本發(fā)明屬于電網(wǎng)故障定位技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了單端輻射型配電網(wǎng)單相接地故障的定位方法。

背景技術(shù)：

隨著智能配電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，故障定位技術(shù)對(duì)于迅速查找故障，快速恢復(fù)供電時(shí)間，降低各方經(jīng)濟(jì)損失有著重要意義。配電網(wǎng)的拓?fù)浔容^復(fù)雜，其線(xiàn)路連接方式也是多種多樣，各種不平衡性普遍存在，這些因素給故障定位帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。

根據(jù)故障定位的范圍，單端輻射型配網(wǎng)故障定位方法可主要分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是故障區(qū)域大體估計(jì)法，包括選線(xiàn)、分支(區(qū)段)以及線(xiàn)路段定位方法；另一類(lèi)是故障位置精確計(jì)算法，又可分為阻抗法和行波法。基于行波的故障定位方法一般利用故障發(fā)生后的暫態(tài)行波信息，采用一定的數(shù)學(xué)方法識(shí)別行波首波頭或者其后波頭的達(dá)到時(shí)刻，并根據(jù)配網(wǎng)拓?fù)湫畔?，?gòu)建特定的故障定位判據(jù)來(lái)求解。

傳統(tǒng)行波法應(yīng)用于配電網(wǎng)故障定位存在的主要問(wèn)題有：(1)配電線(xiàn)路復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致行波折反射規(guī)律較為復(fù)雜；(2)在配網(wǎng)中精確確定行波首波頭到達(dá)時(shí)間及行波波速較為困難；(3)行波法對(duì)測(cè)量同步性要求較高；(4)行波高頻分量的幅值衰減和相位滯后規(guī)律復(fù)雜，其值較難精確計(jì)算。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述背景技術(shù)提出的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供單端輻射型配電網(wǎng)單相接地故障的定位方法，克服傳統(tǒng)行波法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、同步性要求高等缺陷。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

單端輻射型配電網(wǎng)單相接地故障的定位方法，包括以下步驟：

(1)在故障發(fā)生前，預(yù)先建立單端輻射型配電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，在系統(tǒng)子站母線(xiàn)處模擬單相接地故障，采集各饋線(xiàn)首端和末端處零模電壓行波首波頭信號(hào)，并提取這些信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的幅值和相位；

(2)對(duì)于任一饋線(xiàn)，計(jì)算該饋線(xiàn)首端與末端的零模電壓行波首波頭信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的幅值比以及相位差絕對(duì)值，得到n維幅值比向量和n維相位差向量，n為配電網(wǎng)系統(tǒng)中的饋線(xiàn)數(shù)；

(3)對(duì)于混合饋線(xiàn)，設(shè)某混合饋線(xiàn)由n段不同波阻抗線(xiàn)路組成，則該混合饋線(xiàn)的波阻抗不連續(xù)點(diǎn)的數(shù)目為n+1，分別在這n+1個(gè)點(diǎn)處模擬單相接地故障，采集n+1次該混合饋線(xiàn)首端和末端處零模電壓行波首波頭信號(hào)，并提取這n+1次信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的幅值和相位，計(jì)算n+1次信號(hào)首端與末端的零模電壓行波首波頭信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的幅值比以及相位差絕對(duì)值，得到n+1維幅值比向量和n+1維相位差向量；

(4)實(shí)際配電網(wǎng)發(fā)生故障后，按照步驟(1)的方法提取各饋線(xiàn)首端和末端處零模電壓行波首波頭信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的幅值和相位，并按照步驟(2)的方法得到實(shí)際故障后的n維幅值比向量和n維相位差向量；

(5)計(jì)算步驟(2)得到的幅值比與步驟(4)得到的同一饋線(xiàn)的幅值比的比值，以及步驟(2)得到的相位差絕對(duì)值與步驟(4)得到的同一饋線(xiàn)的相位差絕對(duì)值的比值，得到n維幅值比比值向量和n維相位差比值向量；

