本發(fā)明屬于配電網(wǎng)故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種逆變型分布式電源接入配電網(wǎng)的故障定位方法。

背景技術(shù)：

電力系統(tǒng)停電事故中，絕大多數(shù)是由于配電網(wǎng)故障造成的。因此，配電網(wǎng)發(fā)生故障后，準(zhǔn)確地測定故障位置對提高配電網(wǎng)供電可靠性具有十分重要的意義。然而隨著分布式電源的廣泛接入，配電網(wǎng)由傳統(tǒng)的輻射型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變成雙端甚至多端電源供電的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，特別針對通過電力電子變流器并網(wǎng)的逆變型分布式電源(Inverter-Interfaced Distributed Generator,IIDG)所接入的配電網(wǎng)，配電網(wǎng)故障特性不同于傳統(tǒng)配電網(wǎng)，因此應(yīng)用于配電網(wǎng)的傳統(tǒng)故障定位方法將不再適用。而與此同時，大量依靠電力電子元器件接入的配電網(wǎng)的逆變型分布式電源對故障較為敏感，長期運行在故障條件下將嚴(yán)重影響分布式電源的使用壽命。因此，亟需要研究適用于分布式電源接入的配電網(wǎng)的故障定位方法。

已有的配電網(wǎng)故障定位方法存在以下一些問題：其一，應(yīng)用饋線電壓信息進行故障定位，脫離了低壓配電網(wǎng)虧線上通常無電壓互感器接入的實際，故障定位方法的可操作性較差；其二，未準(zhǔn)確反映分布式電源的輸出特性，將分布式電源作為恒流源處理，影響到故障定位特別是精確故障定位的準(zhǔn)確性；其三，多數(shù)故障定位僅僅滿足粗略的故障定位要求，并未達到精確故障定位的目標(biāo)，不能滿足含分布式電源接入的配電網(wǎng)運行的需求。

綜上，需研究符合工程實際的故障定位方法，滿足逆變型分布式電源接入后配電網(wǎng)的精確故障定位需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種逆變型分布式電源接入配電網(wǎng)的故障定位方法，解決了現(xiàn)有故障定位不夠精確的問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種逆變型分布式電源接入配電網(wǎng)的故障定位方法，逆變型分布式電源接入配電網(wǎng)的典型模型中包括兩條饋線：饋線1和饋線2；饋線1分別連接A母線、B母線、C母線，將饋線1所在線路劃分為AB段、BC段；饋線2分別連接A母線、D母線，饋線2所在線路為AD段；該故障定位方法包括以下步驟：

步驟1，粗略故障定位

1)假設(shè)故障發(fā)生在AB區(qū)間，確定故障電流初始值；

2)將故障電流初始值帶入故障定位方程式(7)，求解方程得到故障位置m₁(1)、m₂(1)

a·m²+b·m+c＝0 (7)

a＝Im(0.5[V_u-s]^tZ·Y_sh[I_f]^*)

b＝Im(-[I_u-s]^tZ[I_f]^*)

c＝Im([V_u-s]^t[I_f]^*)

式中，m為故障距離，I_f為故障電流，V_u-s、I_u-s分別是故障點上游的首端三相電壓及電流的列向量，Z、Y_sh分別是線路的單位阻抗矩陣及單位線路等效對地電容矩陣；

3)將m₁(1)、m₂(1)帶入式(9)對故障電流進行更新，重新帶入故障定位方程，求解得到故障位置m₁(2)和m₂(2)，依次類推，進行迭代計算，求解m₁(i)和m₂(i)；

I_u-m＝-C(m)V_u-s+D(m)I_u-s (9)

