CN114859179A - 一种消去波速影响的混合线路配电网行波故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种消去波速影响的混合线路配电网行波故障定位方法，包括以下步骤：S1：建立混合线路配电网模型；S2：对混合线路配电网模型进行简化，得到混合线路配电网的Π型最小单元；S3：利用安装在各分支线路末端的行波检测装置采集各分支电气量及信号值；S4：确定故障区段并分别对架空线侧和电缆侧的故障进行分类；S5：根据故障区段的不同利用对应的测距公式计算故障的距离，实现故障的精确定位。解决了现有技术中存在的混合线路定位方法受波速影响大、精度低、成本高等问题。

Description

一种消去波速影响的混合线路配电网行波故障定位方法

技术领域

本发明属于电力系统故障定位技术领域，涉及一种消去波速影响的混合线路配电网行波故障定位方法。

背景技术

配电网作为连接输电系统与终端用电客户的重要组成部分，其安全性和可靠性愈发受到重视。受雷电、雨雪冰冻等恶劣天气以及生产工艺水平低造成的质量缺陷等因素的影响，输电线路在长期运行过程中难免会产生机械损伤、绝缘水平下降等问题，进而演变成各类型的配电网故障。为保证配电网运行的可靠性，降低故障造成的经济损失，快速精确的寻找故障点具有重要意义。传统的人工巡线方法存在耗时耗力、效率不高的缺点，近几十年的研究与发展提出的以阻抗法和行波法为代表的利用故障信息实现故障精确定位的理论很大程度上解决了这一问题，然而随着经济社会的发展，配电网分支逐渐增加、线路组成日趋复杂，现有的方法已难以适用。因此，提出一种适用于现有配电网特点的故障定位方法具有重要的指导意义。

目前常见的故障定位方法主要包括：

1)阻抗法：

阻抗法的基本原理是对于均匀的输电线路，线路阻抗与线路长度成正比，通过测量故障条件下端口所加的工频电压和电流得到测量阻抗，并结合线路单位长度阻抗参数即可得到故障点到端口的距离。该方法分为单端法和双端法，单端法成本低、计算简单，但易受过渡电阻影响，精度不高；双端法克服了过渡电阻的影响，但成本更高。同时，阻抗法采用的集中参数模型忽略了分布电容，给测距精度带来不小的影响。

2)行波法：

行波法的基本原理是在故障条件下，通过识别故障行波波头抵达检测端的时间并结合波速计算出故障点的位置，该方法具有不受过渡电阻和故障类型等因素影响的特点。该方法可以分为单端法和双端法，单端法通过识别故障初始波头和故障点反射行波实现故障定位，成本低，但测距精度不如双端法；双端法通过测量故障初始波头抵达线路两端的时间实现故障定位，测距精度高，但成本也更高，同时需要考虑两端检测装置时钟不同步带来的误差。

目前，双端行波法凭借较高的定位精度以及不受过渡电阻和故障类型影响的特点获得了极高的研究热度。随着北斗系统的应用，双端检测装置的时间同步误差通常在纳秒级，主要误差来源于波速的标定，随着输电线路使用年限的增加，线路老化将不可避免，在利用行波法进行故障定位时若采用出厂参数计算波速将带来不小的误差，使得定位效果不理想。已有学者提出针对单一输电线路消去波速影响的行波测距公式，但针对架空线-电缆组成的混合输电线路一直未有较好的解决方法；同时，配电网的多分支结构导致的行波检测装置成本的增加也是不得不考虑的问题。

因此，亟需一种适用于现有配电网特点的可以消去波速影响的混合线路配电网行波故障定位方法，来解决上述问题。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供一种消去波速影响的混合线路配电网行波故障定位方法，解决了现有技术中存在的混合线路定位方法受波速影响大、精度低、成本高等问题。

