C型行波法在配電網(wǎng)故障測距中應用之研究_圖文

1、第24卷第3期2007年6月現(xiàn)代電力Modern Electric PowerVol124No13J une2007文章編號:100722322(20070320020204文獻標識碼:A中圖分類號:TM711C型行波法在配電網(wǎng)故障測距中應用之研究于盛楠,楊以涵,鮑海(華北電力大學電氣與電子工程學院,北京102206R esearch on Application of C2type T raveling2w aveScheme in Distribution F ault LocationYu Shengnan,Yang Y ihan,Bao Hai(School of Electrical

2、 and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Beijing102206,China摘要:為解決配電網(wǎng)故障定位問題,使配電網(wǎng)故障定位自動化,以減少巡線工作量和用戶停電時間,提出了利用C 型行波法對單相接地故障進行故障測距的方法。該方法基于C型行波定位理論,通過在線路始端注入一高幅值脈沖,使用高采樣率采集裝置在始端接收返回波形,再選取適當?shù)臑V波器進行數(shù)字濾波濾除噪聲提純有用信號,并使用隔點差分的方法確定行波在線路始端和故障點之間返回所用的時間,從而在較短時間內計算出故障距離。同時,通過分析行波在帶分支線路中的傳

3、輸過程,提出了確定簡單配電網(wǎng)絡的拓撲結構的方法。經(jīng)過理論分析、A TP仿真及實驗室模擬實驗,并對所得數(shù)據(jù)進行有效分析,證明了該方法的正確性,也說明該方法在配電網(wǎng)故障定位中是實際可行的。關鍵詞:行波;分支線路;信號衰減;高速采集;濾波差分Abstract:To solve t he p roblem of t he f ault location in dis2 t ribution networks,a f ault location met hod is suggested f or t he single2p hase grounding f ault based on C2typ e t

4、 raveling2 wave t heory.This met hod aims to realize t he automation, and to reduce line insp ection workload a nd customer black2 out p eriod.The back waves f rom t he lines a re monitored by injecting signals wit h high voltage a nd na rrow p ulse.The wavef orms a re ext racted wit h p rop er filt

5、er.Af ter filtering, t he interval of t he t raveling2wave between t he beginning end of t he line a nd t he f ault p oint is calculated.The f ault dis2 ta nce is calculated.Through t he a nalysis of t he t ra nsmission p rocess of injected t raveling2wave on lines with branches,the met hod of st ru

6、cture confirmation in simple dist ribution net2 work a nd f ault location is p rop osed.Through t he simulation in A TP and exp eriments on a nalog lines in lab,t he scheme is p roved to be correct t hrough technological analysis.K ey w ords:t raveling2wave;branch lines;signal f ading; high rate pic

7、king;diff erence of filter waves 0引言隨著我國工業(yè)的發(fā)展,電力網(wǎng)絡規(guī)模逐漸加大,結構逐漸復雜,用戶對供電穩(wěn)定的要求也越來越高。一方面,系統(tǒng)正常運行時要防止故障的發(fā)生;另一方面,故障發(fā)生后盡快進行故障定位,迅速排除故障,保證系統(tǒng)運行安全,將損失最小化。故障定位包括選線和故障測距兩部分。經(jīng)過多年努力,配電網(wǎng)故障選線成果喜人1,很多研究人員也一直在努力尋求故障測距的解決方案?，F(xiàn)階段故障定位方法主要有阻抗法和行波法兩大類223。阻抗法的原理是線路阻抗與線路長度成正比,在輸電網(wǎng)絡中使用較多,由于配電網(wǎng)中分支較多,線路負荷隨機性大,故不適宜使用。行波法是基于故障距離與行波

8、從故障點傳輸?shù)綑z測點的時間成正比的原理,一般分為A,B,C,E4種4-6。其中A、B兩種都要檢測故障自身產生的行波,需要在變電站的各母線出線處加設檢測裝置,投資較大;E型方法也即雙端行波法,需要在線路兩端進行檢測,對多分支的配電網(wǎng)絡難以適用;C型方法,也即單端行波法,是在線路始端注入檢測信號,并通過注入信號與故障點返回信號的時差來確定故障位置,這種方法從理論上說在配電網(wǎng)中是可行的。本文通過利用C型行波法進行了配電線路的A TP仿真、實驗室模擬實驗和現(xiàn)場實驗,并對所得數(shù)據(jù)進行有效的分析,證明了該方法在配電網(wǎng)故障定位中的可行性。1注入行波在帶分支線路中的傳輸C型行波法是在線路始端注入信號,并在始端

