基于参数识别的配电网单相接地故障区段定位方法

摘要

本发明提供一种基于参数识别的配电网单相接地故障区段定位方法，在各线路出口及分支处安装接地故障检测装置，在系统发生单相接地故障后，选定频带将每条线路在零序网络中简化为一电容模型，利用接地故障检测装置测量的零序电压、零序电流求解电容值；后依据得到的电容值的正负来判断故障点是否在该区段内，最后判断计算电容值为负且离母线最远者为故障点所在区段，该方法原理简单，易于实现，能够快速、可靠地进行故障区段定位，该方法既可用于中性点不接地配电系统，也可用于中性点经消弧线圈接地的配电系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力系统故障区段定位的方法，具体涉一种基于 参数识别的配电网单相接地故障区段定位方法。

背景技术

配电网与用户直接相连，其可靠性在很大程度上决定了电力系统 的供电质量。提高配电网的供电可靠性是提高电力系统供电可靠性的 重要研究内容。传统的配电网线路多采用辐射供电方式，分支点处无 断路器和控制设备，恢复供电所需时间长，影响了配电网供电的可靠 性。近年来，随着智能电网的发展，“自愈”将成为电网的基本功能， 而故障区段定位作为自愈的基础，是智能电网的重要研究内容。

我国配电网大多采用中性点小电流接地方式，受中性点接地方 式、配电网规模、过渡电阻等因素的影响，故障选线问题一直没有得 到圆满解决，区段定位更无从谈起。小电流接地系统发生相间故障时 会产生较大的短路电流，其区段定位易于实现。但发生单相接地故障 时短路电流小，流过故障和非故障线路的电流变化仅为对地电容电流 的变化。特别当系统中性点经消弧线圈接地，且采用过补偿方式工作 时，利用工频量的变化难于区分故障线路与非故障线路。故对于经消 弧线圈接地的系统只能采用暂态量进行选线，且单相接地时，接地电 容电流的暂态分量可能比稳态值大几倍到几十倍。

基于暂态信号的选线方法灵敏度较高且不受消弧线圈的影响，但 现有方法大多有待完善。在现有的利用暂态量方法中，首半波法是基 于单相接地故障发生在故障相电压接近最大值附近这一假设条件，而 在相电压过零附近故障时，暂态量微弱，难于满足要求。小波分析法 虽然可以比较精确的提取故障信号，但也存在一些问题，如该方法对 微变量过于敏感，抗干扰能力差；当故障点经大过渡电阻接地时，该 方法不能进行。行波法由于故障后行波波头难于准确捕捉，且采样频 率要求高等因素，难于实现。基于以上种种因素可以看出，小电流接 地系统的选线问题一直是没有解决好的问题，而区段定位研究成果更 无从谈起，所以研究故障区段定位方法将会对配电网的智能化带来重 要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于参数识别的配电网单相接地故 障区段定位方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

该定位方法包括以下步骤：通过选定首容性频带将每条线路在零 序网络中简化成电容模型，在指定的电压参考方向以及电流参考方向 下利用线路测量点处的零序电压和零序电流求解电容值，依据所述电 容值的正负判断故障点是否在电容值所对应测量点的后方线路上，从 而实现故障点的区段定位。

若与某测量点Tp对应的电容值为负，则判定故障点在测量点Tp 的后方线路上。

所述电压参考方向为测量点相对于地，电流参考方向为由母线到 线路。

所述首容性频带为150Hz～600Hz。

所述定位方法的具体步骤包括：

步骤一：系统发生单相接地故障后，在线路测量点处对零序电压 以及零序电流进行同步采样，然后通过模数转换器将采样得到的零序 电压以及零序电流转化为数字量；

步骤二：对所述数字量进行频带为150Hz～600Hz的带通滤波处 理，获得对应于频带的零序电流分量和零序电压分量，用两点数值微 分公式求取零序电压分量的导数值，然后利用零序电流分量与所述导 数值的比值并结合最小二乘算法识别出对应的电容值；

步骤三：从电容值为负的区段中选择出距离变电站最远的区段， 所述距离变电站最远的区段为故障区段。

本发明的有益效果体现在：

本发明所述基于参数识别的配电网单相接地故障区段定位方法， 利用首容频段的思想，通过求取由线路简化的电容模型所对应的电容 值作为故障区段定位的依据，该方法原理简单，易于实现，能够快速、 可靠地进行故障区段定位，该方法既可用于中性点不接地配电系统， 也可用于中性点经消弧线圈接地的配电系统。

附图说明

图1为一个有n条出线的小电流接地系统发生单相接地故障后对 应的零序网络。

图2为首容性频带里单相接地故障的零序等效简化网络图。

图3为首容性频带里单相接地故障时故障点前方的零序简化网 络。

图4为10kv配电系统模型。

图5为中性点不接地配电系统区段1（故障线路）与区段2（健 全线路）计算电容的波形比较。

图6为经消弧线圈接地的配电系统区段1（故障线路）与区段2 （健全线路）计算电容的波形比较。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

一种基于参数识别的配电网单相接地故障区段定位方法，具体介 绍如下：

配网发生单相接地故障时，在首容频段内，健全线路和故障点后 方线路的零序模型可等效为一电容，此时其零序电流与零序电压的导 数之间是一比例系数为正的正比例函数；而对故障线路而言，其零序 模型由系统背侧的电路构成，在首容频段内亦可等效为一电容，但在 指定参考方向下，其零序电流与零序电压导数之间为比例系数为负的 比例函数。

