基于暂态能量分析的配电网小电流接地故障区段定位方法

摘要

本发明公开了一种基于暂态能量分析的配电网小电流接地故障区段定位方法，该方法包括以下步骤：首先确定数字滤波器通频带范围，并在配电网的每个节点均配置一台微型PMU；利用微型PMU获取配电网各个节点的零序电压相量和零序电流相量，根据各个节点的零序电压相量和零序电流相量判断系统是否发生故障，若发生故障，则启动故障定位，读取各个微型PMU记录的三相电流信号，利用三相电流信号计算各个节点的暂态零序电流，对暂态零序电流进行处理，计算各个区段的暂态能量，根据各个区段的暂态能量确定故障区段。本发明所利用的故障特征物理含义清晰，对多分支线路的故障区段定位准确度和可靠性高，不需要投入与消弧线圈并联的中电阻或安装信号注入设备。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统电力线路故障定位的设计领域，尤其涉及一种基于PMU同步数据暂态能量分析的配电网小电流接地故障区段定位方法。

背景技术

中性点非直接接地方式(中性点不接地和中性点经消弧线圈接地)是国内中压配电网最主要的中性点接地方式，其单相接地故障属于小电流接地故障。单相接地故障在配电网故障中的占比达80％以上，小电流接地故障的稳态特征微弱，而消弧线圈的补偿作用则进一步削弱了故障特征。

目前故障区段定位方法还不成熟，主要包括主动式故障定位方法和被动式故障定位方法。其中主动式故障定位方法需要增加信号注入和检测设备，弧光接地故障定位效果差，并且可能扩大故障。被动式故障定位方法主要包括稳态法和暂态法。稳态法容易受到消弧线圈补偿作用的影响；暂态法与稳态法相比，利用的故障信息更丰富，可以消除消弧线圈的影响，但同时包含了全频段的波形信息，容易受到噪声干扰，准确性有待提高。

在中低压配电网中，电网实时监测手段不完善也是限制实现配电网快速故障定位的重要原因之一。微型PMU是实时获取系统运行状态的重要手段，基于微型PMU构建配电网广域测量系统是当前的发展方向，在配电网继电保护、状态估计、稳定控制以及扰动识别等领域发挥着重要的作用。与传统的馈线终端单元(FTU)相比，微型PMU能够提供同步相量数据和波形数据，安装地点不局限于发电厂及变电站，并且可以应用数据主站进行全网故障信息的获取与处理，为小电流接地系统的故障区段定位提供了强有力的硬件支持。

发明内容

为了克服传统的定位方法故障定位精度低、识别困难、需要额外安装设备等不足，本发明提供了一种基于PMU同步数据暂态能量分析的配电网小电流接地故障区段定位方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于暂态能量分析的配电网小电流接地故障区段定位方法，该方法包括以下步骤：

(1)确定数字滤波器通频带范围，并在配电网的每个节点均配置一台微型PMU；

(2)利用微型PMU获取配电网各个节点的零序电压相量和零序电流相量，根据各个节点的零序电压相量和零序电流相量判断系统是否发生故障，若发生故障，则启动故障定位，进入步骤(3)，否则循环执行步骤(2)；

(3)读取各个微型PMU记录的三相电流信号，利用三相电流信号计算各个节点的暂态零序电流，利用数字滤波器对暂态零序电流进行处理，计算各个区段的暂态能量，根据所述各个区段的暂态能量确定故障区段。

进一步的，所述步骤(1)中，确定数字滤波器通频带范围的步骤包括：

(1-1)根据所述配电网的拓扑结构建立零序网络；

(1-2)根据所述零序网络确定网络中线路距离相距最长的两点及其对应的最长距离l_m；

(1-3)根据所述最长距离l_m计算数字滤波器的上截止频率f_c2；

(1-4)根据配电网的中性点接地方式确定数字滤波器的下截止频率f_c1；

(1-5)确定数字滤波器的通频带范围为f_c1～f_c2，并由此设计数字滤波器。

进一步的，若配电网的中性点不接地，则所述数字滤波器的下截止频率f_c1为0Hz，若配电网的中性点经消弧线圈接地，则所述数字滤波器的下截止频率f_c1为150Hz。

