CN105954640A - 基于主频零序功率的配电网故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主频零序功率的配电网故障选线方法，在复杂的小电流接地系统发生单相接地故障时，现有的利用相关性选线的方法有时因判据裕度不足而产生误判,针对裕度不足的问题，本专利提出了基于主频零序功率的配电网故障选线方法，其以主频零序功率作为特征量来选线，计算出各馈线所对应的主频零序功率综合相关系数，其中故障线路综合相关系数小于零，而健全线路综合相关系数大于零。大量仿真结果表明，此方法在一定程度上提高了选线判据裕度和选线准确率，且不受合闸角和故障电阻的影响。

Description

基于主频零序功率的配电网故障选线方法

技术领域

本发明属于配电网故障选线方法技术领域，具体涉及一种基于主频零序功率的配电网故障选线方法。

背景技术

配电网结构复杂，现有的故障选线方法还是有所限制。如注入信号法，可利用信号检测装置判断故障线路，但需要装设信号注入设备，投资比较大，且受间歇性电弧和故障电阻的影响；零序导纳法利用每条线路故障前后导纳系数的变化进行故障选线，但它需要消弧线圈一起配合使用，适用范围有限；首半波法利用故障线路与健全线路的首次波头极性相反的原理选线，但对采集设备要求过高；零序电流相关分析法可利用故障线路零序电流综合相关性小而健全线路综合相关性大的原理进行选线，但判据裕度有时过低，容易引起误判。相关文献提出的基于小波包的相关性选线方法由于存在小波基函数选取的问题，因此有待改进。零序功率相关分析法利用故障区段与非故障波形方向相反的原理在定位方法已应用的比较多，由于零序功率相对零序电流引入了零序功率信号，在实际运用中会避免在运用零序电流信号作为特征量选线时信号微弱产生误判问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种基于主频零序功率的配电网故障选线方法，是利用prony算法提出的基于主频零序功率的配电网故障选线新方法，利用故障线路主频零序功率极性与健全线路极性相反，进而可通过主频零序功率综合相关系数来选线，此方法在很大程度上提高了故障判据裕度和定位准确率，更适用于结构复杂的配电网系统。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，基于主频零序功率的配电网故障选线方法，其特征在于具体步骤为：

步骤1，实时检测零序电流是否大于0.15倍的系统额定相电压最大值，如若是则进行步骤2；

步骤2，利用prony算法提取母线主频零序电压和各馈线主频零序电流；

步骤3，通过主频零序电压分别与各馈线主频零序电流相乘来计算各馈线所对应的主频零序频率；

步骤4，利用公式计算各馈线主频零序功率之间的两两相关系数，式中q_0zx，q_0zy分别表示馈线x，y所对应的主频零序功率，n＝1表示故障发生时刻，N为信号数据长度，最终得到矩阵ρ_ij表示第i条馈线与第j条馈线主频零序功率之间的相关系数，l表示馈线的总个数；

步骤5，利用公式计算各馈线主频零序功率综合相关系数；

步骤6，小于零的综合相关系数所对应的馈线为故障线路，若综合相关系数都大于零则是母线故障。

本发明以主频零序功率作为特征量来选线，计算出各馈线所对应的主频零序功率综合相关系数，其中故障线路综合相关系数小于零，而健全线路综合相关系数大于零。大量仿真结果表明，此方法在一定程度上提高了选线判据裕度和选线准确率，且不受合闸角和故障电阻的影响。

附图说明

图1是本发明的仿真模型图；

图2是本发明中合闸角0度、故障电阻5Ω时各线路主频零序功率；

图3是本发明中合闸角0度、故障电阻5000Ω时各线路主频零序功率。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

实施例

1、主频分量的提取

prony算法现在在主频分量的提取上运用的很成熟，它是通过一系列的振幅、频率、相位、衰减因子的复指数函数的线性拟合的算法。假设有k个暂态输入量y(0),y(0),…,y(k-1)，那么利用m个指数函数来拟合输入量的表达式如下所示：

$b_s=A_s{e}^{{\mathrm{j\θ}}_s}---\left(1\right)$

$z_s=e^{({\mathrm{\α}}_s+j2{\mathrm{\πf}}_s)\mathrm{\Δ}t}---\left(2\right)$

$\hat{y}\left(i\right)=\underset{s=1}{\overset{m}{\Σ}}{b}_s{z}_s^i---\left(3\right)$

