一種基于pmu的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)及其方法，該平臺包括若干個變電站外PMU，其分別安裝于變電站外的配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點處；所述變電站外PMU實時獲取安裝的配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點的電壓電流信息，并同步傳送至變電站內(nèi)PMU；變電站外PMU還連接至同一全球定位系統(tǒng)GPS上，變電站外PMU還將其自身位置信息傳送至變電站內(nèi)PMU；變電站內(nèi)PMU安裝于出線端；所述變電站內(nèi)PMU根據(jù)接收的變電站外PMU同步傳送來的電壓電流信息以及變電站外PMU的位置信息進行故障選線和故障測距的計算；變電站內(nèi)PMU將計算得到的故障選線和故障測距結(jié)果傳送至云端服務(wù)器進行存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。
【專利說明】
一種基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于配電網(wǎng)故障領(lǐng)域，尤其涉及一種基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)及其 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，穩(wěn)定持續(xù)的供電變得尤為重要。近年來，我國的配電網(wǎng) 結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，加之新能源電源和多類型負(fù)載的加入，使得配電網(wǎng)出現(xiàn)故障的概率 不斷增大，如何不受配電網(wǎng)的中性點接地方式和故障類型不同的影響而有效快速的找到故 障線路和故障點位置成為時下研究的重點。
[0003] 配電網(wǎng)故障定位的研究目的主要包括兩個方面:一是提高故障定位智能系統(tǒng)、裝 置以及方法措施的可靠性和準(zhǔn)確性以降低停電時間，提高電力企業(yè)運行的可靠性;二是優(yōu) 化故障定位測量裝置的配置數(shù)量、安裝位置，降低配電網(wǎng)在這方面的投資、運行成本。
[0004] 隨著我國電網(wǎng)向智能化發(fā)展，越來越多的智能化設(shè)備開始投入到電網(wǎng)的實際運行 中，如相量測量裝置(PMU)。通過新型的設(shè)備可以獲取全網(wǎng)各測量節(jié)點的同步數(shù)據(jù)，并可對 數(shù)據(jù)進行復(fù)雜的運算，如離散傅里葉變換(DFT)等。利用各PMU提供的同步數(shù)據(jù)通過雙端算 法可不受中性點接地方式、故障類型和過渡電阻的影響來實現(xiàn)故障精確定位。
[0005] 現(xiàn)有故障定位所存在的問題:現(xiàn)有的故障選線和故障測距是獨立分開的，并非形 成一個獨立運行故障定位系統(tǒng)，使得采用的定位方法大都單一，即增加了實際應(yīng)用中的復(fù) 雜度，也降低了故障定位的精確度;無論是故障選線還是故障測距都受到中性點接地方式 和故障類型的影響，使得針對不同的中性點接地方式和故障類型采用不同的故障定位方 法;在實際應(yīng)用中，由于各測量節(jié)點之間的數(shù)據(jù)無法得到鏈接匯總，使得故障選線和測距大 部分都只用到了故障線路單端。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提供一種基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)及其 方法。該平臺能夠?qū)⑦x線和故障定位同時實現(xiàn)，而且當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生變化時，該平臺能夠?qū)崟r 感知配電網(wǎng)的臺拓?fù)渥兓?本發(fā)明的變電站內(nèi)PMU能夠根據(jù)接收的變電站外PMU同步傳送來 的電壓電流信息以及變電站外PMU的位置信息進行故障選線和故障測距的計算，從而減少 上傳至服務(wù)器的數(shù)據(jù)量，減輕了服務(wù)器的壓力。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0008] -種基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)，包括：
[0009] 若干個變電站外PMU，其分別安裝于變電站外的配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點處;所述變電站外 PMU實時獲取安裝的配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點的電壓電流信息，并同步傳送至變電站內(nèi)PMU;