本发明所采用的技术方案是，一种消去波速影响的混合线路配电网行波故障定位方法，包括以下步骤：

S1：建立混合线路配电网模型；

S2：对混合线路配电网模型进行简化，得到混合线路配电网的Π型最小单元；

S3：利用安装在各分支线路末端的行波检测装置采集各分支电气量及信号值；

S4：确定故障区段并分别对架空线侧和电缆侧的故障进行分类；

S5：根据故障区段的不同利用对应的测距公式计算故障的距离，实现故障的精确定位。

进一步地，所述步骤S1中的混合线路配电网模型为：包括电源侧母线、架空线；架空线一端与电源侧母线连接，架空线另一端与电缆连接；架空线上引出有分支；电缆设置有环网柜或分支，环网柜处设置有馈线。

进一步地，所述步骤S2中简化的方法是以经过架空线和电缆连接点的一条混合线路为主干线，取离架空线和电缆连接点最近的一条架空线分支和电缆分支作为Π型线路的两条分支线路，构成Π型最小单元。

进一步地，所述步骤S4具体为：

利用行波检测装置采集到的故障前后各端信号及电气量进行相关性分析确定故障区段，然后对故障区段进行分类：

对架空线侧故障发生的位置进行分类，分为两种情况：MT₁上发生故障以及T₁O上发生故障；

对电缆侧故障发生的位置进行分类，分为两种情况：NT₂上发生故障以及T₂O上发生故障；

其中，MO为架空线段，ON为电缆段，O点为架空线段MO和电缆段ON的线缆连接点；T₁P为架空线上引出的一条分支，节点T₁为所述分支T₁P与架空线MO的交点；T₂Q为电缆段ON引出的一条分支或某处环网柜的一条馈线，节点T₂为T₂Q与电缆段ON之间的交点；T₁P和T₂Q是距离线缆连接点O最近的架空线和电缆分支线路。

进一步地，所述步骤S5中的测距公式为：

当故障发生在MT₁，故障点F₁与M端的距离为：

当故障发生在T₁O：

解

求得故障点F₂距离M端的距离

当故障发生在NT₂，故障点F₃与N端的距离为：

当故障发生在T₂O：

解

即可求得故障点F₄距离N端的距离

其中，L₁、L₂、L₃和L₄分别代表OM、ON、OP和OQ的长度，t₁、t₂、t₃和t₄分别为故障行波抵达M、N、P和Q端的时间；L₅代表MP的长度，L₆代表NQ的长度。

本发明的有益效果是：

1)本发明提出的消去波速影响的混合线路配电网行波测距公式能够在不计算波速的情况下实现双端故障定位，减少了误差因素，提高了定位精度；

2)本发明具有很强的配电网适应性，任何多分支混合线路配电网均可视为Π型最小单元的拓展；

3)本发明发明不用额外增设行波检测装置，不会破坏线路结构，不会因为配电网复杂度的提高导致定位成本的急剧上升。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的故障定位方法流程图。

图2是本发明实施例的混合线路配电网模型示意图。

图3是本发明实施例的双端行波测距原理图。

图4是本发明实施例的混合线路配电网简化模型示意图。

图5是本发明实施例的M端初始波头辨识图。

图6是本发明实施例的N端初始波头辨识图。

图7是本发明实施例的P端初始波头辨识图。

图8是本发明实施例的Q端初始波头辨识图。

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，本发明提供了一种消去波速影响的混合线路配电网行波故障定位方法，包括以下步骤：

S1：建立混合线路配电网模型；

S2：对混合线路配电网模型进行简化，得到混合线路配电网的Π型最小单元；

S3：利用安装在各分支线路末端的行波检测装置采集各分支电气量及信号值；

S4：确定故障区段并分别对架空线侧和电缆侧的故障进行分类；

S5：根据故障区段的不同利用对应的测距公式计算故障的距离，实现故障的精确定位。

混合线路配电网模型示意图如图2所示，其中节点1处设置电源侧母线，节点1-6之间为架空线，节点6-9之间为电缆，架空线和电缆的连接点为节点6；节点2-3和节点4-5段为在架空线引出的两条分支，节点7代表电缆段的一处环网柜，7-8代表环网柜的某条馈线(或电缆段的一条分支)。

如图3所示为双端行波测距原理图，设母线R、S之间线路长为L，当线路某处F发生接地故障时，故障行波以波速v向两侧母线传播，故障点F距离两侧母线的距离分别为L₁和L₂，行波抵达两端母线的时间分别为t₁和t₂，那么可得：那么可得：