进一步的，所述上截止频率f_c2的计算公式为：

其中，L_p和C_p分别为单位长度线路的电感和分布电容，α为加权系数且α取0～1。

进一步的，所述步骤(2)中，比较每个所述微型PMU计算得到的零序电压相量模值与0.15倍的额定线电压模值的大小，以及每个所述微型PMU计算得到的零序电流相量模值与0.1倍的额定线电流模值的大小，若零序电压相量模值大于0.15倍的额定线电压模值，且零序电流相量模值小于0.1倍的额定线电流模值，则系统发生故障，启动故障定位；否则系统未发生故障。

进一步的，所述步骤(3)中，确定故障区段的步骤包括：

(3-1)主站从各个所述微型PMU中读取自故障时刻开始记录的三相电流信号；

(3-2)计算所述三相电流信号的平均值，得到流经各个节点的暂态零序电流；

(3-3)将流经各区段父节点上的暂态零序电流减去流经各区段所有子节点上的暂态零序电流之和，得到各个区段流出的暂态对地电容电流；

(3-4)利用所述数字滤波器对暂态对地电容电流进行滤波，得到各个区段的暂态对地电容电流分量；

(3-5)根据暂态对地电容电流分量计算各个区段的暂态能量；

(3-6)将各个区段的暂态能量的最大值与各区段的暂态能量之和相比，根据二者比值与1的大小，确定故障发生的区段。

进一步的，所述将各个区段的暂态能量的最大值与各个区段的暂态能量的和相比，根据二者比值与1的大小，确定故障发生的区段的步骤包括：

求出各个区段的暂态能量的最大值E_SFB,m及其对应区段m；

将各个区段的暂态能量的最大值E_SFB,m与其余各区段的暂态能量之和相比；

若大于1，则故障发生在区段m；否则，则故障发生在变电站母线处。

进一步的，区段j的暂态能量E_SFB,j的计算公式为：

其中，i_C0,j(k)为区段j的暂态对地电容电流；N为用于计算的数据个数，其大小根据采样频率与暂态过程的持续时间而定。

一种基于暂态能量分析的配电网小电流接地故障区段定位装置，用于实现对配电网小电流接地故障区段定位，该装置包括：

数字带通滤波器设计模块，根据配电网的拓扑结构确定数字滤波器通频带的下截止频率，根据线路的中性点接地方式确定数字滤波器通频带的上截止频率，确定数字滤波器通频带范围，设计数字带通滤波器；

故障判断模块，利用微型PMU获取配电网各个节点的零序电压相量和零序电流相量，根据各个节点的零序电压相量和零序电流相量判断系统是否发生故障，若发生故障，则启动故障定位；

故障定位模块，读取各个微型PMU记录的三相电流信号，利用三相电流信号计算各个节点的暂态零序电流，利用数字滤波器对暂态零序电流进行处理，计算各个区段的暂态能量，根据所述各个区段的暂态能量确定故障区段。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用区段的暂态对地电容电流分量、暂态能量等作为故障特征，所利用的故障特征物理含义清晰，故障区段与健全区段的故障特征量区别大，对多分支线路的故障区段定位准确度和可靠性高，并且不受中性点运行方式、接地电阻和合闸角的影响；

(2)本发明提出的判断系统是否发生故障的判据的阈值数学关系明确，并且不需要随着网络拓扑的变化而设定，识别简单；

(3)本发明不需要投入与消弧线圈并联的中电阻或安装信号注入设备，成本低，易于实施；

(4)本发明仅测量暂态零序电流，避免了在相对地之间安装电压互感器，简化了分段开关的设计和施工。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是基于PMU同步数据暂态能量分析的配电网小电流接地故障区段定位方法流程图；

图2是本发明实施例公开的零序网络结构图。

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，以下详细说明都是例示性的，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申请的示例性实施方式。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。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在故障定位精度低、识别困难、需要额外安装设备等不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于PMU同步数据暂态能量分析的配电网小电流接地故障区段定位方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种基于PMU同步数据暂态能量分析的配电网小电流接地故障区段定位方法，该方法包括以下步骤：

