CN116699314A - 一种基于扰动波形的电缆早期故障定位方法 - Google Patents

一种基于扰动波形的电缆早期故障定位方法 Download PDF

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吕玟玉
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Abstract

本发明公开了一种基于扰动波形的电缆早期故障定位方法，属于电缆故障定位技术领域，包括以下步骤：采集配电网的双端扰动波形，并根据对称分量法建立配电网的零序故障等效回路；根据等效回路计算流入线路的零序电流；利用双端扰动波形数据分别计算故障点电压；根据零序电流与故障点电压，计算得到电缆早期故障距离，完成电缆早期故障定位。本发明解决了电缆早期故障定位模型需考虑电弧模型，同时受负荷水平影响大的问题。

Description

一种基于扰动波形的电缆早期故障定位方法
技术领域
本发明属于电缆故障定位技术领域，具体涉及一种基于扰动波形的电缆早期故障定位方法。
背景技术
目前对于电缆早期故障定位的研究主要采用单端测量的波形，并对电缆早期故障的电路特性做出一定假设，如将电缆早期故障等效为恒定电阻模型、二极管模型、直流电压源模型或方波模型，而在实际情况中难以确定采用何种模型更接近实际的工况。同时配电网中的负荷投切具有随机性，负荷水平易变化。
发明内容
本发明提供了一种基于扰动波形的电缆早期故障定位方法，解决了电缆早期故障定位模型需考虑电弧模型，同时受负荷水平影响大的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于扰动波形的电缆早期故障定位方法，包括以下步骤：
S1、采集配电网的双端扰动波形，并根据对称分量法建立配电网的零序故障等效回路；
S2、根据等效回路计算流入线路的零序电流；
S3、利用双端扰动波形数据分别计算故障点电压；
S4、根据零序电流与故障点电压，计算得到电缆早期故障距离，完成电缆早期故障定位。
本发明的有益效果是：本发明采用了双端扰动波形进行早期故障定位，根据对称分量法建立配电网的零序故障等效回路，受变压器的联结方式影响，零序分量无法流入负荷侧，故负荷分支等效于断开，即本方法不受负荷水平变化的影响，提高了定位的准确性。并且现有故障定位方法大多针对永久性故障，本发明提出的早期故障定位方法，针对配网线路在发生永久性故障前可能发生的瞬时电弧故障，能够提前对永久故障的发生进行预测，并采取相应措施降低故障带来的危害。
进一步地，所述步骤S1具体步骤为：
S11、略去各负荷支路，将变压器的阻抗与电源内阻抗共同构成系统阻抗；
S12、采集配电网的双端扰动波形，选择变电站为站端测点，选择短路故障处一端为末端测点；
S13、利用站端测点测量首端零序电压与首端零序电流，利用末端测点测量末端零序电压与末端零序电流，完成配电网的零序故障等效回路的建立。
上述进一步方案的有益效果为：本发明采集配电网的双端扰动波形，选择两个测试点采集相应的电压与电流，建立配电网的零序故障等效回路。因此本发明无需构建早期故障模型，避免了传统方法中早期故障模型建立不准确而给定位结果带来较大误差的缺点，提高了早期故障的定位准确性。
进一步地，所述步骤S2计算流入线路的零序电流的公式为：
其中，i′s0(t)和i′r0(t)分别为第t时刻零序回路中由始、末端除去对地电容电流以后的电流，vs0(t)表示第t时刻的首端零序电压，is0(t)表示第t时刻的首端零序电流，x表示故障点距变电站的距离，C0表示对地电容，D表示故障电缆的总长度，vr0(t)表示第t时刻的末端零序电压，ir0(t)表示第t时刻的末端零序电流，dvs0(t)表示第t时刻的始端零序电压导数，dvr0(t)表示第t时刻的末端零序电压导数，dt表示时间增量。
上述进一步方案的有益效果为：本发明根据基尔霍夫电流定律计算流入线路的零序电流，该方法不受负荷支路影响，避免了传统方法中需要忽略或计算负荷参数而带来的不准确性问题，进一步提高了早期故障定位的准确性。
进一步地，所述步骤S3中计算故障点电压的公式为：
其中，vf0(t)为根据左边等效回路表示第t时刻的故障点的负序电压，vf0'(t)表为根据右边等效回路表示第t时刻的故障点的负序电压，vs0(t)表示第t时刻的首端零序电压，x表示故障点距变电站的距离，R0表示单位长度的线路电阻，i′s0(t)和i′r0(t)分别为第t时刻零序回路中由始、末端除去对地电容电流以后的电流，L0表示电阻电感，D表示故障电缆的总长度，vr0(t)表示第t时刻的末端零序电压，di′s0(t)表示第t时刻零序回路中由始端除去对地电容电流以后的电流导数，di'r0(t)表示第t时刻零序回路中由末端除去对地电容电流以后的电流导数，dt表示时间增量。
上述进一步方案的有益效果为：本发明根据故障回路建立微分方程计算故障点电压，计算故障点电压时简单方便，无需对早期故障进行准确建模。
进一步地，所述步骤S4中电缆早期故障距离的表达式为：
