CN112881861A

CN112881861A - 一种配电网的故障定位方法及其系统

Info

Publication number: CN112881861A
Application number: CN202110059566.1A
Authority: CN
Inventors: 喻锟; 刘战磊; 曾祥君; 李嘉康; 孙诗航
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2021-01-18
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2041-01-18
Also published as: CN112881861B

Abstract

本发明公开了一种配电网的故障定位方法及其系统，该方法可以用于故障选线，也可以用于故障区段定位，且均是利用相位判据进行判断定位的，所述相位判据是基于分支线路i为故障线路或分支线路i上区段H为故障区段时，对应分支线路i或分支线路i上区段H的线路或区段零序对地电流与零序电压的夹角的差异推导的。通过所述定位方法可以快速且准确的可以确定配电网故障线路、故障区段，为电网可靠、稳定供电奠定了基础。

Description

一种配电网的故障定位方法及其系统

技术领域

本发明属于配电网技术领域，具体涉及一种配电网的故障定位方法及其系统。

背景技术

配电网由于是直接与多种多样的电力用户连接，因此使得网络更为复杂并具有自身的特点，若电网中一旦发生故障，且未能及时定位并立即修复，将会造成重大经济损失；同时随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的日益提高，对电能质量的要求越来越高，对电网的可靠性和稳定性提出了更高的要求。配电网作为电能供应的最后一个环节，在很大程度上决定了该地区的供电可靠性，因此加快配电网自动化的建设与应用是提高配电网供电可靠性的关键因素。在配电自动化系统中，故障区段定位是核心内容，其主要作用是：当配电网发生故障后，在短时间内准确的进行故障区段定位，迅速隔离故障区段，恢复对非故障区段的供电，从而尽量减少故障影响的停电范围和停电时间。由此可见，故障区段定位是故障隔离、故障排除和恢复供电的前提和基础，对于提高供电可靠性具有重要意义。同时，配电网分支多，架空线电缆线混合现象普遍存在，如何快速准确的确定故障线路对于供电可靠性也具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种配电网的故障定位方法及其系统，快速且准确的可以确定配电网故障线路、故障区段，为电网可靠、稳定供电奠定了基础。

本发明提供的一种配电网的故障定位方法，若进行故障选线，执行如下过程：

所述故障定位方法用于故障选线时，执行如下过程：

获取配电网母线上每个分支线路的线路零序对地电流；再基于线路零序对地电流计算出每个分支线路的线路零序对地电流与零序电压的夹角；最后，利用相位判据判断出故障线路；

所述故障定位方法用于故障区段定位时，所述定位方法执行如下过程：

获取配电网分支线路中每个区段的区段零序对地电流；计算每个区段零序对地电流与零序电压的夹角，最后，利用相位判据判断出故障区段；

其中，将第一个分支线路作为最后一个分支线路的下一相邻分支线路；以及将每个分支线路各自等间距分段，并将分支线路第一个区段作为所述分支线路上最后一个区段的下一相邻区段。

【本发明利用研究发现在区段、分支线路发生故障或不发生故障的前提下，其零序对地电流与零序电压的夹角存在差异，进而根据该差异推导出本发明的相位判据，利用该相位判据可以准确判断出故障线路、故障区段，操作简单便捷快速，为提高供电可靠性奠定了基础。】

进一步优选，所述相位判据为：若分支线路i的线路零序对地电流或分支线路i上区段H 的区段零序对地电流与零序电压夹角小于预设整定值α_set，则分支线路i为故障线路或线路i 上区段H为故障区段。

进一步优选，所述区段零序对地电流与零序电压夹角以及所述线路零序对地电流与零序电压夹角的计算公式如下：

或

式中，α_iHr表示分支线路i上区段H的区段零序对地电流与零序电压的夹角，

表示分支线路i上区段H的区段零序对地电流的相角，

表示零序电压的相角，α_i表示分支线路i的线路零序对地电流与零序电压的夹角,

表示分支线路i的线路零序对地电流的相角。

进一步优选，所述整定值α_set的计算公式如下：

式中，α_set为整定值，

为相角裕度，根据现场测量精度选择

【本发明通过研究发现，故障区段与非故障区段的区段零序对地电流与零序电压的夹角将会出现较大差别，而非故障区段零序对地电流与零序电压的夹角为区段对地导纳的导纳角，非故障区段对地导纳的导纳角≤84.3°，其大于故障区段的区段零序对地电流与零序电压的夹角，因此本发明得到所述相位判据。】

