CN114487698A - 双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位方法及系统，包括计算各条线路的阻抗、感应电容等参数并存储于数据库中；实测各条电缆接地线故障电流和架空线首端零序电流波形并滤波，识别出故障电缆；提取故障电缆首、末端接地线电流在故障后的波形，计算首、末端接地线电流实测幅值比；构建故障电缆精确定位方程；求解故障电缆首、末端接地线电流工频分量；计算故障电缆首、末端接地线电流理论幅值比，同首、末端接地线电流实测幅值比比较，确定新的故障区间，直至故障区间的长度小于等于设定阈值。本发明简单易行，定位精度高，定位结果基本不受故障过渡电阻的影响，且所需接地线电流信号可方便获取，不需要高速采样，具有较高的实用性。

Description

双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位方法及系统

技术领域

本发明涉及电缆故障精准定位领域，尤其是双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位方法及系统。

背景技术

随着配电系统的不断发展和城市化水平的不断提升，电缆线路的比例不断提升，电流电容也相应增大。再加上电缆路径错综复杂、自身老化、外力破坏等因素，电缆故障率逐渐上升。

现有配电网单相接地故障定位方法大致可分为两大类：离线法和在线法。离线法是基于外加注入信号的方式来进行故障定位，但无法及时定位故障点。相比之下，在线故障测距技术更加实用，其主要分为行波法、阻抗法和机器学习法。由于配电网拓扑复杂、线路较短，行波信号叠加问题严重，无法有效提取识别，行波法在实际应用中受到限制。机器学习法需要大量的计算，拓扑变换后则需要重新学习。阻抗法大多没有考虑三芯电缆的多导体结构，而且相当一部分是基于零序电流分布特征进行故障测距，但受采集方式的限制，零序电流测量存在误差，导致测距精度误差较大。

发明内容

为了解决上述背景技术中所提难题，本发明提出双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位方法及系统。

为了实现上述技术目的，达到上述技术效果。首先，本发明提出双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位方法，其包括以下步骤：

(1)基于配电网线路结构和材料特性，计算各条线路的阻抗、感应电容等参数并存储于数据库中。

(2)实测各条电缆接地线故障电流和架空线首端零序电流波形并滤波，根据首端接地线电流和零序电流的相关性系数识别出故障电缆。其中识别出故障电缆的步骤为：取其中任一电缆首端接地线电流的方向为参考，利用Pearson相关性系数确定其余电缆首端接地线电流和架空线首端零序电流方向，识别出故障电缆。

(3)提取故障电缆首、末端接地线电流在故障后第3～4工频周期的波形，利用FFT提取工频分量并计算首、末端接地线电流实测幅值比。

(4)基于数据库中的配电网线路参数，构建故障电缆精确定位方程。其具体步骤如下：

(a)基于数据库中配电网线路参数，构建故障等效电路模型；

(b)根据所构建的电路模型建立故障电缆精确定位方程：

f(x·Z_f,x·jωC_f,(l-x)·Z_f,(l-x)·jωC_f,R,Z_h,jωC_h)＝I

其中，l为故障电缆的长度，x为故障距离；Z_f、C_f为故障电缆单位长度的阻抗和感应电容；R为接地线等效电阻；Z_h、C_h为健全线路的阻抗和感应电容；I为故障电缆接地线电流。

(5)根据二分法设置虚拟故障点代入方程，求解故障线路首、末端接地线电流工频分量。得到故障电缆首端接地线电流I_{f_s}、末端接地线电流I_{f_e}。

(6)计算故障电缆首、末端接地线电流理论幅值比，同实测幅值比对比，确定新的故障区间。其中，故障电缆首、末端接地线电流理论幅值比k_cal计算公式为：

其中，理论同实测首、末端接地线电流幅值比k_rel对比确定新的故障区间，其具体步骤为：

(a)将故障电缆区间[a,b](a＝0,b＝l)中点α₁处设置为虚拟故障点，计算此时的k_cal，比较k_cal与k_rel的大小关系；

(b)若k_cal＝k_rel，则故障点为α₁处；

(c)若k_cal>k_rel，则故障点在[a,α₁]之间，保留该区间，令b＝α₁，则产生新区间[a,b]；

(d)若k_cal<k_rel，则故障点在[α₁,b]之间，保留该区间，令a＝α₁，则产生新区间[a,b]。

(7)若故障区间长度大于设定允许误差，则跳转至步骤5)，继续缩小故障区间，若不大于则取故障区间的中点为故障位置。其中，确定故障位置的具体步骤如下：

(a)比较故障区间长度b-a与设定允许误差ε的大小，b-a≤ε是否成立；

(b)若b-a>ε，则利用二分法在新的故障区间内继续设置虚拟故障点；

(c)若b-a≤ε，则取故障区间的中点为故障位置，即故障距离x为：

x＝(a+b)/2

其次，本发明提供了双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位系统，包括：量测设备、故障定位装置、主站。其中：