其中，vs0(t)表示第t时刻的首端零序电压，is0(t)表示第t时刻的首端零序电流，vr0(t)表示第t时刻的末端零序电压，ir0(t)表示第t时刻的末端零序电流，x表示故障点距变电站的距离，R0表示单位长度的线路电阻，i′s0(t)和i′r0(t)分别为第t时刻零序回路中由始、末端除去对地电容电流以后的电流，L0表示电阻电感，D表示故障电缆的总长度，表示电缆早期故障距离，A、B和b表示中间变量，Ai，Bi和bi分别表示A、B以及b中的第i个元素，dvs0(t)表示第t时刻的始端零序电压导数，dvr0(t)表示第t时刻的末端零序电压导数，dis0(t)表示第t时刻零序回路中由始端流出的电流导数，dir0(t)表示第t时刻零序回路中流入末端的电流导数，dt表示时间增量。
上述进一步方案的有益效果为：本发明根据最小二乘法对电缆早期故障估计的距离进行求解，简化了计算过程，便于得到最后的电缆早期故障估计的距离。
附图说明
图1为本发明基于扰动波形的电缆早期故障定位方法的流程图。
图2为本发明10kV配电网拓扑图。
图3为本发明根据对称分量法建立配电网的零序故障等效回路。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种基于扰动波形的电缆早期故障定位方法，包括以下步骤：
S1、采集配电网的双端扰动波形，并根据对称分量法建立配电网的零序故障等效回路；
S2、根据等效回路计算流入线路的零序电流；
S3、利用双端扰动波形数据分别计算故障点电压；
S4、根据零序电流与故障点电压，计算得到电缆早期故障距离，完成电缆早期故障定位。
所述步骤S1具体步骤为：
S11、略去各负荷支路，将变压器的阻抗与电源内阻抗共同构成系统阻抗；
S12、采集配电网的双端扰动波形，选择变电站为站端测点，选择短路故障处一端为末端测点；
S13、利用站端测点测量首端零序电压与首端零序电流，利用末端测点测量末端零序电压与末端零序电流，完成配电网的零序故障等效回路的建立。
本实施例中，10kV配电网拓扑如图2所示，由纯电缆线路构成，电缆2处发生短路故障。线路首末两端安装有电压电流监测终端，可实现电压电流的实时监测与故障录波。
经过上述步骤S11-S13后得出该配网线路的等效零序回路如图3所示。其中，Zs、R0、L0和C0分别是系统内阻、单位长度的线路电阻、电阻电感和对地电容，均为已知参数，可在电网系统查询得知。首端零序电压vs0、首端零序电流is0由站端量测终端获取，末端零序电压vr0、末端零序电流ir0由末端量测终端获取。而vf0为故障点零序电压，为中间量，无需知道具体数值。
根据基尔霍夫电流定律，所述步骤S2计算流入线路的零序电流的公式为：
其中，i′s0(t)和i′r0(t)分别为第t时刻零序回路中由始、末端除去对地电容电流以后的电流，vs0(t)表示第t时刻的首端零序电压，is0(t)表示第t时刻的首端零序电流，x表示故障点距变电站的距离，C0表示对地电容，D表示故障电缆的总长度，vr0(t)表示第t时刻的末端零序电压，ir0(t)表示第t时刻的末端零序电流，dvs0(t)表示第t时刻的始端零序电压导数，dvr0(t)表示第t时刻的末端零序电压导数，dt表示时间增量。
根据故障回路建立微分方程，所述步骤S3中计算故障点电压的公式为：
其中，vf0(t)为根据左边等效回路表示第t时刻的故障点的负序电压，vf0'(t)表为根据右边等效回路表示第t时刻的故障点的负序电压，vs0(t)表示第t时刻的首端零序电压，x表示故障点距变电站的距离，R0表示单位长度的线路电阻，i′s0(t)和i′r0(t)分别为第t时刻零序回路中由始、末端除去对地电容电流以后的电流，L0表示电阻电感，D表示故障电缆的总长度，vr0(t)表示第t时刻的末端零序电压，di′s0(t)表示第t时刻零序回路中由始端除去对地电容电流以后的电流导数，di'r0(t)表示第t时刻零序回路中由末端除去对地电容电流以后的电流导数，dt表示时间增量。
所述步骤S4中电缆早期故障距离的表达式为：
其中，vs0(t)表示第t时刻的首端零序电压，is0(t)表示第t时刻的首端零序电流，vr0(t)表示第t时刻的末端零序电压，ir0(t)表示第t时刻的末端零序电流，x表示故障点距变电站的距离，R0表示单位长度的线路电阻，i′s0(t)和i′r0(t)分别为第t时刻零序回路中由始、末端除去对地电容电流以后的电流，L0表示电阻电感，D表示故障电缆的总长度，表示电缆早期故障距离，A、B和b表示中间变量，Ai，Bi和bi分别表示A、B以及b中的第i个元素，dvs0(t)表示第t时刻的始端零序电压导数，dvr0(t)表示第t时刻的末端零序电压导数，dis0(t)表示第t时刻零序回路中由始端流出的电流导数，dir0(t)表示第t时刻零序回路中流入末端的电流导数，dt表示时间增量。
本实施例中，将步骤S2中计算流入线路的零序电流的公式与步骤S3中计算故障点电压的公式代入整理得到下式：
令
设扰动波形采样的时间间隔为T，采样点数为N，令A＝[A1,A2,...,AN]、B＝[B1,B2,...,BN]以及b＝[b1,b2,...,bN]，为便于方程的求解，将上式改写为Ax2+Bx＝b的形式，采用最小二乘法求解，得到电缆早期故障估计的距离
本实施例中，以单相接地故障和两相接地故障为例，并在不同故障电阻和不同故障距离的组合条件下，对本发明方法进行验证，如表1所示，所有定位误差均小于0.1％，证明了本发明的有效性，表1为本实施例的算例验证。
表1

