基于零序特征系数的单相接地故障区段定位方法及系统与流程

1.本公开涉及电网故障定位相关技术领域，具体的说，是涉及一种基于零序特征系数的单相接地故障区段定位方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。
3.配电网结构复杂，单相接地故障发生占比超过80％，对电气设备安全和人身安全构成了极大的威胁。当配电网中发生单相接地故障时，由于系统三相线电压依旧对称，一般可以允许继续运行1～2小时。但是由于配电网带单相接地故障运行时，非故障相电压运行在较高对地电压状态下，这将威胁线路绝缘因而存在再次故障的风险。配电网单相接地故障的处理要求瞬时故障安全消弧，永久故障快速隔离，降低配电网单相接地故障的危害。因此，为了减小配电网带故障运行的时间和危险，保障系统供电可靠性，对于配电网中的永久性接地故障需要尽量快速地选出故障点所在区段，以便实现对故障区段的快速隔离，恢复系统正常运行。
4.传统方法中一般采用人工试拉线路或采用专门的接地选线装置等方法进行故障选线，并通过人工寻线的方式进行故障定位，费时费力且会影响供电可靠性。为此，学者们围绕配电网单相接地故障选线与定位方法进行了深入研究，并提出了一系列单相接地故障选线与定位方法，根据特征信号的不同，主要分为两类，即基于暂态信号的选线方法和基于稳态信号的选线方法。
5.由于我国配电网一般为中性点非有效接地系统，中性点一般采用不接地或经消弧线圈接地的运行方式。因此，现有的配电网单相接地故障选线与定位方法一般围绕这两种配电网展开。但是，由于配电网规模的扩大以及各种非线性元件的广泛应用，配电网单相接地故障电流中的谐波分量及有功分量随之增大，消弧线圈仅能补偿故障电流中的无功基波分量的问题暴露出来。因此，基于电力电子换流器的有源消弧方法开始得到应用。而对于在有源消弧配电网中，如何实现对故障点的选线与定位，目前研究较少。因此，需要通过分析有源消弧配电网单相接地故障时的故障特征，研究提出可与有源消弧方法适配的单相接地故障选线与定位方法及系统。


技术实现要素：

6.本公开为了解决上述问题，提出了基于零序特征系数的单相接地故障区段定位方法及系统，能够实现与有源消弧方法适配的单相接地故障选线与定位。通过有源注入电流、系统零序电压与各节点零序电流构造零序特征系数，并根据零序特征系数的计算值判断各节点相对于故障点的位置关系，进而实现对有源消弧配电网中单相接地故障点所在区段的准确定位，并且该方法不受配电网三相导纳不对称的影响。
7.为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
8.一个或多个实施例提供了基于零序特征系数的单相接地故障区段定位方法，包括如下步骤：
9.根据获取的配电网系统的零序电压及各节点零序电流数据，判断是否发生故障；
10.当发生故障，控制有源消弧装置注入不同的电流，得到配电网系统零序电压与各节点零序电流相对于系统正常运行时的变化量，计算各节点的零序特征系数；
11.根据各节点及其下游节点零序特征系数，区分故障区段与非故障区段。
12.一个或多个实施例提供了基于零序特征系数的单相接地故障区段定位系统，包括：
13.故障判断模块：被配置为根据获取的配电网系统的零序电压及各节点零序电流数据，判断是否发生故障；
14.零序特征系数确定模块：被配置为当发生故障，控制有源消弧装置注入不同的电流，得到配电网系统零序电压与各节点零序电流相对于系统正常运行时的变化量，计算各节点的零序特征系数；
15.故障区段判定模块：被配置为根据各节点及其下游节点零序特征系数，区分故障区段与非故障区段。
16.一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法所述的步骤。
17.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法所述的步骤。
18.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
19.本公开的故障区段定位方法可以直接通过计算的零序特征系数选出故障区段，进一步缩短故障位置定位范围；可以适配有源消弧装置对配电网故障特征的影响，实现新型的有源消弧配电网的故障区段定位；同时该方法可以消除配电网三相对地导纳参数不对称造成的不对称电流分量，有效消除了三相参数不对称对区段定位结果的影响。
20.本公开的优点以及附加方面的优点将在下面的具体实施例中进行详细说明。
附图说明
21.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。
22.图1为本公开实施例1中基于零序特征系数的有源消弧配电网单相接地故障区段定位方法流程图；
23.图2为本公开实施例1中有源消弧配电网单相接地故障示意图；
24.图3为本公开实施例1中有源消弧配电网单相接地零序等效电路示意图；
25.图4为本公开实施例1仿真实验经10ω过渡电阻接地时n、s节点相关测量导纳相量图；
26.图5为本公开实施例1仿真实验经100ω过渡电阻接地时n、s节点相关测量导纳相量图。
具体实施方式
27.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
