CN115113001B - 一种自适应配电网单相断线故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是一种自适应配电网单相断线故障定位方法，该方法包括：1、馈线终端采集当前时刻采样点电气量特征值，以线路负载均衡时的采样点电气量特征值为基准，计算当前负载情况，并保存当前时间段内负载率；2、在特定时间段内进行采样点电气量特征值比对，判断是否启动断线故障检测功能；3、根据当前时间段内负载率判断当前线路负荷所处状态，并根据当前线路负荷所处状态分别采用相应方法进行定位断线故障区段的判定。本发明结合负序电气量信息和正序电流分量信息，依据负载率情况主动匹配不同定位算法；解决了现有基于电流变化量的定位方法不能适用于线路轻载或空载情况和现有基于电压变化量的故障定位方法对通信要求高的难题。

Description

一种自适应配电网单相断线故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种自适应配电网单相断线故障定位方法，属于配电网单相断线故障检测领域。

背景技术

近年来，随着配电网架空线路绝缘化率的提高，受雷击、外力、导线过载等多种因素影响，断线故障呈多发态势；当两相或三相断线后，断线电压、电流辐值特征较为明显，通常上游相电压微升且基本保持额定值，而电流由于断线突变为无流，定位较易；当配电线路发生单相断线故障后，线路中无明显过电流，故障无法立即切除，故障识别和区段定位难度较大；若单相断线后某侧接地点长时间存在，则可能导致过电压、人身伤亡、电机损坏等危害，在山区甚至可能会导致森林火灾此类严重事故，而且在单相断线故障发生后，通常伴随着接地故障的发生，威胁配电网安全。

在配电网单相断线故障检测方面，有研究学者提出基于零序电流、相电流或单一负序电流的故障定位方法，其本质是依据断线故障发生后的电流量变化进行故障识别和定位，但是该方法在线路轻载或者空载时无效，且受系统正常运行时的不平衡、横向故障影响，实际应用中局限性较大；随着配电自动化系统建设的持续推进，也有研究学者提出基于零序电压的故障判定方法，即根据故障后电源侧和负荷侧的电压幅值差判定故障，但是由于传输的是电气量，通信量较大；因此，目前还缺少一种能够主动匹配配电网单相断线特征的故障定位方法。

单相断线故障后负序电流变化量略大于正序和零序电流变化量，但在系统空载或者轻载时，基于负序电流的断线故障定位方法由于电气量本身很小且特征变化不明显，灵敏度低，不适用单相断线故障定位；同时基于零序电压相位的断线故障定位方法对通信条件要求苛刻，在一些欠发达地区难以实施。

发明内容

本发明提出的是一种自适应配电网单相断线故障定位方法，其目的旨在提供一种能够匹配配电网单相断线特征的故障定位方法。

本发明的技术解决方案：一种自适应配电网单相断线故障定位方法，该方法包括：

1、馈线终端采集当前时刻采样点电气量特征值，以线路负载均衡时的采样点电气量特征值为基准，计算当前负载情况，并保存当前时间段内负载率；

2、在特定时间段内进行采样点电气量特征值比对，判断是否启动断线故障检测功能；

3、根据当前时间段内负载率判断当前线路负荷所处状态，并根据当前线路负荷所处状态分别采用相应方法进行定位断线故障区段的判定。

进一步地，所述电气量特征值包括电压特征值和电流特征值。

进一步地，所述馈线终端采集当前时刻采样点电气量特征值，以线路负载均衡时的采样点电气量特征值为基准，计算当前负载情况，并保存当前时间段内负载率，具体包括：每隔一个时间段采集一个交流电信号周期内的采样点电气量特征值，依据该交流电信号周期内的采样点电气量特征值计算当前时间段内负载情况，并保存当前时间段内负载率，具体如下式(1)：

式中：η表示当前时间段内负载率；(u_k,i_k)表示当前时间段一个交流电信号周期内的采样点电气量特征值；(u₀,i₀)表示负载均衡时的一个交流电信号周期内的采样点电气量特征值；(U₀,I₀)表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电气量特征值；u_k表示当前时间段一个交流电信号周期内的电压特征值，i_k表示当前时间段一个交流电信号周期内的电流特征值，u₀表示负载均衡时的一个交流电信号周期内的电压特征值，i₀表示负载均衡时的一个交流电信号周期内的电流特征值，U₀表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电压特征值，I₀表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电流特征值，N表示一个交流电信号周期内的采样点的数量。

进一步地，所述在特定时间段内进行采样点电气量特征值比对，判断是否启动断线故障检测功能，具体包括：根据断相前后的电压特征值和电流特征值比对得出对比量，若对比量大于预设的阈值u_set，则启动断线故障检测功能：