Claims (5)

1.一种基于扰动波形的电缆早期故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集配电网的双端扰动波形，并根据对称分量法建立配电网的零序故障等效回路；
S2、根据等效回路计算流入线路的零序电流；
S3、利用双端扰动波形数据分别计算故障点电压；
S4、根据零序电流与故障点电压，计算得到电缆早期故障距离，完成电缆早期故障定位。
2.根据权利要求1所述的基于扰动波形的电缆早期故障定位方法，其特征在于，所述步骤S1具体步骤为：
S11、略去各负荷支路，将变压器的阻抗与电源内阻抗共同构成系统阻抗；
S12、采集配电网的双端扰动波形，选择变电站为站端测点，选择短路故障处一端为末端测点；
S13、利用站端测点测量首端零序电压与首端零序电流，利用末端测点测量末端零序电压与末端零序电流，完成配电网的零序故障等效回路的建立。
3.根据权利要求1所述的基于扰动波形的电缆早期故障定位方法，其特征在于，所述步骤S2中计算流入线路的零序电流的公式为：
其中，is'0(t)和ir'0(t)分别为第t时刻零序回路中由始、末端除去对地电容电流以后的电流，vs0(t)表示第t时刻的首端零序电压，is0(t)表示第t时刻的首端零序电流，x表示故障点距变电站的距离，C0表示对地电容，D表示故障电缆的总长度，vr0(t)表示第t时刻的末端零序电压，ir0(t)表示第t时刻的末端零序电流，dvs0(t)表示第t时刻的始端零序电压导数，dvr0(t)表示第t时刻的末端零序电压导数，dt表示时间增量。
4.根据权利要求1所述的基于扰动波形的电缆早期故障定位方法，其特征在于，所述步骤S3中计算故障点电压的公式为：
其中，vf0(t)为根据左边等效回路表示第t时刻的故障点的负序电压，vf0'(t)表为根据右边等效回路表示第t时刻的故障点的负序电压，vs0(t)表示第t时刻的首端零序电压，x表示故障点距变电站的距离，R0表示单位长度的线路电阻，is'0(t)和ir'0(t)分别为第t时刻零序回路中由始、末端除去对地电容电流以后的电流，L0表示电阻电感，D表示故障电缆的总长度，vr0(t)表示第t时刻的末端零序电压，dis'0(t)表示第t时刻零序回路中由始端除去对地电容电流以后的电流导数，di'r0(t)表示第t时刻零序回路中由末端除去对地电容电流以后的电流导数，dt表示时间增量。
5.根据权利要求1所述的基于扰动波形的电缆早期故障定位方法，其特征在于，所述步骤S4中电缆早期故障距离的表达式为：
其中，vs0(t)表示第t时刻的首端零序电压，is0(t)表示第t时刻的首端零序电流，vr0(t)表示第t时刻的末端零序电压，ir0(t)表示第t时刻的末端零序电流，x表示故障点距变电站的距离，R0表示单位长度的线路电阻，is'0(t)和ir'0(t)分别为第t时刻零序回路中由始、末端除去对地电容电流以后的电流，L0表示电阻电感，D表示故障电缆的总长度，表示电缆早期故障距离，A、B和b表示中间变量，Ai，Bi和bi分别表示A、B以及b中的第i个元素，dvs0(t)表示第t时刻的始端零序电压导数，dvr0(t)表示第t时刻的末端零序电压导数，dis0(t)表示第t时刻零序回路中由始端流出的电流导数，dir0(t)表示第t时刻零序回路中流入末端的电流导数，dt表示时间增量。
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CN117406032A (zh) * 2023-12-15 2024-01-16 四川大学 一种用于中压配网电缆的早期故障检测与区段定位方法

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