CN113466631A - 基于馈线标记法-阻抗法的有源配电网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于馈线标记法‑阻抗法的有源配电网故障定位方法包括以下步骤：步骤1：有源配电网系统信息上传至数据处理中心；步骤2：故障事件的建立；步骤3：采用深度优先搜索算法对故障事件中故障指示器状态的遍历，并依据故障指示器状态信息利用馈线标记法以图表的形式对馈线状态进行标记，判定故障指数值最大的为故障馈线；步骤4：建立该故障馈线的阻抗数学模型，采用阻抗法来实现对故障点的求解，得到故障点的定位，本发明相对于矩阵算法来说具有更好的容错性；同时，提出的在故障馈线上采用阻抗法会在定位效率上得到很大的提高，具有很好的实用价值。

Description

基于馈线标记法-阻抗法的有源配电网故障定位方法

技术领域

本发明涉及电网故障定位技术领域，特别涉及一种电网故障定位方法。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭，环境问题的不断恶化，新能源发电以逐渐渗透到配电网中，这样的渗入大大改变了配网的运行方式，给配电网的安全稳定运行提出了新的挑战。如今随着人们对生产生活质量要求的不断，安全持续稳定的配网供电至关重要，为此许多学者就如何实现配电网故障定位上进行了长时间的研究。随着配网自动化的不断推进，如何实现在在含分布式电源情况下的配电网中实现故障的有效定位具有重要的意义。

国内外学者对有源配电网的故障定位进行了大量的研究，按照定位的特点，可以分为：故障区段定位和故障点定位。故障区段定位一般都是基于矩阵算法或优化算法。两者各有优缺点，矩阵算法定位速度快，然而容错性会很差；优化算法容错性很好，然而在耗时上偏长。由于未能定位到具体的故障点位置，因此还需要对线路进行彻底巡检来进行查找，进一步加大了恢复电力的时间，为此基于阻抗法、行波法的故障点定位也得到了应用。单用阻抗法定位故障点存在定位耗时长的缺点，且该方法易过渡电阻、支路分支的影响。行波法一般被应用在输电网故障点定位中，当应用在线路分支多，线路短的配电网中时，就会出现定位精度不高的劣势。

为了能够实现更准确高效地定位故障点位置，本专利充分应用了配电网中安装在各个节点的故障指示器、PMU装置提供的信息，提出了基于馈线标记法-阻抗法的有源配电网故障定位方法。将故障定位分成两个节点，首先采用馈线标记法实现对故障区段你的定位，馈线标记法相对矩阵算法来说容错性更好，定位故障区段耗时也很短；然后在已知故障馈线的前提条件下，使用阻抗法定位故障点位置，这样可以减少对整个配网中馈线区段的遍历搜索，提高了定位效率。

发明内容

针对现有技术中存在配电网馈线区段单纯依靠矩阵算法定位时易受畸变信息的影响，单纯依靠阻抗法时易受过渡电阻，线路分支等因素影响而易出现伪故障点的不足，本发明提供了一种基于馈线标记法-阻抗法的有源配电网故障定位方法，可以避免畸变信息存在而导致的定位错误现象，同时也避免了定位故障点耗时长，定位出多个伪故障点的不足。

本发明的目的是这样实现的：一种基于馈线标记法-阻抗法的有源配电网故障定位方法，包括以下步骤：

步骤1：有源配电网系统信息上传至数据处理中心；

在初始化过程中，完成对配电网系统信息的上传，这些信息包括配电网的拓扑结构、馈线参数、负载情况、故障指示器状态信息以及同步向量测量装置(PhasorMeasurement Unit PMU)检测到的节点电压电流值；

步骤2：故障事件的建立；

步骤3：采用深度优先搜索算法对故障事件中故障指示器状态的遍历，并依据故障指示器状态信息利用馈线标记法以图表的形式对馈线状态进行标记，判定故障指数值最大的为故障馈线；

