CN114966313A - 一种配电网故障定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电网故障定位方法,所述配电网故障定位方法包括:S1:获取M个台区变压器低压侧的abc三相电压有效值,其中,每个所述台区变压器低压侧的abc三相电压有效值包括故障发生前的三相电压和故障发生后的三相电压;S2:根据所述故障发生前的三相电压和所述故障发生后的三相电压,得到故障发生前后三相电压的电压变化量;S3:分别获取每个台区所述电压变化量的最大值,得到M个最大值;S4:利用改进的最近邻聚法对M个所述最大值进行聚类处理,得到聚类结果;S5:获取所述聚类结果中的最大聚类簇;S6:根据所述最大聚类簇,得到所述配电网的故障位置。本发明能够精确定位配电网的故障位置。
Description
技术领域
本发明涉及配电网技术领域,具体涉及一种配电网故障定位方法。
背景技术
配电网分支众多,结构复杂,运行环境恶劣,易发生故障,及时准确进行故障排查、定位,是确保电网安全和供电可靠性的重要课题,也是供配电系统运维中的重大需求,具有重要理论价值和工程意义。鉴于配电网结构的复杂性,故障定位方法研究需要利用线路上的电压电流数据,而在配网中安装配电自动化装置可以获得线路中的运行信息。但是即便是城区,配电自动化终端也难以覆盖所有的节点和区段,而对于配电自动化建设水平不高的地区,更不易获得线路量测信息,因此导致利用中压侧监测数据的故障定位方法研究面临困难。随着配电台区的建设,越来越多的监测装置向台区低压侧延伸,相较于配网的终端设备,在台区低压侧更易于安装和维护,为配电网的故障定位提供了新的思路。
然而,目前基于变压器低压侧的配电网故障定位主要问题和缺陷:
a、不适用于对称性故障和不同中性点不接地方式的工况,分布式电源并网对其也有影响;
b、由于接入辅助电阻等额外的操作装置,限制了方法使用的范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种配电网故障定位方法,以能够精确定位配电网的故障位置。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
本发明提供一种配电网故障定位方法,所述配电网故障定位方法包括:
S1:获取M个台区变压器低压侧的abc三相电压有效值,其中,每个所述台区变压器低压侧的abc三相电压有效值包括故障发生前的三相电压和故障发生后的三相电压;
S2:根据所述故障发生前的三相电压和所述故障发生后的三相电压,得到故障发生前后三相电压的电压变化量;
S3:分别获取每个台区所述电压变化量的最大值,得到M个最大值;
S4:利用改进的最近邻聚法对M个所述最大值进行聚类处理,得到聚类结果;
S5:获取所述聚类结果中的最大聚类簇;
S6:根据所述最大聚类簇,得到所述配电网的故障位置。
可选择地,所述步骤S4中,所述改进的最近邻聚法包括:
A1:将M个最大值的任意一个最大值作为当前聚类中心的初始值;
A2:分别计算N个数据中每一个数据到所述当前聚类中心的初始值的距离;
A3:判断当前数据到所述聚类中心的初始值的距离是否小于预设阈值,若是,进入步骤A4;否则,进入步骤A5;
A4:标记所述当前数据到所述聚类中心的初始值的距离,将下一个数据作为所述当前数据并返回步骤A3;
A5:判断所述当前数据是否为第N个数据,若是,输出所有标记距离的数据,否则,将所述当前数据作为所述当前聚类中心的初始值并返回步骤A2。
可选择地,所述步骤S6包括:
S61:判断所述最大聚类簇是否只包含一个所述最大值,若是,进入步骤S62;否则,进入步骤S63;
S62:输出故障位置位于包含该台区变压器的分支上;
S63:确定故障处上游和故障处下游台区变压器的公共节点,即故障区段;
S64:利用负序网络,分别计算母线的负序电压和负序电流;
S65:根据所述母线的负序电压和负序电流,得到母线到故障区段首端的负序电压方程式和母线到故障区段首端的负序电流方程式;
S66:根据所述母线到故障区段首端的负序电压方程式和母线到故障区段首端的负序电流方程式,得到台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电压方程和负序电流方程;
S67:根据所述母线到故障区段首端的负序电压方程式和负序电流方程式,以及台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电压方程和负序电流方程,得到首端到故障处包含故障距离的电压方程式和末端到故障处包含故障距离的电压方程式;