[0010] 所述變電站外PMU還連接至同一全球定位系統(tǒng)GPS上，變電站外PMU還將其自身位 置信息傳送至變電站內(nèi)PMU;
[0011 ]所述變電站內(nèi)PMU根據(jù)接收的變電站外PMU同步傳送來的電壓電流信息以及變電 站外PMU的位置信息進行故障選線和故障測距的計算；
[0012] 所述變電站內(nèi)PMU將計算得到的故障選線和故障測距結(jié)果傳送至云端服務(wù)器進行 存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。
[0013] 所述變電站外PMU與電壓互感器和電流互感器分別相連，所述電壓互感器和電流 互感器均與變電站外PMU的安裝在同一配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點處。
[0014] 所述變電站外PMU通過通信單元與變電站內(nèi)PMU相互通信。
[0015] 所述通信單元為4G網(wǎng)絡(luò)通信單元或WIFI無線網(wǎng)絡(luò)通信單元。
[0016]所述云端服務(wù)器還與遠(yuǎn)程監(jiān)控終端相連。
[0017] -種基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的工作方法，包括以下步驟：
[0018] 步驟（1):搭建配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng);將變電站外PMU配置到變電站外的配電網(wǎng)預(yù) 設(shè)節(jié)點處，所有變電站外PMU連接至同一全球定位系統(tǒng)GPS上；
[0019] 步驟(2):采集電壓電流信息和位置信息;變電站外PMU實時獲取安裝的配電網(wǎng)預(yù) 設(shè)節(jié)點的電壓電流信息并同步傳送至變電站內(nèi)PMU，變電站外PMU還將其自身位置信息傳送 至變電站內(nèi)PMU;
[0020] 步驟(3):計算故障選線和故障測距;變電站內(nèi)PMU根據(jù)接收的變電站外PMU同步傳 送來的電壓電流信息以及變電站外PMU的位置信息進行故障選線和故障測距的計算，并將 計算得到的故障選線和故障測距結(jié)果傳送至云端服務(wù)器進行存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。
[0021] 所述步驟(2)中，變電站外PMU通過電壓互感器和電流互感器實時獲取安裝的配電 網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點的電壓電流信息。
[0022] 在步驟(2)中，變電站外PMU還將實時獲取安裝的配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點的電壓電流信息 進行傅里葉變換處理，得到電壓信息和電流信息的三相電壓和三相電流的基波向量值。
[0023] 所述步驟(3)中，故障選線的過程包括：
[0024]步驟(3.1 ? 1):設(shè)置負(fù)序電流的整定值，
[0025] 步驟(3.1.2):通過對稱分量法計算出配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點處負(fù)序電流的相量值并獲 取相量的實部和虛部；
[0026] 步驟(3.1.3):篩選構(gòu)成線路兩個端點的配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點，對篩選出的配電網(wǎng)預(yù)設(shè) 節(jié)點處的負(fù)序電流相量作差并求其絕對值，通過計算得到的絕對值與整定值進行比較來判 斷故障線路。
[0027]所述步驟(3)中，根據(jù)雙端法進行故障測距。
[0028]本發(fā)明的有益效果為：
[0029 ] (1)本發(fā)明的故障定位平臺所包含的所有PMU主要分為站內(nèi)PMU和站外PMU;站外的 PMU的計算結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳至站內(nèi)PMU，站內(nèi)PMU接收所有節(jié)點數(shù)據(jù)，再利用獲取的數(shù)據(jù)進行 相關(guān)的故障定位計算;站內(nèi)PMU故障定位的計算結(jié)果再通過站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)傳至云端服務(wù)器，這樣 就可以將故障定位等算法放在底層，減少了數(shù)據(jù)的延遲，即減輕了服務(wù)器的壓力，也增加了 故障定位快速性；