其中，κ表示对比量；(U_k,I_k)表示断相后的一个交流电信号周期内的电气量特征值，U_k表示断相后的一个交流电信号周期内的电压特征值，I_k表示断相后的一个交流电信号周期内的电流特征值；(U₀,I₀)表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电气量特征值，U₀表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电压特征值，I₀表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电流特征值；N表示一个交流电信号周期内的采样点的数量,优选采样频率为8KHz，每隔125us采样一次。

进一步地，所述根据当前时间段内负载率判断当前线路负荷所处状态，并根据当前线路负荷所处状态分别采用相应方法进行定位断线故障的判定，具体包括：

(1)若当前时间段内负载率小于0时，则判定当前线路情况为轻载或空载，此时若线路发生断线故障，则采用基于负荷侧负序阻抗相角的方式定位断线故障区段；

(2)若当前时间段内负载率大于或等于0时，则判定当前线路负荷处于正常或重载情况，此时若线路发生断线故障，则采用计算两相相电流相关系数定位断线故障区段。

进一步地，所述基于负荷侧负序阻抗相角的方式定位断线故障区段，具体包括：

若线路处于轻载或空载状态，配电网单相断线故障发生时，健全线路部分的负序电压和负序电流的相位差等于从测量点看向负荷侧的等效负序阻抗的相角，当不满足cos(arg(Z_n))>0时，即可判定相应测量点之间为断线故障区段；Z_n为等效负序阻抗，arg(Z_n)为等效负序阻抗相角。

进一步地，所述采用计算两相相电流相关系数定位断线故障区段，优选采用计算故障相两两相邻测量点的正序电流分量的相关系数定位断线故障区段，具体包括：

式中，ρ表示相关系数；N表示一个交流电信号周期内的采样点的数量；表示两个相邻测量点的正序电流分量，x表示测量点标号。

进一步地，若相关系数ρ<0，则两个相邻测量点之间故障，定位两个相邻测量点之间为断线故障区段。

本发明的有益效果：

1)本发明提出基于线路负载率的自适应单相断线故障定位方法，结合负序电气量信息和正序电流分量信息，依据负载率情况主动匹配不同定位算法；解决了现有基于电流变化量的定位方法不能适用于线路轻载或空载情况和现有基于电压变化量的故障定位方法对通信要求高的难题；

2)本发明提出的配电网断线故障定位方法原理简单，不受配电网拓扑影响，适用范围广，实用性强，尤其是在当前分布式电源大量接入的配电网中，优势更加明显；

3)为配电网断线故障检测难题提供了解决思路，在接地故障发生前即判断出断线故障，对提高故障定位精度和增加故障处理效率提供了有力的支撑，提升了配电自动化水平。

附图说明

附图1是本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

一种自适应配电网单相断线故障定位方法，该方法包括：

1、馈线终端采集当前时刻电压特征值和电流特征值，以线路负载均衡时的电压特征值和电流特征值为基准，计算当前负载情况，并保存当前时间段内负载率；

2、在特定时间段内进行电压特征值和电流特征值比对，判断是否启动断线故障检测功能；

3、根据当前时间段内负载率判断当前线路负荷所处状态，并根据当前线路负荷所处状态分别采用相应方法进行定位断线故障区段的判定。

所述馈线终端采集当前时刻电压特征值和电流特征值，以线路负载均衡时的电压特征值和电流特征值为基准，计算当前负载情况，并保存当前时间段内负载率，具体包括：每隔一个时间段采集一个交流电信号周期内的电压特征值和电流特征值，并将该时间段定义为当前时间段，依据该交流电信号周期内的电压特征值和电流特征值计算当前时间段内负载情况，并保存当前时间段内负载率，具体如下式(1)：

式中：η表示当前时间段内负载率；(u_k,i_k)表示当前时间段一个交流电信号周期内的采样点电气量特征值；(u₀,i₀)表示负载均衡时的一个交流电信号周期内的采样点电气量特征值；(U₀,I₀)表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电气量特征值；u_k表示当前时间段一个交流电信号周期内的电压特征值，i_k表示当前时间段一个交流电信号周期内的电流特征值，u₀表示负载均衡时的一个交流电信号周期内的电压特征值，i₀表示负载均衡时的一个交流电信号周期内的电流特征值，U₀表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电压特征值，I₀表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电流特征值，N表示一个交流电信号周期内的采样点的数量；所述电气量特征值包括电压特征值和电流特征值。

所述在特定时间段内进行采样点电气量特征值比对，判断是否启动断线故障检测功能，具体包括：根据断相前后的电压特征值和电流特征值比对得出对比量，若对比量大于预设的阈值u_set，则启动断线故障检测功能：

