CN116482488A - 一种基于容性暂态的配电网接地故障测距方法及系统 - Google Patents

一种基于容性暂态的配电网接地故障测距方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力系统继电保护技术领域，提供了一种基于容性暂态的配电网接地故障测距方法及系统，包括确定配电网线路参数、故障距离和故障电阻的初值；控制晶闸管短时导通使母线补偿电容器中性点短时接地产生暂态信号，获取故障馈线始端的暂态信号；计算获得暂态信号的各次谐波分量；根据线路参数、故障距离和故障电阻的初值，选取暂态信号各谐波分量中幅值强度最大的三个频率成分，基于所选取的三个频率成分求解测距方程，完成配电网的故障测距。本发明用于单相接地故障测距，在故障馈线端口处通过对暂态电压信号和暂态电流信号的检测与分析，准确计算故障点的距离。

Description

一种基于容性暂态的配电网接地故障测距方法及系统
技术领域
本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种基于容性暂态的配电网接地故障测距方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
电力系统的安全稳定运行对整个国民经济发展起到越来越显著的作用。据相关资料统计，用户负荷在生产生活中遭遇的停电事故中约95%是由于配电网出现问题导致的，其中最常见的是配电网的单相接地故障，因此寻找一个能够精确定位故障点的技术对于保证整个电力系统特别是配电网的安全经济运行有着十分重要的意义。
据发明人了解，目前配电线路故障测距的方法主要有阻抗法、行波法、信号注入法和人工智能算法等；其中，行波装置成本较高，在采集故障信号时可能出现盲区，在配电网中实用化存在困难；信号注入法注入的信号易受到互感器容量的限制；人工智能算法受限于训练样本；而阻抗法原理简单，抗干扰性好并且成本较低，在实际配电线路故障测距中得到了广泛的应用。单端阻抗法进行测距时，由于故障电流未知，可以利用零序电流模拟故障电流，但会带来相位上的误差，或者利用负序电流来模拟故障电流，但是受到故障点后负荷分流的影响;利用迭代算法对故障点后电流进行逼近，但会出现伪故障点。并且单端阻抗法测距受到故障电阻的影响，测距准确度不高。双端阻抗法测距准确度较高，不受故障电阻的影响，但是仍受到线路参数的自然变化等因素的影响使测距不准确。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于容性暂态的配电网接地故障测距方法及系统，用于单相接地故障测距。将中压母线的补偿电容器的中性点经晶闸管和限流电抗接地，当配网正常运行时晶闸管处于开断状态，当配网馈线发生单相接地故障时，通过控制晶闸管短时导通使母线补偿电容器中性点短时接地产生暂态信号，在故障馈线端口处通过对暂态电压信号和暂态电流信号的检测与分析，准确计算故障点的距离。
根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种基于容性暂态的配电网接地故障测距方法，采用如下技术方案：
一种基于容性暂态的配电网接地故障测距方法，包括：
确定配电网线路参数、故障距离和故障电阻的初值；
控制晶闸管短时导通使母线补偿电容器中性点短时接地产生暂态信号，获取故障馈线始端的暂态信号；
计算获得暂态信号的各次谐波分量；
根据线路参数、故障距离和故障电阻的初值，选取暂态信号各谐波分量中幅值强度最大的若干个频率成分，基于所选取的若干个频率成分求解测距方程，完成配电网的故障测距。
作为进一步的技术限定，将中压母线的补偿电容器的中性点经晶闸管和限流电抗接地，当配网正常运行时晶闸管处于开断状态，当配网馈线发生单相接地故障时，通过控制晶闸管短时导通使补偿电容器中性点短时接地产生暂态电压信号和暂态电流信号，在故障馈线端口处通过对获得的暂态电压信号和暂态电流信号的检测与分析计算故障点的距离。
需要说明的是，限流电抗起到限制涌流，保护晶闸管的作用。
作为进一步的技术限定，当系统发生单相接地故障后并过渡到故障稳态时，在晶闸管电压过零点之前给晶闸管一触发信号，控制晶闸管导通，在电流过零点时晶闸管自然关断，等效于将补偿电容器短时接地产生暂态电压信号和暂态电流信号。
作为进一步的技术限定，所获取的配电网线路参数初值包括线路单位长度的正序电阻和电感，以及线路单位长度的零序电阻和电感。