[0030] (2)本發(fā)明的故障定位的平臺具有靈活性，在故障定位的算法改變時或用作其他 用途時，可通過網(wǎng)絡(luò)將算法下載至各平臺的PMU，并對各PMU進行配置，進行各PMU進行配置 時的數(shù)據(jù)傳輸方向為:服務(wù)器一站內(nèi)PMU-站外PMU。
【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明的基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2是本發(fā)明的PMU測量節(jié)點圖；
[0033]圖3是雙電源環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)示意圖；
[0034]圖4a)是小電流接地系統(tǒng)單相接地故障電路圖；
[0035]圖4b)是小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的負(fù)序等效網(wǎng)絡(luò)；
[0036]圖5是雙端電源故障示意圖；
[0037]圖6是正序網(wǎng)絡(luò)沿線推導(dǎo)電壓幅值。
【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步說明：
[0039] 如圖1所示，本發(fā)明的基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)，包括：
[0040] 若干個變電站外PMU，其分別安裝于變電站外的配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點處;所述變電站外 PMU實時獲取安裝的配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點的電壓電流信息，并同步傳送至變電站內(nèi)PMU;
[0041 ] 所述變電站外PMU還連接至同一全球定位系統(tǒng)GPS上，變電站外PMU還將其自身位 置信息傳送至變電站內(nèi)PMU;
[0042]所述變電站內(nèi)PMU根據(jù)接收的變電站外PMU同步傳送來的電壓電流信息以及變電 站外PMU的位置信息進行故障選線和故障測距的計算；
[0043] 所述變電站內(nèi)PMU將計算得到的故障選線和故障測距結(jié)果傳送至云端服務(wù)器進行 存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。
[0044]其中，變電站內(nèi)PMU安裝于出線端。
[0045] 所述變電站外PMU與電壓互感器和電流互感器分別相連，所述電壓互感器和電流 互感器均與變電站外PMU的安裝在同一配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點處。
[0046] 所述變電站外PMU通過通信單元與變電站內(nèi)PMU相互通信。
[0047] 所述通信單元為4G網(wǎng)絡(luò)通信單元或WIFI無線網(wǎng)絡(luò)通信單元。
[0048] 每個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流方向是雙向的，針對故障定位平臺，變電站外PMU只需計算出本 平臺采用的故障定位法所需要的數(shù)據(jù)，目的是減少通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而達(dá)到節(jié) 省流量的目的。采用4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕康模阂环矫?G網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快，數(shù)據(jù)的延遲相對較 小，很適合故障定位快速尋找故障線路和故障點的要求，另一方面不用在平臺內(nèi)鋪設(shè)光纖 或普通網(wǎng)線，減少了成本，增加了安裝的方便性。
[0049] 由于移動通信4G網(wǎng)絡(luò)具有通信速度快、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬，通信靈活等特點，為了使故障 定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸延遲達(dá)到最低，所以變電站外安裝的PMU與變電站內(nèi)安裝的PMU通過移 動通信4G無線網(wǎng)絡(luò)連接，變電站內(nèi)PMU與云端服務(wù)器通過變電站內(nèi)已建成的以太網(wǎng)絡(luò)連接。