进一步优选，进行故障选线或故障区段定位之前还包括步骤：

调节零序电压的幅值和相位，调节规则为：调节幅值和相位使零序电压向量的端点处于封闭区域S的范围内；

所述封闭区域S是以故障相电动势为X轴建立极坐标系时，由下述公式表达的封闭区域

式中，

θ为零序电压超前故障相电动势的角度，

为零序电压，

为故障相电动势。

且当零序电压位于曲线L₄时，故障相电压达到线电压。L₄为曲线k²+2kcosθ＝2在D2与 D3之间的部分。

【现有的故障区段定位方法中不论是“故障指示器法”(故障电流远小于负荷电流，“故障指示器”无法进行有效识别)、还是利用一次设备动作产生较大的扰动电流或者向系统注入特定电流，再设计定位算法确定故障位置的方法(扰动后的电流变化仍然微弱)、或是利用馈线沿线装设的现场终端设备采集故障实时信息，对采集的信息进行加工分析，实现故障区段定位的方法(消弧线圈对电容电流的补偿作用，使流过故障路径的零序电流幅值减小，当发生高阻接地故障时，零序回路的等值阻抗变大，零序电压减小，故障线路流过的零序电流不明显)，均存在故障电流不明显，故障路径上故障特征不明显的问题，进而限制了故障区段定位的精度，而本发明通过研究发现调节零序电压时，能够对故障路径上的零序电流进行放大，并且主要是对过渡电阻上流过的电流放大了；于此同时，故障路径上流过的电流仅含有对地导纳和过渡电阻上两部分的电流，消弧线圈的电感电流不再对故障路径上的容性电流进行抵消，尤其是克服了由于消弧线圈电感电流对电容电流的补偿而导致的故障特征不明显的问题，使得故障路径上的故障特征更加突出，提高了故障选线和区段定位的准确性。】

进一步优选，调节零序电压的幅值和相位使得零序电压相角滞后故障相电动势60°，幅值等于相电动势幅值。

【本发明通过推理验证出零序电压的相角滞后故障相电动势60°，幅值等于相电动势幅值时，过渡电阻上的电流最大，并与线路对地阻抗上流过的电流的夹角最小，合成的电流幅值达到最大，故障路径上的故障电流的放大效果达到最佳。】

进一步优选，零序电压的幅值和相位是利用柔性电压调节装置进行调节的。

另一方面，本发明提供一种基于上述的定位系统，包括获取模块、夹角计算模块以及定位模块；

所述定位系统应用于故障选线时：

所述获取模块，用于获取配电网母线上每个分支线路的线路零序对地电流；

所述夹角计算模块，用于基于线路零序对地电流计算出每个分支线路的线路零序对地电流与零序电压的夹角；

所述定位模块，用于利用相位判据判断出故障线路；

所述定位系统应用于故障区段定位时：

所述获取模块，获取配电网分支线路中每个区段的区段零序对地电流；

所述夹角计算模块，用于基于区段零序对地电流计算出每个区段的区段零序对地电流零序电压的夹角；

所述定位模块，用于利用相位判据判断出分支线路上的故障区段。

进一步优选，所述系统还包括投入配电网的柔性电压调节装置以及采集终端，所述采集终端与所述获取模块连接；

所述柔性电压调节装置，用于调节零序电压的幅值和相位；

所述采集终端，用于采集配电网中母线上每个分支线路的线路零序对地电流以及用于采集配电网每个分支线路上每个区段的区段零序电流。

有益效果

本发明提供的一种配电网的故障定位方法及其系统，其利用研究发现在区段、分支线路发生故障或不发生故障的前提下，其零序对地电流与零序电压的夹角存在差异，进而根据该差异推导出本发明的相位判据，利用该相位判据可以准确判断出故障线路、故障区段，操作简单便捷快速，为提高供电可靠性奠定了基础。同时，通过相位判据进行故障定位，可以不考虑幅值因素，仅考虑相位，从另一个角度提供了一种全新的故障诊断以及定位方法。