作为进一步的技术限定，所获取的故障馈线端口处故障相的暂态信号中的暂态电压信号方程为；其中，/>；；/>；由/>可得/>；U a为故障馈线始端故障相暂态电压信号；U表示测量点到故障点阻抗上的暂态电压信号；U f表示故障电阻上的暂态电压信号；x为故障距离；Z为线路单位长度阻抗；Z1、Z2和Z0分别为线路单位长度正序阻抗、负序阻抗和零序阻抗；I为故障馈线始端暂态电流信号，I 1、I 2和I 0分别为其正序分量、负序分量和零序分量；I f为故障电阻上的暂态电流信号；R f为故障电阻；d为线路全长。
进一步的，将代入暂态电压信号方程/>，考虑暂态信号的谐波分量，即得测距方程/>；其中，上标k表示暂态信号中幅值强度最大的三个谐波成分的谐波次数；U a k为故障馈线始端故障相暂态电压信号的k次谐波分量；I k为故障馈线始端暂态电流信号的k次谐波分量；I 0 k为故障馈线始端零序暂态电流信号的k次谐波分量。
进一步的，对暂态信号进行快速傅里叶变换得到暂态信号的各次谐波分量，将暂态信号谐波分量中幅值强度最大的三个谐波分量代入测距方程，即得测距方程组，根据所得到的测距方程组、约束条件及初值求解故障距离，其中，上标k 1、k 2和k 3分别表示暂态信号谐波分量中幅值强度最大、第二大和第三大的谐波成分的谐波次数；/>、/>和/>分别为故障馈线始端故障相暂态电压信号各谐波分量中幅值强度最大谐波成分、第二大谐波成分和第三大谐波成分；/>、/>和分别为故障馈线始端暂态电流信号各谐波分量中幅值强度最大谐波成分、第二大谐波成分和第三大谐波成分；/>、/>和/>分别为故障馈线始端零序暂态电流信号各谐波分量中幅值强度最大谐波成分、第二大谐波成分和第三大谐波成分。
根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种基于容性暂态的配电网接地故障测距系统，采用如下技术方案：
一种基于容性暂态的配电网接地故障测距系统，包括：
获取模块，其被配置为确定配电网线路参数、故障距离和故障电阻的初值；控制晶闸管短时导通使母线补偿电容器中性点短时接地产生暂态信号，获取故障馈线始端的暂态信号；计算获得暂态信号的各次谐波分量；
测距模块，其被配置为根据线路参数、故障距离和故障电阻的初值，选取暂态信号各谐波分量中幅值强度最大的若干个频率成分，基于所选取的若干个频率成分求解测距方程，完成配电网的故障测距。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明将中压母线的补偿电容器的中性点经晶闸管和限流电抗接地，当配网正常运行时晶闸管处于开断状态，当配网馈线发生单相接地故障时，通过控制晶闸管短时导通使母线补偿电容器中性点短时接地产生暂态电压信号和暂态电流信号，在故障馈线端口处通过对暂态电压信号和暂态电流信号的检测与分析计算故障点的距离；采用了创造性的暂态信号的产生方式，充分利用了暂态信号频率成分丰富的特点进行故障测距。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本发明实施例一中的基于容性暂态的配电网接地故障测距方法的流程图；
图2为本发明实施例一中的基于容性暂态的配电网接地故障测距方法的具体过程示意图；
图3为本发明实施例一中的基于容性暂态的配电网接地故障测距方法的实施图；
图4为本发明实施例一中的故障相的结构示意图的实施图；
图5是本发明实施例二中的基于容性暂态的配电网接地故障测距系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本发明实施例一介绍了一种基于容性暂态的配电网接地故障测距方法。
如图1所示的一种基于容性暂态的配电网接地故障测距方法，包括：
确定配电网线路参数、故障距离和故障电阻的初值；
控制晶闸管短时导通使母线补偿电容器中性点短时接地产生暂态信号，获取故障馈线始端的暂态信号；
计算获得暂态信号的各次谐波分量；
根据线路参数、故障距离和故障电阻的初值，选取暂态信号各谐波分量中幅值强度最大的三个频率成分，基于所选取的三个频率成分求解测距方程，完成配电网的故障测距。
