外文翻譯（中文）---架空線-電力電纜混合線路故障定位方法

1、架空線-電力電纜混合線路故障定位方法賽義德·厄爾尼諾1, 馬姆杜·穆罕默德1, 阿卜杜勒·阿齊茲2哈利勒·易卜拉欣·馬哈茂德2（1埃及開羅大學(xué)工程學(xué)院， 2 科威特技術(shù)研究學(xué)院)摘要：本文提出了一種地上架空線與地下電力電纜混合線路系統(tǒng)的故障定位方法。該算法需要從遠(yuǎn)端的傳輸線終端獲得測量的數(shù)據(jù)相量和同步測量相量。故障定位方法基于分布式模型，模態(tài)轉(zhuǎn)換理論和離散傅里葉變換。該方法可用于在線或離線數(shù)字故障記錄儀器進(jìn)行故障測距。所提出的方案能夠定架空線或在地下電力電纜故障位置。此外，該方案能夠計算出較為準(zhǔn)確的故障位置電阻。經(jīng)過大量使用MATLA

2、B進(jìn)行的模擬仿真研究表明，該方案提供了一種在故障條件下高準(zhǔn)確度的故障定位方法。關(guān)鍵詞：故障定位；模態(tài)轉(zhuǎn)換；相量提取；架空線路-電力電纜混合線路0.引言架空輸電線路與地下電纜混合輸電線路是電力系統(tǒng)的一個組成部分，這種混聯(lián)輸電方式較為復(fù)雜，但是具有良好的傳輸可靠性，能夠提供高質(zhì)量的電能配送服務(wù)。雷擊，樹木倒塌，空氣污染物對絕緣子的侵蝕沾污導(dǎo)致絕緣強度下降等都有可能引起架空線故障。冰和雪荷載也可能造成絕緣子串聯(lián)或機械損壞從而引發(fā)電力故障。地下電力電纜故障可能是電纜切斷或者電纜絕緣老化導(dǎo)致電纜相互粘連等一系列因素誘發(fā)?；炻?lián)線路故障定位對電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行至關(guān)重要。準(zhǔn)確故障定位將有助于快速地修復(fù)電力故障，

3、提高系統(tǒng)可靠性，降低運營成本，并且節(jié)省時間和省去巡線人員在惡劣天氣和復(fù)雜地形查線的不便1。當(dāng)代故障定位方法對地下架空線可以分為兩種主要類型2：一種是通過測量故障后線路阻抗進(jìn)行故障定位的方法。這種算法只適用于基本測量信號3,4的組成部分。另一種是測量故障部位產(chǎn)生的行波從而進(jìn)行定位。5-8電力系統(tǒng)中的架空線路-電力電纜混合輸電線路故障測距主要問題在架空線和電力電纜對地阻抗和零序阻抗相差較大。此外，電纜的波阻抗約為架空線路的十分之一（即架空線約為400至600，而電力電纜約為40至60）。這導(dǎo)致了實際中較大故障位置測量距離誤差9。本文基于分布式模型及模態(tài)轉(zhuǎn)換線理論提出了一種架空線-電力電纜混合輸電線

4、路故障定位方法。它適用于數(shù)字繼電器的在線測量，也可以通過數(shù)字存儲設(shè)備存儲的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行離線操作。本方案考慮了架空線路和電纜兩部分相互調(diào)換，并且進(jìn)行故障或故障阻力沒有邊界條件的假設(shè)。 大量的模擬通過使用MATLAB電氣系統(tǒng)模塊庫仿真環(huán)境進(jìn)行模擬仿真，該電氣系統(tǒng)模塊庫提供類似EMTP/ATP的的模擬，并且使建模的電力系統(tǒng)基礎(chǔ)組成部分在同一環(huán)境下控制，聰兒促進(jìn)閉環(huán)仿真10。支持MATLAB的模擬仿真的主要的因素包括：(1)靈活的軟件結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)庫，模型和程序能夠在同一程序中方便的整合不同模型組件。(2)Matlab及其時域解算器建立一個友好和開放的系統(tǒng)。新的模型和數(shù)據(jù)庫可以不通過修改現(xiàn)有部分添加到程序

