一种基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法与流程

本发明涉及配电网故障定位，特别是一种基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法。

背景技术：

1、配电网作为与用户关系最为紧密的电能分配环节，其可靠性直接影响电力系统整体性能效率和用户供电质量。配电系统网络结构的复杂化、供电运行方式的多样化增加了控制操作和事故处理的难度。因此，能实现线路故障区段快速定位、隔离以及故障远方自动操作处理的配电自动化系统得到了广泛应用。

2、馈线自动化作为配电自动化最基本也是最重要的组成部分，按是否需要配电自动化终端与配电主站相互通信来实现区段定位与隔离，主要分为主站集中型馈线自动化和就地型馈线自动化。其中，就地型馈线自动化主要包括重合器式和智能分布式两类。重合器需要与变电站出线断路器或线路首端重合器相配合，在第一次重合时实现故障定位与隔离，第二次重合实现非故障区域供电恢复。经过十几年的发展与应用，以电压时间型、电压电流时间型为代表的产品和运行经验都已比较成熟。但重合器式馈线自动化需要多次分合闸，会导致非故障区段供电闪动；而且其对定值管理水平要求较高，造成维护困难。主站集中型馈线自动化综合沿线安装的终端控制单元上送采集故障电压电流信息或某一特征量选出故障线路或直接判出故障区段，可以达到快速切除故障和恢复供电的目的，符合智能电网建设需要，是目前国内研究热点。其中，基于故障后零序稳态电气量的故障选线方法易受消弧线圈的影响，应用范围受到限制。而中性点补偿电感在高频下阻抗值很大，近似于开路，因此，专家学者主要针对暂态下配电网单相故障定位方法展开研究。通过求取相邻检测点之间暂态零模电流相关系数确定故障区段，只需检测零模电流但需要各检测点严格时间同步；利用故障暂态电压、电流特征频段内的无功功率方向确定故障区段，该方法不需要各检测点时间精确同步，但需要利用零序电压信号，而馈线终端大多只配套安装线电压互感器；鉴于此，利用暂态线电压和零模电流计算故障方向，再根据故障区段两侧方向参数极性相反的特点定位故障区段，但现场一般只能直接获取到两个线电压。除使用零模分量外，利用三相电流中的每两相电流突变量相关系数实现接地故障定位，但需要先选择合适的带通滤波器滤去合适的高次谐波；通过比较三相电流中由接地故障产生的故障电流暂态分量的相关系数判别故障区段，但单相接地故障电流非常小，容易受负荷电流的影响。

3、鉴于此，需要一种基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法。

技术实现思路

1、鉴于现有的中压配电电缆潜伏性故障定位方法存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题在于如何有效地定位中压配电电缆的潜伏性故障区段，特别是在故障持续时间短、故障能量小且故障定位困难的情况下。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明实施例提供了一种基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法，其包括，将分布式电源dg接入配电网，并建立中压电缆潜伏性故障模型；基于中压电缆潜伏性故障模型，设置若干检测点，并对各检测点的暂态零序电流录波数据进行s变换处理，得到复时频矩阵；根据复时频矩阵和能量最大值原理，选择故障特征频率，并计算相邻检测点之间极性的比值，进行判断故障区段。

5、作为本发明所述基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法的一种优选方案，其中：所述中压电缆潜伏性故障模型的构建过程包括以下步骤：采用kizilcay电弧模型对潜伏性故障进行仿真，并通过电弧瞬时电导函数g(t)和电弧瞬时电阻rarc(t)满足静态电弧电压ust(t)的数量关系；将电弧瞬时t电导函数g(t)和静态电弧电压ust(t)代入kizilcay电弧模型中，得到kizilcay动态电弧模型；将中压配电缆潜伏性故障视作电弧电阻和缺陷通道等效电阻的串联，根据kizilcay动态电弧模型得到中压电缆潜伏性故障模型，具体公式如下：

6、

7、其中，uf(t)为电缆潜伏性故障f电压，为潜伏性零序故障f0电流，rarc(t)为电弧arc瞬时电阻，r0为缺陷通道等效电阻。

8、作为本发明所述基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法的一种优选方案，其中：所述kizilcay电弧模型的相关公式如下：

9、

10、式中，τ为时间常数，g为电弧静态等效电导，用于外部条件使得电流长时间稳定时的电弧电导值，g(t)为电弧瞬时t电导函数，具体公式如下：

11、

12、其中，if(t)为故障f顺势电流，ust(t)为稳态st电弧电压。

13、所述数量关系的相关公式如下：

14、

15、其中，rarc(t)为电弧arc瞬时电阻，u0为电弧arc的特征电压，r0为电弧arc的特征电阻。

16、所述kizilcay动态电弧模型的具体公式如下：

17、

18、作为本发明所述基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法的一种优选方案，其中：通过对采集的暂态电流离散信号进行s变换，得到二维的关于幅值和相角的复时频矩阵；所述s变换s(η,f)的相关公式如下：

19、

20、其中，w(η-t,f)为窗函数，x(t)为一维连续信号，f为频率，η为高斯窗口在时间轴t上的位置参数，t为时间轴。

21、假设一维连续信号x(t)的离散信号为x(kt)，其中k＝0,2,...,n-1，得到s变换的离散形式，相关公式如下：

22、

23、其中，为一维连续信号x(t)的离散傅里叶变换形式，n为离散信号的频率，l为s变换离散所用时间，l＝0,1,2,...,n-1，j为虚数单位，r为平移单位，n为采样点数，t为采样时间间隔。