(6)分別找出n維幅值比比值向量、n維相位差比值向量中的最大元素，若兩個(gè)向量的最大元素對(duì)應(yīng)的是同一饋線(xiàn)，則該饋線(xiàn)即為故障線(xiàn)路，若兩個(gè)向量的最大元素對(duì)應(yīng)的是不同饋線(xiàn)，則將n維幅值比比值向量的最大元素對(duì)應(yīng)的饋線(xiàn)作為故障線(xiàn)路；

(7)若故障線(xiàn)路為混合饋線(xiàn)，將步驟(4)得到的n維幅值比向量和n維相位差向量中該故障線(xiàn)路對(duì)應(yīng)的元素與步驟(3)得到n+1維幅值比向量和n+1維相位差向量中所有元素進(jìn)行比較，從n+1維幅值比向量和n+1維相位差向量中找出滿(mǎn)足下式的元素：

sarm≥a≥sarm+1

spdw≤p≤spdw+1

上式中，a為步驟(4)得到的n維幅值比向量中故障線(xiàn)路對(duì)應(yīng)的元素，p為步驟(4)得到的n維相位差向量中故障線(xiàn)路對(duì)應(yīng)的元素，sarm為n+1維幅值比向量中的第m個(gè)元素，spdw為n+1維相位差向量中的第w個(gè)元素，m,w∈[1,n]，若sarm與spdw對(duì)應(yīng)的是同一線(xiàn)路段，則該線(xiàn)路段為故障線(xiàn)路的故障線(xiàn)路段，若sarm與spdw對(duì)應(yīng)的是不同線(xiàn)路段，則sarm對(duì)應(yīng)的線(xiàn)路段為故障線(xiàn)路的故障線(xiàn)路段；

(8)若故障線(xiàn)路為分支饋線(xiàn)，提取該分支饋線(xiàn)各分支點(diǎn)處零模電壓行波首波頭信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的復(fù)向量；

(9)計(jì)算各分支點(diǎn)零模電壓行波首波頭信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的復(fù)向量的能量，則能量最大的分支即為該故障線(xiàn)路的故障分支。

進(jìn)一步地，在采集零模電壓行波首波頭信號(hào)時(shí)，需要確定計(jì)算數(shù)據(jù)窗，其確定方法如下：

(a)找尋零模行波信號(hào)的突變點(diǎn)，設(shè)測(cè)量點(diǎn)處采集的零模行波信號(hào)向量為u0＝[u1,u2,...,uk-1,uk,uk+1,...,ul]，其中l(wèi)為信號(hào)總長(zhǎng)度，若故障零模行波突變點(diǎn)為k，則應(yīng)該同時(shí)滿(mǎn)足如下兩式：

上式中，uk-2,uk-1,uk均不為零，ε為設(shè)定的閾值；

(b)選取突變點(diǎn)k前100個(gè)采樣點(diǎn)及其后x個(gè)采樣點(diǎn)作為計(jì)算數(shù)據(jù)窗，其中x由下式確定：

上式中，lmin為配電網(wǎng)中所有饋線(xiàn)中最短饋線(xiàn)的長(zhǎng)度，v為頻率為ω的高頻零模電壓行波的波速。

進(jìn)一步地，所述閾值ε＝2。

進(jìn)一步地，采用s變換提取零模電壓行波首波頭信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的幅值、相位和復(fù)向量。

進(jìn)一步地，零模電壓行波首波頭信號(hào)中高頻信號(hào)的頻率ω＝45khz。

進(jìn)一步地，在步驟(9)中，各分支點(diǎn)零模電壓行波首波頭信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的復(fù)向量的能量的計(jì)算公式如下：

上式中，s為某分支點(diǎn)零模電壓行波首波頭信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的復(fù)向量，e為s的能量，amp(s)表示求s的模值。