S68:根据所述首端到故障处包含故障距离的电压方程式和末端到故障处包含故障距离的电压方程式,利用逐步搜索法,得到故障位置。
其中,UA1、UB1、UC1分别为母线的三相电压,a为旋转因子,IA1、IB1、IC1分别为母线的三相电流,上标·表示向量。
可选择地,所述步骤S65中,所述母线到故障区段首端的负序电压方程式为:
所述母线到故障区段首端的负序电流方程式为:
其中,UNfb表示母线到故障区段首端的负序电压,UNfb-1表示母线到故障区段首端前一区段的负序电压,INfb-1表示母线到故障区段首端前一区段的负序电流,ZNfb-1表示母线到故障区段首端前一区段的电阻,YNfb-1表示母线到故障区段首端前一区段的导纳,INfb表示母线到故障区段首端的负序电流。
可选择地,所述步骤S66中,所述台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电压方程为:
台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电流方程为:
其中,UNfe表示台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电压,V表示台区变压器低压侧电压,YH表示台区变压器低压侧所在支路的导纳,Zload表示台区变压器低压侧的负荷阻抗,ZH表示台区变压器低压侧所在支路的阻抗,k表示台区变压器得到变比,INfe表示台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电流,a为旋转因子。
可选择地,所述步骤S67中,所述首端到故障处包含故障距离的电压方程式为:
Uf=UNfb-(INfb-UNfb×x/2×y)×x×z
末端到故障处包含故障距离的电压方程式为:
U'f=UNfe-[INfe+UNfe×(Lf-x)/2×y]×(Lf-x)×z
其中,Uf表示首端到故障处包含故障距离的电压,U'f表示末端到故障处包含故障距离的电压,UNfb表示母线到故障区段首端的负序电压,INfb表示母线到故障区段首端的负序电流,UNfe表示台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电压,INfe表示台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电流,x表示线路的单位阻抗,y表示线路的点位导纳,Lf表示故障区段的总长度,z表示线路的单位阻抗。
本发明具有以下有益效果:
本方法仅利用台区变压器低压侧的电压幅值变化量便可以实现配电网的故障区段定位与测距,不受故障电阻、故障类型和中性点接地方式的影响,并且适用于高阻值故障电阻和分布式电源并网的情况,可以实现故障精确定位,故障位置误差在100米以内。
附图说明
图1为本发明所提供的配电网故障定位方法流程图;
图2为试验故障线路图;
图3为图2的单线等效图;
图4为在台区变压器低压侧安装有电压量测装置的IEEE34节点示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明提供一种配电网故障定位方法,参考图1所示,所述配电网故障定位方法包括:
S1:获取M个台区变压器低压侧的abc三相电压有效值,其中,每个所述台区变压器低压侧的abc三相电压有效值包括故障发生前的三相电压和故障发生后的三相电压;
其中,任意一个台区故障发生前的三相电压记为Uaq、Ubq、Ucq,故障发生后的三相电压记为Uah、Ubh、Uch;
S2:根据所述故障发生前的三相电压和所述故障发生后的三相电压,得到故障发生前后三相电压的电压变化量;
那么,故障发生前后三相电压的电压变化量则分别为:|ΔUa|=Uah-Uaq、|ΔUb|=Ubh-Ubq和|ΔUc|=Uch-Ucq。
S3:分别获取每个台区所述电压变化量的最大值,得到M个最大值;
即,在任意一个台区变压器电压变化量的最大值记为:ΔUTMAX=max(|ΔUa|,|ΔUb|,|ΔUc|),则,M个台区变压器便能够得到M个最大值。
S4:利用改进的最近邻聚法对M个所述最大值进行聚类处理,得到聚类结果;
在本发明中,所述改进的最近邻聚法包括:
A1:将M个最大值的任意一个最大值作为当前聚类中心的初始值;
A2:分别计算N个数据中每一个数据到所述当前聚类中心的初始值的距离;
A3:判断当前数据到所述聚类中心的初始值的距离是否小于预设阈值,若是,进入步骤A4;否则,进入步骤A5;
A4:标记所述当前数据到所述聚类中心的初始值的距离,将下一个数据作为所述当前数据并返回步骤A3;
A5:判断所述当前数据是否为第N个数据,若是,输出所有标记距离的数据,否则,将所述当前数据作为所述当前聚类中心的初始值并返回步骤A2。