24、作为本发明所述基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法的一种优选方案，其中：所述复时频矩阵包括幅值复时频矩阵s和相角复时频矩阵p；所述复时频矩阵的列对应采样时间，行对应频率值，矩阵元素为复数；所述相角复时频矩阵p包括以下步骤：对暂态电流信号进行s变换，得到相角时频矩阵p；在频率的采样点中，获得相角值，并选择特征频率对应的相角向量；通过故障后特征频率对应的1/4工频周期零序电流短窗数据的相角确定极性特征值，相关公式如下：

25、pmaj＝[θ1,θ2,...,θω]；

26、其中，pmaj为相角矩阵，θ为特征频率对应的s变换相角复时频矩阵p的行中各元素，ω为故障后1/4工频周期对应时刻点，ω＝nt/4n。

27、求出幅值时频矩阵s各行元素的平方和，将平方和视为各行对应频率下的暂态能量值；比较各行对应频率下的暂态能量值，将暂态能量值最大的行所对应的频率值视为故障特征频率；复时频矩阵相邻行的频率差δf和第n行对应的频率fn的相关公式如下：

28、

29、其中，δf为复时频矩阵相邻行的频率差，fn为第n行对应的频率，fs为采样s频率，n为采样点数。

30、作为本发明所述基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法的一种优选方案，其中：还包括，抽取出相角复时频矩阵p中故障特征频率对应行数的所有元素，组成相角矩阵pmaj；设定相角阈值，根据相角矩阵和相角阈值构造极性向量θ，具体公式如下：

31、

32、其中，θset为相角阈值，θj为相角矩阵pmaj中的第j列的元素。

33、定义极性值为1/4工频周期内极性向量θ的符号函数之和，基于极性值得出极性，相关公式如下：

34、

35、其中，pol为极性，sign(θ(j))为1/4工频周期内极性向量θ的符号函数，θ(j)为相角矩阵pmaj第j个元素的极性向量，ω为故障后1/4工频周期对应时刻点，ω＝nt/4n。

36、计算相邻检测点之间极性的比值，并通过相邻检测点之间极性的比值判断故障区段，具体公式如下；

37、

38、其中，pol(i,i+1)为极性特征值，poli为前检测点i的极性，poli+1为后检测点i+1的极性。

39、作为本发明所述基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法的一种优选方案，其中：所述判断故障区段包括，当相邻检测点之间极性的比值为-1时，则将此区段视为故障区段；当相邻检测点之间极性的比值为1时，则将此区段视为健全区段。

40、第二方面，本发明实施例提供了一种基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位系统，其包括：建立模块，用于将分布式电源dg接入配电网，并建立中压电缆潜伏性故障模型；s变换处理模块，基于中压电缆潜伏性故障模型，设置若干检测点，并对各检测点的暂态零序电流录波数据进行s变换处理，得到复时频矩阵；判断故障区段模块，用于根据复时频矩阵和能量最大值原理，选择故障特征频率，并计算相邻检测点之间极性的比值，进行判断故障区段。

41、第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法的步骤。

42、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法的步骤。

43、本发明有益效果为：本发明将分布式电源dg接入配电网，并建立中压电缆潜伏性故障模型；设置若干检测点，并对各检测点的暂态零序电流录波数据进行s变换处理，得到复时频矩阵；根据能量最大值原理，选择故障特征频率，并计算相邻检测点之间极性的比值，进行判断故障区段，从而解决电缆潜伏性故障持续时间短、故障能量小和故障定位困难的问题。

技术特征：

1.一种基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法，其特征在于：包括，

2.如权利要求1所述的基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法，其特征在于：所述中压电缆潜伏性故障模型的构建过程包括以下步骤：

3.如权利要求2所述的基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法，其特征在于：所述kizilcay电弧模型的相关公式如下：

4.如权利要求3所述的基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法，其特征在于：通过对采集的暂态电流离散信号进行s变换，得到二维的关于幅值和相角的复时频矩阵；所述s变换s(η,f)的相关公式如下：

5.如权利要求4所述的基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法，其特征在于：所述复时频矩阵包括幅值复时频矩阵s和相角复时频矩阵p；所述复时频矩阵的列对应采样时间，行对应频率值，矩阵元素为复数；所述相角复时频矩阵p包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法，其特征在于：还包括，

7.如权利要求6所述的基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法，其特征在于：所述判断故障区段包括，

8.一种基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位系统，基于权利要求1～7任一所述的基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法，其特征在于：包括，

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～7任一所述的基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～7任一所述的基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种基于特征频率下暂态能量相角的故障区段定位方法，涉及配电网故障定位技术领域，包括将分布式电源DG接入配电网，并建立中压电缆潜伏性故障模型；设置若干检测点，并对各检测点的暂态零序电流录波数据进行S变换处理，得到复时频矩阵，选择故障特征频率，并计算相邻检测点之间极性比值，进行判断故障区段。本发明将分布式电源DG接入配电网，并建立中压电缆潜伏性故障模型；设置若干检测点，并对各检测点的暂态零序电流录波数据进行S变换处理，得到复时频矩阵；根据能量最大值原理，选择故障特征频率，并计算相邻检测点之间极性的比值，进行判断故障区段，从而解决电缆潜伏性故障持续时间短、故障能量小和故障定位困难的问题。

技术研发人员：李克文,俞小勇,欧世锋,秦丽文,张碧芸,朱子明,吴丽芳,谢国汕,杨雄杰
受保护的技术使用者：广西电网有限责任公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5