此外，本发明进一步优选方案还通过调节零序电压的幅值和相位对故障路径上的零序电流的幅值进行放大，为零序电流的检测提供了方便，从源头上解决了线路发生高阻接地故障时线路故障信息不易获取的难题，提高了选线、故障区段定位的准确性。对零序电压进行调节后，消弧线圈电感电流不再对故障路径的电容电流进行抵消，故障路径流过的电容电流不因消弧线圈的补偿度而改变；同时柔性电压调控装置的加入改变了消弧线圈电感电流的流通路径，但不影响消弧线圈的消弧效果；此外，零序电压的调节不受系统对地参数和过渡电阻的影响，不受暂态量影响，具有提高的精度。

附图说明

图1是谐振接地系统发生单相经过渡电阻接地故障的零序等效图；

图2是零序电压调节范围示意图；

图3是故障相电压与零序电压和故障相电动势的向量关系示意图；

图4是本发明实施例提供的零序电压调节范围的示意图；

图5是本发明实施例提供的一种配电网的故障定位方法的流程示意图；

图6是本发明实施例提供的零序电压调节前后的故障路径上零序电流的对比示意图；

图7是本发明实施例提供的不同消弧线圈的电感值对应的故障路径上零序电流的对比示意图；

图8是本发明实施例提供的故障区段与非故障区段之间的相角示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

本发明提供的一种基于相位判据的配电网故障定位方法及其系统，是利用相位判据来实现配电网故障线路和故障区段的定位，下文将故障相为C相为例对相位判据的推理过程进行阐述，但是应当理解，本发明所述方法是不限于C相的，适用于三相中任一相的故障定位。