28.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
29.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公开的示例性实施方式。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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。
30.实施例1
31.在一个或多个实施方式公开的技术方案中，如图1-图5所示，基于零序特征系数的单相接地故障区段定位方法，包括如下步骤：
32.步骤1、根据获取的配电网系统的零序电压及各节点零序电流数据，判断是否发生故障；
33.步骤2、当发生故障，控制有源消弧装置注入不同的电流，得到配电网系统零序电压与各节点零序电流相对于系统正常运行时的变化量，计算各节点的零序特征系数；
34.步骤3、根据各节点及其下游节点零序特征系数，区分故障区段与非故障区段。
35.与传统的配电网单相接地故障选线方法相比，本实施例的方法可以直接通过计算的零序特征系数选出故障区段，进一步缩短故障位置定位范围；可以适配有源消弧装置对配电网故障特征的影响，实现新型的有源消弧配电网的故障区段定位；同时该方法可以消除配电网三相对地导纳参数不对称造成的不对称电流分量，有效消除了三相参数不对称对区段定位结果的影响。
36.步骤1中，判断是否发生故障的方法，先判断是否发生单相接地故障，然后判断单相故障是瞬时性故障还是永久性故障。
37.可选的，单相接地故障判断的方法为：
38.步骤11、当配电网正常运行时，实时测量系统零序电压及各节点零序电流数据并保存，根据系统零序电压大小判断系统中是否发生单相接地故障；
39.进一步地，当配电网系统中发生单相接地故障时，投入有源消弧装置向配电网中注入电流或控制系统零序电压进行消弧。
40.判断是瞬时性故障还是永久性故障的方法，包括如下步骤：
41.步骤12、若判定配电网系统中发生单相接地故障，将有源消弧装置投入使用，进行消弧，并测量有源注入电流、零序电压及各节点零序电流的相量值，计算得到相对于正常运行时的零序电压变化量及各节点零序电流变化量并保存；
42.具体的，判定配电网系统中发生单相接地故障，将有源消弧装置投入使用，进行消弧，此时测量有源注入电流零序电压及各节点零序电流的相量值，计算得到相
对于正常运行时的零序电压变化量为：各节点零序电流变化量为
43.以图2所示的有源消弧配电网发生a相接地故障为例，该配电网中共有n条馈线，假设故障点位于馈线ln的区段ns中。
44.当配电网正常运行时，记馈线l1～l
n-1
中的节点(如图2中的节点p、q)及故障点下游节点(如图2中的节点s)为节点i，此时在该类节点处可得到由配电网三相导纳不对称引起的零序电流为：
[0045][0046]
其中，为三相电源电压，为系统正常运行时由于负荷或参数不对称引起的零序电压(若系统完全对称，其值为零)，为系统正常运行时节点i处的零序电流，y
ai
、y
bi
、y
ci
为节点i至所在馈线末端之间线路的三相对地导纳，yi＝y
ai
y
bi
y
ci
和分别为节点i至所在馈线末端之间线路的零序导纳以及节点i处零序电流的固有不对称分量。
[0047]
因此，由基尔霍夫电流定律可知，对于故障点上游节点j(如图2中的节点m、n)，在系统正常运行时流过该类节点的零序电流为：
[0048][0049]
当有源消弧装置注入电流时，对于非故障馈线l1～l
n-1
上的节点及故障馈线的故障点下游节点处零序电流表达式推导与系统正常运行时相同，为：
[0050][0051]
其中，与为有源注入电流时系统的零序电压与节点i的零序电流，并且节点i处的零序电流固有不对称分量与系统正常运行时相同。
[0052]
因此，根据基尔霍夫电流定律，可得有源注入电流时，故障点上游节点j处的零序电流为：
[0053][0054]
其中，y
l
为消弧线圈的导纳，节点k表示馈线lk首端节点。因此，用各节点在有源注入电流时的零序电流与系统正常运行时的零序电流作差，可整理得到其零序电流变化量与零序电压变化量的关系为：
[0055]
[0056][0057]
步骤13，控制有源消弧装置投入设定的第一时长后，按照设定的次数连续改变有源消弧装置参考电压，每次保持设定的第二时长，若测得系统零序电压与有源消弧装置注入电流的变化呈线性关系，则判定为瞬时性故障，反之则认为故障依旧存在，将该故障判定为永久性故障。
[0058]
具体的，本实施例中，第一时长可以设定为10秒以及以上，改变参考电压的次数可以设定为3次，在每个参考电压下保持的第二时长可以设定为40毫秒。
[0059]
当有源消弧装置投入10s后，连续3次改变有源消弧装置参考电压，每次持续40ms，若测得系统零序电压与有源消弧装置注入电流的变化呈线性关系，则判定为瞬时性故障，反之则认为故障依旧存在，将该故障判定为永久性故障。
[0060]
以图3有源消弧配电网单相接地零序等效电路为例进行说明，当配电网发生单相接地故障进行有源消弧时，若故障点未消失，可以将故障点处等效为一个零序电压源。
[0061]
