一種基于電流極性比較的主動配電網故障定位方法及系統與流程

本發明屬于電力系統電力線路故障定位的技術領域，尤其涉及一種基于電流極性比較的主動配電網故障定位方法及系統。

背景技術：

在電力系統中，故障的快速、準確定位是一個非常重要的環節，以保證電力系統的正常運行進而降低系統平均停電持續時間指標。

隨著大量分布式電源(Distributed Generation，DG)接入配電網，配電網的規劃、運行和控制等環節已成為智能配電網的熱點問題。能夠實現主動規劃、主動管理和主動控制等功能的主動配電網技術無疑是解決這些問題的新思路。主動配電網由原來的含單一電源的輻射狀網絡變成了一個正常運行時功率與故障電流雙向流動的有源網絡，致使傳統的保護和控制方法失效。主動配電網在發生故障時要求迅速實現故障隔離和非故障區域的供電恢復，而實現故障隔離和供電恢復的前提是故障定位，因此，研究主動配電網故障定位具有重要的意義。

傳統的故障定位方法主要有阻抗法、電流比幅法、電流比相法、行波法和智能化方法等。阻抗法由于配電網的阻抗受環境因素影響較大，故障定位精度受限。電流比幅法僅適用于不含分布式電源的傳統配電網，在主動配電網中失效。電流比相法雖然適用于含分布式電源的配電網，但是需要有電壓互感器配合，而配電網饋電線路上一般不裝設電壓互感器，不能應用于主動配電網。行波法雖然不受分布式電源的影響，但是行波波頭識別較困難。智能化方法是采用遺傳算法、粒子群優化算法和神經網絡等智能算法提高故障定位的搜索速度和容錯能力，但是不適用于含分布式電源的主動配電網。

傳統配電網中具有饋線終端單元(Feeder Terminal Unit，FTU)，但是FTU僅實現其數據采集的功能，FTU將采集到的數據上傳至控制中心，由控制中心進行信息處理和智能決策，在控制中心中進行分析判斷實現對配電網中線路故障的識別與定位，FTU根據控制中心的指令進行故障的隔離。在傳統配電網中FTU沒有主動控制功能，然而包含分布式電源的主動配電網要求配電終端和電力用戶主動參與電網的管理和控制，要求FTU具有主動控制功能，實現故障定位和故障隔離。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，克服傳統的故障定位方法無法應用于含有分布式電源的主動配電網中，或傳統的故障定位方法在應用于主動配電網過程中故障定位精度低、識別困難、需要額外安裝設備的問題，提供一種基于電流極性比較的主動配電網故障定位方法及系統。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于電流極性比較的主動配電網故障定位方法，所述方法步驟包括：

(1)主動配電網饋線各檢測點的FTU實時檢測饋線的相電流和零序電流，每個所述FTU依次根據其連續三個采樣的相電流值和零序電流的變化量判斷該檢測點是否發生故障；

如果是，啟動故障定位，進入步驟(2)；如果否，故障定位結果為無，進入步驟(6)；

(2)故障起始點的FTU記錄自故障起始時刻開始的半個周波的電流信號，其他檢測點的FTU以故障起始點FTU的故障起始時刻作為數據起始點，進行數據同步，記錄半個周波的電流信號；

(3)各個檢測點的FTU分別根據其記錄的半個周波的電流信號計算電流極性值；

(4)從主動配電網饋線起始點起，各檢測點FTU依次獲取與本檢測點相鄰的下游檢測點FTU計算的電流極性值，并且計算本檢測點的電流極性值與下游檢測點電流極性值的差值，并且根據該電流極性值的差值的絕對值判斷本檢測點與其下游檢測點之間是否為故障區段；