式中A_s为振幅，θ_s为初相角，α_s为衰减因子，f_s为频率，Δt为时间间隔。通过文献(黄云江，谢维波.基于迭代Prony算法的高精度谐波检测[J]，电气应用，2007，26(4):96-100；刘应梅,高玉洁.基于Prony法的暂态扰动信号分析[J]，电网技术2006,30(4),26-30)中的步骤可求出m组的振幅、频率、相位、衰减因子。把m组数据分别代入式(1)-(3)中，可得到m个分量。本文定义利用m组中幅值最大所对应的那一组数据算得的分量为主频分量，所对应的频率叫作主频率。本文需提取主频零序功率，因此可通过对零序电流和零序电流信号进行prony算法拟合，提取相应的主频零序电流和主频零序电压来求取主频零序功率，如下所示：

q_0z(n)＝u_0z(n)*i_0z(n)，n＝1,2,…,N (4)

其中i_0z，u_0z，q_0z分别表示主频零序电流、主频零序电压和主频零序功率。

2、选线原理

通过文献(张新慧,潘馨雨,何柏娜，等.基于暂态主频零模电流的故障选线仿真研究[J].计算机仿真，2013,30(10)：157-162)可知健全线路的主频零序电流超前母线主频零序电压90度，故障线路的主频零序电流滞后母线主频零序电压90度，因此可知健全线路的主频零序功率的相位与故障线路的主频零序功率是相差180度，那么可知健全线路的主频零序功率与故障线路的主频零序功率之间的相关系数为负，而每两条健全线路的主频零序功率之间的相关系数为正，因此可利用综合相关系数作为判据来选线。

一般相关系数是来形容两个信号的相似程度。那么任意两条馈线所对应的主频零序功率之间的相关系数记为ρ，可表示为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{q}_{0zx}\left(n\right)q_{0zy}\left(n\right)}{\sqrt{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{q}_{0zx}^2\left(n\right)\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{q}_{0zy}^2\left(n\right)}}---\left(5\right)$

式中q_0zx，q_0zy分别表示馈线x，y所对应的主频零序功率。n＝1表示故障发生时刻，N为信号数据长度。由于零序电流互感器在故障发生1/4个周期以后容易饱和，因此本文只选取故障发生后1/10个周期内的数据进行相关性分析，这样也减少了运算数据，提高了选线效率。

通过公式(5)可求得各馈线主频零序功率之间的两两相关系数，那么可得到相关系数矩阵如下所示：

$B=\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\ρ}}_{11}& \mathrm{...}& {\mathrm{\ρ}}_{1j}& \mathrm{...}& {\mathrm{\ρ}}_{1l}\\ .& & .& & .\\ .& & .& & .\\ .& & .& & .\\ {\mathrm{\ρ}}_{i1}& \mathrm{...}& {\mathrm{\ρ}}_{ij}& \mathrm{...}& {\mathrm{\ρ}}_{il}\\ .& & .& & .\\ .& & .& & .\\ .& & .& & .\\ {\mathrm{\ρ}}_{l1}& \mathrm{...}& {\mathrm{\ρ}}_{lj}& \mathrm{...}& {\mathrm{\ρ}}_{ll}\end{array}\right]$

ρ_ij表示第i条馈线与第j条馈线主频零序功率之间的相关系数，l表示馈线的总个数。定义第i的综合相关系数为第i条馈线与其他馈线之间的相关系数的平均数,即第i行元素的平均数，每条线路所对应的综合相关系数用公式可表示为：

${\mathrm{\ρ}}_i=\frac{1}{l}\underset{j=1}{\overset{l}{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_{ij}---\left(6\right)$