步骤4：建立该故障馈线的阻抗数学模型，采用阻抗法来实现对故障点的求解，得到故障点的定位。

作为本发明的进一步限定：步骤2故障时间的建立方法具体为：

等待一个预先设定好的时间Δt，以等待另一个通知，即故障指示器状态的改变或断路器的跳闸，如果它收到了这样的通知，那么就会等待下一个Δt，将所有发生变化或跳闸的故障指示器、断路器收集起来，直到在Δt内接收不到任何的通知为止。

作为本发明的进一步限定：步骤2中针对含有分布式电源的有源配电网故障事件的建立时，规定配电网中的单相故障指示器无论状态变化与否，都将其收集到故障事件中来。

作为本发明的进一步限定：步骤3中所述馈线标记法对馈线状态的标记基于以下原则：

1)对于单电源辐射状配电网，其中含有无向故障指示器和其保护方向与潮流方向一致的单向故障指示器；当故障指示器状态为触发时，标记该故障指示器的下游所有馈线状态为“+1”；当故障指示器状态为未触发时，标记该故障指示器的下游所有馈线状态为“-1”；

2)对于含有多个分布式电源的单电源辐射状配电网，该系统中含有单相故障指示器、双向故障指示器；当双向故障指示器状态为在某一特定方向上触发时，则标记该故障指示器的上游/下游所有的馈线状态为-1/+1。

作为本发明的进一步限定：步骤4中在已经确定为故障的馈线区段上利用PMU检测到的馈线两端电压电流值通过采用阻抗法来定位故障点。

作为本发明的进一步限定：步骤4中求解故障点位置的一般表达式为：

其中，x为故障距离，Ω_m为故障相的集合α_m为故障处m相的电压降，

表示故障处m相电流的共轭复数，

为故障区段首端故障处m相电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明为了能够快速准确地实现有源配电网故障点的发现和排除，提出了将馈线标记法与阻抗法互相结合的定位方法；通过采用馈线标记方法能够准确地定位出故障所在区段，该方法克服了存在信息畸变情况下的定位不准确问题；在确定故障所在区段后，建立该区段的线路模型，构建了含有故障距离x的阻抗公式，通过求解得到故障距离；由于充分利用了配网中安装的PMU测量装置，可以实时获取电压、电流信息，这就减少了通过前推回代法求解电压电流的时间，提高了定位效率。由于直接在已知故障区段上定位故障点位置，这避免了对整个配电网馈线区段的遍历，较普通的阻抗法有更好的定位效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1本发明故障定位流程图。

图2本发明故障事件的建立示意图。

图3本发明含单向故障指示器的有源配电网示意图。

图4本发明简单配网结构示意图。

图5本发明简单双电源配网结构示意图。

图6本发明配网模型示意图。

图7本发明故障馈线模型示意图。

图8本发明简单配电网故障定位模型示意图。

图9本发明简单配电网故障指示器状态示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的一种基于馈线标记法-阻抗法的有源配电网故障定位方法，包括以下步骤：

步骤1：有源配电网系统信息上传至数据处理中心；

在初始化过程中，完成对配电网系统信息的上传，这些信息包括配电网的拓扑结构、馈线参数、负载情况、故障指示器状态信息以及PMU检测到的节点电压电流值。

步骤2：故障事件的建立；

故障事件的建立与故障指示器密切相关，故障指示器的状态信息会通过无线方式传输至数据处理中心。只要故障指示器的状态信息发生变化或者断路器跳闸就表明一个故障事件的开始。该故障定位方法等待一个预先设定好的时间Δt，以等待另一个通知，该通知指故障指示器状态的改变或断路器的跳闸。如果它收到了这样的通知，那么就会等待下一个Δt。将所有发生变化或跳闸的故障指示器、断路器收集起来，直到在Δt内接收不到任何的通知为止。以图2所示的简单故障事件来说明：一个故障事件起始于FI-1被触发，在第一个Δt内数据处理中心收到了FI-2的触发信息，接着又收到了FI-3的触发信息，最后在第三个Δt内未收到任何指示器信息，则将这三个故障指示器作为故障事件1。从图2中可看出，过了一段时间，数据梳理中心接收到FI-4的触发信息，而未能在Δt内受到其他状态变化信息，所以FI-4自己构建成故障事件2。预先规定的时间Δt是一个系统变量，它是根据操作人员在实践中可用的测量和传输设备中的延迟而设定的。