(5)計算步驟(4)中判斷出的故障區段中檢測點的可信度，當可信度較低時進行故障定位容錯處理，得到故障定位結果；

(6)將故障定位結果發送至控制中心。

優選的，所述步驟(1)的具體步驟為：

(1-1)：判斷主動配電網的系統類型：若所述主動配電網為小電流接地系統，進入步驟(1-2)；若所述主動配電網為大電流接地系統，進入步驟(1-4)；

(1-2)：各檢測點的FTU實時檢測饋線的相電流和零序電流；

(1-3)：各檢測點的FTU根據相電流故障定位啟動判據判斷是否發生短路故障；各檢測點的FTU根據零序電流故障定位啟動判據判斷是否發生小電流接地故障；進入步驟(1-6)；

(1-4)：各檢測點的FTU實時檢測饋線的相電流；

(1-5)：各檢測點的FTU根據相電流故障定位啟動判據判斷是否發生短路故障；

(1-6)：如果是，啟動故障定位，進入步驟(2)；如果否，故障定位結果為無，進入步驟(6)。

優選的，所述小電流接地系統的判斷依據為所述主動配電網為中性點非有效接地系統，所述大電流接地系統的判斷依據為所述主動配電網為中性點直接接地系統。

優選的，為了避免干擾信號誤啟動故障定位，所述步驟(1-6)中在啟動故障定位之前對步驟(1-3)以及步驟(1-5)的結果進行校驗，若故障相電流有效值I_kp大于等于相電流故障可靠系數K_ekp與系統無故障時的相電流有效值I_p的乘積，則確定發生了短路故障；若故障零序電流有效值I_k0大于等于零序電流故障可靠系數K_ek0與系統無故障時的不平衡電流有效值I_un的乘積，則確定發生了小電流接地故障；

I_kp≥K_ekpI_p，其中，K_ekp＝2～3；

I_k0≥K_ek0I_un，其中，K_ek0＝2～3。

優選的，所述故障相電流有效值I_kp的計算公式為：

其中，i_p(k)為故障相第k個檢測點的相電流瞬時值；N為半個周波的采樣點數；

所述故障零序電流有效值I_k0的計算公式為：

其中，i₀(k)為故障零序電流第k個檢測點的零序電流瞬時值；N為半個周波的采樣點數。

優選的，所述步驟(3)中的電流極性值表示各檢測點電流的極性，極性值為半個周波故障電流信號中正采樣值或負采樣值的個數；

當為正采樣值時，判斷為正極；

當為負采樣值時，判斷為負極；

當半個周波數據存在過零點時，即半個周波內既有正采樣值又有負采樣值，若正采樣值個數和負采樣值個數比較接近，則無法判斷其極性；

因此，本發明只計算故障起始采樣點至過零采樣點之間的正采樣值或負采樣值個數，并將其作為該檢測點的極性值。在采集的半個周波故障電流數據中既存在正采樣值又存在負采樣值時，只將初始的正采樣值或初始的負采樣值作為其極性值，不存在半個周波內正采樣值和負采樣值個數比較接近時無法判斷其極性問題。

電流極性值PO的具體計算公式：

其中，PO為檢測點極性值；sign(x)為符號函數；i(k)為故障電流的第k個采樣值；M為故障電流在半個周波內穿越零點的起始采樣點序號；N為半個周波的采樣點數。

優選的，所述步驟(4)中，所述電流極性值的差值DI為本檢測點的電流極性值PO_up減相鄰下游檢測點的電流極性值PO_do_wn；

DI＝PO_up-PO_do_wn；

所述判斷為故障區段的具體判據為：所述電流極性值的差值DI的絕對值大于等于可靠系數k_rel與閾值的乘積T_h；

|DI|≥k_relT_h；

其中，當故障電流在半個周波內不穿越零點時，T_h＝N；當故障電流在半個周波內穿越零點時，T_h＝M；k_rel取0.5～0.8。

優選的，所述步驟(5)中，所述檢測點的可信度F為電流極性可信度函數F_A和極性比較可信度函數F_P之和。

當所述檢測點的可信度F大于等于0.5時，則可信度較高，即所述檢測點與相鄰下游檢測點之間確定為故障區段，同時所述檢測點的FTU將其故障定位結果發送至與其相鄰的下游檢測點FTU；