如图1所示为谐振接地系统发生单相经过渡电阻接地故障的零序等效图，

为配电网C 相电源电动势，R_f为过渡电阻，Z₀为中性点接地阻抗，

为电压柔性调控装置的等效可控电压源电压也即配电网零序电压，当开关K闭合后投入电压柔性调控装置，可以调节零序电压

幅值、相角；

为配电网母线的分支线路i的零序导纳，r_0i为分支线路i的零序电阻，C_0i为分支线路i的零序电容；将分支线路分为若干区段，

为单个区段零序导纳，r_0q为单个区段的零序电阻，C_0q为单个区段的零序电容；假设某两个相邻区段H、 I，区段H首端流过的零序电流表示为

区段I首端也即区段H末端流过的零序电流为

负荷侧一般经变压器连接到中压配电网，由于变压器中压侧绕组一般采用三角形接线，不存在零序电流的流通路径，因此负载的零序电流不会流入配电网对测量造成影响。

本发明实施例是视故障相已知的前提下进行的，本实施例中，C相为故障相，采集的线路零序对地电流以及区段零序对地电流均是针对三相的。

1、针对分支线路i上零序电流的分析如下：

a：当分支线路i上中间任意区段H上C相发生单相经过渡电阻接地时，分支线路i则为故障线路，其零序电流

(分支线路的零序电流也是本发明所指的线路零序对地电流)为：

式中，U'₀为发生故障时未加入柔性电压调控装置时的零序电压。

b：当分支线路i为非故障线路时，其零序电流

为：

2、针对故障线路i上区段的区段零序对地电流的分析如下：

分支线路i上位于故障区段H前的任一区段F首端流过的零序电流为：

式中，

为分支线路i上故障区段H前任一区段F首端流过的零序电流，g为障分支线路i上位于区段F之后的区段数。

位于分支线路i上故障区段H后的任一区段L首端流过的零序电流为：

式中，

为分支线路i上故障区段H后任一区段L首端流过的零序电流，b₁为障分支线路i上位于区段L之后的区段数。

A：若区段H为故障线路i上故障区段，且不处于分支线路i首端和末端：

故障区段H的区段零序对地电流可由下式求得：

式中，

为故障区段H的区段零序对地电流，

为分支线路i上故障区段H首端流过的零序电流，

为分支线路i上区段I首端流过的零序电流，区段I为分支线路i上与故障区段H相邻的后一区段，b₂为故障线路i上位于区段I之后的区段数。

故障线路i上位于故障区段H前的非故障区段F的区段零序对地电流I_i0Fr可由下式求得：

式中，g为故障线路i上位于非故障区段F之后的区段个数；

同理，故障线路i上不处于线路末端且位于故障区段H后的非故障区段M的区段零序对地电流I_i0Mr可由下式求得：

式中，b为故障线路i上位于非故障区段M之后的区段个数；

故障线路i上处于线路末端且为非故障区段的区段M的区段零序对地电流可由下式求得：

通过上述分析可知，故障区段H为中间区段时，其区段零序对地电流

非故障区段的区段零序对地电流与区段的位置无关，均为

B：若区段H为故障线路i上故障区段，且处于分支线路i末端：

分支线路i上任意非故障区段P的区段零序对地电流表示如下：

式中，

为分支线路i上非故障区段P的区段零序对地电流，

为分支线路i上非故障区段P首端流过的零序电流，

为分支线路i上非故障区段P相邻后一区段G上首端流过的零序电流，g'为分支线路i上位于非故障区段P之后的区段个数。

分支线路i上末端故障区段H的区段零序对地电流

为：

式中，

为末端故障区段H的首端零序电流。

C：若区段H为故障线路i上故障区段，且处于分支线路i首端：

分支线路i上任意非故障区段Q的区段零序对地电流表示如下：

式中，

为分支线路i上任意非故障区段Q的区段零序对地电流，b₃为分支线路i上处于非故障区段Q之后的区段个数。

首端故障区段H的区段零序对地电流

为：

从上述可知，不论故障区段H是处于首端、中间或末端时，其区段零序对地电流均表示为

非故障区段的区段零序对地电流均表示为

即故障区段与非故障区端的入地电流表达式与故障发生位置无关。并基于该发现，针对分支线路进行如下变换：

若分支线路i为故障线路时，分支线路i的线路零序对地电流

若分支线路i为非故障线路时，分支线路i的线路零序对地电流

若区段H为故障区段时，区段H的区段零序对地电流

若区段H为非故障区段时，区段H的区段零序对地电流

其中，

均表示导纳分量，相角近似相同，幅值不同；

表示过渡电阻分量。

应当理解，以上零序电流、区段零序对地电流表达式的分析以节点电压法为基础，调控零序电压不改变各线路及区段的线路结构，也即不改变各表达式含有的分量成分，仅改变零序电压大小和相位。因此以上表达式在调控电压情况下仍然适用。即

改变，但是上述表达式仍然是适用的。本发明通过研究发现，改变零序电压大小和相位，可以放大故障路径上的电流，假设调节后的零序电压用

表示。

因此，本发明通过计算线路或区段零序对地电流与零序电压夹角来进行故障定位，以区段为例进行如下分析：

首先，由上述公式可知，若区段H为非故障区段时，区段H的区段零序对地电流

如下：

若区段H为故障区段时，区段

如下：

记

的相角为θ₁，

的相角为θ₂，显然得到：

由于过渡电阻电流分量与对地导纳电流分量存在相角差，故障区段与非故障区段的区段零序对地电流与零序电压的夹角将会出现差别，非故障区段的区段零序对地电流与零序电压的夹角为线路对地导纳的导纳角≥84.3°，故障区段的区段零序对地电流与零序电压的夹角由于过渡电阻电流分量的存在将＜84.3°。

按照如下公式计算区段的区段零序对电流与零序电压的夹角：

式中，α_iHr表示线路i上区段H的区段零序对地电流与零序电压的夹角，

表示线路i上区段H的区段零序对地电流的相角，

表示零序电压的相角。根据前述分析，故障区段的区段零序对地电流与零序电压的夹角小于非故障区段的区段零序对地电流与零序电压的夹角。因此比较所有区段的区段零序对地电流与零序电压的夹角，其中区段零序对地电流与零序电压夹角小于整定值α_set的对应区段即为故障区段。

