CN114779007A - 基于接地线电流和零序电流的配电电缆故障区段定位方法 - Google Patents

Abstract

基于接地线电流和零序电流的配电电缆故障区段定位方法，包括步骤：首先，获取主电缆馈线首端接地线电流，判断配电网是否发生故障；其次，获取每个电缆区段首端测量的接地线电流和零序电流，计算其幅值差；再次，构建幅值差比矩阵和幅值差比和向量，确定其最大元素对应编号；然后，对配电网各个节点和测量点进行编号，构建空间测量矩阵；最后，根据空间测量矩阵和幅值差比和向量中最大元素编号，确定故障电缆区段两端节点编号。该方法仅需要电缆首端接地线电流和零序电流，获取方便，无需全网测量点同步，不受分布式电源接入的影响。

Description

基于接地线电流和零序电流的配电电缆故障区段定位方法

技术领域

本发明涉及电网设备领域，具体涉及一种基于接地线电流和零序电流的配电电缆故障区段定位方法。

背景技术

近年来，我国经济发展带动了城镇化和工业化水平的不断加深，电力系统也得到了长足的发展，配电网系统规模不断扩大，结构愈发复杂，电力电缆在城网供电中占比加大，配电网原有架空线路逐渐被地下电缆取代。然而，由于外力或内部缺陷等不利因素，三芯地下电缆容易发生故障。快速可靠的故障区段定位有助于加快故障隔离，减少停电时间，确保整个网络的稳定和安全。地下电缆与架空输电线路在结构和运行方式上的不同，决定了他们在故障特征上存在差异，这对现有故障区段定位技术提出了新的要求。

目前的研究表明，在以架空线路为主的配电网中，故障区段辨识技术已经表现出良好的性能。然而，在地下配电电缆系统中，故障区段辨识方法却还没有得到充分的发展。三芯电缆一般铺设在地下，三相芯线由绝缘橡胶包绕，一些类型的智能电表(如PMU、故障指示器等)不能沿电缆安装。电缆的接地线电流仅需要通过一个普通的测量单元便可以完成测量。另外，零序电流作为配电自动化系统的重要指示量，在现有的配网上可以轻松地获取。配网电缆线路发生故障时，故障区段的接地线电流与零序电流之差同正常线路相比有显著差异，这为故障线路区段的辨识提供了依据。因此基于电缆接地线电流与零序电流之差的特征研究原理简单、实用性强的配电网单相故障区段辨识方法不仅具有理论研究价值，而且对于工程实践具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有电缆配电网故障区段感知的不足之处，本发明提供一种步骤简单，判别效果好，能够准确识别出故障电缆线路的电缆配电网故障区段辨识方法，利用广域接地线电流、零序电流之差辨识电缆配电网故障区段，适用于配电网中共有M段电缆线路，每条电缆线路首端配置有接地线电流测量点。

基于接地线电流和零序电流的配电电缆故障区段定位方法，步骤如下：

步骤a，配电网运行时，获取主电缆馈线首端接地线电流i_B(t)，利用所测接地线电流是否大于配电网正常运行时全网测量点测得的最大接线电流ζ_st判断配电网电缆是否发生单相故障；

步骤b，当判断配电网发生单相故障后，获取每个电缆区段首端测量点测得的接地线电流和零序电流；对于全网中的Q个电缆区段，任一电缆区段q首端接地线电流和零序电流分别记作i_qs(t)和i_q0(t)；计算Q个电缆区段首端接地线电流和零序电流的幅值差；

步骤c，利用计算得到的Q个电缆区段首端接地线电流和零序电流的幅值差，构建幅值差比矩阵M_R，计算矩阵M_R每行元素之和，得到幅值差比和向量N_S，确定向量N_S中最大元素对应的编号，记为p_max；

步骤d，对配电网各个节点和测量点进行编号；对于全网中的P个节点，测量点数量和电缆区段数量相同，共有Q个测量点，构建空间测量矩阵S_m如下：

其中，S_m为P×Q阶矩阵，s_gh为S_m中第g行第h列的元素；

步骤e，故障电缆区段两端的节点编号g_L和g_R由如下判据确定：

其中，S_m(L,p_max)表示矩阵S_m中第L行第p_max列的元素s_Lpmax，S_m(R,p_max)表示矩阵S_m中第R行第p_max列的元素s_Rpmax；确定了故障电缆区段两端的节点编号g_L和g_R则故障区段成功定位。

