CN113341268B - 利用配电网架空线下方磁场分布特征的故障区段定位方法 - Google Patents

利用配电网架空线下方磁场分布特征的故障区段定位方法 Download PDF

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Abstract

一种利用配电网架空线下方磁场分布特征的故障区段定位方法，包括以下步骤：（1）监测点编号；（2）获取配电网三相导线下的磁感应强度；（3）故障区段判定，判断各相邻监测点之间磁感应强度的欧几里得度量计算值ΔB i,i+1是否大于等于阈值λ；若存在唯一相邻监测点之间ΔB i,i+1大于等于阈值λ的区段，则判定此区段为故障区段；同时，判定其它区段为健全区段。其中，阈值λ取所有故障类型工况下短路点前后两相邻监测点欧几里得度量计算值的最小值。本发明方法将沿水平方向与沿竖直方向的磁感应强度的变化量相结合，提高了区段定位的可靠性；本发明基于磁场检测的区段定位方法，安装和测量都采用非直接接触的方式，对设备的硬件要求也不高，经济性强。

Description

利用配电网架空线下方磁场分布特征的故障区段定位方法
技术领域
本发明涉及一种利用配电网架空线下方磁场分布特征的故障区段定位方法，属配电网继电保护技术领域。
背景技术
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。传统的故障区段定位方法有着诸多的弊端，基于稳态量的定位方法稳态信号数值小，容易造成误判；阻抗法定位精度高度依赖获知准确线路参数；由于混合线路中波阻抗可变，行波折反射情况复杂，所以行波法在规模大，结构复杂的配电网线路中难以广泛应用。
基于磁场变化的区段定位方法具有可靠性，磁场检测用于分析的有效数据比较多，能够准确的定位到发生故障的线路点，还能分辨并且排除掉伪故障点，通过对幅值和相位的两方面判据很大程度提高了磁场检测法的准确性；磁场检测法具有很强的精确度，将线路故障点定位再尽可能小的范围，极大地减少了工作人员排查故障的时间，为维修争取到了珍贵的时间；磁场检测法具有经济性，传统的线路故障定位方法需要线路通道和时间的同步实施，该方法的投资量比较大，经济适用性比较低，而磁场检测法只需要测量配电线路的两端电流和电压，由于是非直接接触的安装和测量方法，对设备的硬件要求也不是很高；磁场检测法具有适用性，磁场检测法的故障定位不会受到线路长度、阻抗过度和电流、电压互感的影响，所以同时适用于较长线路和较短线路的故障定位。具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是，为了解决传统的故障区段定位方法有着诸多问题，提出一种利用配电网架空线下方磁场分布特征的故障区段定位方法。
本发明实现的技术方案如下，一种利用配电网架空线下方磁场分布特征的故障区段定位方法，步骤如下：
(1)监测点编号：对于需要故障区段定位的配电网架空线各杆塔设置磁场传感器监测点，并对每个监测点进行编号，i＝1,2,3,…，n，其中，相同的架空线结构下，每个杆塔上的传感器安装位置均相同。
(2)磁感应强度获取：设定水平方向为x轴，竖直方向为y轴，则磁场传感器i监测点沿水平方向的磁感应强度为Bx,i；磁场传感器i监测点沿竖直方向的磁感应强度为By,i，其中，配电网三相导线竖直、三角、水平3种排列方式下Bx,i均通过下式进行计算：
Figure BDA0003034285430000022
其中，μ0为真空磁导率；BAxi，BBxi,，BCxi分别为i监测点处A、B、C三相沿水平方向，即沿x轴方向上的磁感应强度；IAi，IBi，ICi分别为i监测点处A、B、C三相的电流瞬时幅值；rA，rB，rC分别为i监测点处A、B、C三相导线距离传感器测量点的距离；rAx，rBx，rCx分别为i监测点处A、B、C三相导线在x轴方向上距离传感器监测点的距离；
三相导线竖直排列方式下By,i采用下式进行计算：
Figure BDA0003034285430000021