[0050] 為了減少4G無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量，并充分發(fā)揮故障定位系統(tǒng)的特點，將充分利用 各個已安裝的設(shè)備計算功能。已安裝的設(shè)備采集節(jié)點電壓電流數(shù)據(jù)后直接在本裝置的嵌入 式系統(tǒng)計算，并將計算后同步數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳至變電站內(nèi)PMU。變電站內(nèi)PMU將每個節(jié) 點的數(shù)據(jù)匯總并處理，并將處理結(jié)果上傳至云端服務(wù)器。云端服務(wù)器的指令也會通過有線 傳至變電站內(nèi)PMU再通過無線傳至變電站外PMU。
[0051] 進一步地，云端服務(wù)器還與遠(yuǎn)程監(jiān)控終端相連。
[0052] 當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生變化時，該平臺能夠?qū)崟r感知配電網(wǎng)的臺拓?fù)渥兓?br>[0053] 我國的配電網(wǎng)可以分為高壓配電網(wǎng)（35-110KV)、中壓配電網(wǎng)（6-10KV)及低壓配電 網(wǎng)（220/380V)，低壓配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)密度及復(fù)雜度高于中壓配電網(wǎng)，中壓配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)密度 及復(fù)雜程度也高于高壓配電網(wǎng)。隨著電網(wǎng)的向主動配電網(wǎng)快速發(fā)展，越來越多的新能源電 源會加入到配電網(wǎng)絡(luò)中。所以對電網(wǎng)的主動調(diào)控使得電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會實時的發(fā)生變 化，從而導(dǎo)致初步建成的故障定位系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也并不是一成不變。原始故障定位系統(tǒng)拓 撲的改變會對數(shù)據(jù)的傳輸及故障選線產(chǎn)生影響。配電網(wǎng)主要有輻射狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)、環(huán)狀網(wǎng)等 接線方式。本系統(tǒng)將以如圖3所示的雙電源環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)為例，說明拓?fù)涞淖詣诱{(diào)整。
[0054] 如圖3所示一個簡易的雙電源環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)示意圖，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)共有設(shè)置10個測量 節(jié)點。電網(wǎng)正常運行時，圖示電網(wǎng)中間的開關(guān)會處于斷開狀態(tài)，兩側(cè)的電源正常供電，當(dāng)一 側(cè)的電源無法正常供電時，中間的開關(guān)合閉，由另一側(cè)的電源給整個網(wǎng)絡(luò)供電?，F(xiàn)將圖示網(wǎng) 絡(luò)按照虛線將其分為兩個系統(tǒng)，系統(tǒng)1中設(shè)有N(l-l)…N(l-4)四個從測量節(jié)點和N(l-〇) - 個主測量節(jié)點，系統(tǒng)2中設(shè)有N(2-l)…N(2-4)四個測量節(jié)點和N(2-0)-個主測量節(jié)點，其中 節(jié)點N(l-〇)及N(2-0)分別安裝在變電站1和變電站2中。此時站外的測量節(jié)點會實時的采集 該節(jié)點的三相電流電壓數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在節(jié)點測量裝置的嵌入式系統(tǒng)初步處理，如:計算正序、 負(fù)序、零序參數(shù)等。之后會通過4G網(wǎng)絡(luò)被傳送到站內(nèi)節(jié)點N( 1-0)及N( 2-0)。站內(nèi)節(jié)點對站外 節(jié)點的數(shù)據(jù)處理打包通過站內(nèi)已有的以太網(wǎng)傳到云端服務(wù)器。