配电网线路中发生单相接地故障时，综合相关系数小于零的馈线为故障线路，若都大于零则是母线故障。具体选线步骤如下所示：

1)实时检测零序电流是否大于0.15倍的系统额定相电压最大值，如若是则进行第二步；

2)利用prony算法提取母线主频零序电压和各馈线主频零序电流；

3)通过主频零序电压分别与各馈线主频零序电流相乘来计算各馈线所对应的主频零序频率；

4)利用公式(5)计算各馈线主频零序功率之间的两两相关系数，得到矩阵B；

5)利用公式(6)计算各馈线主频零序功率综合相关系数；

6)小于零的综合相关系数所对应的馈线为故障线路；若综合相关系数都大于零则是母线故障。

3算例分析

利用EMTP搭建了110kv/10kv的配电网经消弧线圈接地模型如图1所示，其中架空线路与电缆线路参数引用于参考文献(康小宁，刘鑫，索南加乐，等.基于矩阵束算法的经消弧线圈接地系统故障选线新方法[J].电力系统自动化，2012,36(12):88-93)；本文每条馈线都接有负荷，用一个400+j20Ω的阻抗代替；消弧线圈采用过补偿方式运行，补偿度为8％，消弧线圈电感值为0.982H；采样频率为100kHz，仿真时间设为0.04s，发生单相接地故障时刻为0.02s。

3.1仿真结果分析

对单相接地故障分别发生在线路1的10％和90％、合闸角0度和90度时的结果进行分析验证，由于篇幅限制，只分别给出单相接地故障发生在线路1的10％处合闸角0度、故障电阻为5Ω和合闸角0度、故障电阻5000Ω时从各线路处提取到的主频零序电流和从母线处提取到主频零序电压如表1所示，母线的主频零序电压与各线路的主频零序电流的乘积即为各线路的主频零序功率如图2、3所示。通过图2、3可知健全线路2、3、4的主频零序功率分别与故障线路1的主频零序功率的方向是相反的，而健全线路2、3、4的主频零序功率方向是相同，因此可知此方法应用在本仿真模型上的效果很好。

为了更近一步的验证此方法的可行性，本文列出了相应的仿真条件所得到的每条馈线的综合相关系数如表2所示，此方法记为方法一。为了比较本文提出的主频零序功率作为特征量的优势，本文也做了以传统的零序功率作为特征量来选线，此方法记为方法二，结果如表3所示。

通过表2可知，运用主频率零序功率选线效果很好，健全线路主频率零序功率所对应的综合相关系数很大，而故障线路主频率零序功率所对应的综合相关系数很小，所以其判据裕度很大，且不受故障电阻、故障位置、合闸角的影响，因此不存在误判的现象。通过表3可知，若仅仅利用传统的零序功率作为特征量来分析其综合相关性，其判据裕度不够大，若外界有扰动干扰，则很容易发生误判现象。

表1主频分量参数

3.2母线故障分析

为了检验基于主频零序功率，本文做了母线在合闸角为0度时发生了过渡电阻为5Ω、50Ω、500Ω、5000Ω的4种单相接地情况，得到的各馈线主频零序功率的综合相关系数如表4所示。

仿真结果表明，本文提出的基于主频零序功率的配电网选线新方法适应于母线故障判别，判据裕度比较大，不易发生误判。

表2利用主频零序功率综合相关系数选线结果

表3利用传统零序功率综合相关系数选线结果

表4母线故障时各馈线主频零序功率的综合相关系数

4、结论

本文提出了利用各馈线主频零序功率之间的综合相关系数选线的方法，其判据裕度较大，不易受外界干扰而出现误判的现象，能有效的判别出故障馈线，且不受故障电阻、故障合闸角、故障位置的影响，更能适应结构复杂的配电网系统。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (1)

1.基于主频零序功率的配电网故障选线方法，其特征在于具体步骤为：

步骤1，实时检测零序电流是否大于0.15倍的系统额定相电压最大值，如若是则进行步骤2；

步骤2，利用prony算法提取母线主频零序电压和各馈线主频零序电流；

步骤3，通过主频零序电压分别与各馈线主频零序电流相乘来计算各馈线所对应的主频零序频率；

步骤4，利用公式计算各馈线主频零序功率之间的两两相关系数，式中q_0zx，q_0zy分别表示馈线x，y所对应的主频零序功率，n＝1表示故障发生时刻，N为信号数据长度，最终得到矩阵ρ_ij表示第i条馈线与第j条馈线主频零序功率之间的相关系数，l表示馈线的总个数；

步骤5，利用公式计算各馈线主频零序功率综合相关系数；

步骤6，小于零的综合相关系数所对应的馈线为故障线路，若综合相关系数都大于零则是母线故障。