其中，κ表示对比量；(U_k,I_k)表示断相后的一个交流电信号周期内的电气量特征值，U_k表示断相后的一个交流电信号周期内的电压特征值，I_k表示断相后的一个交流电信号周期内的电流特征值；(U₀,I₀)表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电气量特征值，U₀表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电压特征值，I₀表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电流特征值；N表示一个交流电信号周期内的采样点的数量,优选采样频率为8KHz，每隔125us采样一次。

所述根据当前时间段内负载率判断当前线路负荷所处状态，并根据当前线路负荷所处状态分别采用相应方法进行定位断线故障的判定，具体包括：

(1)若当前时间段内负载率小于0时，则判定当前线路情况为轻载或空载，此时若线路发生断线故障，则采用基于负荷侧负序阻抗相角的方式定位断线故障区段；

(2)若当前时间段内负载率大于或等于0时，则判定当前线路负荷处于正常或重载情况，此时若线路发生断线故障，则采用计算两相相电流相关系数定位断线故障区段。

所述基于负荷侧负序阻抗相角的方式定位断线故障区段，具体包括：若线路处于轻载或空载状态，配电网单相断线故障发生时，健全线路部分的负序电压和负序电流的相位差等于从测量点看向负荷侧的等效负序阻抗的相角，当不满足cos(arg(Z_n))>0时，即可判定相应测量点之间为断线故障区段；Z_n为等效负序阻抗，arg(Z_n)为等效负序阻抗相角；在一条配电网架空线路做保护时，会用若干个馈线终端把一条架空线路分成若干段，每个馈线终端所处位置被称为测量点，采样点表示馈线终端在一个交流电信号周期内的采样数据点。

所述采用计算两相相电流相关系数定位断线故障区段，优选采用计算故障相两两相邻测量点的正序电流分量的相关系数定位断线故障区段，具体包括：

式中，ρ表示相关系数；N表示一个交流电信号周期内的采样点的数量；表示两个相邻测量点的正序电流分量，x表示测量点标号。

若相关系数ρ<0，则两个相邻测量点之间故障，定位两个相邻测量点之间为断线故障区段。

本发明提出的是一种能主动匹配配电网断线特征的故障定位方法，实时监测配电网运行时的负载情况，当发生单相断线故障后，依据故障前的配电线路负载情况，自适应选择不同断线故障定位方法；当负载率较低时，计算负荷侧的等效负序阻抗的相角，定位断线故障区段；当负载率较高时，计算两相邻测量点之间的正序电流分量的相关系数定位断线故障；本申请从断线故障定位技术出发，结合配电网实际线路情况，提出结合负序电气量和正序电流分量技术的自适应配电网断线故障定位方法；本发明在应用中，能够有效的根据故障前线路负载情况自适应选择单相断线故障定位算法，进而在接地故障发生前完成断线故障处理，从而减少配电网接地故障的发生，提高了配电网故障处理效率，提高了供电可靠性。

实施例1

一种自适应配电网单相断线故障定位方法，该方法包括：

馈线终端采集当前时刻电压特征值和电流特征值，以线路负载均衡时的电压特征值和电流特征值为基准，计算当前负载情况，并保存当前时刻负载率：

η表示当前时间段内负载率；(u_k,i_k)表示当前时间段一个交流电信号周期内的电气量采样点特征值；(u₀,i₀)表示负载均衡时的一个交流电信号周期内的电气量采样点特征值；(U₀,I₀)表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电气量特征值；u_k表示当前时间段一个交流电信号周期内的电压特征值，i_k表示当前时间段一个交流电信号周期内的电流特征值，u₀表示负载均衡时的一个交流电信号周期内的电压特征值，i₀表示负载均衡时的一个交流电信号周期内的电流特征值，U₀表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电压特征值，I₀表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电流特征值，N表示一个交流电信号周期内的采样点的数量；

(1)当η<0时，说明当前线路情况为轻载或空载，此时若线路发生断线故障，则采用基于负荷侧负序阻抗相角的方式定位断线故障区段；

(2)当η≥0时，说明当前线路负荷处于正常或重载情况，此时若线路发生断线故障，则采用计算两相相电流相关系数定位断线故障区段；

根据断相前后的电压特征值和电流特征值比对，若对比量大于预设的阈值u_set，则启动断线故障检测功能：

其中，κ表示对比量；(U_k,I_k)表示断相后的一个交流电信号周期内的电气量特征值，U_k表示断相后的一个交流电信号周期内的电压特征值，I_k表示断相后的一个交流电信号周期内的电流特征值；(U₀,I₀)表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电气量特征值，U₀表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电压特征值，I₀表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电流特征值；N表示一个交流电信号周期内的采样点的数量,采样频率为8KHz，每隔125us采样一次；