[0055] 假設(shè)變電站2停止供電，變電站1對整個網(wǎng)絡(luò)供電。此時原屬于系統(tǒng)2的站內(nèi)節(jié)點N (2-0)已經(jīng)無法接收N(2-l)…N(2-4)四個節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，即故障定位系統(tǒng)2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被 打破。由于云端服務(wù)器已知電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洌栽贫朔?wù)器會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?達(dá)節(jié)點變更指令，將系統(tǒng)2中的N(2-l)~N(2-4)四個節(jié)點變更為相鄰系統(tǒng)1的N(1-5)~N(1-9)節(jié)點。最終則會形成一個擁有10節(jié)點的故障定位系統(tǒng)1。節(jié)點變更完后，節(jié)點N(l-〇)則會 接收來自節(jié)點N(l-l)…N(l-8)的數(shù)據(jù)。
[0056] 電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓厝粫收隙ㄎ幌到y(tǒng)的拓?fù)湓斐捎绊?。環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生 單側(cè)電源無法供電時，為了使故障定位系統(tǒng)實時的適應(yīng)電網(wǎng)的拓?fù)渥兓?，云端服?wù)器對電 網(wǎng)中測量裝置的配置過程。當(dāng)一個故障定位系統(tǒng)F(n)中的測量節(jié)點被人為的脫離本系統(tǒng)并 接入到相鄰的故障定位系統(tǒng)F(n+1)時，發(fā)生拓?fù)渥兓挠蠪(n)和F(n+1)兩個系統(tǒng)。所以云 端服務(wù)器需對兩個系統(tǒng)的主從節(jié)點進行配置。
[0057] 對于如圖2所示的單電源供電網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)會組成一個故障定位系統(tǒng)。將整個系 統(tǒng)分為6段，分別為L(1)'"L(6)，假設(shè)系統(tǒng)的L(6)段之間的開關(guān)被人為斷開，則從節(jié)點N(6-2)就會被孤立開。此時從節(jié)點N(6-2)的測量數(shù)據(jù)對于段落L(6)的故障定位就不會有任何作 用，所以云端服務(wù)器需對故障定位系統(tǒng)進行重新配置。
[0058]圖2所示的N(6_2)節(jié)點被孤立時，由于該從節(jié)點脫離網(wǎng)絡(luò)后并未與其它網(wǎng)絡(luò)相連 接，所以故障定位系統(tǒng)拓?fù)洳⒉粫l(fā)生變化，該節(jié)點仍然屬于故障定位系統(tǒng)F(n)。云端服務(wù) 器只需將脫離拓?fù)涞墓?jié)點編號下傳至系統(tǒng)主節(jié)點，主節(jié)點根據(jù)節(jié)點編號改變裝置的配置參 數(shù)。如在故障選線中，L(6)線段不參與故障選線，N(6-2)節(jié)點上傳至主節(jié)點的數(shù)據(jù)不會被處 理，只會被暫時存儲。
[0059]本發(fā)明的基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的工作方法，包括以下步驟：
[0060] 步驟（1):搭建配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng);將變電站外PMU配置到變電站外的配電網(wǎng)預(yù) 設(shè)節(jié)點處，所有變電站外PMU連接至同一全球定位系統(tǒng)GPS上；
[0061] 步驟(2):采集電壓電流信息和位置信息;變電站外PMU實時獲取安裝的配電網(wǎng)預(yù) 設(shè)節(jié)點的電壓電流信息并同步傳送至變電站內(nèi)PMU，變電站外PMU還將其自身位置信息傳送 至變電站內(nèi)PMU;
[0062]步驟(3):計算故障選線和故障測距;變電站內(nèi)PMU根據(jù)接收的變電站外PMU同步傳 送來的電壓電流信息以及變電站外PMU的位置信息進行故障選線和故障測距的計算，并將 計算得到的故障選線和故障測距結(jié)果傳送至云端服務(wù)器進行存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。
[0063] 所述步驟(2)中，變電站外PMU通過電壓互感器和電流互感器實時獲取安裝的配電 網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點的電壓電流信息。
[0064]在步驟(2)中，變電站外PMU還將實時獲取安裝的配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點的電壓電流信息 進行傅里葉變換處理，得到電壓信息和電流信息的三相電壓和三相電流的基波向量值。 [0065]本發(fā)明的故障選線的工作原理為：