同理，对分支线路也进行上述类似分析可知，线路零序对地电流与零序电压夹角小于整定值α_set的对应分支线路为故障线路，线路零序对地电流与零序电压夹角的计算公式如下：

α_i表示线路i的线路零序对地电流与零序电压的夹角,

表示线路i的线路零序对地电流的相角，

表示零序电压的相角。

应当理解，本发明通过上述相位判据可以鉴别出故障线路和故障区段，为了提高定位准确性，本发明研究发现调节零序电压可以放大故障路径上的电流，原理如下(以C相为故障相为例进行说明，故本实施例的L₁曲线对应了故障相C相)：

规程规定配电网可带故障运行1-2h，线路可在此时间内承受的电压可达线电压。在对零序电压幅值和相位调控时应保证三相线路承受相电压均小于线电压，防止线路因绝缘击穿发展为相间短路，零序电压调压范围如图2所示。图中的实线L₁、L₂、L₃为零序电压临界值，当中性点位于L₁上时，C相电压达到线电压；当中性点位于L₂上时，B相电压达到线电压；当中性点位于L₃上时，A相电压达到线电压。由图2的曲线可以看到，零序电压

以故障相电源电动势为中线，最大上下摇摆幅度为60°，且摇摆幅度越大，零序电压可调控幅值越大。

由式(1)，当故障相电压达到线电压时，过渡电阻上流过的故障特征量最大。进一步考虑在最大程度放大故障特征量的同时，使故障路径零序电流最大。根据分支线路和区段的线路零序对地电流和区段零序对地电流公式可知，其均由导纳分量和过渡电阻分量构成，即等于两者的合成向量，因此，若要使故障路径零序电流最大，则合成向量最大。

令

式(1)可表示为：

式中，

为

相角，当|Y’_0i|最大时，故障线路电流幅值最大。令

由于|Y’_0i|大于0，因此当f(k,θ)最大时，|Y’_0i|同样达到最大。

如图3所示，当故障相电压等于线电压时，零序电压位于曲线L₁₁或L₁₂上，且L₁₁与L₁₂关于故障相电动势对称。当零序电压位于L₁₁时，零序电压滞后故障相电动势，θ＜0，当零序电压位于L₁₂时，零序电压超前故障相电动势，θ＞0。

假设-60°≤θ₂＝-θ₁≤0°，则有：

由式(21)，对超前故障相电动势任意角度θ₁的零序电压，都能找到一个滞后故障相电动势相同角度的零序电压，使|Y’_0i|更大，因此使|Y’_0i|取得最大值的零序电压位于L₁₁上。当零序电压位于L₁₁上时，k和θ满足如下关系：

k²+2kcosθ+1＝3(-60°≤θ≤0°) (22)

联立式(20)、(22)得到：

对式(23)求导得：

由于当零序电压位于L₁₁上时，f’_k＞0，所以在L₁₁上时，f(k,θ)随着k的增加单调递增，也即在L₁₁上时故障线路零序电流幅值随

幅值增加而增大，因此当

时，故障线路零序电流幅值最大。即放大效果最好的是调节零序电压

使其相角滞后故障相电动势60°，幅值等于相电动势幅值。

上述分析得到最佳方法效果对应的零序电压

下述将分析具有放大效果的可调范围，本发明将可调范围设定为如图4中阴影区域S，区域S可表达为下式：

以故障相电动势方向为X轴建立极坐标系，式中S₁表示以点

为圆心，以

为半径的圆内部，S₂表示以点

为圆心，以

为半径的圆内部，S₃表示以点

为圆心，以

为半径的圆内部，S₄表示以点

为圆心，以

为半径的圆外部。

图中A、B两点可分别由式(26)、(27)求得：

当零序电压向量的端点处于封闭区域S的范围内，具有放大效果。本发明将对该范围进行验证论述。

配电网发生单相接地故障，不进行零序电压调控情况下，配电网自然产生的零序电压U'₀为：

式中，U'₀为配电网发生单相接地故障后不加干预情况下的零序电压，Z_eq为正常配电网的全系统等效零序阻抗，v表示系统过补偿度，实际情况中通常取v≤10％，d表示系统阻尼率，对于一个确定的配电系统，Z_eq、v、d是已知的。