即:假设给定N个数据Xi(i=1,2,3,…,N),任取数据Xi(i=1,2,3,…,N)为第一个聚类中心的初始值C1,即令C1=X1;
计算N个数据{X1,X2,X3,…,XN}中每一个数据到的距离D1=|X1-C1|/C1,D2=|X2-C1|/C1,…,DN=|XN-C1|/C1;
如此,所有的距离形成一个距离集合,即D={D1,D2,…,DN};
把距离集合中所有小于阈值θ对应的数据确定为一类,将大于阈值θ对应的数据集合重新定义新的聚类中心C2,直到N个数据都进行分类。
S5:获取所述聚类结果中的最大聚类簇;
在获取所述聚类结果中的最大聚类簇之前,本发明利用故障特性分析法对试验故障线路中故障处上游、故障处和故障处下游中的电压进行分析,得到分析结果,即最大聚类簇为故障处下游的台区变压器监测点集合,其余的为故障处上游的台区变压器监测点集合。
具体地,参考图2所示,利用故障特性分析法对试验故障线路中故障处上游、故障处和故障处下游中的电压进行分析,得到分析结果包括:
在图2所示线路中T处安装有电压监测装置,Z1、Z2、Z3分别为区段L1,区段L2,区段L3的线路阻抗,其中在区段L3内占全长x处发生单相接地故障f。
由基尔霍夫电压定律(KVL)可得:
当线路发生对称故障或正常运行时,变压器低压侧电压表达式为:
联立上述两个表达式,可以得到对应节点变压器低压侧的相电压,以A相为例,低压侧电压如下所示:
发生单相接地故障后的序网络如图4所示。线路的零序阻抗分别为Z10、Z20、Z30,Gall为线路并联电导之和,Call为线路对地电容之和,为故障电流,Rf为故障电阻。当故障发生时,由于故障下游故障电流较小,推导时近似开路等效。
故障点的正负零序电压如下式所示:
由对称分量法,可得故障点f处的高压侧B相电压为:
由故障点f处的变压器低压侧a相电压和A相低压侧电压,可获得变压器T低压侧监测点的电压变化为:
同理图2中节点2和节点1处低压侧的电压变化分别为如下:。
由变压器T低压侧监测点、节点2和节点1处低压侧的电压变化,可知:
因此,能够确定的是,处于故障处下游的电压变化值大于故障处上游的电压变化值,因而,本发明将最大聚类簇作为故障处下游的台区变压器监测点集合,其余作为故障处上游的台区变压器监测点集合。
S6:根据所述最大聚类簇,得到所述配电网的故障位置。
可选择地,所述步骤S6包括:
S61:判断所述最大聚类簇是否只包含一个所述最大值,若是,进入步骤S62;否则,进入步骤S63;
S62:输出故障位置位于包含该台区变压器的分支上;
S63:确定故障处上游和故障处下游台区变压器的公共节点,即故障区段;
S64:利用负序网络,分别计算母线的负序电压和负序电流;
其中,UA1、UB1、UC1分别为母线的三相电压,a为旋转因子且a=e120j,IA1、IB1、IC1分别为母线的三相电流,上标·表示向量。
S65:根据所述母线的负序电压和负序电流,得到母线到故障区段首端的负序电压方程式和母线到故障区段首端的负序电流方程式;
这里,所述母线到故障区段首端的负序电压方程式为:
所述母线到故障区段首端的负序电流方程式为:
其中,UNfb表示母线到故障区段首端的负序电压,UNfb-1表示母线到故障区段首端前一区段的负序电压,INfb-1表示母线到故障区段首端前一区段的负序电流,ZNfb-1表示母线到故障区段首端前一区段的电阻,YNfb-1表示母线到故障区段首端前一区段的导纳,INfb表示母线到故障区段首端的负序电流。
S66:根据所述母线到故障区段首端的负序电压方程式和母线到故障区段首端的负序电流方程式,得到台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电压方程和负序电流方程;
进而,所述台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电压方程为:
台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电流方程为:
其中,其中,UNfe表示台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电压,V表示台区变压器低压侧电压,YH表示台区变压器低压侧所在支路的导纳,Zload表示台区变压器低压侧的负荷阻抗,ZH表示台区变压器低压侧所在支路的阻抗,k表示台区变压器得到变比,INfe表示台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电流,a为旋转因子。