针对含有分布式电源的有源配电网故障事件的建立，规定配电网中的单相故障指示器无论状态变化与否，都将其收集到故障事件中来。以图3所示的配电网来说明这一特点，图中全为单向故障指示器，保护方向已用带箭头的直线表示。当馈线区段L₂发生故障时，只有FI-1和FI-5触发，此时若将FI-1和FI-5收集起来作为故障事件并不能定位出故障位置，为此本发明针对含有分布式电源的有源配电网故障事件的建立提出这项规定：规定配电网中的单相故障指示器无论状态变化与否，都将其收集到故障事件中来。因此针对图3所示的含单向故障指示器的有源配电网，故障事件中包含所有的单相故障指示器。

步骤3：采用深度优先搜索算法对故障事件中的故障指示器状态遍历，并依据故障指示器状态信息利用馈线标记法以图表的形式对馈线状态进行标记，判定故障指数值最大的为故障馈线；

以图4和图5所显示的简单配网图来说明本专利提出的馈线标记法的特征；基于发生短路故障时，各个电源会向故障点流入故障电流的特点，则位于故障点与电源之间线路上的故障指示器就会感知到故障电流，在满足一定条件下就会被触发。

依据这样的特点，可以总结得到三种类型故障指示器的馈线标记情况，如表I-V所示。表中“Set”表示故障指示器感知到故障电流后触发，“Not Set”表示故障指示器未感知到故障电流而未触发；用“-1”表示馈线区段未故障，“0”表示无法判断故障与否，“+1”表示馈线区段发生故障。

表I简单配网中的无向故障指示器(通电方向：L₁→L₂)

表II简单配网中的单向故障指示器(通电方向：L₁→L₂)

表III简单双电源配网中的单向故障指示器

表IV简单配网中的双向故障指示器(通电方向：L₁→L₂)

表V简单双电源配网中的双向故障指示器

步骤3中馈线标记法对馈线状态的标记基于以下原则：

1)对于单电源辐射状配电网，其中含有无向故障指示器和其保护方向与潮流方向一致的单相故障指示器。当故障指示器状态为触发时，标记该故障指示器的下游所有馈线状态为“+1”；当故障指示器状态为未触发时，标记该故障指示器的下游所有馈线状态为“-1”。

2)对于含有多个分布式电源的单电源辐射状配电网，该系统中含有单相故障指示器、双向故障指示器。当双向故障指示器状态为在某一特定方向上触发时，则标记该故障指示器的上游/下游所有的馈线状态为-1/+1。

本技术方案给出了故障指数f(i)，它表示第i条馈线的故障指数，故障指数最大的馈线为故障馈线。f(i)的表达式如式(1)所示，其中m(j)为该区段的标记。

f(i)＝∑m(j) (1)

步骤4：建立该故障馈线的阻抗数学模型，采用阻抗法来实现对故障点的求解。

在已经确定为故障的馈线区段上利用PMU检测到的馈线两端电压电流值通过采用阻抗法来定位故障点。

考虑如图6所示的含有分布式电源的有源配电网，该系统描述了节点k和k+1之间发生的故障。通过馈线标记法，本专利已经确定出来故障区段位置，在这里采用阻抗法来实现对距离x的测量。考虑到所定位配电网馈线线路小于100千米，因此不考虑导纳支路的影响，直接采用了如图7所示的馈线等值电路。图中，l为该馈线长度；x为故障点距首段的距离；[Z_k,k+1]为线路串联阻抗矩阵；