若线路处于轻载或空载状态，配电网单相断线故障发生时，健全线路部分的负序电压和负序电流的相位差等于从测量点看向负荷侧的等效负序阻抗的相角，此时负载较小而无功补偿设备不具备自动控制能力时系统可能过补偿，此时等效阻抗可能会呈现容性，但无论补偿度如何变化，健全部分等效负序阻抗相角在第1、4象限中；即：

cos(arg(Z_n))>0 (4)；

所以，当公式(4)不成立时，即可定位断线故障；

若当前线路负荷处于正常或重载情况，配电网单相断线故障发生时，则采用计算故障相两两相邻测量点的正序电流分量的相关系数定位断线故障区段，具体包括：

式中，ρ表示相关系数；N表示一个交流电信号周期内的采样点的数量；表示两个相邻测量点的正序电流分量，x表示测量点标号。

若相关系数ρ<0，则两个相邻测量点之间故障，定位两个相邻测量点之间为断线故障区段。

Claims (4)

1.一种自适应配电网单相断线故障定位方法，其特征是包括：

1)、馈线终端每隔一个时间段采集一个交流电信号周期内的采样点电气量特征值，以线路负载均衡时的采样点电气量特征值为基准，依据该交流电信号周期内的采样点电气量特征值计算当前时间段内负载情况，并保存当前时间段内负载率，具体如下式(1)：

式中：η表示当前时间段内负载率；(u_k,i_k)表示当前时间段一个交流电信号周期内的采样点电气量特征值；(u₀,i₀)表示负载均衡时的一个交流电信号周期内的采样点电气量特征值；(U₀,I₀)表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电气量特征值；u_k表示当前时间段一个交流电信号周期内的电压特征值，i_k表示当前时间段一个交流电信号周期内的电流特征值，u₀表示负载均衡时的一个交流电信号周期内的电压特征值，i₀表示负载均衡时的一个交流电信号周期内的电流特征值，U₀表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电压特征值，I₀表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电流特征值，N表示一个交流电信号周期内的采样点的数量；

2)、在特定时间段内进行采样点电气量特征值比对，判断是否启动断线故障检测功能；

3)、根据当前时间段内负载率判断当前线路负荷所处状态，并根据当前线路负荷所处状态分别采用相应方法进行定位断线故障区段的判定；

所述在特定时间段内进行采样点电气量特征值比对，判断是否启动断线故障检测功能，具体包括：根据断相前后的电压特征值和电流特征值比对得出对比量，若对比量大于预设的阈值u_set，则启动断线故障检测功能：

其中，κ表示对比量；(U_k,I_k)表示断相后的一个交流电信号周期内的电气量特征值，U_k表示断相后的一个交流电信号周期内的电压特征值，I_k表示断相后的一个交流电信号周期内的电流特征值；(U₀,I₀)表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电气量特征值，U₀表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电压特征值，I₀表示负载均衡时正常线路中一个交流电信号周期内的电流特征值；N表示一个交流电信号周期内的采样点的数量；

所述根据当前时间段内负载率判断当前线路负荷所处状态，并根据当前线路负荷所处状态分别采用相应方法进行定位断线故障的判定，具体包括：

(1)若当前时间段内负载率小于0时，则判定当前线路情况为轻载或空载，此时若线路发生断线故障，则采用基于负荷侧负序阻抗相角的方式定位断线故障区段；

(2)若当前时间段内负载率大于或等于0时，则判定当前线路负荷处于正常或重载情况，此时若线路发生断线故障，则采用计算两相相电流相关系数定位断线故障区段。

2.根据权利要求1所述的一种自适应配电网单相断线故障定位方法，其特征是所述基于负荷侧负序阻抗相角的方式定位断线故障区段，具体包括：

若线路处于轻载或空载状态，配电网单相断线故障发生时，健全线路部分的负序电压和负序电流的相位差等于从测量点看向负荷侧的等效负序阻抗的相角，当不满足cos(arg(Z_n))＞0时，即可判定相应测量点之间为断线故障区段；Z_n为等效负序阻抗，arg(Z_n)为等效负序阻抗相角。

3.根据权利要求1所述的一种自适应配电网单相断线故障定位方法，其特征是所述采用计算两相相电流相关系数定位断线故障区段具体为采用计算故障相两两相邻测量点的正序电流分量的相关系数定位断线故障区段，具体包括：

式中，ρ表示相关系数；N表示一个交流电信号周期内的采样点的数量；表示两个相邻测量点的正序电流分量，x表示测量点标号。

4.根据权利要求3所述的一种自适应配电网单相断线故障定位方法，其特征是若相关系数ρ＜0，则两个相邻测量点之间故障，定位两个相邻测量点之间为断线故障区段。