采用上述技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果：

本發(fā)明的核心在于通過(guò)模擬仿真預(yù)先建立母線(xiàn)及混合饋線(xiàn)各連接點(diǎn)故障時(shí)各饋線(xiàn)首、末端零模電壓行波首波頭高頻分量的幅值比和相位差陣列，再利用s變換快速、精確提取所需頻率分量的相位。本發(fā)明實(shí)施簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，由于只需提取某一頻率的幅值和相位，因此無(wú)需零模電壓行波波速和暫態(tài)行波首波頭到達(dá)時(shí)刻，且無(wú)需精確同步測(cè)量，具有較高的工程實(shí)踐意義。

附圖說(shuō)明

圖1為典型單端輻射型混合線(xiàn)路配電網(wǎng)示意圖；

圖2為本發(fā)明方法的流程圖；

圖3為仿真驗(yàn)證所搭建單端輻射型混合線(xiàn)路配網(wǎng)模型示意圖；

圖4為電弧電流仿真波形圖；

圖5為饋線(xiàn)1末端測(cè)量點(diǎn)原始信號(hào)及考慮10μs、30μs、50μs同步測(cè)量誤差的信號(hào)圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

典型的單端輻射型混合線(xiàn)路配電網(wǎng)如下圖1所示，本發(fā)明提出了一種針對(duì)單端輻射型配電網(wǎng)單相接地故障的定位方法，步驟如圖2所示。

步驟1：在故障發(fā)生前，預(yù)先建立單端輻射型配電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，在系統(tǒng)子站母線(xiàn)處模擬單相接地故障，采集各饋線(xiàn)首端和末端處零模電壓行波首波頭信號(hào)，采用s變換提取這些信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的幅值和相位。預(yù)先設(shè)定ω＝45khz。

步驟2：對(duì)于任一饋線(xiàn)，計(jì)算該饋線(xiàn)首端與末端的零模電壓行波首波頭信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的幅值比以及相位差絕對(duì)值，得到n維幅值比向量ar和n維相位差向量pd，n為配電網(wǎng)系統(tǒng)中的饋線(xiàn)數(shù)。

步驟3：對(duì)于混合饋線(xiàn)，設(shè)某混合饋線(xiàn)由n段不同波阻抗線(xiàn)路組成，則該混合饋線(xiàn)的波阻抗不連續(xù)點(diǎn)的數(shù)目為n+1，分別在這n+1個(gè)點(diǎn)處模擬單相接地故障，采集n+1次該混合饋線(xiàn)首端和末端處零模電壓行波首波頭信號(hào)，并提取這n+1次信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的幅值和相位，計(jì)算n+1次信號(hào)首端與末端的零模電壓行波首波頭信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的幅值比以及相位差絕對(duì)值，得到n+1維幅值比向量sar和n+1維相位差向量spd。

步驟4：實(shí)際配電網(wǎng)發(fā)生故障后，按照步驟1的方法提取各饋線(xiàn)首端和末端處零模電壓行波首波頭信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的幅值和相位，并按照步驟2的方法得到實(shí)際故障后的n維幅值比向量rar和n維相位差向量rpd。

步驟5：計(jì)算步驟2得到的幅值比與步驟4得到的同一饋線(xiàn)的幅值比的比值，以及步驟2得到的相位差絕對(duì)值與步驟4得到的同一饋線(xiàn)的相位差絕對(duì)值的比值，得到n維幅值比比值向量car和n維相位差比值向量cpd。

步驟6：分別找出car、cpd中的最大元素，若兩個(gè)向量的最大元素對(duì)應(yīng)的是同一饋線(xiàn)，則該饋線(xiàn)即為故障線(xiàn)路，若兩個(gè)向量的最大元素對(duì)應(yīng)的是不同饋線(xiàn)，則將car中的最大元素對(duì)應(yīng)的饋線(xiàn)作為故障線(xiàn)路。