为端点k处的三相电压向量；

为端点k处的三相电流向量；[I_F]为故障电流向量。

对应图7馈线模型的表达式如式(2)-(5)所示。

从故障下的配电线路模型可以得到式(6)所示的关系式：

V_Fm＝R_FmI_Fm+V_g (6)

在式(6)中，V_Fm是故障处m相的电压；I_Fm是故障处m相的电流；R_Fm是故障处m相的故障阻抗。将式(6)的实部和虚部分开，可得到式(7)和式(8)：

V_Fmr＝R_FmI_Fmr+V_gr (7)

V_Fmi＝R_FmI_Fmi+V_gi (8)

式中，下标r和i表示变量的实部和虚部。通过式(7)和式(8)，每一个故障相的故障电阻(R_Fm)被分离开来，这样可得到式(9)，如下所示。

将式(9)进行变换，可得到式(10)。

V_gr·I_Fmi-V_gi·I_Fmr＝V_Fmr·I_Fmi-V_Fmi·I_Fmr (10)

因为

则式(10)可写成式(11)的形式。

对于单相接地故障、相与相之间以及相与地之间的故障，那么所有故障相加起来可得到式(12)。式中，Ω_m为故障相的集合。

经过推导可证明在任何的故障情况下，

以单相接地故障为例，此时V_g＝R_g·I_Fm且

由此可得

这样可以得到如下式(13)所示的结论。

从式(2)可以得出故障相m的电压V_Fm可以写成如式(14)所示的包含有已知和未知变量的形式。其中，

将式(14)带入式(13)可以得到最终适用于任何不同种故障类型的求解故障距离x的表达式，如式(15)所示。

通过求解式(15)，可的求得故障距离x。

下面结合具体实例对本发明做进一步说明。

实施例

一种机遇馈线标记法-阻抗法的有源配电网故障定位方法的总体流程图包含以下步骤：

步骤1：配网信息的实时上传

在初始化过程中，完成对配电网系统信息的上传，这些信息包括配电网的拓扑结构、馈线参数、负载情况、故障指示器状态信息以及PMU检测到的节点电压电流值。

本实施案例如图8所示，该系统侧电压选取10kV配电网的额定电压10.5kV，电源阻抗值为R_s＝0.126Ω，X_s＝0.004H。该分布式电源选择输出为1.5kW/230V的光伏电源，馈线上的有功功率负荷为4MW，功率因数为0.95。线路采用分布参数模型，正序参数为：R₁＝0.17Ω/km，X₁＝0.14H/km。节点处安装有故障指示器和PMU测量装置。考虑到分布式电源的投入，图7所示的配电网中故障指示器为双向故障指示器。

步骤2：建立故障事件

如图7所示，图中馈线L₇发生三相短路故障，这一故障造成以下几个故障指示器被触发：FI-1，FI-2，FI-3，FI-4，FI-7和FI-8，这几个故障指示器的状态信息和相应的馈线区段组成故障事件。配电网中故障指示器的状态信息触发情况如图9所示。

步骤3：采用深度优先搜索算法对故障事件中的故障指示器状态遍历，并依据故障指示器状态信息利用馈线标记法以图表的形式对馈线状态进行标记，判定故障指数值最大的为故障馈线；

依据馈线标记法的两个原则可以构建如下表VI所示的馈线标记表。，具体原则如下：

1)对于单电源辐射状配电网，其中含有无向故障指示器和其保护方向与潮流方向一致的单相故障指示器。当故障指示器状态为触发时，标记该故障指示器的下游所有馈线状态为“+1”；当故障指示器状态为未触发时，标记该故障指示器的下游所有馈线状态为“-1”。