5、包中。為了說明這個方法，文章第2章為單相線路故障定位方法（無論是架空線或電纜線），第3章擴(kuò)展到三相電路故障定位，然后結(jié)合第四章三相架空線-電力電纜。第五六章對模擬案例研究中使用和測試結(jié)果進(jìn)行評估。最后第七章進(jìn)行總結(jié)。.單相故障定位方法單相輸電線路的電壓和電流的是故障點距輸電線末端的函數(shù)。這些參數(shù)可與輸電線路線所謂的報務(wù)員的方程11參數(shù)相聯(lián)系： (1)R,I,G和C分別為單位長度的電阻，電感，電導(dǎo)和電容。 說明：（1）這種技術(shù)的基本思想是解決均衡。（2）利用圖示的邊界條件以替代：, V0 = VR , I0 = IR,解決方案為 (2)考慮到發(fā)送端邊界條件情況，VL = VS和IL = IS（L

6、為總的線路長度），解決方案為： (3) 如圖1所示，故障點的F在電力輸電線SR上距接收R端D公里。電力輸電線被分為等同的兩部分。一部分是輸電線SF，長（L- D）公里，另一部分是輸電線路FR，長D公里。這兩部分仍然可以被視為作為完好的電力輸電線。這意味著，在兩部分輸電線在任何一點的電壓可以有末端的測量電壓和電流表示13。此外，故障點F的電壓表示兩個數(shù)據(jù)集（VS，IS）和技術(shù)（VR，IR）是相同的。然后，距接收端D公里遠(yuǎn)的電壓可用公式 （2）和（3） (4) 由于VF是在同一點F的電壓，求解方程（4），求出距離接收端D公里的故障位置。 (5)其中 (6)圖1：單相電力輸電線2.三相線故障定位方法

7、2.1模態(tài)分解 為了實現(xiàn)第2節(jié)所述的三相系統(tǒng)故障定位方法，相位信號通過模態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣分解為模態(tài)元件。基于變換矩陣的特征向量，其頻變可用于多相線換位，其中相阻抗和導(dǎo)納矩陣可以用來確定當(dāng)前和電壓的變換矩陣。對于均衡（同樣換位）多相電力輸電線，兩個矩陣可以很容易地選擇成為具有不同作用的轉(zhuǎn)換矩陣的一個如凱倫貝爾價值轉(zhuǎn)換矩陣，和克拉克的轉(zhuǎn)變。本文中提到的去耦轉(zhuǎn)化和克拉克變換矩陣使用其負(fù)序或零序分量（0）和兩個固定相組件（和）14。相電壓和電流轉(zhuǎn)化為地下模式和兩種架空線模式： (7)其中2.2 故障定位算法 單相的解決方案是通過零序分量和信號的模式組件延長為三相。每個模擬部分表現(xiàn)為傳播常數(shù)i和浪涌阻抗ZCi

8、。假設(shè)完成換位，激增的模擬阻抗為：其中ZCi是浪涌阻抗，ZS, YS是所有導(dǎo)體容抗和導(dǎo)納在任意頻率的平均總和。Zm，Ym是在任意頻率下的所有導(dǎo)體相互阻抗和導(dǎo)納的平均綜合。Z0，Y0是零序阻抗和導(dǎo)納。Z1，Y1是正相阻抗和導(dǎo)納15。模擬傳播常數(shù)給出了相類似的相序阻抗和導(dǎo)納，因此，距接收端Di的三相故障定位模態(tài)組件為，Ai, Bi由公式（8）確定 (8)其中S和R為發(fā)送和接收端的數(shù)據(jù)，信號的模態(tài)組成部分i=0。2.3根據(jù)故障類型選擇適當(dāng)?shù)哪Ｊ疆?dāng)應(yīng)用公式（7）時，三相線路故障位置可能獲得不同的模式組件。下一步通過選擇適當(dāng)?shù)哪Ｊ?，進(jìn)行準(zhǔn)確的故障定位，并根據(jù)變換矩陣，如克拉克轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用。該模式適用于