其中，BAyi，BByi，BCyi分别为i监测点处A、B、C三相沿竖直方向，即沿y轴方向上的磁感应强度；rAy，rBy，rCy分别为i监测点处A、B、C三相导线在y轴方向上距离传感器监测点的距离；
三相导线三角排列方式下By,i采用下式进行计算：
Figure BDA0003034285430000031
三相导线水平排列方式下By,i采用下式进行计算：
Figure BDA0003034285430000032
(3)故障区段判定：取发生故障时各监测点Bx,i的幅值Bx,imax与各监测点By,i的幅值By,imax，计算故障发生时相邻两监测点之间磁感应强度的欧几里得度量，计算式如下：
Figure BDA0003034285430000033
判断各相邻监测点之间磁感应强度的欧几里得度量计算值ΔBi,i+1是否大于等于阈值λ；若存在唯一相邻监测点之间ΔBi,i+1大于等于阈值λ的区段，则判定此区段为故障区段；同时，判定其它区段为健全区段。若不存在相邻监测点之间ΔBi,i+1大于等于阈值λ的区段或者多个相邻监测点之间ΔBi,i+1大于等于阈值λ的区段，则重新计算。其中，阈值λ取所有故障类型工况下，短路点前后两相邻监测点欧几里得度量计算值最小值。
本发明的有益效果是，本发明方法通过引入欧几里得度量，将沿水平方向与沿竖直方向的磁感应强度的变化量相结合，提高区段定位的可靠性。本发明基于磁场检测的区段定位方法，安装和测量都采用非直接接触的方式，且对设备的硬件要求也不是很高，具有经济性。
附图说明
图1为本发明一种利用配电网架空线下方磁场分布特征的故障区段定位方法流程图；
图2为载流直导线附近位置磁场计算示意图；
图3为水平排列的三相导线与监测点坐标系统示意；
图4为配电网杆塔、三相架空线、磁场传感器具体位置分布；
图5为本发明实施例所述10kV辐射状配电网；
图6为过渡电阻为10Ω，配电网架空线发生ABC三相短路，三相导线竖直排列时，故障点前后两个相邻监测点沿水平方向的磁感应强度；
图7为过渡电阻为10Ω，配电网架空线发生ABC三相短路，三相导线竖直排列时，故障点前后两个相邻监测点沿竖直方向的磁感应强度；
图8为过渡电阻为10Ω，配电网架空线发生ABC三相短路，三相导线三角排列时，故障点前后两个相邻监测点沿水平方向的磁感应强度；
图9为过渡电阻为10Ω，配电网架空线发生ABC三相短路，三相导线三角排列时，故障点前后两个相邻监测点沿竖直方向的磁感应强度；
图10为过渡电阻为10Ω，配电网架空线发生ABC三相短路，三相导线水平排列时，故障点前后两个相邻监测点沿水平方向的磁感应强度；
图11为过渡电阻为10Ω，配电网架空线发生ABC三相短路，三相导线水平排列时，故障点前后两个相邻监测点沿竖直方向的磁感应强度。
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。
如图1所示，本实施例利用配电网架空线下方磁场分布特征的故障区段定位方法，具体步骤如下实施：
步骤1、监测点编号：对于需要故障区段定位的配电网架空线各杆塔设置磁场传感器监测点，并对每个监测点进行编号，i＝1,2,3,…，n，其中，相同的架空线结构下，每个杆塔上的传感器安装位置均相同。
步骤2、磁感应强度获取：设定水平方向为x轴，竖直方向为y轴，则磁场传感器i监测点沿水平方向的磁感应强度为Bx,i，磁场传感器i监测点沿竖直方向的磁感应强度为By,i，其中，配电网三相导线竖直、三角、水平3种排列方式下Bx,i均可通过下式进行计算：
Figure BDA0003034285430000051
其中，μ0为真空磁导率；BAxi，BBxi,，BCxi分别为i监测点处A、B、C三相沿水平方向，即沿x轴方向上的磁感应强度；IAi，IBi，ICi分别为i监测点处A、B、C三相的电流瞬时幅值；rA，rB，rC分别为i监测点处A、B、C三相导线距离传感器测量点的距离；rAx，rBx，rCx分别为i监测点处A、B、C三相导线在x轴方向上距离传感器监测点的距离；
三相导线竖直排列方式下By,i可采用下式进行计算：
Figure BDA0003034285430000052