2)对于含有多个分布式电源的单电源辐射状配电网，该系统中含有单相故障指示器、双向故障指示器。当双向故障指示器状态为在某一特定方向上触发时，则标记该故障指示器的上游/下游所有的馈线状态为-1/+1。

表VI馈线标记表

依据故障指数的大小可以判断馈线区段L₇为故障区段。采用馈线标记法可以准确快速地定位出故障区段，接下来再通过阻抗法确定具体的故障点位置。

步骤4：建立该故障馈线的阻抗数学模型，采用阻抗法来实现对故障点的求解。

由馈线标记法已经判断出馈线L₇为故障区段，该馈线的阻抗信息如表VII所示，设定故障点距离FI-7的1.1km处。

表VII

位于节点7和8处两点的PMU测量装置测得电压电流信息如表VIII所示。

表VIII

将表VIII中的电压电流值带入公式(15)，通过求解可求得x_m＝1.105km。计算得到的故障距离与实际距离的绝对误差E如下公式(16)所示。

E＝x_m-x＝1.105-1.1＝0.005km (16)

计算得到的故障距离与实际故障距离的相对误差e如下公式(17)所示。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于馈线标记法-阻抗法的有源配电网故障定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：有源配电网系统信息上传至数据处理中心；

在初始化过程中，完成对配电网系统信息的上传，这些信息包括配电网的拓扑结构、馈线参数、负载情况、故障指示器状态信息以及同步向量测量装置检测到的节点电压电流值；

步骤2：故障事件的建立；

步骤3：采用深度优先搜索算法对故障事件中故障指示器状态的遍历，并依据故障指示器状态信息利用馈线标记法以图表的形式对馈线状态进行标记，判定故障指数值最大的为故障馈线；

步骤4：建立该故障馈线的阻抗数学模型，采用阻抗法来实现对故障点的求解，得到故障点的定位。

2.根据权利要求1所述的基于馈线标记法-阻抗法的有源配电网故障定位方法，其特征在于：步骤2故障时间的建立方法具体为：

等待一个预先设定好的时间Δt，以等待另一个通知，即故障指示器状态的改变或断路器的跳闸，如果它收到了这样的通知，那么就会等待下一个Δt，将所有发生变化或跳闸的故障指示器、断路器收集起来，直到在Δt内接收不到任何的通知为止。

3.根据权利要求2所述的基于馈线标记法-阻抗法的有源配电网故障定位方法，其特征在于：步骤2中针对含有分布式电源的有源配电网故障事件的建立时，规定配电网中的单相故障指示器无论状态变化与否，都将其收集到故障事件中来。

4.根据权利要求1所述的基于馈线标记法-阻抗法的有源配电网故障定位方法，其特征在于：步骤3中所述馈线标记法对馈线状态的标记基于以下原则：

1)对于单电源辐射状配电网，其中含有无向故障指示器和其保护方向与潮流方向一致的单向故障指示器；当故障指示器状态为触发时，标记该故障指示器的下游所有馈线状态为“+1”；当故障指示器状态为未触发时，标记该故障指示器的下游所有馈线状态为“-1”；

2)对于含有多个分布式电源的单电源辐射状配电网，该系统中含有单相故障指示器、双向故障指示器；当双向故障指示器状态为在某一特定方向上触发时，则标记该故障指示器的上游/下游所有的馈线状态为-1/+1。

5.根据权利要求1所述的基于馈线标记法-阻抗法的有源配电网故障定位方法，其特征在于：步骤4中在已经确定为故障的馈线区段上利用PMU检测到的馈线两端电压电流值通过采用阻抗法来定位故障点。

6.根据权利要求5所述的基于馈线标记法-阻抗法的有源配电网故障定位方法，其特征在于：步骤4中求解故障点位置的一般表达式为：

其中，x为故障距离，Ω_m为故障相的集合，α_m为故障处m相的电压降，

表示故障处m相电流的共轭复数，

为故障区段首端故障处m相电压。

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