对于瞬时性故障，在消弧10s后故障消失，在系统零序等效电路中仅存在有源消弧装置一个电源，因此根据齐性定理可知，系统零序电压与有源注入电流成线性关系；对于永久性故障，消弧10s后故障点依旧存在，系统零序等效电路中存在一个电压源(故障点)与一个电流源(有源消弧装置)，系统零序电压与有源注入电流不成线性关系，以此可以判定系统中的故障是否为永久性故障，若为永久性故障，则需要对故障点进行区段定位。
[0062]
步骤2中，当配电网系统为永久性故障，则测量此时的有源注入电流、零序电压及各节点零序电流的相量值，计算得到相对于正常运行时的零序电压变化量及各节点零序电流变化量并保存；
[0063]
具体的，当系统为永久性故障，测得有源注入电流零序电压为及各节点零序电流的相量值，计算得到相对于正常运行时的零序电压变化量为：
[0064][0065]
各节点零序电流变化量为：
[0066][0067]
与注入电流为时的计算过程类似，注入电流改变为时，相对于系统正常运行时，各节点零序电流变化量与零序电压变化量的关系为：
[0068][0069][0070]
各节点的零序特征系数的计算方法为：控制有源消弧装置注入两次大小不同的电流，计算两次相对于正常运行时的零序电压变化量与各节点零序电流变化量，零序特征系
数ε的计算方法为：两次注入不同电流时，相对于系统正常运行状态下各节点零序电流的变化量与相对于系统正常运行状态下的零序电压变化量的比值的第一差值两次注入不同电流时，注入电流与相对于系统正常运行状态下的零序电压变化量的比值的第二差值零序特征系数ε为第一差值与第二差值的比值。
[0071]
零序特征系数ε的计算公式如下：
[0072][0073]
其中，与为先后两次的注入电流，与为注入不同电流时相对于系统正常运行状态下的零序电压变化量，与为注入不同电流时相对于系统正常运行状态下各节点零序电流的变化量，以判定各节点与故障点的位置关系。
[0074]
例如，点i和j处的零序特征系数分别为：
[0075][0076][0077]
根据各节点及其下游节点零序特征系数，区分故障区段与非故障区段的方法为：
[0078]
步骤31、当节点零序特征系数计算结果为0时，说明该节点为非故障馈线节点或故障点下游节点；当节点零序特征系数计算结果为1时，说明该节点为故障馈线故障点上游节点；
[0079]
即为：当ε＝0时，判定为非故障馈线节点或故障点下游节点，当ε＝1时，判定为故障点上游节点。
[0080]
步骤32、获取各节点及其下游节点零序特征系数计算值，当节点本身零序特征系数为1，其下游节点零序特征系数为0时，判定该节点为故障区段首端节点。对于线路末端区段，若其首端节点的零序特征系数为1，可将该区段判定为故障区段。
[0081]
根据区段首、末端节点的零序特征系数计算结果，区分故障区段与非故障区段，具体包括：当区段首端节点ε＝1，末端节点ε＝0时，判定为故障区段，其他情况判定为非故障区段。
[0082]
通过上述步骤，可以选出单相接地故障点所在区段，以对故障点进行隔离。
[0083]
本实施例中，通过用注入不同电流时各节点的零序电流与系统正常运行时的零序电流作差，可以消除电流中的不对称分量，从而可以消除配电网三相导纳不对称对区段定位结果的影响。
[0084]
为说明本实施例的效果，对本实施例的单相接地故障区段定位方法进行了仿真验证。
[0085]
1)建立模型
[0086]
仿真模型可以如图2所示，仿真模型中系统电压等级为10kv，配电网中共有5条馈线l1～l5，其中l1、l2为架空线，长度分别为9km、7km，l3为电缆-架空线混合线路，电缆、架空线长度分别为5km、4km，l4和l5为电缆，长度分别为7km、10km，各线路负荷大小均为2mva，功率因数为0.9，并设置电缆线路参数为：正序电阻为0.270ω/km，正序电感为0.255mh/km，正序电容为0.339uf/km，零序电阻为2.700ω/km，零序电感为1.019mh/km，零序电容为0.280uf/km；架空线路参数为：正序电阻为0.125ω/km，正序电感为1.300mh/km，正序电容为0.010uf/km，零序电阻为0.275ω/km，零序电感为4.600mh/km，零序电容为0.005uf/km，配电网阻尼率为0.08。按照图2将馈线l5设置为mn、ns、sl三个区段，其长度分别为3km、3km、4km，馈线l1首端节点为节点p，设置区段ns中发生a相接地故障，过渡电阻为10ω、100ω、1000ω。
[0087]
当配电网发生单相接地故障时，投入有源消弧装置，控制系统零序电压进行消弧，此时测量得到过渡电阻为10ω、100ω、1000ω的有源注入电流分别为44.65∠-116.27
°
a、47.49∠-98.75
°
a、48.23∠-96.07
°
a；在故障发生10s后，改变有源消弧装置参考电压为此时测量得到过渡电阻为10ω、100ω、1000ω时的有源注入电流分别为49.39∠-52.90
°
a、42.18∠-88.75
°
a、43.05∠-95.07
°
a，此外，注入电流与时的零序电压、电流变化量仿真结果如表1所示，由此可以得到经不同过渡电阻单相接地时各节点处相关测量导纳的相量值，以点n和点s为例，在过渡电阻为10ω、100ω时的相量图如图4与图5所示。
[0088]
表1三相对称配电网仿真结果
[0089][0090]