其中，BAyi，BByi，BCyi分别为i监测点处A、B、C三相沿竖直方向，即沿y轴方向上的磁感应强度；rAy，rBy，rCy分别为i监测点处A、B、C三相导线在y轴方向上距离传感器监测点的距离；
三相导线三角排列方式下By,i可采用下式进行计算：
Figure BDA0003034285430000061
三相导线水平排列方式下By,i可采用下式进行计算：
Figure BDA0003034285430000062
步骤3、故障区段判定：取发生故障时各监测点Bx,i的幅值Bx,imax与各监测点By,i的幅值By,imax，计算故障发生时相邻两监测点之间磁感应强度的欧几里得度量，计算式如下：
Figure BDA0003034285430000063
判断各相邻监测点之间磁感应强度的欧几里得度量计算值ΔBi,i+1是否大于等于阈值λ；若存在唯一相邻监测点之间ΔBi,i+1大于等于阈值λ的区段，则判定此区段为故障区段；同时，判定其它区段为健全区段。若不存在相邻监测点之间ΔBi,i+1大于等于阈值λ的区段或者多个相邻监测点之间ΔBi,i+1大于等于阈值λ的区段，则重新计算。其中，阈值λ取所有故障类型工况下，短路点前后两相邻监测点欧几里得度量计算值最小值。
本实施例一种利用配电网架空线下方磁场分布特征的故障区段定位方法，工作原理如下：
(1)毕奥-萨伐尔定律及架空线路磁场模型分析
由电磁场的基本理论可知，载流导线在其周围空间产生磁场，磁场中某点的磁场可由该导线上的所有电流元在该点所激发的磁感应叠加求得。根据毕奥-萨伐尔定律，静磁场中载流导线上某电流元
Figure BDA0003034285430000064
在真空中某点P所激发的磁感应强度
Figure BDA0003034285430000065
的大小与电流元的大小
Figure BDA0003034285430000066
成正比，与电流元
Figure BDA0003034285430000067
和点P的矢量
Figure BDA0003034285430000068
间的夹角θ的正弦值成正比，与电流元到点P的距离r0的二次方成反比，即：
Figure BDA0003034285430000071
其中，μ0为真空磁导率，μ0＝4π×10-7NA-2，
Figure BDA0003034285430000072
的方向垂直于dl和r0组成的平面，并沿矢积
Figure BDA0003034285430000073
的方向，其矢量形式为：
Figure BDA0003034285430000074
因此，由上式可求得载流导线在点p处的磁感应强度
Figure BDA0003034285430000075
Figure BDA0003034285430000076
其中，I为导线中流过的电流，根据上式可求得真空中长为L的载流直导线在其附近一点P产生的磁感应强度
Figure BDA0003034285430000077
的大小为：
Figure BDA0003034285430000078
其中θ1，θ2如图2所示，B的单位为特斯拉(符号为T)；
当载流直导线为无限长时，θ1＝-180°，θ2＝180°。则由上式可得磁感应强度B的大小为：
Figure BDA0003034285430000079
架空输电线路周围的工频电磁场,虽随时间变化,但变化很缓慢,此时可以忽略电磁感应作用，即架空线路的工频电磁场属于准静态电磁场。假设三相架空线为三根无限长直导线，架空线路下的交变电场看做是一种准静态场，工频磁场的变化只受电流的影响,则电场和磁场可以认为是分开的。不考虑沿线路方向的磁场，在实际应用中，计算架空线下的磁场时只需考虑处于空间中的导线,不考虑它的镜像已足够精确。
忽略地磁场的作用，无限长直导线在检测点产生的磁场为：
Figure BDA0003034285430000081
其中，r为导线距检测点的距离；
配电网三相架空线路排列方式有三相竖直排列、三角排列和水平排列等多种排列方式，以三相水平排列为例，在与三相导线垂直的平面上建立坐标系，建立水平排列的三相导线与检测点坐标系统如图3所示，设导线无限长并与地面平行，则：