步驟7：若故障線(xiàn)路為混合饋線(xiàn)，將步驟4得到的rar和rpd中該故障線(xiàn)路對(duì)應(yīng)的元素與步驟3得到的sar和spd中所有元素進(jìn)行比較，從sar和spd中找出滿(mǎn)足下式的元素：

sarm≥a≥sarm+1

spdw≤p≤spdw+1

上式中，a為rar中故障線(xiàn)路對(duì)應(yīng)的元素，p為rpd中故障線(xiàn)路對(duì)應(yīng)的元素，sarm為sar中的第m個(gè)元素，spdw為spd中的第w個(gè)元素，m,w∈[1,n]，若sarm與spdw對(duì)應(yīng)的是同一線(xiàn)路段，則該線(xiàn)路段為故障線(xiàn)路的故障線(xiàn)路段，若sarm與spdw對(duì)應(yīng)的是不同線(xiàn)路段，則sarm對(duì)應(yīng)的線(xiàn)路段為故障線(xiàn)路的故障線(xiàn)路段。

步驟8：若故障線(xiàn)路為分支饋線(xiàn)，通過(guò)s變換提取該分支饋線(xiàn)各分支點(diǎn)處零模電壓行波首波頭信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的復(fù)向量。

步驟9：計(jì)算各分支點(diǎn)零模電壓行波首波頭信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的復(fù)向量的能量，則能量最大的分支即為該故障線(xiàn)路的故障分支：

上式中，s為某分支點(diǎn)零模電壓行波首波頭信號(hào)中頻率為ω的高頻信號(hào)的復(fù)向量，e為s的能量，amp(s)表示求s的模值。

要進(jìn)行故障定位，首先需要準(zhǔn)確提取零模行波首波頭信號(hào)。配網(wǎng)中波阻抗不連續(xù)點(diǎn)的存在會(huì)使得傳播至此處的初始零模行波發(fā)生折反射，如果初始零模行波首波頭信號(hào)的計(jì)算數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度選擇不合適的話(huà)，則其信號(hào)中會(huì)包含一定成分的反射分量。本發(fā)明確定計(jì)算數(shù)據(jù)窗的方法如下：

(1)找尋零模行波信號(hào)的突變點(diǎn)，設(shè)測(cè)量點(diǎn)處采集的零模行波信號(hào)向量為u0＝[u1,u2,...,uk-1,uk,uk+1,...,ul]，其中l(wèi)為信號(hào)總長(zhǎng)度，若故障零模行波突變點(diǎn)為k，則應(yīng)該同時(shí)滿(mǎn)足如下兩式：

上式中，uk-2,uk-1,uk均不為零，ε為設(shè)定的閾值，經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)，ε取值為2時(shí)，可以保證在各種情況下準(zhǔn)確得到故障零模行波信號(hào)突變點(diǎn)。

(2)選取突變點(diǎn)k前100個(gè)采樣點(diǎn)及其后x個(gè)采樣點(diǎn)作為計(jì)算數(shù)據(jù)窗，其中x由下式確定：

上式中，lmin為配電網(wǎng)中所有饋線(xiàn)中最短饋線(xiàn)的長(zhǎng)度，v為頻率為ω的高頻零模電壓行波的波速，該值不需要精確計(jì)算，可以取為光速。根據(jù)這個(gè)原則，x取值為10可以適應(yīng)各種情況。

仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本發(fā)明的正確性，在pscad上搭建了一個(gè)10kv單端輻射型混合線(xiàn)路配電網(wǎng)，如圖3所示。為了方便起見(jiàn)，所有架空線(xiàn)均采用同一配置，而所有電纜也采用相同的配置，采用精確的依頻特性相位模型來(lái)表征實(shí)際中的架空線(xiàn)與電纜。各個(gè)饋線(xiàn)的測(cè)量點(diǎn)布置如前所述，采樣頻率均為1mhz。通過(guò)在母線(xiàn)和混合連接饋線(xiàn)1特定點(diǎn)處模擬故障后，所得到的選線(xiàn)及線(xiàn)路段定位標(biāo)準(zhǔn)幅值比和相位差陣列，如下表1所示。本文所有表格中的相角差單位均為弧度。為了驗(yàn)證各種因素對(duì)本文方法的影響，分別在不同的中性點(diǎn)接地方式、故障電阻、故障初相角、電弧及同步測(cè)量誤差存在的情況下進(jìn)行了仿真。