进而可得：

从式(2)可知，影响测距精度的主要因素为波速v以及行波抵达两端的时间t₁和t₂。波速

其中L为线路单位长度的电感，C为线路单位长度的分布电容，随着线路投入使用的时间增加，线路老化愈发严重，L和C将偏离出厂参数导致波速发生变化，若能消去波速v的影响，将大大提高测距准确度。

本发明实施例对图2的混合线路配电网的模型进行简化，得到混合线路配电网的Π型最小单元，如图4所示。简化的方法是以经过线缆连接点(即架空线和电缆连接点)的一条混合线路为主干线(原则上取最长的混合线路)，取离线缆连接点最近的一条架空线分支和电缆分支作为Π型线路的两条分支线路，这样即构成了一个Π型最小单元。任何带有多分支的混合线路配电网都可以视作图4所示Π型最小单元的延伸。图4中，MO为架空线段，ON为电缆段，O点为架空线段和电缆段的线缆连接点，T₁P为架空线上引出的一条分支，节点T₁为该分支与架空线的交点；T₂Q为电缆段引出的一条分支或某处环网柜的一条馈线，节点T₂为其与线缆之间的交点。同时，T₁P和T₂Q被认为是距离线缆连接点O最近的架空线和电缆分支线路，其余分支线路均可视为由MT₁和NT₂上引出，方便利用后面的测距公式进行计算。t₁、t₂、t₃和t₄分别为故障行波抵达M、N、P和Q端的时间，OM、ON、OP和OQ的长度分别为L₁、L₂、L₃和L₄，MP和NQ的长度分别为L₅和L₆，架空线和电缆上的波速分别为v₁和v₂。

当配电网发生故障时，正常线路区段两端的电压、电流波形变化相同，相关系数较大；故障区段两端的电压、电流波形变化差异明显，相关系数较小。因此可以利用行波检测装置采集到的故障前后各端信号及电气量进行相关性分析从而确定故障区段(具体可以参考丁佳立.基于分布式电流检测的复杂输电线路行波故障定位方法研究[D].上海交通大学,2019；王朋飞.小电流接地系统单相接地故障非同步区段定位技术研究[D].三峡大学,2020.中的相关记载)。对架空线侧故障发生的位置进行分类，可分为两种情况：MT₁上发生故障以及T₁O上发生故障，T₁P上发生故障的情况可视为MT₁上发生故障情况的一种变形。下面对这两种故障情况的行波传播规律进行分析：

1)故障发生在MT₁(包括T₁点)，如图4中F₁故障位置所示：

联立式(3)、(4)和(5)可得：

观察式(6)不难发现，该式中不包含波速v₁和v₂，L₁、L₂、L₄和L₅均为通过查询可得的配电网线路长度，因此只需测得故障行波抵达M、N、P和Q端的时间t₁、t₂、t₃和t₄即可实现故障定位。

2)故障发生在T₁O(包括O点)，如图4中F₂故障位置所示：

联立式(7)、(8)、(9)和(10)可得：

解

即可求得故障点距离M端的距离

f(L_MF)＝0视为一个未知量为L_MF的一元二次方程，求解可得两个根，根据故障发生在T₁O这一前提条件可排除一个伪根，剩下的即为

的计算结果。式(11)中同样不包含波速v₁和v₂，只需测得故障行波抵达M、N、P和Q端的时间t₁、t₂、t₃和t₄即可实现故障定位。

电缆侧故障情况的分析过程与上述相同，由于Π型最小单元关于O点对称，在此直接给出电缆侧故障的测距公式：

1)故障发生在NT₂，故障点F3与N端的距离为：

2)故障发生在T₂O：

解

即可求得故障点F₄距离N端的距离

通过分析混合线路配电网的故障行波传播规律得出的式(6)、(11)、(12)和(13)均消去了波速的影响，减少了影响测距精度的误差因素。同时，得出的测距公式具有很强的适应性，例如配电网在MT₁间新引入的分支发生故障均可利用式(6)确定故障点，电缆侧同理。此外，本发明还解决了由于配电网复杂度提高导致的行波检测装置安装成本升高的问题，只需在各分支线路末端安装行波检测装置，用于采集电气量和信号值(包括但不限于行波时间、电流、电压、频率)、监测线路运行状况的装置，即只需要单端法的装设成本，采用双端法的定位策略，控制成本的同时也提高了定位精度。