Figure BDA0003034285430000082
Figure BDA0003034285430000083
Figure BDA0003034285430000086
其中，BA，BB，BC分别为A，B，C三相分别在P点产生的磁感应强度，IA，IB，IC分别为A，B，C三相电流。
P点磁感应强度沿x轴的分量：
Figure BDA0003034285430000084
P点磁感应强度沿y轴的分量：
Figure BDA0003034285430000085
由于距离线路越近，磁场强度值越大，越有利于磁场传感器的测量。在线路正下方1m和2m处，其磁场强度非平稳变化，当受到外界干扰时其磁场强度容易发生较大变化，不利于后期故障点检测；在线路正下方3m和5m处，磁场强度分布均匀、变化平稳，有利于磁场传感器的测量。所设计的杆塔、三相导线、磁场传感器具体位置分布图如图4所示。
(2)欧几里得度量
欧几里得度量(Euclidean metric)是一个通常采用的距离定义，指在m维空间中两个点之间的真实距离，或者向量的自然长度(即该点到原点的距离)。
二维空间的公式：
Figure BDA0003034285430000091
其中，ρ为点(x2,y2)与点(x1,y1)之间的欧几里得度量；
具体实施例：
建立如图5的10kV辐射状配电网模型，共有3条馈线，均为架空线，其中每条馈线的若干个杆塔上都安装有磁场传感器监测点，分别为：…，i－1，i，i+1,…，架空线的参数如表1：
表1线路参数
Figure BDA0003034285430000092
设定在0.1处发生短路故障，持续0.1秒，至0.2秒时故障结束。仿真测得未发生故障时架空线三相竖直排列方式下Bx的幅值均为6.386×10-6T，By的幅值均为8.453×10-6T；未发生故障时架空线三相三角排列方式下Bx的幅值均为5.621×10-6T，By的幅值均为21.46×10-6T；未发生故障时架空线三相水平排列方式下Bx的幅值均为6.695×10-6T，By的幅值均为10.64×10-6T。在本实施例所述10kV辐射状配电网模型中，阈值λ为0.106×10-6T。
由表2与表3可得，当过渡电阻为10Ω或过渡电阻为500Ω时，架空线三相不同排列方式下故障时短路点前与短路点后两个相邻监测点i与i+1欧几里得度量计算值ΔBi,i+1都大于等于阈值λ＝0.106×10-6T，可判定i,i+1区段为故障区段，判定其他区段为健全区段。可以看出，本发明所述故障区段定位方法判定结果准确。
表2过渡电阻为10Ω故障时短路点前后两个相邻监测点欧几里得度量计算值
ΔB<sub>i,i+1</sub>(×10<sup>-6</sup>) 竖直排列 三角排列 水平排列
C相单相接地 36.216 26.350 16.698
B相单相接地 1.460 29.918 25.496
A相单相接地 15.647 6.585 14.623
AB相间短路 12.828 92.528 43.579
AC相间短路 59.870 33.880 62.980
BC相间短路 40.813 119.480 41.731
AB两相短路接地 1.881 53.976 29.506
AC两相短路接地 35.458 24.861 38.647
BC两相短路接地 34.220 71.317 27.917
ABC三相短路 79.750 167.103 94.603
表3过渡电阻为500Ω故障时短路点前后两个相邻监测点欧几里得度量计算值
ΔB<sub>i,i+1</sub>(×10<sup>-6</sup>) 竖直排列 三角排列 水平排列
C相单相接地 1.430 0.678 0.518
B相单相接地 0.232 0.984 1.079
A相单相接地 0.459 0.240 0.509
AB相间短路 0.106 2.234 0.960
AC相间短路 1.580 0.737 1.730