本实施例针对中压配网提出一种单相接地故障测距方法，实施方案如图3所示，将中压母线的补偿电容器的中性点经晶闸管和限流电抗接地；配网正常运行时晶闸管处于开断状态。当配网馈线发生单相接地故障时，通过控制晶闸管短时导通使补偿电容器中性点短时接地产生暂态电压信号和暂态电流信号（当配电网发生单相接地故障且已过渡到故障稳态时，给晶闸管一触发信号使晶闸管短时导通，等效于将补偿电容器中性点短时接地，从而产生一暂态电压信号和暂态电流信号），在故障馈线端口处通过对电压和电流信号的检测与分析计算故障点的距离。
本实施例所提供的故障测距方法的具体流程如图2所示：
（1）确定配电网线路参数、故障距离和故障电阻的初值；
（2）利用晶闸管控制母线补偿电容器中性点短时接地产生暂态信号，获取故障馈线始端的暂态信号；
（3）计算获得暂态信号的各次谐波分量；
（4）选取各谐波分量中幅值强度最大的三个谐波成分代入测距方程，得到测距方程组；
（5）求解测距方程组，得到故障距离。
作为一种或多种实施方式，选择迭代初值，具体的，线路单位长度正序阻抗和零序阻抗的初值Z 1(0)=R 1(0)+jωL 1(0)和Z 0(0)=R 0(0)+jωL 0(0)取为线路出厂参数：
R 1(0)=r 1
L 1(0)=l 1
R 0(0)=r 0
L 0(0)=l 0
其中，r 1 ，l 1分别为线路单位长度的正序电阻和电感出厂值；r 0 ，l 0分别为线路单位长度的零序电阻和电感出厂值；R 1(0)，L 1(0)分别为线路单位长度正序电阻和电感初值；R 0(0)，L 0(0)分别为线路单位长度正序电阻和电感初值；ω为基波角频率。
在本实施例中，取故障距离x的初值x(0)为线路全长d的一半，即x(0)=d/2；
取故障电阻R f的初值R f(0)=500Ω。
作为一种或多种实施方式，将Z 1(0)、Z 0(0)、x(0)和R f(0)代入式(1)，结合约束条件式(2)求解故障距离x，即
（1）
（2）
在本实施例中，以线路单位长度正序电阻R 1、电感初值L 1和线路单位长度零序电阻R 0、电感初值L 0为线路参数出厂值的±5%作为约束条件。
在得到公式（1）的过程中，结合图4，所获取的故障馈线端口处故障相的暂态信号中的暂态电压信号方程为；其中，；/>；；由/>可得/>；U a为故障馈线始端故障相暂态电压信号；U表示测量点到故障点阻抗上的暂态电压信号；U f表示故障电阻上的暂态电压信号；x为故障距离；Z为线路单位长度阻抗；Z1、Z2和Z0分别为线路单位长度正序阻抗、负序阻抗和零序阻抗；I为故障馈线始端暂态电流信号，I 1、I 2和I 0分别为其正序分量、负序分量和零序分量；I f为故障电阻上的暂态电流信号；R f为故障电阻；d为线路全长；ZL为等效负载阻抗;I L为等效负载阻抗上的暂态电流信号。
作为一种或多种实施方式，将代入暂态电压信号方程/>，考虑暂态信号的谐波分量，即得测距方程/>；其中，上标k表示暂态信号中幅值强度最大的三个谐波成分的谐波次数；U a k为故障馈线始端故障相暂态电压信号的k次谐波分量；I k为故障馈线始端暂态电流信号的k次谐波分量；I 0 k为故障馈线始端零序暂态电流信号的k次谐波分量。
作为一种或多种实施方式，本实施例对暂态信号进行快速傅里叶变换得到暂态信号的各次谐波分量，将暂态信号谐波分量中幅值强度最大的三个谐波分量代入测距方程，即得测距方程组，根据所得到的测距方程组、约束条件及初值求解故障距离，其中，上标k 1、k 2和k 3分别表示暂态信号谐波分量中幅值强度最大谐波成分、第二大谐波成分和第三大谐波成分的谐波次数；/>、/>和/>分别为故障馈线始端故障相暂态电压信号各谐波分量中幅值强度最大谐波成分、第二大谐波成分和第三大谐波成分；/>、/>和/>分别为故障馈线始端暂态电流信号各谐波分量中幅值强度最大谐波成分、第二大谐波成分和第三大谐波成分；/>、/>和/>分别为故障馈线始端零序暂态电流信号各谐波分量中幅值强度最大谐波成分、第二大谐波成分和第三大谐波成分。
本实施例将中压母线的补偿电容器的中性点经晶闸管和限流电抗接地，当配网正常运行时晶闸管处于开断状态，当配网馈线发生单相接地故障时，通过控制晶闸管短时导通使补偿电容器中性点短时接地产生暂态电压信号和暂态电流信号，在故障馈线端口处通过对暂态电压信号和暂态电流信号的检测与分析计算故障点的距离。
实施例二
本发明实施例二介绍了一种基于容性暂态的配电网接地故障测距系统。
如图5所示的一种基于容性暂态的配电网接地故障测距系统，包括：
获取模块，其被配置为确定配电网线路参数、故障距离和故障电阻的初值；控制晶闸管短时导通使母线补偿电容器中性点短时接地产生暂态信号，获取故障馈线始端的暂态信号；计算获得暂态信号的各次谐波分量；