故障相电压

可表示为：

故障相电压幅值可表示为：

由式(31)，故障相电压在发生故障后小于相电动势。而故障特征量

幅值可表示为

由式(32)，故障特征量幅值与故障相电压成正比，因此调控零序电压使故障相电压大于相电动势，即可对故障特征进行放大。

以故障相电动势方向为X轴建立直角坐标系，则故障相电动势坐标可表示为

故障相的超前相电动势坐标可表示为

故障相的滞后相电动势坐标可表示为

设零序电压坐标为(x，y)，则故障相电压坐标可分别表示为

故障相的超前相的电压坐标可表示为

故障相的滞后相电压的坐标可表示为

三相电压幅值可分别表示为：

则，限定三相电压小于线电压，故障相电压大于相电动势，得到如下表达式：

对式(34)化简，并转换为极坐标得到如下关系：

其中，

由于封闭区域S的范围在k和θ确定的调压允许范围内，因此，封闭区域S满足调压允许范围，并且不论过渡电阻数值大小，在封闭区域S内的任意零序电压

均能够对故障电流进行放大。

基于上述推理，本发明提供的一种配电网的故障定位方法，若进行故障选线，执行如下过程：

获取配电网母线上每个分支线路的线路零序对地电流；再基于线路零序对地电流计算出每个分支线路的线路零序电流与零序电压的夹角，最后，利用相位判据判断出故障线路；

若进行故障区段定位，所述定位方法执行如下过程：

获取配电网每个分支线路中每个区段的区段零序电流；基于区段零序电流计算出区段零序对地电流；再计算前述每个区段零序对地电流与零序电压的夹角，最后，利用相位判据判断出故障区段；

所述相位判据是基于分支线路i为故障线路或线路i上区段H为故障区段时，对应分支线路i或线路i上区段H的线路或区段零序对地电流与零序电压的夹角的差异推导的。

且进一步优选，在进行故障选线或故障区段定位之前还包括步骤：

调节零序电压的幅值和相位，调节规则为：调节幅值和相位使零序电压向量的端点处于上述封闭区域S的范围内。

基于上述方法，本发明提供的定位系统，包括获取模块、夹角计算模块、定位模块以及投入配电网的柔性电压调节装置以及采集终端，所述采集终端与所述获取模块连接。

所述定位系统应用于故障选线时：

获取模块，用于获取配电网母线上每个分支线路的线路零序对地电流；

所述定位模块，用于利用相位判据判断出故障线路；

所述定位系统应用于故障区段定位时：

所述获取模块，获取配电网分支线路中每个区段的区段零序对地电流，其实基于获取的区段零序电流计算而来，具体计算过程参照前述理论性描述；

所述夹角计算模块，用于基于区段零序对地电流计算出每个区段的区段零序对地电流与零序电压的夹角；

所述柔性电压调节装置，用于调节零序电压的幅值和相位；

所述采集终端，用于采集配电网中母线上每个分支线路的线路零序对地电流以及用于采集配电网分支线路上每个区段的区段零序电流。

应当理解，上述单元模块的具体实现过程参照方法内容，本发明在此不进行具体的赘述，且上述功能模块单元的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。同时，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

为了验证本发明所描述的配电网零序电压调节进行选线和区段定位方法的有效性，在PSCAD软件中搭建了选线和区段定位的仿真模型，仿真结果如图6至图8所示。从图6的动态波形可以看出，对零序电压进行调节可以有效对故障路径零序电流进行放大；从图7可见，当消弧线圈电感值分别为5H和15H时，调压后故障线路电流波形完全一致，因此调节零序电压时故障电流不受消弧线圈电感影响；从图8的动态波形可见，故障区段的对地电流与非故障区段的对地电流存在一个相角差。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。