仿真分析

为了验证本发明的有效性和可行性，在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建了如图4所示配电网简化模型并进行仿真分析，仿真参数如表1所示。

表1.仿真参数

以MT₁发生单相接地故障为例进行分析：设A相接地故障发生在距离M端3km处，接地电阻为15Ω，故障在0.12s投入，对M、N、P和Q端的行波检测装置捕捉到的故障行波进行小波分析，分析图如图5-图8所示，图中横坐标X为采样点，纵坐标Y为幅值：

可得：t₁＝1.200134×10⁵μs，t₂＝1.200890×10⁵μs，t₃＝1.200402×10⁵μs，t₄＝1.200690×10⁵μs。已知L₁＝11km，L₂＝8km，L₃＝L₄＝5km，L₅＝12km，L₆＝9km，那么由式(6)可得：L_MF＝3.044km，误差δ仅为1.47％。

验证不同故障位置和不同故障类型下的测距精度，具体结果如下表所示：

表2.不同故障条件下的测距结果

仿真结果表明前述推导的消去波速影响的混合线路配电网行波测距公式在各区段均具有良好的定位精度，绝对误差在100m以内，在控制装置成本的同时，减少了误差因素，提高了定位精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种消去波速影响的混合线路配电网行波故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立混合线路配电网模型；

S2：对混合线路配电网模型进行简化，得到混合线路配电网的Π型最小单元；

S3：利用安装在各分支线路末端的行波检测装置采集各分支电气量及信号值；

S4：确定故障区段并分别对架空线侧和电缆侧的故障进行分类；

S5：根据故障区段的不同利用对应的测距公式计算故障的距离，实现故障的精确定位。

2.根据权利要求1所述的一种消去波速影响的混合线路配电网行波故障定位方法，其特征在于，所述步骤S1中的混合线路配电网模型为：包括电源侧母线、架空线；架空线一端与电源侧母线连接，架空线另一端与电缆连接；架空线上引出有分支；电缆设置有环网柜或分支，环网柜处设置有馈线。

3.根据权利要求1所述的一种消去波速影响的混合线路配电网行波故障定位方法，其特征在于，所述步骤S2中简化的方法是以经过架空线和电缆连接点的一条混合线路为主干线，取离架空线和电缆连接点最近的一条架空线分支和电缆分支作为Π型线路的两条分支线路，构成Π型最小单元。

4.根据权利要求1所述的一种消去波速影响的混合线路配电网行波故障定位方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：

利用行波检测装置采集到的故障前后各端信号及电气量进行相关性分析确定故障区段，然后对故障区段进行分类：

对架空线侧故障发生的位置进行分类，分为两种情况：MT₁上发生故障以及T₁O上发生故障；

对电缆侧故障发生的位置进行分类，分为两种情况：NT₂上发生故障以及T₂O上发生故障；

其中，MO为架空线段，ON为电缆段，O点为架空线段MO和电缆段ON的线缆连接点；T₁P为架空线上引出的一条分支，节点T₁为所述分支T₁P与架空线MO的交点；T₂Q为电缆段ON引出的一条分支或某处环网柜的一条馈线，节点T₂为T₂Q与电缆段ON之间的交点；T₁P和T₂Q是距离线缆连接点O最近的架空线和电缆分支线路。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种消去波速影响的混合线路配电网行波故障定位方法，其特征在于，所述步骤S5中的测距公式为：

当故障发生在MT₁，故障点F₁与M端的距离为：

当故障发生在T₁O：

解

求得故障点F₂距离M端的距离

当故障发生在NT₂，故障点F₃与N端的距离为：

当故障发生在T₂O：

解

即可求得故障点F₄距离N端的距离

其中，L₁、L₂、L₃和L₄分别代表OM、ON、OP和OQ的长度，t₁、t₂、t₃和t₄分别为故障行波抵达M、N、P和Q端的时间；L₅代表MP的长度，L₆代表NQ的长度。

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