测距模块，其被配置为根据线路参数、故障距离和故障电阻的初值，选取暂态信号各谐波分量中幅值强度最大的三个频率成分，基于所选取的三个频率成分求解测距方程，完成配电网的故障测距。
详细步骤与实施例一提供的基于容性暂态的配电网接地故障测距方法相同，在此不再赘述。

Claims (8)

1.一种基于容性暂态的配电网接地故障测距方法，其特征在于，包括：
确定配电网线路参数、故障距离和故障电阻的初值；
控制晶闸管短时导通使母线补偿电容器中性点短时接地产生暂态信号，获取故障馈线始端的暂态信号；
计算获得暂态信号的各次谐波分量；
根据线路参数、故障距离和故障电阻的初值，选取暂态信号各谐波分量中幅值强度最大的若干个频率成分，基于所选取的若干个频率成分求解测距方程，完成配电网的故障测距。
2.如权利要求1中所述的一种基于容性暂态的配电网接地故障测距方法，其特征在于，所获取的配电网线路参数初值包括线路单位长度的正序电阻和电感，以及线路单位长度的零序电阻和电感。
3.如权利要求1中所述的一种基于容性暂态的配电网接地故障测距方法，其特征在于，当系统发生单相接地故障后并过渡到故障稳态时，在晶闸管电压过零点之前给晶闸管一触发信号，控制晶闸管导通，在电流过零点时晶闸管自然关断，等效于将补偿电容器短时接地产生暂态电压信号和暂态电流信号。
4.如权利要求3中所述的一种基于容性暂态的配电网接地故障测距方法，其特征在于，所获取的故障馈线端口处故障相的暂态信号中的暂态电压信号方程为；其中，/>；/>；；由/>可得/>；U a为故障馈线始端故障相暂态电压信号；U表示测量点到故障点阻抗上的暂态电压信号；U f表示故障电阻上的暂态电压信号；x为故障距离；Z为线路单位长度阻抗；Z1、Z2和Z0分别为线路单位长度正序阻抗、负序阻抗和零序阻抗；I为故障馈线始端暂态电流信号，I 1、I 2和I 0分别为其正序分量、负序分量和零序分量；I f为故障电阻上的暂态电流信号；R f为故障电阻；d为线路全长。
5.如权利要求4中所述的一种基于容性暂态的配电网接地故障测距方法，其特征在于，将代入暂态电压信号方程/>，考虑暂态信号的谐波分量，即得测距方程/>；其中，上标k表示暂态信号中幅值强度最大的三个谐波成分的谐波次数；U a k为故障馈线始端故障相暂态电压信号的k次谐波分量；I k为故障馈线始端暂态电流信号的k次谐波分量；I 0 k为故障馈线始端零序暂态电流信号的k次谐波分量。
6.如权利要求5中所述的一种基于容性暂态的配电网接地故障测距方法，其特征在于，对暂态信号进行快速傅里叶变换得到暂态信号的各次谐波分量，将暂态信号谐波分量中幅值强度最大的三个谐波分量代入测距方程，即得测距方程组，根据所得到的测距方程组、约束条件及初值求解故障距离，其中，上标k 1、k 2和k 3分别表示暂态信号谐波分量中幅值强度最大、第二大和第三大的谐波成分的谐波次数；/>、/>和/>分别为故障馈线始端故障相暂态电压信号各谐波分量中幅值强度最大谐波成分、第二大谐波成分和第三大谐波成分；/>、/>和分别为故障馈线始端暂态电流信号各谐波分量中幅值强度最大谐波成分、第二大谐波成分和第三大谐波成分；/>、/>和/>分别为故障馈线始端零序暂态电流信号各谐波分量中幅值强度最大谐波成分、第二大谐波成分和第三大谐波成分。
7.如权利要求1中所述的一种基于容性暂态的配电网接地故障测距方法，其特征在于，将中压母线的补偿电容器的中性点经晶闸管和限流电抗接地，当配网正常运行时晶闸管处于开断状态，当配网馈线发生单相接地故障时，通过控制晶闸管短时导通使补偿电容器中性点短时接地产生暂态电压信号和暂态电流信号，在故障馈线端口处通过对获得的暂态电压信号和暂态电流信号的检测与分析计算故障点的距离。
8.一种基于容性暂态的配电网接地故障测距系统，其特征在于，包括：
获取模块，其被配置为确定配电网线路参数、故障距离和故障电阻初值；控制晶闸管短时导通使母线补偿电容器中性点短时接地产生暂态信号，获取故障馈线始端的暂态信号；计算获得暂态信号的各次谐波分量；
测距模块，其被配置为根据线路参数、故障距离和故障电阻初值，选取暂态信号各谐波分量中幅值强度最大的若干个频率成分，基于所选取的若干个频率成分求解测距方程，完成配电网的故障测距。
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