[0066] 我國的電力網(wǎng)絡(luò)的中性點接地方式主要分為小電流接地系統(tǒng)和大電流接地系統(tǒng)。 小電流接地系統(tǒng)主要出現(xiàn)在我國的配電網(wǎng)絡(luò)中，又分為經(jīng)消弧線圈接地和不接地，大電流 接地系統(tǒng)分為直接接地和經(jīng)小電阻接地。架空線的故障類型主要分為單相接地故障，兩項 短路故障，兩相短路接地故障，三相短路故障和三相短路接地故障。為了使得選線的方法不 會受到中性點接地方式和故障類型不同的影響，本系統(tǒng)中的故障選線的依據(jù)是網(wǎng)絡(luò)中的負(fù) 序電流。負(fù)序電流的獲取主要是通過對稱分量法。
[0067] 分析計算之前提到的不對稱短路故障的方法很多，如對稱分量法、a0〇分量法、abc 坐標(biāo)系統(tǒng)中直接計算等。目前實際應(yīng)用得最多、最基本的方法是對稱分量法。
[0068]人們在實踐中發(fā)現(xiàn)，一組不對稱的三相量可以看成是三組不同的對稱三相量之 和。在線性系統(tǒng)里，可以應(yīng)用疊加定理，對這三組對稱分量分別按對稱三相電路去求解，然 后將結(jié)果疊加起來，就是不對稱三相電路的解答，這個方法就是對稱分量法。
[0069]設(shè)/^ 忠三個相量(F可以代表電動勢、電壓或電流)不對稱，則可以分解成三 個對稱分量。
[0072]式中廣，戶S1，戶分別為三個相量的正序分量，三相量的大小相等，彼此相位互差 120。，與系統(tǒng)在正常運行方式下的相序相同，即有之,二=6^,。正序分量也稱為 順序分量。
[0073] 鳥、2.，? .戶￡2分別為三個相量的負(fù)序分量，三相量的大小相等，彼此相位互差 120°，與系統(tǒng)在正常運行方式下的相序相反，即有丨=tr/' 4:。負(fù)序分量也稱為 逆序分量。
[0074] 之K)，為》.，.六：0.分別為三個相量的零序分量，相量的大小相等，方向相同。即 尹m.二眘m=眘co.。
[0076] 以上兩組是對稱分量法的基本公式，是以A相為基準(zhǔn)得出的。
[0077] 所謂的基準(zhǔn)就是當(dāng)電力系統(tǒng)故障時，故障處的三相中，在連接方式和阻抗參數(shù)上 與其他兩相不一樣的那一相，也叫做特殊故障相。選擇好基準(zhǔn)相后，其他兩相的對稱分量則 以基準(zhǔn)相的對稱分量表不。
[0078] 利用對稱分量法分解出的負(fù)序電流不受負(fù)荷電流和系統(tǒng)震蕩的影響。圖4a)為經(jīng) 消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障示意圖，圖4b)為相應(yīng)的負(fù)序網(wǎng)絡(luò)等效圖。
[0079]圖4b)中的系統(tǒng)等效負(fù)序阻抗為Z2s，故障點k到母線端的線路負(fù)序阻抗為Z2kfl正常 線路的負(fù)序阻抗為z2lf，負(fù)載線路阻抗Zm和Z2kl分別為正常和故障線路負(fù)載的負(fù)序阻抗。我 國的配網(wǎng)大多以輻射形為主，所以每條線路所帶的符合相對較小，但是負(fù)荷阻抗較大。一般 線路的負(fù)荷阻抗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于線路的負(fù)序阻抗和系統(tǒng)負(fù)序阻抗。所以故障時的負(fù)序電流會 通過故障線路流向電源，相比之下的非故障線路的負(fù)序電流較小。
[0080] 在線路正常運行時，線路中不會存在負(fù)序電流，但是現(xiàn)實中的負(fù)荷不平衡會使得 線路中存在負(fù)序電流。在不考慮線路的分布電容情況下，非故障線路的兩端所測量的零序 電流做差為零。對于發(fā)生故障的線路，相當(dāng)于在故障點添加一個負(fù)序的電流源，如圖4b)所 示，附加電流源的負(fù)序電流會流向母線和下一及線路。在這種情況下，故障點兩端所測量的 負(fù)序電流做差將不再為零，同零序電流一樣，故障點流出的零序電流等于全系統(tǒng)的總負(fù)序 電流。為了使算法不受負(fù)序電流大小的影響，將負(fù)序電流的方向也考慮在內(nèi)。本系統(tǒng)將對故 障點兩端測量的負(fù)序電流相量進行做差比較來提高選線算法的有效性。
[0081] 基于負(fù)序電流的選線方法的實質(zhì)就是比較故障點兩端測量的負(fù)序電流相量的大 小，首先設(shè)置負(fù)序電流的整定值Iset，該整定值的選擇是以線路正常運行時測得的負(fù)序電流 最大值Im ax與可靠系數(shù)的乘積。
[0082] 基于負(fù)序電流的選線方法的主要實現(xiàn)步驟如下：
[0083] (1)獲取各線路兩端的三相電流同步采樣值。
[0084] (2)對獲取的采樣值進行傅里葉濾波算法，獲取三相電流的基波相量值。
[0085] (3)通過對稱分量法算出負(fù)序電流的相量值并獲取相量的實部和虛部。
[0086] (4)對每條線路的兩個端點的負(fù)序電流相量做差并求其絕對值，通過計算得到的 絕對值和整定值來判斷故障線路。
