4.4、计算两个故障相分别对应的特征模态分量的波形从故障发生时刻开始第1个基波的波峰的时间差/>；
步骤4.5、计算两个故障相分别对应的特征模态分量的相位差α y，即各PMU监测点两个故障相的相位差α y，计算式如下：
；
步骤4.6、分别对相邻两个PMU监测点两个故障相的相位差α y做差，得δ；进而，对δ计算余弦相似度cosδ；
步骤4.7、若cosδ>时，则初步判定δ对应的相邻两个PMU监测点之间的区段为基于相位比较判定的健全区段；若cosδ</>时，则初步判定δ对应的相邻两个PMU监测点之间的区段为基于相位比较判定的故障区段；
步骤5：最终判定：判断基于幅值比较初步判定的故障区段与基于相位比较初步判定的故障区段是否一致，若一致，则输出最终的故障区段；否则返回步骤3。
2.根据权利要求1所述一种利用PMU的配电网故障区段定位方法，其特征在于，步骤4.2所述集合经验模态分解中附加白噪声标准差与故障相电流标准差之比取为0.1，添加噪声的次数取为100。
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