可见，当区段ns中发生单相接地故障时，故障馈线l5中故障点上游节点m、n处的零序特征系数接近于1，而故障点下游节点s与非故障馈线的节点p处的零序特征系数接近于0，其中，在区段ns中，区段首、末端节点的零序特征系数分别为1、0，判断其为故障区段，其他区段为非故障区段，与实际情况相同，判断正确。
[0091]
为了验证配电网三相不对称对定位结果的影响，在配电网馈线的a、b、c相上分别附加1.4μf、1.6μf、1.2μf的电容以模拟不对称配电网，此时，配电网不对称度为1.5％，同样将故障点设置在区段ns中。此时测得过渡电阻为10ω、100ω、1000ω时的有源注入电流分别为53.46∠-111.99
°
a、58.01∠-97.61
°
a、58.96∠-95.44
°
a；参考电压为时在10ω、100ω、1000ω过渡电阻条件下的注入电流分别为49.39∠-52.90
°
a、42.18∠-88.75
°
a、43.05∠-95.07
°
a，并且得到注入不同电流时系统零序电压与各节点零序电流变化量仿真结果如表2所示。
[0092]
表2三相不对称配电网仿真结果
[0093]
[0094]
可见，在当配电网三相导纳不对称时得到的仿真结果与配电网三相对称时相差不大，因此，配电网三相导纳不对称并不影响该区段定位方法的准确性，该方法对配电网三相不对称具有较强的适应能力。
[0095]
本实施例利用有源消弧装置注入不同的电流时，系统零序电压与各节点零序电流相对于系统正常运行时的变化量，计算各节点的零序特征系数，并基于各节点及其下游节点零序特征系数计算结果，区分故障区段与非故障区段。
[0096]
根据仿真结果显示，在使用有源消弧装置进行消弧的配电网中，无论系统三相对地导纳是否对称，该实施例均能正确选出故障区段，并且对过渡电阻具有较强的耐受能力。
[0097]
实施例2
[0098]
基于实施例1，本实施例提供基于零序特征系数的单相接地故障区段定位系统，包括：
[0099]
故障判断模块：被配置为根据获取的配电网系统的零序电压及各节点零序电流数据，判断是否发生故障；
[0100]
零序特征系数确定模块：被配置为当发生故障，控制有源消弧装置注入不同的电流，得到配电网系统零序电压与各节点零序电流相对于系统正常运行时的变化量，计算各节点的零序特征系数；
[0101]
故障区段判定模块：被配置为根据各节点及其下游节点零序特征系数，区分故障区段与非故障区段。
[0102]
此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例1中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
[0103]
实施例3
[0104]
本实施例提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1的方法所述的步骤。
[0105]
实施例4
[0106]
本实施例提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1的方法所述的步骤。
[0107]
本公开所提出的电子设备可以是移动终端以及非移动终端，非移动终端包括台式计算机，移动终端包括智能手机(smart phone，如android手机、ios手机等)、智能眼镜、智能手表、智能手环、平板电脑、笔记本电脑、个人数字助理等可以进行无线通信的移动互联网设备。
[0108]
应理解，在本公开中，该处理器可以是中央处理单元cpu，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器dsp、专用集成电路asic，现成可编程门阵列fpga或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0109]
该存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
[0110]
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者
软件形式的指令完成。结合本公开所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开的范围。
[0111]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0112]
在本公开所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能的划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或者直接耦合或者通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性、机械或其它的形式。
[0113]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本公开各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0114]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
[0115]
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。