9、對除B-C相故障的所有故障。因此，一個適當(dāng)?shù)慕鉀Q辦法是計算除B-C相故障的所有類型的故障距離，距離D作為實際距離。在這種情況下，這是故障模式的恰當(dāng)距離，計算距離D。根據(jù)矩陣轉(zhuǎn)化的，如凱倫貝爾矩陣選擇適當(dāng)?shù)木嚯x不是唯一不變的模式。所以使用另一個矩陣時要慎重。3. 三相架空線-電力電纜混合線路故障定位本文介紹了一種架空線-電力電纜混合輸電線路故障定位儀。該系統(tǒng)通過模擬計算圖2所示的傳統(tǒng)的混合線路進(jìn)行響應(yīng)測量。圖3所示為一個應(yīng)用普遍原理的故障定位器。以下各節(jié)中所述對每一階段進(jìn)行詳細(xì)介紹。3文中提出的的輸電線路故障定位算法，混合線路以電纜結(jié)束時需要測量電纜另一端的三個線電壓和電流和電纜末端的相電壓和相

10、電流。良好的溝通系統(tǒng)需要從兩端得到同步的電壓和電流信號。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)運用成熟，包括：零序交叉，旋轉(zhuǎn)樣品（對于相量），準(zhǔn)確時間參考（IRIG- B和GPRS）。所有這些技術(shù)已在領(lǐng)域內(nèi)運用成熟。全球定位系統(tǒng)提供了準(zhǔn)確的同步參考時間?？捎眯缘母咝阅芫_的時間基準(zhǔn)的實施，使GPS接收機很容易同步采樣16。圖2 混合線路例圖3：故障定位算法圖示3.2信號處理在架空線一端和電纜一端的三相電流和電壓信號被輸入到一個克拉克轉(zhuǎn)換矩陣，該轉(zhuǎn)換矩陣在3.1節(jié)具體解釋，來得到去耦模式0，。模擬的電流電壓的相量通過離散傅立葉變換DFT得到。傅立葉算法模型，聯(lián)系儲存的正弦余弦數(shù)據(jù)樣本從基頻信號的樣本輸入得到波形。3.

11、3架空線-電纜混合輸電線路故障定位子程序由于由于架空線-電力電纜連接處之前不知是否完好，該算法假定兩個故障地點：在連接處前面的架空線路故障，以及連接點后的地下電纜。這導(dǎo)致兩個故障定位算法子程序。兩種解決方案得到故障位置。真正的故障位置要選擇使用第三方的子程序。3子程序1：關(guān)于架空線路側(cè)故障該子例子假定在連接點前面的架空線發(fā)生故障。子程序由兩個階段組成。3.1第一階段由于電纜部分是完好的，通過測量電纜遠(yuǎn)端的向量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算可以測量出電纜部分的任意位置的電壓和電流。通過應(yīng)用公式（2）（x=電纜長度）計算獲得電纜發(fā)送端（即架空線接收端）的電流ISi和電壓VSi，通過這樣計算出每個模式的傳播常數(shù)i及其

12、相關(guān)的波阻抗ZCi。電纜部分在這個階具有段模態(tài)傳播常數(shù)和模態(tài)浪涌阻。架空線接收端的電流和電壓也可以通過這種方法計算。3.2第二個階段由于故障區(qū)段發(fā)生在架空線部分，通過測量架空線近端的電氣量得到架空線的模擬相電壓相電流。 架空線遠(yuǎn)端的電壓電流計算方法見第一階段。通過公式（7）（8）計算故障點的距離，D0，Ð和D。在這個階段的只有架空線部分具有模態(tài)傳播常數(shù)和模態(tài)浪涌阻抗。3子程序2：電力電纜故障該子程序假設(shè)在電纜出發(fā)生故障（連接部分后面）。子程序包括兩個階段如下。3.1第一階段由于架空線部分是完好的，通過測量架空線遠(yuǎn)端的向量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算可以測量出架空線部分的任意位置的電壓和電流。通過應(yīng)用

13、公式（3）（x=架空線長度）計算獲得架空線發(fā)送端（即電纜發(fā)送端）的電流ISi和電壓VSi，通過這樣計算出每個模式的傳播常數(shù)i及其相關(guān)的波阻抗ZCi。架空線部分在這個階具有段模態(tài)傳播常數(shù)和模態(tài)浪涌阻。電纜發(fā)送端端的電流和電壓也可以通過這種方法計算。3.2第二個階段由于故障區(qū)段發(fā)生在電纜部分，通過測量電纜近端的電氣量得到電纜的模擬相電壓相電流。電纜遠(yuǎn)端的電壓電流計算方法見第一階段。通過公式（8）計算電氣量Ai，Bi，然后通過公式（7）計算出Di。在這個階段的只有電纜部分具有模態(tài)傳播常數(shù)和模態(tài)浪涌阻抗。3子程序3：正確識別故障區(qū)域 如果Di（從第一個子程序派生）小于架空輸電線路總長度，然后選擇Di（