量测设备，为高精度电流互感器，用于测量电缆接地线电流；

故障定位装置，用于根据所述故障定位方法确定故障点位置；

主站，用于执行报警工作，显示故障电缆接地线电流波形和故障点位置。

最后，本发明提供的双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位系统，所述故障定位装置包括：采样模块、存储模块、通信模块、时间模块、电源模块、主控模块。其中：

采样单元，用于电缆接地线电流波形采样；

存储单元，用于存储配电网各条线路参数及接地线电流数据；

通信模块，用于故障定位装置、测量设备与主站之间的通信；

时间模块，用于获取时间值；

电源模块，用于为故障定位装置提供用电；

主控模块，用于执行上述所提故障定位方法中的任一步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明公开的双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位方法及系统，根据电缆首端接地线电流和架空线首端零序电流的相关性系数识别出故障电缆；基于故障电缆首、末端接地线电流幅值比与故障位置的映射关系，从而确定具体的故障位置。本发明简单易行，定位精度高，定位结果基本不受故障过渡电阻的影响，且所需接地线电流信号可方便获取，不需要高速采样，具有较高的实用性。

附图说明

图1为双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位方法流程图；

图2为10kV中性点不接地配电网仿真模型拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明提出双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位方法，其整体流程如图1所示，包括如下步骤：

(1)基于配电网线路结构和材料特性，计算各条线路的阻抗、感应电容等参数并存储于数据库中；

(2)实测各条电缆接地线故障电流和架空线首端零序电流波形并滤波，根据首端接地线电流和零序电流的相关性系数识别出故障电缆；

(3)提取故障电缆首、末端接地线电流在故障后第3～4工频周期的波形，利用FFT提取工频分量并计算首、末端接地线电流实测幅值比；

(4)基于数据库中的配电网线路参数，构建故障电缆精确定位方程；

(5)根据二分法设置虚拟故障点代入方程，求解故障电缆首、末端接地线电流工频分量；

(6)计算故障电缆首、末端接地线电流理论幅值比，同实测幅值比对比，确定新的故障区间；

(7)若故障区间长度大于设定允许误差，则跳转至步骤5)，继续缩小故障区间，若不大于则取故障区间的中点为故障位置。

本发明提供了双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位系统，包括：量测设备、故障定位装置、主站。其中：

量测设备，为高精度电流互感器，用于测量电缆接地线电流；

故障定位装置，用于根据所述故障定位方法确定故障点位置；

主站，用于执行报警工作，显示故障电缆接地线电流波形和故障点位置。

本发明提供的双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位系统，所述故障定位装置包括：采样模块、存储模块、通信模块、时间模块、电源模块、主控模块。其中：

采样单元，用于电缆接地线电流波形采样；

存储单元，用于存储配电网各条线路参数及接地线电流数据；

通信模块，用于故障定位装置、测量设备与主站之间的通信；

时间模块，用于获取时间值；

电源模块，用于为故障定位装置提供用电；

主控模块，用于执行上述所提故障定位方法中的任一步骤。

仿真验证

为了验证本发明的可靠性和有效性，本发明基于PSCAD/EMTDC构建如图2所示的10kV中性点不接地配电网仿真模型拓扑图。该仿真系统包含5条出线，其中L₄为架空线路，其余出线为电缆线路，电缆屏蔽层首、末端经2Ω电阻接地。线路L₁-L₄投入运行，线路L₅为备用状态。在L₁线路上设置A相与屏蔽层发生短路故障，仿真模拟不同故障过渡电阻、不同故障距离、不同故障初相角。仿真采样频率设置为3.2kHz，模型求解时间步长设置为1μs。其精确定位结果如下表1所示，其中故障距离表示故障点与线路首端的距离。

表1不同故障过渡电阻、故障距离和故障初相角下精确定位结果

结果发现，不同故障过渡电阻、故障距离和故障初相角下的定位误差均不超过30m，满足现场所需精度。因此本发明所提故障精确定位方法基本不受故障过渡电阻、故障距离和故障初相角的影响。

