新型配电系统复杂故障检测与辨识新技术研究

新型配电系统复杂敌障检测与辨识新技术研究 王晓卫 西安理工大学电气工程学院2025.12.20 研究背景 ●运行环境复杂：线路所处环境复杂，如穿越林区、电缆绝缘劣化/破坏等极易诱发高阻故障 高阻故障危害大：高阻故障常引发人身触电、森林火灾、电缆沟起火、用户停电等事故。·高阻故障检测难：接地电阻过大，故障电流过小，传统保护无法启动，更做不到准确选线。 1.1弧光高阻故障检测 ·提出一种基于参数优化的弧光高阻故障数学模型：采用配网真型试验模拟不同介质故障，引入动态电阻理论与改进粒子群参数寻优方法，实现不同接地介质下弧光高阻故障的精确建模 1.1弧光高阻故障检测 ●提出一种基于波形间歇性的故障检测方法：通过采用变分模态分解、峭度理论、能量算子时间摘构建故障检测判据，解决传统保护无法区分负荷投切、电容投切与高阻故障的检测问题 1.1弧光高阻故障检测 ·提出一种基于波形非线性特征的故障检测方法：采用经验小波变换，准确提取表征波形过零点的间歇性熄弧特征与不对称特性分量，并构建排序方差判据，准确实现弧光高阻故障检测 1.1弧光高阻故障检测 ·提出一种基于波形喇叭特性的故障后备保护方法：在考虑燃弧周期与喇叭特性基础上，采用最小二乘法，构建故障后备保护判据，弥补电弧间歇性特征不明显工况下，检测能力不足问题， 喇叭特性理论推导 对应电弧电流可表示为： 1.1弧光高阻故障检测 ●提出一种基于随机共振的故障检测方法：采用随机共振、变分模态分解、峭度与偏度构建检测判据，在利用外界工况噪声的基础上，有效提升检测方法在强噪声等极端工况下的适应性 1.2弧光高阻故障选线 ●提出一种基于极值特征的故障选线方法：在挖掘故障微观特征量基础上，采用低频分量极值点与综合内积构建故障选线判据，消除消弧线圈过补偿导致的高阻故障选线不准确问题， 1.2弧光高阻故障选线 ·提出一种基于故障多特征融合的故障选线方法：采用移频算法构建基于多特征融合的选线判据消除高比例DG接入时产生的谐波与不平衡影响，提升DG接入下故障选线适应性 1.2弧光高阻故障选线 ●提出一种基于电流α模态的故障选线方法：提出适应三相单芯电缆完全解耦的相模变换方法筛选出表征故障特征最为明显的特征模态，进而构建检测判据，以适应高电缆化率配网场景， 电压变换矩 解辑后对应六个模态信号电流：仅电流模态电压：ap.电流其余态无法遇过实测得到 相继故障-场景分析 ·城市电缆化率：电缆大幅提升，相继故障已成为电缆“群爆、群跳”乃至起火等事故核心诱因 ●无法二次启动：首发故障保护装置跳闸后，零压无法恢复至15%U以下，导致无法二次启动 短时间间限跳里后。装置未返回导致继发故障无法启动，属相维继故障。短时间间隔（gh)：高阻导致零压持续低于15%U.装置拒动，系统带隐性故障运行，属相继故障。客压可恢复至15%U以下，继发故障时装置可正常启动，属两次单相接地故障。长时间间隔：继发故障阻值较高装置拒动，，属两次单相接地故障。 1.3跨线相继故障-机理分析 ·相继故障演化机理：本质上是由对地电容电流的重新分配所引起。基于此，相继故障的暂态等值电路可看作两个单相接地故障的暂态等值电路并联后的结果，两者之间存在耦合特性 跨线同相相继接地故障分析 同理，求得健全馈线、故障馈线，故障馈线的客序电流解析表达式。 , L(8,,+8, ,e)+,0s(6/+#)+, c[()+]8(r) 1.3跨线相继故障-机理分析 ●首发低阻过阻尼/首发低阻欠阻尼：当继发性故障为低阻故障时，忽略消弧线圈作用；当继发性故障为高阻故障时，忽略首发故障馈线与继发故障馈线中电感作用 首发低阻过阻尼+维发低阻 首发低阻过阻尼+继发高阻 ①首发低阻过阻尼+继发低阻欠阻尼 2种状态电路完全相同，区别在于求辉的各电气量表达式不同。 2种状态电路完全相同，区别在于求解的各电气量表达式不同。 2种状态电路完全相同，区别在于求解的各电气量表达式不同。 2种状态电路完全相同，区别在于求解的各电气量表达式不同 1.3跨线相继故障-机理分析 ●首发高阻过阻尼/首发高阻欠阻尼：当继发性故障为低阻故障时，忽略消弧线圈与首发故障馈线中电感作用：当继发性故障为高阻故障时，忽略首发故障馈线与继发故障馈线中电感的作用， 2种状态电路完全相同，区别在于求解的各电气量表达式不同。 2种状态电路完全相同，区别在于求解的各电气量表达式不同。 2种状态电路完全相同，区别在于求解的各电气量表达式不同。 2种状态电路完全相同，区别在于求解的各电气量表达式不同 1.4跨线相继故障检测 ●提出基于内积原理的跨线同相相继高阻故障检测方法：揭示出健全馈线、首发故障、继发故障馈线动态变化规律，计算了继发故障时各馈线内积值，实现了跨线同相相继高阻接地故障检测 继发性接地故障特征分析 健全零序电流：.-C零序电流：+L,eC,B e,维发故障馈线-L(G -C_) ++4m)零序电流：ena首发故障馈线内积：《A）- 1.4跨线相继故障检测 ●提出基于暂态等效电容的跨线同相相继故障检测方法：揭示了继发性故障期间各馈线暂态等效电容的极性规律，结合悄度启动判据，实现了跨线同相相继高阻接地故障检测 继发接地故障特征分析 继发接地故障准确检测 继发接地故障准确启动 跨线相维接地故障等效网络： 故障期问各馈线智态等效电容： 启动判据：传统零序电压+暂态电流哨度基于零序电压：U>(0))基于电流道度：value：NT 万故障期间各馈线电流表达式： dire n健全馈线：fie n = Ca/p首发故障馈线：，=Cdr继发故障馈线：divo_1MoldrK 自适应时间宝选取 1.4跨线相继故障检测 ●提出一种基于零序电容变化特征的异相相继故障检测方法：利用频域方程求解首发故障、继发故障暂态期间对地零序电容，通过两阶段零序电容变化特征，有效实现跨线异相相继故障检测 继发故障线路解析式： 1.4跨线相继故障检测 ●提出基于相对摘的跨线相继故障检测方法：揭示出健全馈线、首发故障、继发故障馈线负序电流分布规律，计算继发故障时各馈线间相对摘值，实现继发接地故障有效识别与检测 继发接地故障特征分析 维发故障简化等值网络 1.5灵活接地系统高阻故障检测 ·提出基于幅值比与相位差的灵活接地系统高阻故障检测方法：推导了小电阻投入后各馈线与中性点零序电流在幅值与相位上的差异，仅利用投入后的电气量实现灵活接地系统高阻故障检测 1.5灵活接地系统高阻故障检测 ·提出基于泄露电阻辨识的灵活接地系统高阻故障检测方法：分析小电阻投入前后线路等效对地电阻变化特征，构造基于配电系统固有参数检测判据，具有自举性，提升了检测准确度， 检测判据及实现方案 健全馈线（小电阻投入前后）： 故障馈线（小电阻投入前后）： 检测判据： 1.6灵活接地系统+跨线相继故障检测 ·提出基于零序导纳模值比的跨线相继故障检测方法：推导了小电阻投入前后故障馈线1与故障馈线2的解析表达式，通过构建两种边界，计算零序导纳模值变化，实现跨线相继故障检测， 跨线相继故障特征分析 灵活接地系统+跨线相继故障时序 ①小电阻投入前虚拟电压源1、2单独作用：虚拟电压源1、2共同作用：故障馈线1：1故障费线2：1。-+jec ca++ je(Ca Ga) 0②小电阻报入后成拟电压源1、2共同作用：激障馈线2：之&+jac +[-@构建两种边界边界情况1:,=0→=,=0边界情况2：。=0。=0判据1：纵向比较小电阻投入后导纳模值 灵活接地系统跨线相继故障时序： 3种场景下故障馈线零序电流： 判据2：横向比较小电阳投入前后模值比 1.7 工程应用 开发了配网故障智能化处置成套装备，部署于江西41个县市的8500多条线路上，江西公司应用后表明，全省出线开关故障停运总次数下降85%，支撑公司2023年客户满意度跃居国网第1名 未来展望 利用电弧电流间歇性、非线性、喇叭特性等波形变化宏观特征，结合现代信号处理方法准确提取与表征故障特征，实现了弧光高阻故障的准确识。 从零序电流极值点、瞬时极性/瞬时能量等微观特征测度出发，结合多特征融合思路，实现高比例新能源接入、高电缆化率城区配网、弧光相继故障等复杂场景下故障检测， 总结2 揭示高比例新能源接入、灵活接地模式、强噪声干扰、多次多点相继弧光高阻故障演化机理，攻克弱耦合故障与复杂场景下新型配电系统故障检测与辨识技术难题 展望1 开展配网接地故障真型试验与现场录波数据收集工作，拓展更多的配网故障场景，获取更多复杂工况下实际数据，进一步验证新型配电系统复杂故障检测与辨识新技术， 展望2 [1]Faulty line detection method hased on optimized bistable system for distributionvoL. 14, to. 4, pp. 1370-1381, April 2018.[2]Wang Xiaowei*, Gao Jie, Wei Xiangxiang. Zeng Zhihui, Wei Yanfang. et al., Single line to ground fnult deteetion in a non-effectively grounded distributionWang Xisowei'. Gao Jie, Wei Xiangxiang, et al. High inpedemce fault detection metbod bused on variational mode decomposition and teagerkaiser energynetwork,/EEE Truavovioutran Power De/irery,vol.33, o,6,po.3173.386, Dec. 2018.[3][4]uoesny anuaj-uaiun-adan put rs uauoduoo [usuperg uo pasug uogaatap paay Aqneye a oeix Suea Bupa SuBuerxSurx a[5]distribution networks, IEEE Tnnsaetian Smari Grid, vol. 12, no. 2, pp. 1699-1711, March 2021.Gao Jie, Wang Xiaolnua, Wang _Xiaowei, et al., A high-impedance faalt detectiondifferential faulty energy, IEEE Ynansacrtons ow Smarv Grid, vol. 13, no. 2, pp. 900-912, March 2022method for distribution systems based on empirical wavelet transform and[6]Wang Xiaowei, Wei Xiangxiang, Gao Jie, et al., High-impedance fault detection method based on stochastic resonanee for a distribution network with strongbackground noise, JEE Tiransacriouts on Power Delnery, vol. 37, o. 2, pp. 1004-1016, April 2022[7][8]Wang Xinowei*, Wang Xue, Liu Weibo, Gae Jie, et al., Faulty feeder detection under high-impedance fault for active distributio networks in res