14、來自第一個子程序）作為一個正確的解決方案。故障發(fā)生在連接處前面的架空線處。 如果Di（從第一個子程序所得）大于架空輸電線路總長度，然后選擇Di（來自第二子程序）為正確的解決方案故障發(fā)生在連接處后面的電纜處。下一步根據(jù)故障的類型選擇合適的模式距離D0，D或D作為故障定位。此過程2.3節(jié)中詳細(xì)說明。3.4故障電阻的計算通過文中的故障定位算法和從上面的故障定位子程序求出的故障距離Di從上面我們可以它確定各種故障類型故障電阻無論故障發(fā)生在架空線或電纜線上。利用Di值（故障定位距接收端的距離，無論是架空線或電纜線）為D0，D，D。模態(tài)故障邊界條件VFI，IFI可以通過如下方法得到：計算發(fā)送端故障電壓VF

15、I和故障電流IFI，無論是架空線還是長度為L-Di的電纜，第一個同源故障部位可以通過公式（3）計算，其中x =0，長度= L-Di。計算接受遠(yuǎn)端的故障電流IFI，無論是架空線還是長度為Di的電纜，第二個同源故障部位可以通過公式（2）計算，其中長度= Di。故障電流IFI的計算方法是綜合IFiS和IFiR17。然后故障點的相電壓和電流通過克拉克轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行計算（載于第節(jié)）。以上的計算根據(jù)聯(lián)合傳輸系統(tǒng)故障區(qū)域辨識子程序推導(dǎo)了有故障的部分。因此，根據(jù)故障類型，故障電阻Rf的計算方法如下18：對于A相與地故障對于B-C-地故障對于B-C故障本文提出的算法假定從另一個診斷塊已知的故障類。然而，使用故障點

16、的電壓和電流相量進(jìn)行計算，也可以判別出故障類型。為了說明該算法優(yōu)越性，圖2所示應(yīng)用MATLAB模擬一條220千伏輸電線路，包括一個100公里架空輸電和10公里的地下電纜。表2中給出了沿線分布均勻的架空線路和地下電纜單位長度的所有參數(shù)。在模擬實驗研究忽略了線路導(dǎo)納。通過MATLAB仿真環(huán)境進(jìn)行了大量的模擬。對于不同故障的條件：架空線分別在不同的故障位置10，20，25，35，50，65，70，80和90公里處，電纜分別在不同的故障位置1，2，5，7，8和9公里處，對于不同的故障類型和故障發(fā)生率進(jìn)行模擬仿真。故障電阻從0到100歐姆。其中一個模擬的例子，圖4和5顯示了獲得的三相電壓電流。這些電氣量

17、采集于故障點距源端90公里（架空線處，連接點前）的單相B-地故障。圖 6和7顯示兩端在模式（0，）下的電壓和電流信號。表1：架空線，電力電纜的參數(shù)值正序和負(fù)序值零序值架空線R0.4817LC電力電纜RLC注：R是電阻值，單位為歐姆/公里；L是感抗值，單位為豪亨/公里；C是容抗值，單位為微法/公里圖4：架空線B相90公里處故障的輸送電壓和電流圖5：電力電纜B相90公里處故障的接收端電壓和電流圖6：架空線B相90公里處故障的模擬輸送電壓和電流圖7：電力電纜B相90公里處故障的接收端模擬電壓和電流5. 仿真結(jié)果和算法評價 該計劃根據(jù)不同的故障情況進(jìn)行了優(yōu)越性測試。下面有選擇的列舉了40例故障情況來進(jìn)