[0087]本發(fā)明的故障測距的原理：
[0088]圖5為雙端電源輸電線路的故障示意圖。設(shè)整條線路的總長度為1，M、N為故障點兩 端的測量點，故障點F距離測量點M的距離為X，根據(jù)長線波動方程可知，若要求得任意位置x 的電壓，只需獲取該點兩端的電氣量。推導(dǎo)公式如下： r }t/r = UMcosh]K - ZC1M sink }X L0089」 1.... . , , . , x
[Ux = U^coshy[l - )+Zc^n s^7 Yv ~ A)
[0090]式中r 為傳播常數(shù)，々=鼻+八# kHs+/*?*0>)為波阻抗。
[0091] r為單位線路正序阻抗，Lo為單位線路長度正序電感，g單位線路長度電導(dǎo)，Co為單 位線路長度電容。~為M端點測量的電壓電流相量，為N端點測量的電壓電流相量， .心為故障點處的電壓相量。
[0092] 假定F是故障點，則M和F之間任一點的電壓電流可以用M端的電壓電流表示。同理 可得N和F之間任一點的電壓電流可以用N端的電壓電流表示。所以，利用M和N兩端的電氣量 表示故障點處的電壓為： \U f = Umcoshyx-ZrJu n:
[0093] J . , 、 . t x (4) \y f' = Uycoshyij _x)vZ〔In sinh^il -為
[0094] 所以，利用兩端獲取的電氣量所計算得出的故障點電壓幅值相等即可求出故障點 距離X。
[0095] \〇f (5)
[0096] 圖6所示的是由M端和N端分別向?qū)Χ送频玫恼螂妷悍登€。圖6中所示的虛線 段是由M和N端點向?qū)Χ送茖?dǎo)越過故障點時的電壓，該電壓在實際線路中不是真實的電壓。
[0097] 從圖6中可以看出推導(dǎo)出的電壓幅值曲線是單調(diào)的，故障點就是兩線的交點，因此 找到該交點就是測距的關(guān)鍵。
[0098] 本系統(tǒng)中采用的兩端數(shù)據(jù)是同步的，采用的判據(jù)是電壓幅值相等原理且只適應(yīng)于 正弦模型。故障后兩端的測量點獲取的電氣量含有大量的高次諧波，所以本系統(tǒng)采用離散 傅里葉算法將高次諧波濾除以提高測距的精度。同時為了使濾波的效果更加理想，采用故 障后第二周波的數(shù)據(jù)。
[0099]由式(4)和式(5)可知，解長線雙曲函數(shù)是故障點定位的最直接方法。直接解長線 雙曲函數(shù)會比較復(fù)雜，本系統(tǒng)采用變步長搜索迭代法以快速求出故障點的距離。假設(shè)線路 總長度為1，實際故障點距離端點M的距離為X，故障差，.初始故障允許誤差為mpe， 最終故障允許誤差為fpe，初始搜索步長為Step，具體實現(xiàn)方法如下：
[0100] (1)令x = 0并按照初始步長Step在[0~1]范圍內(nèi)計算故障差err，直到errCmpe， 初次搜索迭代停止。
[0101] (2)將最后一個步長作為2次搜索迭代的初始起點，并設(shè)置初始故障允許誤差為
，搜索步長為
，按照設(shè)置參數(shù)進行第2次搜索迭代，直至故障差
2次搜索迭 代停止。
[0102] (3)按照第(2)步所述，重復(fù)設(shè)置故障允許誤差和搜索步長，直至err<fpe，這個搜 索迭代結(jié)束，得出最終故障距離為X。
[0103]該算法所需的數(shù)據(jù)有:故障點兩端故障后的工頻電壓電流相量、故障線路的總長 度、線路的波阻抗、傳播系數(shù)。在本算法中，線路的長度已知，波阻抗和傳播系數(shù)已算出，工 頻量為故障后兩側(cè)的12個量，包括11 3、1]1)、1]。、13、11)、1。。
[0104]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范 圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不 需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)，其特征在于，包括： 若干個變電站外PMU，其分別安裝于變電站外的配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點處;所述變電站外PMU 實時獲取安裝的配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點的電壓電流信息，并同步傳送至變電站內(nèi)PMU; 所述變電站外PMU還連接至同一全球定位系統(tǒng)GPS上，變電站外PMU還將其自身位置信 息傳送至變電站內(nèi)PMU; 所述變電站內(nèi)PMU根據(jù)接收的變電站外PMU同步傳送來的電壓電流信息以及變電站外 PMU的位置信息進行故障選線和故障測距的計算； 所述變電站內(nèi)PMU將計算得到的故障選線和故障測距結(jié)果傳送至云端服務(wù)器進行存儲 和轉(zhuǎn)發(fā)。