BC相间短路 0.972 3.110 0.948
AB两相短路接地 0.713 1.189 0.877
AC两相短路接地 1.090 0.820 1.020
BC两相短路接地 1.186 1.650 0.961
ABC三相短路 2.588 5.417 3.071
以过渡电阻为10Ω，配电网架空线发生ABC三相短路为例，
如图6，图7所示，三相导线竖直排列时，故障点前后两个相邻监测点沿水平方向Bx的幅值和沿竖直方向的磁感应强度By的幅值均出现明显变化。
如图8，图9所示，三相导线三角排列时，故障点前后两个相邻监测点沿水平方向Bx的幅值和沿竖直方向的磁感应强度By的幅值均出现明显变化。
如图10，图11所示，三相导线水平排列时，故障点前后两个相邻监测点沿水平方向Bx的幅值和沿竖直方向的磁感应强度By的幅值均出现明显变化。
通过上述方式，本实施例一种利用配电网架空线下方磁场分布特征的故障区段定位方法，首先，获取故障时各监测点位置沿水平方向和沿竖直方向上磁感应强度的幅值；其次，计算所获取的故障时相邻监测点沿水平方向和沿竖直方向磁感应强度的二维空间欧几里得度量；最后，判断是否存在唯一计算结果值大于等于阈值λ的区段，若存在，则输出最终的故障区段判别结果；若不存在计算结果值大于等于阈值λ的区段或存在多个计算结果值大于等于阈值λ的区段，则返回重新计算。

Claims (1)

1.一种利用配电网架空线下方磁场分布特征的故障区段定位方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
(1)监测点编号：对于需要故障区段定位的配电网架空线各杆塔设置磁场传感器监测点，并对每个监测点进行编号，i＝1,2,3,…，n，其中，相同的架空线结构下，每个杆塔上的传感器安装位置均相同；
(2)磁感应强度获取：设定水平方向为x轴，竖直方向为y轴，则磁场传感器i监测点沿水平方向的磁感应强度为Bx,i；磁场传感器i监测点沿竖直方向的磁感应强度为By,i，其中，配电网三相导线竖直、三角、水平3种排列方式下Bx,i均通过下式进行计算：
Figure FDA0003034285420000011
其中，μ0为真空磁导率；BAxi，BBxi,，BCxi分别为i监测点处A、B、C三相沿水平方向，即沿x轴方向上的磁感应强度；IAi，IBi，ICi分别为i监测点处A、B、C三相的电流瞬时幅值；rA，rB，rC分别为i监测点处A、B、C三相导线距离传感器测量点的距离；rAx，rBx，rCx分别为i监测点处A、B、C三相导线在x轴方向上距离传感器监测点的距离；
三相导线竖直排列方式下By,i采用下式进行计算：
Figure FDA0003034285420000012
其中，BAyi，BByi，BCyi分别为i监测点处A、B、C三相沿竖直方向，即沿y轴方向上的磁感应强度；rAy，rBy，rCy分别为i监测点处A、B、C三相导线在y轴方向上距离传感器监测点的距离；
三相导线三角排列方式下By,i采用下式进行计算：
Figure FDA0003034285420000021
三相导线水平排列方式下By,i采用下式进行计算：
Figure FDA0003034285420000022
(3)故障区段判定：取发生故障时各监测点Bx,i的幅值Bx,imax与各监测点By,i的幅值By,imax，计算故障发生时相邻两监测点之间磁感应强度的欧几里得度量，计算式如下：
Figure FDA0003034285420000023
判断各相邻监测点之间磁感应强度的欧几里得度量计算值ΔBi,i+1是否大于等于阈值λ；若存在唯一相邻监测点之间ΔBi,i+1大于等于阈值λ的区段，则判定此区段为故障区段；同时，判定其它区段为健全区段；若不存在相邻监测点之间ΔBi,i+1大于等于阈值λ的区段或者多个相邻监测点之间ΔBi,i+1大于等于阈值λ的区段，则重新计算；其中，阈值λ取所有故障类型工况下短路点前后两相邻监测点欧几里得度量计算值的最小值。
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