當所述檢測點的可信度F小于0.5時，則可信度較低，所述檢測點FTU向相鄰下游檢測點的相鄰下游檢測點發送召喚命令，獲取其電流極性值進行故障區段判斷與容錯處理直至確定故障區段。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于電流極性比較的主動配電網故障定位系統，

該系統為應用一種基于電流極性比較的主動配電網故障定位方法的主動配電網，包括FTU和控制中心，各個所述FTU之間可通過所述FTU自帶的通訊模塊進行數據信息交互，所述FTU通過自帶的通訊模塊與所述控制中心通信。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于電流極性比較的主動配電網故障定位系統，

該系統為應用一種基于電流極性比較的主動配電網故障定位方法的含有高滲透率分布式電源的配電網，包括FTU和控制中心，各個所述FTU之間可通過所述FTU自帶的通訊模塊進行數據信息交互，所述FTU通過自帶的通訊模塊與所述控制中心通信。

本發明的有益效果：

1、本發明利用配電網原有的FTU的各項硬件模塊進行方法上的創新，適用于主動配電網，在滿足含分布式電源配電網精確故障定位條件下，可實現配電網快速故障定位

2、本發明基于電流極性比較的故障定位方法對于三相短路故障、兩相短路故障、小電流接地故障和大電流接地故障均能實現正確的故障定位。由于故障定位算法是由饋線終端單元實現，且僅需要采集半個周波的信號，極性判斷方法又非常簡單，所以故障定位用時較短，適用于主動配電網的快速故障定位。

附圖說明

圖1為本發明的基于電流極性比較的故障定位方法的程序流程圖；

圖2為本發明的含分布式電源的饋電線路圖；

圖3為本發明的主動配電網仿真模型。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

一種基于電流極性比較的主動配電網故障定位方法，該方法通過饋線終端單元(FTU)實時檢測故障電流，將電流突變時刻作為故障起始點，記錄故障后半個周波故障電流信號，根據半個周波的數據計算其極性，通過比較相鄰檢測點故障電流的極性，實現故障定位。

一種基于電流極性比較的主動配電網故障定位方法，所述方法步驟包括：

(1)主動配電網饋線各檢測點的FTU實時檢測饋線的相電流和零序電流，每個所述FTU依次根據其連續三個采樣的相電流值和零序電流的變化量判斷該檢測點是否發生故障；

如果是，啟動故障定位，進入步驟(2)；如果否，故障定位結果為無，進入步驟(6)；

(2)故障起始點的FTU記錄自故障起始時刻開始的半個周波的電流信號，其他檢測點的FTU以故障起始點FTU的故障起始時刻作為數據起始點，進行數據同步，記錄半個周波的電流信號；

(3)各個檢測點的FTU分別根據其記錄的半個周波的電流信號計算電流極性值；

(4)從主動配電網饋線起始點起，各檢測點FTU依次獲取與本檢測點相鄰的下游檢測點FTU計算的電流極性值，并且計算本檢測點的電流極性值與下游檢測點電流極性值的差值，并且根據該電流極性值的差值的絕對值判斷本檢測點與其下游檢測點之間是否為故障區段；

(5)計算步驟(4)中判斷出的故障區段中檢測點的可信度，當可信度較低時進行故障定位容錯處理，得到故障定位結果；

(6)將故障定位結果發送至控制中心。

所述步驟(1)中，電流突變量故障定位啟動判據是通過實時檢測相電流和零序電流，比較連續三個采樣值的變化量來判斷配電網是否發生了故障。對于相電流的故障定位啟動判據為：

式中，i_p(k)為第k個采樣點的相電流瞬時值；i_p(k-2N)第k個采樣點在一個周波前的相電流瞬時值，一個周波的采樣點數為2N；K_ep為相電流限制系數，取K_ep＝0.2～0.4；K_ip為相電流比例系數，取K_ip＝2～4；I_p為系統無故障時相電流的有效值。