S67:根据所述母线到故障区段首端的负序电压方程式和负序电流方程式,以及台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电压方程和负序电流方程,得到首端到故障处包含故障距离的电压方程式和末端到故障处包含故障距离的电压方程式;
所述首端到故障处包含故障距离的电压方程式为:
Uf=UNfb-(INfb-UNfb×x/2×y)×x×z
末端到故障处包含故障距离的电压方程式为:
U'f=UNfe-[INfe+UNfe×(Lf-x)/2×y]×(Lf-x)×z
其中,Uf表示首端到故障处包含故障距离的电压,U'f表示末端到故障处包含故障距离的电压,UNfb表示母线到故障区段首端的负序电压,INfb表示母线到故障区段首端的负序电流,UNfe表示台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电压,INfe表示台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电流,x表示线路的单位阻抗,y表示线路的点位导纳,Lf表示故障区段的总长度,z表示线路的单位阻抗。
S68:根据所述首端到故障处包含故障距离的电压方程式和末端到故障处包含故障距离的电压方程式,利用逐步搜索法,得到故障位置。
实施例2
本发明利用PSCAD/EMTDC中的标准IEEE34节点模型,如图4所示,该线路由总长为122.58km的架空线路组成,其中含有九个10/0.4kV的变压器,假设中性点接地方式为小电阻接地,每个变压器低压侧均安装有电压监测装置。
当故障电阻为50Ω,配电网在1.0s发生A相接地故障,每个区段发生故障,则故障区段定位结果如表1所示。
表1标准IEEE34节点发生A相接地故障仿真结果
表1中加粗数据表示最大的监测点集合。虚线框内表示通过聚类算法得到的同一类集合。当故障发生在区段6-7,对台区变压器监测到的九个最大电压变化数据聚类可以得到,一共有2类:分别是以C1=28.30为聚类中心的第一类监测点集合,包含了T1;以C1=45.79为聚类中心的第二类监测点集合是最大监测点集合,包含了T2-T9,它们是故障处下游的所有监测点集合,而T1是故障处上游的监测点。其中上游监测点集合的公共节点是4,最大监测点是T1;下游监测点集合的公共节点是8和9,最大监测点是T2,所以故障是发生在区段4-9。
当故障发生在区段15-16,对变电站监测到的九个最大电压变化数据聚类可以得到,一共有四类:分别是以C1=20.37为聚类中心的第一类监测点集合,包含了T1;以C2=48.73为聚类中心的第二类监测点集合,包含了T2;以C3=54.92为聚类中心的第三类监测点集合,包含了T3;以C4=66.55为聚类中心的第四类监测点集合是最大监测点集合,包含了T4-T9,所以它们是故障处下游的所有监测点集合,而T1、T2和T3是故障处上游的监测点。其中上游监测点集合的公共节点是13,最大监测点是T3;下游监测点集合的公共节点是17,最大监测点是T4,所以可以判定故障是发生在区段13-17。这是因为缺少监测点的缘故。
当故障发生在区段31-32,对变电站监测到的九个最大电压变化数据聚类可以得到,一共有九类,最大监测点是T7,所以它是故障处下游的监测点,而其余的八个是故障处上游的监测点。因为下游监测点只有T7一个,所以可以直接确定故障发生在该监测点区段也就是区段25-34。
在IEEE34节点中对单相接地故障、两相短路接地、两相短路和三相孤战都进行了仿真,故障区段是21-22,故障电阻为50Ω。结果如表2所示。
表2 IEEE34节点不同故障类型的故障测距仿真结果
由表2可得,当故障发生在区段21-22,对变电站监测到的九个最大电压变化数据聚类可以得到,一共有六类:分别是以T1的监测数据为聚类中心的第一类监测点集合;以T2的监测数据为聚类中心的第二类监测点集合;以T3的监测数据为聚类中心的第三类监测点集合;以T4的监测数据为聚类中心的第四类监测点集合;以T5的监测数据为聚类中心的第五类监测点集合,并且该第五类监测点集合是所以监测点集合中最大的,是故障处下游的所有监测点集合,只有T5这一个监测点;以T6为聚类中心的第六类监测点集合,包含了T6-T9。而T1-T4和T6-T9是故障处上游的监测点。其中上游监测点集合的公共节点是20,下游监测点的节点是只有一个22,所以可以判定故障是发生在区段20-22。
定位准确故障区段后,再进行故障测距故障,表2中的故障区段定位结果定在区段20-22,所以测距结果就表示区段20-21的距离再加上故障距离,以在区段21-22距节点0.5km处发生A相接地故障为例,区段20-22长度为3km,则实际故障处距离节点20的长度应该是3km+0.5km=3.5km,由仿真结果可得3495m,误差为5m。