C(m)＝mY_sh+0.25m³Y_sh·Z·Y_sh

D(m)＝E+0.5m²Z·Y_sh

式中，E為3階單位矩陣；

4)對于步驟3)每次求解出的故障位置m₁(i)和m₂(i)，都先要判斷其斂散性，如果滿足以下條件：

|m₁(i)-m₁(i-1)|＜δ

|m₂(i)-m₂(i-1)|＜δ

則m₁、m₂收斂，直接至步驟5)；如果不收斂，返回至步驟3)，繼續(xù)進行迭代計算和收斂性判斷，直至m₁、m₂收斂；上式中，δ為收斂半徑；

5)判斷m₁、m₂的值是否在區(qū)間AB的范圍內(nèi)，如果在區(qū)間AB內(nèi)，保存故障位置m₁、m₂；若不在，說明該區(qū)間無故障點；

6)按照步驟1)～5)同樣的方法分別對BC、AD段進行故障定位，得到滿足條件的可能故障位置；

步驟2，精確故障定位

將粗略故障定位得到的第i個故障點對應(yīng)的故障電流I_i-f視為注入電流源，形成回路電流方程，得到第i個故障點對應(yīng)的變電站出線電壓的計算值V_i-AC；計算變電站出線計算電壓V_i-AC與實測電壓V_A之間誤差；按照該方法依次計算出步驟1得到的每個故障點對應(yīng)的誤差值，其中誤差值最小對應(yīng)的故障點為精確故障點。

其中，步驟2具體按照以下步驟實施：

1)將粗略故障定位得到的第i個可能故障點視為配電網(wǎng)新的節(jié)點，形成與新系統(tǒng)一致的節(jié)點導(dǎo)納矩陣Y_i；

2)將粗略故障定位得到的第i個故障點對應(yīng)的故障電流I_i-f視為注入電流源，形成回路電流方程，得到第i個故障點對應(yīng)的變電站出線電壓的計算值V_i-AC：

其中，為A母線的自阻抗，為A母線與B母線之間的互阻抗，為A母線與第i個故障點之間互阻抗，I_S為變電站出線總電流，為各個饋線首端電流之和；

3)通過下式計算變電站出線計算電壓V_i-AC與實測電壓V_A之間誤差:

Error_i＝abs(V_i-AC-V_A)/abs(V_A)

4)重復(fù)步驟1)-3)，分別得到每個故障點對應(yīng)的誤差值，其中誤差值最小對應(yīng)的故障點為精確故障點。

進一步地，上述步驟1中收斂半徑δ取10^-4。

本發(fā)明的有益效果是，(1)本發(fā)明的故障定位方法考慮了逆變型分布式電源的故障特性，僅利用變電站出線電壓、各饋線首端電流及分布式電源并網(wǎng)電壓就可實現(xiàn)精確故障定位，故障定位精度高。(2)該故障定位方法還考慮了線路的等效對地電容，該故障定位建立在較精確的線路模型基礎(chǔ)上。(3)該故障定位方法不需要對故障類型進行判別，故障定位結(jié)果不受故障類型影響。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中粗略故障定位原理示意圖；

圖2為本發(fā)明中含有逆變型分布式電源的典型配電網(wǎng)模型。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明并不限于這些實施方式。

本發(fā)明首先建立一種考慮線路等效對地電容的故障定位方程，再利用該方程進行故障定位。

該故障定位方程的建立利用了通用的粗略故障定位模型，如圖1粗略故障定位原理示意圖所示，線路pq長度為l千米，距離線路首端m千米處發(fā)生橫向故障時，故障點f將線路pq分為兩部分，其中f點上游部分為u部分，f點下游部分為d部分，V_u-s、I_u-s分別是u部分的首端三相電壓及電流的列向量(下文所涉及的電壓、電流等電氣量均為包含A、B、C三相信息的列向量)，V_u-m、I_u-m分別是u部分的末端三相電壓及電流，V_d-s、I_d-s分別是d部分的首端三相電壓及電流，V_d-m、I_d-m分別是d部分的末端三相電壓及電流，I_f為故障電流。當(dāng)考慮線路等效對地電容時，利用u部分的首端電壓及首端電流，故障點f處的電壓可表示為：

V_f＝D(m)V_u-s-B(m)I_u-s (1)

其中，

D(m)＝E+0.5m²Z·Y_sh (2)

B(m)＝mZ (3)

式中Z、Y_sh分別是線路pq的單位阻抗矩陣及單位線路等效對地電容矩陣，E為3階單位矩陣，m為故障距離。

圖1中，故障點處的復(fù)功率為：

S_f＝[V_f]^t[I_f]^* (4)