對于零序電流的故障定位啟動判據為：

式中，i₀(k)為第k個采樣點的零序電流瞬時值；i₀(k-2N)第k個采樣點在一周波前的零序電流瞬時值，一個周波的采樣點數為2N；K_e0為零序電流限制系數，取K_e0＝0.2～0.4；K_i0為零序電流比例系數，取K_i0＝2～4；I_un為系統無故障時不平衡電流的有效值。當滿足上述啟動判據時，FTU將第k個檢測點作為故障起始點，記錄故障后半個周波的故障電流信號。

為了避免干擾信號誤啟動故障定位，對采集的半個周波故障電流信號進行校驗，如果滿足了以下條件，則確定發生了故障，進行故障電流極性比較。

式中：I_kp為根據半個周波故障相電流計算的相電流有效值；I_p為系統無故障時的相電流有效值；K_ekp為相電流故障的可靠系數，取K_ekp＝2～3；i_p(k)為故障相第k個檢測點的相電流瞬時值；N為半個周波的采樣點數；

I_k0為根據半個周波故障零序電流計算的零序電流有效值；K_ek0為零序電流故障的可靠系數，取K_ekp＝2～3；I_un為系統無故障時不平衡電流的有效值；i₀(k)為故障零序電流的第k個檢測點的零序電流瞬時值。

所述步驟(3)中，故障電流極性計算是通過計算半個周波故障電流中正采樣值或負采樣值的個數來判斷的，當為正采樣值時，判斷為正極；當為負采樣值時，判斷為負極。但是，當半個周波數據存在過零點時，即半個周波內既有正采樣值又有負采樣值，若正采樣值個數和負采樣值個數比較接近，則無法判斷其極性。因此，只計算故障起始采樣點至過零采樣點之間的正采樣值或負采樣值個數，并將其作為該檢測點的極性。具體按如下公式計算：

式中，PO為檢測點極性值；sign(x)為符號函數；i(k)為故障電流的第k個采樣值；M為故障電流在半個周波內穿越零點的起始采樣點序號；N為半個周波的采樣點數。

所述步驟(4)中，根據上下游檢測點故障電流的極性值差判斷該區段是否發生故障，其具體判據如下：

|DI|≥k_relT_h (7)

DI＝PO_up-PO_down (8)

式中，DI為上下游檢測點故障電流的極性值差；PO_up、PO_do_wn分別為上游檢測點極性值、下游檢測點極性值；T_h為閾值，當故障電流在半個周波內不穿越零點時，T_h＝N；當故障電流在半個周波內穿越零點時，T_h＝M；k_rel為可靠系數，取k_rel＝0.5～0.8。

所述步驟(5)中，由電流極性可信度函數和極性比較可信度函數組成的故障定位可信度函數F定義如下：

F＝F_A·down+F_P (9)