本发明具有以下有益效果:
本方法仅利用台区变压器低压侧的电压幅值变化量便可以实现配电网的故障区段定位与测距,不受故障电阻、故障类型和中性点接地方式的影响,并且适用于高阻值故障电阻和分布式电源并网的情况,可以实现故障精确定位,故障位置误差在100米以内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,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,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种配电网故障定位方法,其特征在于,所述配电网故障定位方法包括:
S1:获取M个台区变压器低压侧的abc三相电压有效值,其中,每个所述台区变压器低压侧的abc三相电压有效值包括故障发生前的三相电压和故障发生后的三相电压;
S2:根据所述故障发生前的三相电压和所述故障发生后的三相电压,得到故障发生前后三相电压的电压变化量;
S3:分别获取每个台区所述电压变化量的最大值,得到M个最大值;
S4:利用改进的最近邻聚法对M个所述最大值进行聚类处理,得到聚类结果;
S5:获取所述聚类结果中的最大聚类簇;
S6:根据所述最大聚类簇,得到所述配电网的故障位置。
2.根据权利要求1所述的配电网故障定位方法,其特征在于,所述步骤S4中,所述改进的最近邻聚法包括:
A1:将M个最大值的任意一个最大值作为当前聚类中心的初始值;
A2:分别计算N个数据中每一个数据到所述当前聚类中心的初始值的距离;
A3:判断当前数据到所述聚类中心的初始值的距离是否小于预设阈值,若是,进入步骤A4;否则,进入步骤A5;
A4:标记所述当前数据到所述聚类中心的初始值的距离,将下一个数据作为所述当前数据并返回步骤A3;
A5:判断所述当前数据是否为第N个数据,若是,输出所有标记距离的数据,否则,将所述当前数据作为所述当前聚类中心的初始值并返回步骤A2。
3.根据权利要求1所述的配电网故障定位方法,其特征在于,所述步骤S6包括:
S61:判断所述最大聚类簇是否只包含一个所述最大值,若是,进入步骤S62;否则,进入步骤S63;
S62:输出故障位置位于包含该台区变压器的分支上;
S63:确定故障处上游和故障处下游台区变压器的公共节点,即故障区段;
S64:利用负序网络,分别计算母线的负序电压和负序电流;
S65:根据所述母线的负序电压和负序电流,得到母线到故障区段首端的负序电压方程式和母线到故障区段首端的负序电流方程式;
S66:根据所述母线到故障区段首端的负序电压方程式和母线到故障区段首端的负序电流方程式,得到台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电压方程和负序电流方程;
S67:根据所述母线到故障区段首端的负序电压方程式和负序电流方程式,以及台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电压方程和负序电流方程,得到首端到故障处包含故障距离的电压方程式和末端到故障处包含故障距离的电压方程式;
S68:根据所述首端到故障处包含故障距离的电压方程式和末端到故障处包含故障距离的电压方程式,利用逐步搜索法,得到故障位置。
7.根据权利要求3-6中任意一项所述的配电网故障定位方法,其特征在于,所述步骤S67中,所述首端到故障处包含故障距离的电压方程式为:
Uf=UNfb-(INfb-UNfb×x/2×y)×x×z
末端到故障处包含故障距离的电压方程式为:
U'f=UNfe-[INfe+UNfe×(Lf-x)/2×y]×(Lf-x)×z
其中,Uf表示首端到故障处包含故障距离的电压,U'f表示末端到故障处包含故障距离的电压,UNfb表示母线到故障区段首端的负序电压,INfb表示母线到故障区段首端的负序电流,UNfe表示台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电压,INfe表示台区变压器低压侧电压到故障区段末端的负序电流,x表示线路的单位阻抗,y表示线路的点位导纳,Lf表示故障区段的总长度,z表示线路的单位阻抗。
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CN114966313B (zh) | 2023-03-21 |
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