9、同時測量注入信號和返回信號,所以,若記信號注入時刻為0時刻,那么故障點返回信號的波頭到達始端的時刻值的1/2,就是行波從故障點到檢測點的時間差。用公式描述如下:S =12t v (1式中,S 表示故障距離;t 表示故障點返回信號的波頭到達始端的時刻值;v 表示波速 。圖1發(fā)生接地故障時行波在帶分支線路中的傳播示意圖圖1表示的是一條帶有二個分支的線路。O 點為線路起始點,線路在A 點分成兩支AB 和AC 。AB 段內S 點發(fā)生單相接地故障。從O 點發(fā)出檢測信號W 1,W 1到達阻抗不連續(xù)點A 后沿3個路徑傳播:W 11透過A 點沿AC 傳播;W 12透過A 點沿AB 傳播并達到故障點S ;W 1

10、3在A 點直接反射回始端。W 11到達C 點時,遇到開路返回同向信號W 2;W 2返回A 點時又有3個傳輸路徑,其中透過A 點的W 21直接返回O 點,另一個透射A 點的W 22沿分支AB 傳播,可以達到故障點S 。W 12與W 22先后到達S 點,遇到接地分別返回負向信號W 32和W 31,同時向A 點和B 點傳輸。W 32經(jīng)過A 點后的透射部分W 33的波頭成為第一個從S 點返回始端的波頭。W 31到達B 點后遇開路反射,其最終透射部分W 41返回檢測點。之后,信號繼續(xù)在線路中往復傳播,在各點發(fā)生反射和折射,直至衰減到零。從上可見行波在帶分支線路中的傳播有以下特點:信號遇到帶有N 個分支的

11、節(jié)點會分成N +1股,當僅一處發(fā)生接地故障時,僅一股可以到達故障點;故障點返回的信號遇到該分支節(jié)點又要發(fā)生折反射,僅一股可以回到檢測點。分支對信號的衰減很大,這就需要能發(fā)出足夠能量信號的信號源。由于在分支點返回的信號是與短路故障點返回信號同方向的負向信號,所以必須加以辨識,區(qū)分分支點和故障點。2故障點返回波形波頭的確定仍然利用圖1進行分析。注入信號后,最先返回O 點的是W 13,用時T OAAO ;第2個返回O 點的是W 23,用時T OACAO ;第3個返回O 點的是W 33,用時T OASAO ;第4個返回O 點的是W 41,用時T OABAO 。當AC 與AS 距離不等時,這四個時刻值也

12、都不等。由此得到分支點與故障點的判別方法:當線路拓撲結構已知,且結構相對簡單時,首先估算信號在各分支點、各線路末端與首端往返所需時間,當發(fā)現(xiàn)不匹配的時刻點,即為故障發(fā)生點。當線路拓撲結構未知或分支結構復雜繁瑣時,分兩步確定故障位置:首先將故障時的波形與開路波形相比較,得到突變時刻,從而確定故障距離;然后分析突變時刻前的返回波形,確定故障點前的分支情況,從而精確定位。在實際線路中,由于配電網(wǎng)多分支的特點,往往要選用第2種方法進行故障定位。精確定位的關鍵在于確定故障錄波和開路錄波相減后波形的突變時刻。有3種方法可供選擇:直接將電壓值與0作比較,連續(xù)高于(或低于0的起始時刻為突變時刻。該方法的優(yōu)點是

13、算法簡單,快速運算。然而由于實際錄波信號往往包含大量噪聲,導致其無法使用。運用小波包分析。小波分析在信號的奇異性上非常敏感,采用小波包分析不但可以濾波還可以提取高頻分量找出突變點。但每進行一個尺度的小波變換再進行重構都會增加數(shù)據(jù)個數(shù),導致精度降低。先濾波再進行隔點差分。濾波可以有效去除波形中的噪聲干擾,有效簡化進一步的處理過程;隔點差分后選擇電壓持續(xù)增大一定點數(shù)的第一個點為突變時刻點,經(jīng)多次計算證實,穩(wěn)定可靠。3仿真及結果分析對于前面所述的判別方法,通過仿真驗證其正確性。 重要的是找到接地波形與開路波形的突變點。圖2仿真所用帶分支線路圖2為仿真用線路圖。信號源后接一只與波阻抗相當?shù)碾娮柙龠M行采