式中，F_A.dowm為下游檢測點的極性可信度函數，對于相電流F_A＝F_Ap，對于零序電流F_A＝F_A0；F_p為本檢測點的極性比較可信度函數；

當可信度函數值大于0.5時，則可信度較高，利用故障電流極性比較方法所確定的故障區段非常可靠，不需要其他輔助方法。

實施例1：

一種基于電流極性比較的主動配電網故障定位方法，

如圖1所示為本發明的基于電流極性比較的故障定位方法的程序流程圖。故障定位具體算法如下：

(1)首先判斷系統是小電流接地系統還是大電流接地系統，

如果是小電流接地系統，則執行如下操作：

(a)實時檢測各相電流并計算零序電流；

(b)根據公式(1)判斷是否發生了相間短路故障，如果是，順序執行如下操作；否則，轉至步驟(d)；

(c)根據公式(3)確定是否真的發生了相間短路故障，如果是，則轉至步驟(f)；否則，執行如下操作；

(d)根據公式(2)判斷是否發生了小電流接地故障，如果是，順序執行如下操作；否則，返回步驟(a)；

(e)根據公式(4)確定是否真的發生了小電流接地故障，如果是，順序執行如下操作；否則，返回步驟(a)；

(f)采集半個周波的故障電流信號并計算其極性值；

(g)獲取下游檢測點的故障電流信號極性值，如果檢測點未檢測到故障電流，則其極性值為0；

(h)根據公式(7)判斷是否滿足故障定位條件，同時接收上游檢測點的故障定位結果，如果本檢測點滿足故障定位條件且上游檢測點不滿足故障定位條件，則故障點位于本檢測點與下游檢測點之間；如果本檢測點滿足故障定位條件且上游檢測點也滿足故障定位條件，則故障點不在本檢測點的下游；

(i)計算本檢測點故障定位可信度，若可信度較大，則順序執行下一步操作；若可信度較小或下游檢測點未檢測到故障電流，則將其下游檢測點的下游檢測點作為本檢測點的下游檢測點，返回步驟(g)；

(j)將本檢測點故障定位結果上報控制中心并下傳至下游檢測點。

(2)如果系統是大電流接地系統，則執行如下操作：

(a)實時檢測各相電流；

(b)根據公式(1)判斷是否發生了短路故障，如果是，順序執行如下操作；否則，返回步驟(a)；

(c)根據公式(3)確定是否真的發生了短路故障，如果是，順序執行如下操作；否則，返回步驟(a)；

(d)采集半個周波的故障電流信號并計算其極性值；

(e)獲取下游檢測點的故障電流信號極性值，如果檢測點未檢測到故障電流，則其極性值為0；

(f)根據公式(7)判斷是否滿足故障定位條件，同時接收上游檢測點的故障定位結果，如果本檢測點滿足故障定位條件且上游檢測點不滿足故障定位條件，則故障點位于本檢測點與下游檢測點之間；如果本檢測點滿足故障定位條件且上游檢測點也滿足故障定位條件，則故障點不在本檢測點的下游；

(g)計算本檢測點故障定位可信度，若可信度較大，則順序執行下一步操作；若可信度較小或下游檢測點未檢測到故障電流，則將其下游檢測點的下游檢測點作為本檢測點的下游檢測點，返回步驟(e)；

(h)將本檢測點故障定位結果上報控制中心并下傳至下游檢測點。

圖2為本發明的含分布式電源的饋電線路圖。結合圖2對本發明的容錯處理算法進行說明。當可信度函數值較小時，進行如下故障定位容錯處理：當可信度函數值較小時將下游FTU忽略，重新進行故障定位。下面以圖2為例對容錯算法進行說明。圖中，FTU₁、FTU₂、FTU₃分別是FTU₂、FTU₃、FTU₄的上游，FTU₂、FTU₃、FTU₄則分別是FTU₁、FTU₂、FTU₃的下游。假設故障位置在FTU₂和FTU₃之間，上游FTU₂計算的故障定位可信度函數值較小(小于0.5)，則FTU₂忽略FTU₃，向FTU₄發出召喚命令，接收FTU₄發送的極性值，并執行故障電流極性比較故障定位算法，如果滿足故障定位的條件且可信度函數值較大(大于0.5)，則判定故障位置在FTU₂和FTU₄之間；如果不滿足故障定位的條件或滿足故障定位條件但可信度函數值較小(小于0.5)或FTU₄未檢測到故障電流，則判定故障位于FTU₂和FTU3之間。

圖3本為本發明的主動配電網仿真模型。該模型是一個典型的帶有分布式電源和6條饋線的放射式10kV配電網。饋電線路的正序阻抗為Z₁＝(0.17+j0.38)Ω/km，正序對地導納為b1＝j3.045μs/km，零序阻抗為Z₀＝(0.23+j1.72)Ω/km，零序對地導納為b₀＝j1.884μs/km，線路長度為L₁＝3km，L₂＝6km，L₃＝9km，L₄＝12km，L₅＝15km，L₆＝20km。負載均為三角形聯接的負載，每相負載阻抗為Z_L＝(67+j50)Ω。