进一步地，步骤a中，配电网运行时，获取主电缆馈线首端接地线电流i_B(t)，t∈[t₀,t₀+t_f]，利用以下判据判断配电网电缆是否发生单相故障：

其中，函数max()用于取信号的峰值，运算符||用于取信号采样值的绝对值，t为时间变量，t₀接地线电流突变时刻，t_f为工频周期，ζ_st为配电网正常运行时全网测量点测得的最大接线电流。

进一步地，步骤b中，对于接地线电流和零序电流i_qs(t)和i_q0(t)，t∈[t₀+0.5t_f,t₀+1.5t_f]，计算Q个电缆区段首端接地线电流和零序电流的幅值差d_q，计算公式如下：

d_q＝Amp(i_qs(t))-Amp(i_q0(t))

其中，Amp()为取电流幅值的函数。

进一步地，步骤c中，利用计算得到的Q个电缆区段首端接地线电流和零序电流的幅值差，构建幅值差比矩阵M_R，如下：

其中，M_R为Q阶方阵，M_R中第i行第j列的元素m_ij为第i个电缆区段首端接地线电流和零序电流的幅值差d_i与第j个电缆区段首端接地线电流和零序电流的幅值差d_j的比值；计算矩阵M_R每行元素之和，得到幅值差比和向量N_S，如下：

其中，向量N_S中第k个元素n_k为矩阵M_R中第k行所有元素之和。

有益效果：

与现有技术相比，本发明仅利用电缆首端接地线电流和零序电流实现电缆配网故障区段定位，获取方便，无需全网测量点同步，而且不受分布式电源接入的影响，现场实施简单，检测速度快，准确率高，具有很高的工程实践价值。

附图说明

图1为本发明实施例中的基于接地线电流和零序电流的配电电缆故障区段定位方法的流程示意图，

图2为本发明实施例中的建立的10kV电缆型配电网故障仿真模型示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的基于接地线电流和零序电流的配电电缆故障区段定位方法，适用于电缆型配电网，每段电缆首端有接地线电流和零序电流测量点，其步骤如下：

a.设电缆型配电网每段电缆首端有接地线电流和零序电流测量点，运行时获取主电缆馈线首端接地线电流i_B(t)(t∈[t₀,t₀+t_f])，利用如下判据判断配电网电缆是否发生单相故障：

其中，函数max()用于取信号的峰值，运算符||用于取信号采样值的绝对值，t为时间变量，t₀接地线电流突变时刻，t_f为工频周期，ζ_st为配电网正常运行时全网测量点测得的最大接线电流。

b.当判断配电网发生单相故障后，获取每个电缆区段首端测量点测得的接地线电流和零序电流。假设全网共有Q个电缆区段，任一电缆区段q首端接地线电流和零序电流分别记作i_qs(t)和i_q0(t)(t∈[t₀+0.5t_f,t₀+1.5t_f])。计算Q个电缆区段首端接地线电流和零序电流的幅值差。其中，任一电缆区段q首端接地线电流和零序电流幅值差d_q计算公式如下：

d_q＝Amp(i_qs(t))-Amp(i_q0(t))

其中，Amp()为取电流幅值的函数。

c.利用计算得到的Q个电缆区段首端接地线电流和零序电流的幅值差，构建幅值差比矩阵M_R，如下：

其中，M_R为Q阶方阵，M_R中第i行第j列的元素m_ij为第i个电缆区段首端接地线电流和零序电流的幅值差d_i与第j个电缆区段首端接地线电流和零序电流的幅值差d_j的比值。计算矩阵M_R每行元素之和，得到幅值差比和向量N_S，如下：

其中，向量N_S中第k个元素n_k为矩阵M_R中第k行所有元素之和。确定向量N_S中最大元素对应的编号，记为p_max。

d.对配电网各个节点和测量点进行编号。假设全网共有P个节点。测量点数量和电缆区段数量相同，共有Q个测量点。构建空间测量矩阵S_m如下：

其中，S_m为P×Q阶矩阵，s_gh为S_m中第g行第h列的元素。

e.故障电缆区段两端的节点编号g_L和g_R可由如下判据确定：

其中，S_m(L,p_max)表示矩阵S_m中第L行第p_max列的元素s_Lpmax，S_m(R,p_max)表示矩阵S_m中第R行第p_max列的元素s_Rpmax。