18、行說明。誤差率有下列公式進(jìn)行計算得到：誤差率=|實際故障定位-故障定位計算|/總故障段長度× 100。5.1 故障點位于連接點前后位置的判斷對于第5條所述的情況（在連接點前面90公里處架空線的故障），第一子程序?qū)收隙ㄎ坏慕Y(jié)果為D0，D和D分別為：，和公里。第二子程序?qū)收隙ㄎ唤Y(jié)果D0，D和D分別為：-3142，-4086和公里。根據(jù)故障區(qū)域選擇子程序，選擇第一個子程序計算的估計距離是正確的。另一個例子中，單相的B線到地故障距離源端105公里的地下電纜終端部分（連接點后5公里）。故障相角角和故障電阻是和前面的情況相同。結(jié)果如下：第一子程序?qū)收隙ㄎ坏慕Y(jié)果為D0，D和D分別為：和 公里

19、。第二子程序?qū)收隙ㄎ唤Y(jié)果D0，D和D分別為：4.8781, 4.97 和 公里。根據(jù)故障區(qū)域選擇子程序，選擇第二個子程序計算的估計距離是正確的。表2：故障距離對架空線側(cè)故障的測量準(zhǔn)確性的影響架空線5155066728396表3：故障距離對電力電纜側(cè)故障的測量準(zhǔn)確性的影響實際故障距離(KM)測量故障距離(KM)誤差電力電纜265.2故障距離的影響 為了測量故障距離對測量精度的影響，考慮到相角的因素，對地故障電阻取90攝氏度10歐姆。結(jié)果 列于表2和3。表2為從架空線路首端開始的故障距離的測量。表3為從連接點后（電力電纜首端）故障距離的測量。5.3故障類型的影響在架空線30公里處的故障可能受故障

20、類型的影響。為了測量故障距離對測量精度的影響，考慮到相角的因素，對地故障電阻取0攝氏度90歐姆。結(jié)果 列于表4表明，該方法測量精度不受故障類型的影響。5.4故障電阻的影響為了估計故障電阻的影響，在距離電纜首端8公里的位置模擬了不同的故障類型。故障電阻列于表5中，取介于10至50歐姆之間的值。結(jié)果表明，本算法可以不受故障電阻影響。表6給出了定位儀在架空線后者電纜段不同的故障類型任意故障阻值的情況下的測量誤差率。5.5初始相角的影響在初始角的影響分析中，以在90公里處，故障電阻10歐姆的架空線和距離連接點1公里處，相角變化范圍0至90的電力電纜雙向?qū)Φ毓收蠟槔Y(jié)果列于表7。表4：故障類型對故障測

21、距的影響故障類型實際距離(KM)測量距離(KM)誤差A(yù)G30BG30CG30ABG30ACG30BCG30AB30BC30AC30ABCG30表5：故障電阻對故障測距的影響故障類型故障電阻 ()測量距離(kM)%誤差單相接地102050兩相接地102050三相接地102050表6：故障電阻故障類型RF()架空線60公里處故障電力電纜3公里處故障測量值，RF()誤差%測量值，RF()誤差%SLG1020100DLG1030LL2570表7：相角對故障測距的影響故障相角(°)架空線90KM處故障電力電纜1KM處故障測量距離(KM）誤差%測量距離(KM）誤差%030456090本文提出的故

22、障定位方法適用于架空線-電力電纜混合輸電線路。所提出的方案基于使用的同步電壓和電流信號?？死宿D(zhuǎn)型是用來解耦三相信號。離散傅里葉變換用來消除模擬信號相量直流偏移。我們應(yīng)用MATLAB電力系統(tǒng)模塊進(jìn)行了大量的模擬仿真。本文提出的方法可以判定故障發(fā)生在架空線還是電力電纜處。此外，方法介紹了針對于所有故障類型，無論故障發(fā)生在架空線與電力電纜連接處前面或者后面的估算距離的好方法。本方案可以對所有故障類型進(jìn)行相當(dāng)準(zhǔn)確的距離計算，并且本算法不受故障阻抗變化，故障相角和故障類型的制約影響。在架空線25種故障情況下的最大誤差百分比為每百公里的100（約210米）。在電力電纜20種故障情況下，最大誤差百分比為每

23、十公里（約164米）。參考文獻(xiàn)：1 M. Kezunovic, “Fault Location” Wiley Encyclopedia of Electrical andElectronics Terminology, vol. 7, John Wiley, 1999, pp. 276285.2 M. Mohan Saha, R. Das, P. Verho, D. Novosel, Review of fault locationtechniques for distribution systems, in: Proceedings of the PowerSystems and Commu

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