將式(2)、(3)帶入式(4)可得：

S_f＝[V_u-s]^t[I_f]^*+0.5m²[V_u-s]^tZ·Y_sh[I_f]^*-m[I_u-s]^tZ[I_f]^* (5)

因過渡電阻的純阻性性質(zhì)，令故障點處的復(fù)功率虛部為零，即：

0＝Im([V_u-s]^t[I_f]^*+0.5m²[V_u-s]^tZ·Y_sh[I_f]^*-m[I_u-s]^tZ[I_f]^*) (6)

對式(6)進行整理，可得：

a·m²+b·m+c＝0 (7)

其中，

a＝Im(0.5[V_u-s]^tZ·Y_sh[I_f]^*)

b＝Im(-[I_u-s]^tZ[I_f]^*)

c＝Im([V_u-s]^t[I_f]^*)

式(7)即為本發(fā)明構(gòu)建的考慮線路等效對地電容的故障定位方程，適用于任意類型的橫向故障定位。將配電網(wǎng)中每一段區(qū)間線路的首端電壓、電流及故障點處的故障電流分別帶入式(7)，對其進行求解，便可得到全部的可能故障位置。

在上述粗略故障定位原理的基礎(chǔ)上，針對逆變型分布式電源接入的配電網(wǎng)，研究其故障定位方法。圖2所示為逆變型分布式電源接入配電網(wǎng)的典型模型，其中包括兩條饋線：饋線1和饋線2。饋線1連接了三條母線：A母線、B母線、C母線，將饋線1所在線路劃分為AB段、BC段；饋線2連接了兩條母線：A母線、D母線，饋線2所在線路均為AD段。圖2所示模型代表了逆變型分布式電源接入輻射狀配電網(wǎng)的典型接線方式。并且依據(jù)配電網(wǎng)的實際假定：配電網(wǎng)故障前后的電壓，各饋線的首端電流，以及配電網(wǎng)故障前后逆變型分布式電源的并網(wǎng)點電壓均測量。

根據(jù)圖2所示的典型逆變型分布式電源接入的配電網(wǎng)模型，本發(fā)明首先將饋線首端電壓、電流以及分布式電源并網(wǎng)點電壓測量值帶入通用故障定位方程(7)，對配電網(wǎng)進行粗略故障定位；然后針對各個可能故障點發(fā)生故障時的配電網(wǎng)，建立回路電流方程解得配電網(wǎng)饋線首端電壓，并將與實測量最接近的結(jié)果所對應(yīng)的故障點作為精確的故障點。

本發(fā)明故障定位的具體步驟如下：

步驟1，粗略故障定位

1)假設(shè)故障發(fā)生在AB區(qū)間，利用式(8)確定故障電流初始值。

I_f＝I_ab-s-[I_ab-s]′ (8)

上式中，I_ab-s、[I_ab-s]′分別為故障后和故障前AB段線路首端測量三相電流。

2)將步驟1)中的故障電流初始值帶入故障定位方程式(7)，求解方程得到故障位置m₁(1)、m₂(1)(即下次迭代的初始值)。

3)將m₁(1)、m₂(1)帶入式(9)對故障電流進行更新，重新帶入故障定位方程，求解得到故障位置m₁(2)和m₂(2)，依次類推，進行迭代計算，即，進行第i次迭代時，將m₁(i-1)和m₂(i-1)帶入式(9)對故障電流進行更新，重新帶入故障定位方程，求解得到故障位置m₁(i)和m₂(i)。

I_u-m＝-C(m)V_u-s+D(m)I_u-s (9)

上式中，V_u-s、I_u-s分別是u部分的首端三相電壓及電流的列向量(下文所涉及的電壓、電流等電氣量均為包含A、B、C三相信息的列向量)，I_u-m是u部分的末端三相電流。C(m)、D(m)的定義如下：

C(m)＝mY_sh+0.25m³Y_sh·Z·Y_sh (10)

D(m)＝E+0.5m²Z·Y_sh (11)