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 (9)

1.双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)基于配电网线路结构和材料特性，计算各条线路的阻抗、感应电容等参数并存储于数据库中；

步骤2)实测各条电缆接地线故障电流和架空线首端零序电流波形并滤波，根据首端接地线电流和零序电流的相关性系数识别出故障电缆；

步骤3)提取故障电缆首、末端接地线电流在故障后第3～4工频周期的波形，利用FFT提取工频分量并计算首、末端接地线电流实测幅值比；

步骤4)基于数据库中的配电网线路参数，构建故障电缆精确定位方程；

步骤5)根据二分法设置虚拟故障点代入方程，求解故障电缆首、末端接地线电流工频分量；

步骤6)计算故障电缆首、末端接地线电流理论幅值比，同实测幅值比对比，确定新的故障区间；

步骤7)若故障区间长度大于设定允许误差，则跳转至步骤5)，继续缩小故障区间，若不大于则取故障区间的中点为故障位置。

2.根据权利要求1所述的双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位方法，其特征在于：所述步骤2)中，识别出故障电缆的步骤为：取其中任一电缆首端接地线电流的方向为参考，利用Pearson相关性系数确定其余电缆首端接地线电流和架空线首端零序电流方向，识别出故障电缆。

3.根据权利要求1所述的双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位方法，其特征在于：所述步骤4)中，基于数据库中的配电网线路参数，构建故障电缆精确定位方程，其具体步骤如下：

(a)基于数据库中配电网线路参数，构建故障等效电路模型；

(b)根据所构建的电路模型建立故障电缆精确定位方程：

f(x·Z_f,x·jωC_f,(l-x)·Z_f,(l-x)·jωC_f,R,Z_h,jωC_h)＝I

其中，l为故障电缆的长度，x为故障距离；Z_f、C_f为故障电缆单位长度的阻抗和感应电容；R为接地线等效电阻；Z_h、C_h为健全线路的阻抗和感应电容；I为故障电缆接地线电流。

4.根据权利要求1所述的双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位方法，其特征在于：所述步骤5)中，根据二分法设置虚拟故障点后，将虚拟的故障距离x代入定位方程，得到故障电缆首端接地线电流I_{f_s}、末端接地线电流I_{f_e}。

5.根据权利要求1所述的双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位方法，其特征在于：所述步骤6)中，故障电缆首、末端接地线电流理论幅值比k_cal计算公式为：

6.根据权利要求1所述的双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位方法，其特征在于：所述步骤6)中，理论同实测首、末端接地线电流幅值比k_rel对比确定新的故障区间，其具体步骤为：

(a)将故障电缆区间[a,b](a＝0,b＝l)中点α₁处设置为虚拟故障点，计算此时的k_cal，比较k_cal与k_rel的大小关系；

(b)若k_cal＝k_rel，则故障点为α₁处；

(c)若k_cal>k_rel，则故障点在[a,α₁]之间，保留该区间，令b＝α₁，则产生新区间[a,b]；

(d)若k_cal<k_rel，则故障点在[α₁,b]之间，保留该区间，令a＝α₁，则产生新区间[a,b]。

7.根据权利要求1所述的双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位方法，其特征在于：所述步骤7)中，确定故障位置的具体步骤如下：

(a)比较故障区间长度b-a与设定允许误差ε的大小，b-a≤ε是否成立；

(b)若b-a>ε，则利用二分法在新的故障区间内继续设置虚拟故障点；

(c)若b-a≤ε，则取故障区间的中点为故障位置，即故障距离x为：

x＝(a+b)/2

8.双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位系统，其特征在于，所述系统包括：量测设备、故障定位装置、主站；其中：

量测设备，为高精度电流互感器，用于测量电缆接地线电流；

故障定位装置，用于根据所述故障定位方法确定故障点位置；

主站，用于执行报警工作，显示故障电缆接地线电流波形和故障点位置。

9.根据权利要求8所述的双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位系统，其特征在于，所述故障定位装置包括：采样模块、存储模块、通信模块、时间模块、电源模块、主控模块；其中：

采样单元，用于电缆接地线电流波形采样；

存储单元，用于存储配电网各条线路参数及接地线电流数据；

通信模块，用于故障定位装置、测量设备与主站之间的通信；

时间模块，用于获取时间值；

电源模块，用于为故障定位装置提供用电；

主控模块，用于执行权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。

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