为了验证所提基于接地线电流和零序电流的配电电缆故障区段定位方法的有效性和可靠性，利用PSCAD/EMTDC搭建10kV电缆型配电网故障仿真模型，其拓扑结构如图2所示。该配电网包含6条主馈线(从上到下分别记为：主馈线1、主馈线2、…、主馈线6)，其中第一条主馈线(主馈线1)由多个电缆线路区段、分支组成。TG表示接地变压器。开关K1和K2决定了系统中性点接地方式。节点123、128、134分别接入DG1＝5MVA、DG2＝4MVA、DG3＝4MVA的分布式电源。每条主馈线首端设置有断路器。所有电缆线路均为实际配电网常用的10kV三芯电力电缆，型号为：YJV22-6/10kV-3*70mm²。在图2中，黑色点表示分支节点或者线路末端节点。该仿真模型中，各电缆线路长度、负荷及测量点编号如表1、2和3所示。仿真中，采样频率为5kHz，电缆接地线电阻为2Ω，中性点消弧线圈电缆L_arc按照过补偿度8％选择，中性点小电阻R_g设置为10Ω。

表1仿真模型的电缆长度参数

表2仿真模型的负荷参数

表3测量点编号

故障案例中的仿真条件如表4所示。表5展示了所提故障区段定位方法的计算结果。从表中可以看出：本发明所提方法对于含有三芯电缆单端辐射状配电网中发生故障的电缆区段均能实现准确定位。

表4典型案例仿真条件

表5故障区段定位结果

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。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (4)

1.基于接地线电流和零序电流的配电电缆故障区段定位方法，其特征在于：所述方法的步骤如下：

步骤a，配电网运行时，获取主电缆馈线首端接地线电流i_B(t)，利用所测接地线电流是否大于配电网正常运行时全网测量点测得的最大接线电流ζ_st判断配电网电缆是否发生单相故障；

步骤b，当判断配电网发生单相故障后，获取每个电缆区段首端测量点测得的接地线电流和零序电流；对于全网中的Q个电缆区段，任一电缆区段q首端接地线电流和零序电流分别记作i_qs(t)和i_q0(t)；计算Q个电缆区段首端接地线电流和零序电流的幅值差；

步骤c，利用计算得到的Q个电缆区段首端接地线电流和零序电流的幅值差，构建幅值差比矩阵M_R，计算矩阵M_R每行元素之和，得到幅值差比和向量N_S，确定向量N_S中最大元素对应的编号，记为p_max；

步骤d，对配电网各个节点和测量点进行编号；对于全网中的P个节点，测量点数量和电缆区段数量相同，共有Q个测量点，构建空间测量矩阵S_m如下：

其中，S_m为P×Q阶矩阵，s_gh为S_m中第g行第h列的元素；

步骤e，故障电缆区段两端的节点编号g_L和g_R由如下判据确定：

其中，S_m(L,p_max)表示矩阵S_m中第L行第p_max列的元素s_Lpmax，S_m(R,p_max)表示矩阵S_m中第R行第p_max列的元素s_Rpmax；确定了故障电缆区段两端的节点编号g_L和g_R则故障区段成功定位。

2.根据权利要求1所述的基于接地线电流和零序电流的配电电缆故障区段定位方法，其特征在于：步骤a中，配电网运行时，获取主电缆馈线首端接地线电流i_B(t)，t∈[t₀,t₀+t_f]，利用以下判据判断配电网电缆是否发生单相故障：

其中，函数max()用于取信号的峰值，运算符| |用于取信号采样值的绝对值，t为时间变量，t₀接地线电流突变时刻，t_f为工频周期，ζ_st为配电网正常运行时全网测量点测得的最大接线电流。

3.根据权利要求1所述的基于接地线电流和零序电流的配电电缆故障区段定位方法，其特征在于：步骤b中，对于接地线电流和零序电流i_qs(t)和i_q0(t)，t∈[t₀+0.5t_f,t₀+1.5t_f]，计算Q个电缆区段首端接地线电流和零序电流的幅值差d_q，计算公式如下：

d_q＝Amp(i_qs(t))-Amp(i_q0(t))

其中，Amp()为取电流幅值的函数。

4.根据权利要求1所述的基于接地线电流和零序电流的配电电缆故障区段定位方法，其特征在于：步骤c中，利用计算得到的Q个电缆区段首端接地线电流和零序电流的幅值差，构建幅值差比矩阵M_R，如下：

其中，M_R为Q阶方阵，M_R中第i行第j列的元素m_ij为第i个电缆区段首端接地线电流和零序电流的幅值差d_i与第j个电缆区段首端接地线电流和零序电流的幅值差d_j的比值；计算矩阵M_R每行元素之和，得到幅值差比和向量N_S，如下：

其中，向量N_S中第k个元素n_k为矩阵M_R中第k行所有元素之和。

Images