上式中，Z、Y_sh分別是線路pq的單位阻抗矩陣及單位線路等效對地電容矩陣，E為3階單位矩陣，m為故障距離。

4)對于步驟3)每次求解出的故障位置m₁(i)和m₂(i)，都先要判斷其斂散性。如果滿足以下條件：

|m₁(i)-m₁(i-1)|＜δ (12)

|m₂(i)-m₂(i-1)|＜δ (13)

則m₁、m₂收斂，直接至步驟5)；如果不收斂，返回至步驟3)，繼續(xù)進行迭代計算和收斂性判斷，直至m₁、m₂收斂。其中，δ為收斂半徑，取10^-4。

5)判斷m₁、m₂的值是否在區(qū)間AB的范圍內(nèi)，如果在區(qū)間AB內(nèi)，保存故障位置m₁、m₂，若不在區(qū)間AB的范圍內(nèi)，說明該區(qū)間沒有故障點。

6)假設(shè)故障發(fā)生在BC區(qū)間，按照步驟1)～5)同樣的方法對BC段進行故障定位，得到滿足條件的可能故障位置m₃、m₄。

7)假設(shè)故障發(fā)生在AD區(qū)間，按照步驟1)～5)同樣的方法對AD段進行故障定位，得到滿足條件的可能故障位置m₅、m₆。

步驟2，精確故障定位

8)將粗略故障定位得到的第i個可能故障點視為配電網(wǎng)新的節(jié)點，形成與新系統(tǒng)一致的節(jié)點導(dǎo)納矩陣Y_i；

9)將粗略故障定位得到的第i個故障點對應(yīng)的故障電流I_i-f視為注入電流源，形成回路電流方程，得到第i個故障點對應(yīng)的變電站出線電壓的計算值V_i-AC：

其中，為A母線的自阻抗，為A母線與B母線之間的互阻抗，為A母線與第i個故障點之間互阻抗，I_S為變電站出線總電流，為各個饋線首端電流之和。

10)通過式(15)計算變電站出線計算電壓V_i-AC與實測電壓V_A之間誤差:

Error_i＝abs(V_i-AC-V_A)/abs(V_A) (15)

11)重復(fù)步驟8-10，分別得到t個(可能故障點得個數(shù))故障點對應(yīng)的誤差值，其中誤差值最小對應(yīng)的故障點為精確故障點。

實施例

拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示的10kV配電網(wǎng)，模型中IIDG的容量為0.5MW，架空線路參數(shù)為r₁＝0.27Ω/km，x₁＝0.35Ω/km，線路等效對地電容參數(shù)C設(shè)置為3.18μF/km。饋線1末端負荷為1.3MVA，饋線2末端負荷為2.6MVA，功率因數(shù)為0.85。線路AB、BC、AD的長度分別為8km、4km、3km。AB段5km處發(fā)生單相接地故障(過渡電阻為0)時，故障定位的步驟如下：

1.粗略故障定位

1)假設(shè)故障發(fā)生在AB區(qū)間，利用式(8)確定故障電流初始值。

2)將該故障電流初始值帶入故障定位方程式(7)，求解方程得到故障位置m₁(1),m₂(1)。

3)將m₁(i-1)和m₂(i-1)帶入式(9)對故障電流進行更新，重新帶入故障定位方程，進行下次迭代求解得到故障位置m₁(i)和m₂(i)。

3)判斷m₁(i)和m₂(i)的收斂性，若不收斂則不斷迭代直至滿足收斂條件。得到AB段可能的故障點距離A母線4.9992km，BC段可能的故障點距離B母線0.0033km。AD段無可能故障點。

2.精確故障定位(如表1所示)

4)將線路AB上距離A母線4.9992km的故障點和線路BC上距離B母線0.0033km的故障點分別視為配電網(wǎng)新的節(jié)點，分別形成與新系統(tǒng)一致的節(jié)點導(dǎo)納矩陣Y_i；

5)計算得到將線路AB上距離A母線4.9992km的故障點和線路BC上距離B母線0.0033km的故障點發(fā)生故障時，計算得到的A母線電壓與實測電壓的誤差分別為9.65％和10.33％。

因此，精確的故障位置為距離A母線4.9992km的位置。

表1可能的故障點及精確故障點

從表1中可以看到，本文所提的故障定位方法可以有效排除偽故障點，實現(xiàn)精確定位。