下面利用該模型對上述故障定位方法進行仿真分析。針對k₁點發生的4類故障驗證以上故障定位方法，四類故障分別是：三相短路故障、兩相短路故障(AB)、小電流接地故障(A相)和大電流接地故障(A相)。各檢測點計算的故障電流極性值差分別如表1所示，表中符號“—”表示該檢測點未檢測到故障電流不參與極性比較。

表1故障電流極性值差

對于k₁點發生的三相故障，由表1可知，FTU₆₁與其下游FTU₆₂的A相和B相故障電流極性值差均為0，取T_h＝N＝64，k_rel＝0.7，不滿足公式(7)，所以A相和B相在FTU₆₁與FTU₆₂之間不是故障區段；FTU₆₁與其下游FTU₆₂的C相故障電流極性值差為5，取T_h＝M＝37，k_rel＝0.7，不滿足公式(7)，所以C相在FTU₆₁與FTU₆₂之間也沒有故障，即在FTU₆₁與FTU₆₂之間沒有短路故障。FTU₆₂與其下游FTU₆₃的A相和B相故障電流極性值差分別為-128和128，取T_h＝N＝64，k_rel＝0.7，滿足公式(7)，所以A相和B相在FTU₆₂與FTU₆₃之間是故障區段；FTU₆₂與其下游FTU₆₃的C相故障電流極性差為-71，取T_h＝M＝42，k_rel＝0.7，滿足公式(7)，所以C相在FTU₆₂與FTU₆₃之間也是故障區段，即在FTU₆₂與FTU₆₃之間存在三相短路故障。由于FTU₆₄沒有檢測到故障電流，所以其故障電流極性值為0。雖然FTU₆₃的A、B、C三相的故障電流也分別滿足公式(7)，但是，由于其上游FTU₆₂已經判斷出FTU₆₃上游存在故障，所以FTU₆₃判定其下游不存在故障，故障定位結果正確。

對于k₁點發生的AB兩相短路故障，根據公式(7)，利用類似上述故障定位判定方法，FTU₆₂判斷出在其下游FTU₆₂與FTU₆₃之間存在AB兩相故障，FTU₆₂將其故障定位結果發生給FTU₆₃，將FTU₆₃的故障定位結果取消。最終判斷故障區段位于FTU₆₂與FTU₆₃之間，發生了兩相短路故障，故障定位結果正確。

對于k₁點發生的A相小電流接地故障，根據公式(7)，利用類似上述故障定位判定方法，FTU₆₂判斷出在其下游FTU₆₂與FTU₆₃之間存在小電流接地故障，FTU₆₂將其故障定位結果發生給FTU₆₃，將FTU₆₃的故障定位結果取消。最終判斷故障區段位于FTU₆₂與FTU₆₃之間，發生了單相接地故障，故障定位結果正確。

對于k₁點發生的A相單相接地短路故障，根據公式(7)，利用類似上述故障定位判定方法，FTU₆₂判斷出在其下游FTU₆₂與FTU₆₃之間存在A相單相接地短路故障，FTU₆₂將其故障定位結果發生給FTU₆₃，將FTU₆₃的故障定位結果取消。最終判斷故障區段位于FTU₆₂與FTU₆₃之間，發生了單相接地短路故障，故障定位結果正確。

由以上仿真結果可知，基于電流極性比較的故障定位方法對于三相短路故障、兩相短路故障、小電流接地故障和大電流接地故障均能實現正確的故障定位。由于故障定位算法是由饋線終端單元實現，且僅需要采集半個周波的信號，極性判斷方法又非常簡單，所以故障定位用時較短，適用于主動配電網的快速故障定位。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。