2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)，其特征在于，所述變電站 外PMU與電壓互感器和電流互感器分別相連，所述電壓互感器和電流互感器均與變電站外 PMU的安裝在同一配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點處。3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)，其特征在于，所述變電站 外PMU通過通信單元與變電站內(nèi)PMU相互通信。4. 如權(quán)利要求3所述的一種基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)，其特征在于，所述通信單 元為4G網(wǎng)絡(luò)通信單元或WIFI無線網(wǎng)絡(luò)通信單元。5. 如權(quán)利要求1所述的一種基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)，其特征在于，所述云端服 務(wù)器還與遠(yuǎn)程監(jiān)控終端相連。6. -種基于如權(quán)利要求1-5任一所述的PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的工作方法，其特征 在于，包括以下步驟： 步驟（1):搭建配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng);將變電站外PMU配置到變電站外的配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié) 點處，所有變電站外PMU連接至同一全球定位系統(tǒng)GPS上； 步驟(2):采集電壓電流信息和位置信息；變電站外PMU實時獲取安裝的配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié) 點的電壓電流信息并同步傳送至變電站內(nèi)PMU，變電站外PMU還將其自身位置信息傳送至變 電站內(nèi)PMU; 步驟(3):計算故障選線和故障測距;變電站內(nèi)PMU根據(jù)接收的變電站外PMU同步傳送來 的電壓電流信息以及變電站外PMU的位置信息進行故障選線和故障測距的計算，并將計算 得到的故障選線和故障測距結(jié)果傳送至云端服務(wù)器進行存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。7. 如權(quán)利要求6所述的基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，所述 步驟(2)中，變電站外PMU通過電壓互感器和電流互感器實時獲取安裝的配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點的 電壓電流信息。8. 如權(quán)利要求6所述的基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，在步 驟(2)中，變電站外PMU還將實時獲取安裝的配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點的電壓電流信息進行傅里葉變 換處理，得到電壓信息和電流信息的三相電壓和三相電流的基波向量值。9. 如權(quán)利要求8所述的基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，所述 步驟(3)中，故障選線的過程包括： 步驟(3.1.1):設(shè)置負(fù)序電流的整定值， 步驟(3.1.2):通過對稱分量法計算出配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點處負(fù)序電流的相量值并獲取相 量的實部和虛部； 步驟(3.1.3):篩選構(gòu)成線路兩個端點的配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點，對篩選出的配電網(wǎng)預(yù)設(shè)節(jié)點 處的負(fù)序電流相量作差并求其絕對值，通過計算得到的絕對值與整定值進行比較來判斷故 障線路。10.如權(quán)利要求8所述的基于PMU的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，所述 步驟(3)中，根據(jù)雙端法進行故障測距。
【文檔編號】G01R31/08GK105891673SQ201610203004
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】程新功, 井洪業(yè), 宗西舉, 張榮臻, 李瑋瑋, 王晗
【申請人】濟南大學(xué)