步骤101：设计数字带通滤波器。所述数字滤波器通频带的下截止频率根据配电网的拓扑结构决定，所属数字滤波器通频带的上截止频率根据线路的中性点接地方式决定。其中，所述配电网含有n个节点和m个区段，且在每个节点均配置一台微型PMU，方向由节点指向线路。

PMU的全称为Phasor Measurement Unit，意为同步相量测量单元。PMU能以数千赫兹速率采集电压、电流等信息，通过计算获得测点的功率、相位、功角等信息，并以每秒几十帧的频率向WAMS主站发送。PMU的时间同步信号由GPS提供，GPS提供了一个在地球上的任何位置都可以将它精确到1微妙的定时脉冲出口。利用GPS的实时性，PMU将每个状态量同步到同一个时间单位上，据此得到相角量值。由于PMU是电网厂域功角与相量测量系统WAMS系统的基础，可为电网的安全提供丰富的数据源。PMU对提升同步相量测量单元装置的稳定性和可靠性，提高电网的动态监视水平，保证电网安全稳定运行具有重要意义。在正常运行时可实时监测数据，小扰动情况下记录离线数据，大扰动情况下记录录波数据。本发明采用现有的微型PMU结构实现对配电网各个节点的电压相量和电流相量的测量计算。

在本实施例中，所述配电网含有8个节点和8个区段，且在每个节点均配置一台微型PMU，方向由节点指向线路。

步骤201：判断系统是否发生故障。配电网各个检测节点的微型PMU实时检测各节点的零序电压相量和零序电流相量，主站根据每个所述微型PMU零序电压相量模值U₀和零序电流相量模值I₀判断是否发生故障；如果是，启动故障定位，进入步骤301；否则循环执行步骤201。

在本实施例中，分别在k1、k2和k3处设置故障，接地电阻取5Ω，合闸角取30°。

步骤301：故障定位。主站从各个所述微型PMU中召唤自故障时刻开始记录的三相电流信号，利用所述三相电流信号计算所述微型PMU所在各检测点的暂态零序电流信号。对所述暂态零序电流信号进行作差、滤波，并计算各个区段的暂态能量，根据所述各个区段的暂态能量确定故障区段。

本发明提出的基于PMU同步数据暂态能量分析的配电网小电流接地故障区段定位方法具体应用需基于以下部分：应用对象为含有多分支线路的配电网，包括微型PMU和主站，各个所述微型PMU可通过所述微型PMU自带的通讯模块进行数据与所述主站之间进行信息交互。

在本实施例中，所述步骤101中确定数字滤波器通频带范围的步骤包括：

步骤1011：根据所述配电网的拓扑结构建立零序网络。

在本实施例中，零序网络为10kV电压等级，各条线路和区段的长度如图2所示。线路正序阻抗为Z₁＝0.17+j0.38(Ω/km)，正序对地导纳为b₁＝j3.045(μS/km)，零序阻抗为Z₀＝0.23+j1.72(W/km)，零序对地导纳为b₀＝j1.884(μs/km)，各条线路等效负荷阻抗统一选用Z_l＝400+j20(Ω)。

步骤1012：根据所述零序网络确定网络中线路距离相距最长的两点及其对应的最长距离l_m。

在本实施例中，所述零序网络确定网络中两点相距最长的距离l_m取27km。

步骤1013：根据所述最长距离l_m计算数字滤波器的上截止频率f_c2。

在本实施中，优选的，所述数字滤波器的上截止频率f_c2的计算公式为：

其中，L_p和C_p分别为单位长度线路的电感和分布电容，α为加权系数且α取0～1。

本实施例中，α取1，数字滤波器的上截止频率f_c2计算可得1611.8Hz。

步骤1014：根据配电网的中性点接地方式确定数字滤波器的下截止频率f_c1。

若配电网的中性点不接地，则所述数字滤波器的下截止频率f_c1为0Hz，若配电网的中性点经消弧线圈接地，则所述数字滤波器的下截止频率f_c1为150Hz。

本实施例中，以中性点不接地系统为例，数字滤波器的下截止频率f_c1取0Hz。

步骤1015：确定数字滤波器的通频带范围为f_c1～f_c2，并由此设计数字滤波器。

本实施例中，所述数字滤波器的通频带范围为0～1611.8Hz。

在本实施例中，所述步骤201采用如下方式实现：

利用配电网各个检测点的微型PMU实时检测各点的零序电压相量和零序电流相量，主站根据每个所述微型PMU计算得到的零序电压相量模值U₀和零序电流相量模值I₀判断系统是否发生故障。