参见图1，开关K控制中性点接地方式为中性点不接地或经消弧 线圈接地，R_0x、L_0x、C_0x分别为线路x电阻、电感、电容参数，i_0x表示线路x的零序电流（x=1～n）。故障点位于第i条线路上时，线路 在故障点两边的部分各用一个模型表示，其中R_0f、L_0f、C_0f为故障点 前方与母线间线路参数。u_0f表示故障点处的等效零序电压源，3L表 示消弧线圈的电感，R_f表示接地故障时的过渡电阻，i_0f表示故障点与 母线之间线路上的零序电流，i_0i表示故障点后方线路的零序电流，i_L表示消弧线圈上的零序电流，u₀表示母线上的零序电压。通过图1表 示的故障发生后线路的零序网络可简化为如图2所示的简化模型。

参见图2，C_0k∑（k=1～n）表示各健全线路和故障线路故障点后方 部分的零序等效电容值，R_0f、L_0f、C_0f为故障点前方与母线间线路参 数，u_0f表示故障点处的等效零序电压源，3L表示消弧线圈的电感， C_oi∑表示故障点后方线路的零序等效电容值。

在简化模型的基础可进一步简化，参见图3，开关K打开和闭合 分别对应中性点不接地和经消弧线圈接地，R_0f、L_0f、C_0f为故障点前 方与母线间线路参数，C_h为所有健全线路等效的总的电容，u_0f表示 故障点处的等效零序电压源，3L表示消弧线圈的电感。

对于健全线路和故障点后方线路有：

$i_{0k}=C_{0\mathrm{k\Sigma }}·\frac{{\mathrm{du}}_0}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式（1）中C_0k∑为各健全线路或故障线路故障点后方部分的零序 等效电容值。

对于故障点前方的线路有：

$i_{0f}=-C_0^{\text{'}}·\frac{{\mathrm{du}}_0}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

式（2）中C′₀为故障部分线路故障点前方部分的零序等效电容值。

因此，基于首容频段的思想（出处：电力系统自动化， 2003,27(9):48-53），在系统发生单相接地故障后，可选定首容频带将 每条线路在零序网络中简化成一电容模型。利用线路测量点处的零序 电压、零序电流求解电容值。依据得到的电容值的正负来判断实际发 生故障是否在对应测量点后方线路上，判定电容值为负且离母线（变 电站）最远者为故障点所在区段，从而实现故障点的区段定位。

具体步骤如下：

步骤一：利用各线路出口及分支处安装的接地故障检测装置，在 系统发生单相接地故障后，在线路测量点处对零序电压、零序电流以 预定采样速率进行同步采样，然后通过模数转换器将采样得到的零序 电压、零序电流转化为数字量；

步骤二：对获得的数字量进行带通滤波处理，频带为 150Hz～600Hz，获得对此频带的零序电流分量和零序电压分量，对此 时的零序电压分量用两点数值微分公式求取其导数值，然后利用最小 二乘算法识别出对应的电容值。

步骤三：通过步骤二识别的电容值的正负，来进行故障区段定位， 故障区段定位的方法：从识别出的电容为负的区段中选择距离变电站 距离最远的区段（即为故障区段）。

本发明采用的仿真模型如图4所示，具体的参数见（电力系统保 护与控制，2008，36(13)：15-20.）仿真中设置了1～6个故障点，位 置分别在区段①、⑤、⑦、②、③和区段⑧，区段编号（①-⑨）如 图4所示。为简单起见，设置的单相接地故障均以A相为例，G表 示配网系统的等效电源，L表示消弧线圈电感，S1-S6分别表示6条 馈线末端的负荷。

中性点不接地配电系统区段1（故障线路）与区段2（健全线 路）取故障后0.02s的数据经数据窗长为40个采样点滑窗绘制计算电 容的波形图如图5所示；经消弧线圈接地的配电系统区段1（故障线 路）与区段2（健全线路）取故障后0.02s的数据经数据窗长为40 个采样点滑窗绘制计算电容的波形图如图6所示。由图5、图6可以 看出，在暂态情况下，健全线计算的电容值基本稳定为正值，而故障 线有比较明显的波动，但基本稳定为负值，这样就很容易判断区段是 否为故障区段。由表1-表4的仿真数据能进一步说明不管是在消弧线 圈接地系统，还是在中性点不接地系统中，都可以利用识别等效电容 的正负进行故障区段定位。

表1为中性点不接地配电系统故障点发生单相金属性接地时，各 个区段识别计算的电容值，表中的故障点与区段的含义同图4中的表 述。

表1不接地系统仿真结果(一)

表2为中性点不接地配电系统故障点发生经过渡电阻200_Ω单相 接地时，各个区段识别计算的电容值，表中的故障点与区段的含义同 图4中的表述。

表2不接地系统仿真结果(二)

表3为中性点经消弧线圈接地配电系统故障点发生单相金属性 接地时，各个区段识别计算的电容值，表中的故障点与区段的含义同 图4中的表述。

表3消弧线圈接地系统仿真结果(一)

表4为中性点经消弧线圈接地配电系统故障点发生经过渡电阻 200_Ω单相接地时，各个区段识别计算的电容值，表中的故障点与区段 的含义同图4中的表述。

表4弧线圈接地系统仿真结果(二)