表1故障選線(xiàn)及線(xiàn)路段定位標(biāo)準(zhǔn)幅值比和相位差陣列

1.不同中性點(diǎn)接地方式、故障電阻、故障距離的影響

為了驗(yàn)證這幾個(gè)因素對(duì)本發(fā)明的影響，分別在饋線(xiàn)1的電纜和饋線(xiàn)3的架空線(xiàn)不同位置處，中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地兩種不同接地方式下，故障電阻為10ω、200ω、500ω時(shí)，一共42種不同情況下進(jìn)行a相接地故障仿真，如表2(a)和2(b)所示。

表2(a)實(shí)際故障發(fā)生在饋線(xiàn)1電纜不同位置時(shí)的計(jì)算結(jié)果

表2(b)實(shí)際故障發(fā)生在饋線(xiàn)3架空線(xiàn)不同位置時(shí)的計(jì)算結(jié)果

別為故障發(fā)生在在饋線(xiàn)1電纜和饋線(xiàn)3架空線(xiàn)不同位置時(shí)的計(jì)算結(jié)果，其中故障距離指故障點(diǎn)距離饋線(xiàn)首端子站母線(xiàn)的距離。從表中結(jié)果可看出，該方法不受以上因素影響。

2.電弧存在時(shí)的影響

為了驗(yàn)證單相接地時(shí)產(chǎn)生的電弧對(duì)本文方法的影響，采用最符合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)狀況的控制論電弧模型。在中性點(diǎn)不接地時(shí)，不同的饋線(xiàn)的不同位置處施加a相接地電弧故障，測(cè)得的電弧電流如圖4所示，從圖中可看出，電弧故障發(fā)生時(shí)刻約為50ms，故障瞬間產(chǎn)生電流尖峰脈沖信號(hào)，待電弧穩(wěn)定后，電弧電流波形整體上呈現(xiàn)正負(fù)不對(duì)稱(chēng)性且每個(gè)周波存在兩次“零休”現(xiàn)象。仿真結(jié)果如表3所示，表中的故障距離指故障點(diǎn)到饋線(xiàn)首端子站母線(xiàn)處的距離。從表中可以看出，即使發(fā)生電弧故障，該方法仍然能夠可靠工作。

表3不同故障位置處發(fā)生電弧故障時(shí)的計(jì)算結(jié)果

3.同步測(cè)量誤差的影響

為了驗(yàn)證同步測(cè)量誤差對(duì)本文算法的影響，將各饋線(xiàn)首端測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的零模電壓行波信號(hào)保持不變，而將末端測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的零模電壓行波首波頭信號(hào)在原有基礎(chǔ)上分別向后推遲10、30、50個(gè)點(diǎn)，并在系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地的情況下，分別在饋線(xiàn)1電纜、饋線(xiàn)2架空線(xiàn)、饋線(xiàn)3架空線(xiàn)的中點(diǎn)處模擬單相電弧型接地故障。圖5為饋線(xiàn)1電纜中點(diǎn)處發(fā)生電弧接地時(shí)，將饋線(xiàn)1末端測(cè)量點(diǎn)處獲得的零模電壓行波信號(hào)向后推遲10、30、50個(gè)點(diǎn)所得到的信號(hào)圖。最終計(jì)算結(jié)果如表4所示，其中sme為同步測(cè)量誤差。信號(hào)數(shù)據(jù)窗的確定只與突變點(diǎn)有關(guān)，因此實(shí)際上同步測(cè)量誤差對(duì)本文方法無(wú)影響，從表中也可以看出這一點(diǎn)。

表4考慮同步測(cè)量誤差時(shí)的計(jì)算結(jié)果

實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。