比较每个所述微型PMU计算得到的零序电压相量模值U₀与0.15倍的额定线电压模值U_p的大小，以及每个所述微型PMU计算得到的零序电流相量模值I₀与0.1倍的额定线电流模值I_p的大小，若U₀和I₀满足U₀＞0.15U_p且I₀＜0.1I_p时，则系统发生故障，启动故障定位；否则系统未发生故障。本实施例中，额定线电压模值U_p取10kV，额定线电流模值I_p取0.1kA。

在本实施例中，所述步骤301中，故障定位采用如下方式实现：

步骤3011：所述主站从各个所述微型PMU中召唤自故障时刻开始记录的三相电流信号i_a,i(k)、i_b,i(k)和i_c,i(k)，其中，i为所述微型PMU的标号，k从故障起始的第k个采样点；

步骤3012：利用所述三相电流信号计算流经所述标号为i的微型PMU的暂态零序电流i_0,i；

步骤3013：利用所述暂态零序电流i_0,i(k)确定流出区段j的暂态对地电容电流i_C0,j(k)；

步骤3014：利用所述数字滤波器对所述暂态对地电容电流i_C0,j(k)滤波，得到区段j的暂态对地电容电流分量i_SFB,j(k)；

步骤3015：利用所述暂态对地电容电流分量i_SFB,j(k)计算区段j的暂态能量E_SFB,j；

步骤3016：求出各个区段的暂态能量的最大值E_SFB,m及其对应区段m。若大于1，则故障发生在区段m；否则，则故障发生在变电站母线处。

本实施例中，仿真结果如表1所示。

表1故障区段定位结果

在本实施例中，优选的，所述暂态零序电流i_0,i(k)的计算公式为：

i_0,i(k)＝[i_a,i(k)+i_b,i(k)+i_c,i(k)]/3

所述区段j的暂态对地电容电流i_C0,j(k)由包围本区段的父节点上流经的暂态零序电流减去所有子节点上流经的暂态零序电流之和得到。

在本实施例中，优选的，所述区段j的暂态能量E_SFB,j的计算公式为：

其中，N为用于计算的数据个数，其大小根据采样频率与暂态过程的持续时间而定，暂态过程的持续时间常取故障后的四个周波。

本发明提出的基于PMU同步数据暂态能量分析的配电网小电流接地故障区段定位方法所利用的故障特征物理含义清晰，故障区段与健全区段的故障特征量区别大，对多分支线路的故障区段定位准确度和可靠性高，并且不受中性点运行方式、接地电阻和合闸角的影响；本发明提出的判断系统是否发生故障的判据的阈值数学关系明确，并且不需要随着网络拓扑的变化而设定，识别简单；本发明不需要投入与消弧线圈并联的中电阻或安装信号注入设备，成本低，易于实施；本发明仅测量暂态零序电流，避免了在相对地之间安装电压互感器，简化了分段开关的设计和施工。

本申请的另一种典型实施方式，提供了一种基于暂态能量分析的配电网小电流接地故障区段定位装置，用于实现对配电网小电流接地故障区段定位，该装置包括：

数字带通滤波器设计模块，根据配电网的拓扑结构确定数字滤波器通频带的下截止频率，根据线路的中性点接地方式确定数字滤波器通频带的上截止频率，确定数字滤波器通频带范围，设计数字带通滤波器；

故障判断模块，利用微型PMU获取配电网各个节点的零序电压相量和零序电流相量，根据各个节点的零序电压相量和零序电流相量判断系统是否发生故障，若发生故障，则启动故障定位；

故障定位模块，读取各个微型PMU记录的三相电流信号，利用三相电流信号计算各个节点的暂态零序电流，利用数字滤波器对暂态零序电流进行处理，计算各个区段的暂态能量，根据所述各个区段的暂态能量确定故障区段。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。