14、樣檢測,避免信號返回始端12第3期于盛楠等:C 型行波法在配電網(wǎng)故障測距中應用之研究 后繼續(xù)往返在線路中,引起波形震蕩。采用ATP軟件,仿真一條全長21km 的線路,在9km 處出一條6km 的分支,且在分支末端短路。信號源采用了脈寬4s ,幅值1000V 的脈沖信號。不計負荷影響。仿真時線路上的行波波速為167m/s ,得到圖3的仿真波形。其中實線表示開路波形,虛線表示支路末端接地時的波形 。圖3開路和分支末端直接接地波形對比觀察圖3,在兩波形出現(xiàn)差異的突變點以前兩波形皆有一個明顯的負波形,這就是分支點A 的反射波。計算信號傳至A 點再返回檢測點需要時間t OAAO =2×9

15、15;1031167×108=108×10-6s 與波形所對應時時間基本一致。為了精確故障位置,將開路波形與接地波形對應時刻相減,得到圖4,并將其中過零突變點附近的30個點的數(shù)據(jù)摘抄至表1 。圖4開路與分支末端直接接地波形相減波形表1中有兩個點值得注意,在18點處電壓躍零,在38點處電壓達到最高。這兩點對應的距離值分別為第18點85×167/2=707915m 第38點185×167/2=1544715m而后者與仿真故障位置15000m 非常接近,相對誤差為2198%。表1仿真波形相減后突變30點數(shù)據(jù)序號16171819202122232425t /s

16、715e -0058e -005815e -0059e -005915e -005010001010001050100011010001150100012U /V00115e -0050100010301000604010031010142101058201215130172198序號26272829303132333435t /s 010001250100013010001350100014010001450100015010001550100016010001650100017U /V21211612047161011381094831737170129320157558148899131

17、335序號36373839404142434445t /s 01000175010001801000185010001901000195010002010002050100021010002150100022U /V181819225813252417248815207319131118363163-512187 -105516-1115154實驗室模擬實驗為了對仿真進行驗證,在實驗室搭建了模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)按線路分布參數(shù)搭建,根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)設置其中電容電感的取值。其中每個單位模塊代表115km ,搭成與仿真線路相同的長線帶分支模擬線路。信號源幅值5000V ,脈寬10m 。示波器使用的是采樣率為

18、100M Hz 的Tek TDS3014B ,經(jīng)分壓電阻后在線路始端進行測量。圖5模擬實驗接線示意圖22現(xiàn)代電力2007年首先由不帶分支的模擬試驗確定波速,模擬波速約為300m/s 。接著分別測量開路波形和6km 支路末端直接接地波形,得到圖6。其中細線表示開路波形,粗線表示分支接地后所測得波形。兩波形均為將示波器數(shù)據(jù)導入Matlab 后繪圖而成。零時刻前數(shù)據(jù)已去除 。圖6模擬實驗的開路波形和分支接地波形圖6中第一個向下突變點為分支點返回波形造成,第二個突變點為接地點返回波形。為了便于分析,將兩波形相減,得到圖7(a 的波形。該波形受到實驗噪聲的影響,波形較粗,不易于精確定位,所以將其進行數(shù)字

19、濾波處理,得到圖7(b 。所選用的濾波器為基于凱瑟窗的無限長低通濾波器。觀察圖7發(fā)現(xiàn)雖然經(jīng)過濾波,但對過零突變點仍然很難判斷,所以對濾波后數(shù)據(jù)又進行一次隔10點的差分處理見圖7(c ,并將差分后連續(xù)400點大于0中的第一個點的時刻值記錄下來,作為過零突變的時刻值 。圖7開路與分支直接接地波形相減及其濾波后波形根據(jù)程序計算的結果,突變時刻為916e -5s ,故障位置為1414km ,相對誤差4%。且若考慮模型中每個模塊參數(shù)不能完全一致,相對誤差應更小。5結論通過理論分析、A TP 仿真及實驗室模擬實驗,并對所得數(shù)據(jù)進行有效分析,最大誤差不超過±4%,證明了C 型行波法的正確性,也說明該方法在配電網(wǎng)故障定位中是切實可行的。現(xiàn)場噪聲是對所測數(shù)據(jù)的最大干擾,精確定位需要有效的數(shù)據(jù)處理方式。通過將離線狀態(tài)下的開路波形與接地故障波形相減,進行有效濾波后隔點差分,找到連續(xù)多點大于0中的第一個點,并將此時刻值記錄下來,作為過零時刻點,即故障點返回波的波頭到達時刻,即可進行精確定位。如果能將波形采集裝置與電腦統(tǒng)一裝置,比如采用高速采集卡,并進行界面設計,必能大大提高故障測距的效率。參考文獻1裴善鵬,連鴻波,李萬彬,等.快速調匝式消弧線圈及接地選線一體化裝置研究J .現(xiàn)代電力,2006,23(1:2024.2Johns A T Wh