基于c型行波法的多終端配電網故障定位

基于c型行波法的多終端配電網故障定位

在中國的電網生產網絡中，最大的故障是單相接觸故障。因此，如何快速、準確地確定單相接觸的錯誤位置，是電氣系統(tǒng)繼電保護的研究重點。配電網故障主要有2大類:單相接地故障和相間故障。對于后者的故障定位現(xiàn)階段主要采用基于配網自動化的方法,即通過各個饋線自動化遠方智能終端和遠方終端的返回信號或通過SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù),利用各種數(shù)學算法進行尋址,從而找到故障位置。而對于發(fā)生最為頻繁的單相接地故障卻一直沒有較好的解決方式。由于配網終端負荷的影響,使應用于輸電網絡故障定位的阻抗法不再適用。而另一故障定位的經典理論體系行波法得到關注。行波法是基于故障距離與行波從故障點傳輸?shù)綑z測點的時間成正比的原理,分為A、B、C、D、E、F等6種方法。其中只有C型方法,即單端注入行波法,可適用于多終端的配電網絡。C型行波法的基本原理是在線路始端注入檢測信號,通過注入信號時刻與故障點返回信號時刻的時差來確定故障位置,這種方法理論上可行,但也遇到了實際難題。由于配電網絡多分支的特點,C型行波法的注入信號在線路中衰減很大,從故障點返回的信號變得微弱;同時又有外界噪聲的干擾,使本來就已微弱的有用信號被淹沒,給數(shù)據(jù)處理帶來很大困難。但是,通過提高信號源幅值,即發(fā)出高幅值窄脈沖的方法,可很大程度彌補分支帶來的信號衰減;再使用數(shù)字濾波等方法進行數(shù)據(jù)處理,就可恢復信號的本來面目,進行故障測距。同時從錄波波形中分析提取線路特殊點的特征波形,就可以分析出正常和故障情況下的網絡拓撲結構,從而判定故障分支。因此,利用C型行波法進行故障測距和故障定分支來實現(xiàn)故障定位,是一種具有很強實用性的方法。1實用定位方法1.1c型行波法cs故障點到檢測點的時問差精確的故障定位建立在正確選線的基礎之上。經過多年的研究,小電流接地選線技術已經比較成熟,選線的正確率可達到95%以上。因此,得到故障測距和故障定分支2個方面的精確結果后就能夠確定故障位置。行波法的基本原理是在波速已知的情況下確定行波從故障點傳播到檢測點的時間差,再乘以波速得到故障距離。C型行波法是在始端同時測量注入信號和返回信號,并記信號注入時刻為0時刻,則故障點返回信號的波頭到達始端時刻值的1/2就是行波從故障點到檢測點的時問差。用公式描述如下:S=△t/2·v式中:S為故障距離;△t為故障點返回信號的波頭到達始端的時刻值;v為波速?，F(xiàn)場使用時,首先在離線狀態(tài)下記錄每一相的開路波形(之所以要對每一相都分別錄波,是因為雖然三相的網絡拓撲結構基本一致,但三相不可能絕對平衡,尤其B相由于同時用于傳輸通信,與其他兩相波形存在明顯差異)。故障發(fā)生后,記錄注入行波后的三相波形,并與各相開路波形相比較,有波形差異的相即為故障相。此時,將故障相的開路波形與短路波形相減,并進行適當?shù)臑V波處理,得到使兩波形出現(xiàn)差異的第一個波形突變點。找出該點對應的時刻,即可用上式得到故障距離。圖1詳細描述了故障測距的程序流程。1.2反演的轉換與輸電網絡相比,配電網絡的供電半徑較小,且其中35kV網絡帶有少量分支線路,10kV網絡帶有較多分支。這就需要首先對行波在分支處的傳輸過程進行分析。行波在傳輸過程中遇到阻抗不連續(xù)點會發(fā)生反射和折射。當傳播前方波阻抗大于傳播后方波阻抗時,返回同向行波,反之返回負向行波。在配電網中,阻抗不匹配點主要為分支點、開路點和短路點3類,分別返回負向、同向和負向行波。在只有一個分支點的線路中,信號遇到帶有N個分支的節(jié)點會分成N+1股,當一處發(fā)生接地故障時,只有一股可以到達故障點。從故障點返回的信號遇到該分支節(jié)點再次折反射,經歷了第2次衰減后只有一股回到檢測點。在帶有多個分支點的線路中,每經過一個分支點,信號就要按上段所述衰減一次,故障點距線路始端越遠,其衰減就會更強烈,在經過一定量的分支后,可能導致返回信號太小以致無法辨識。同時,由于行波在線路傳輸過程中受線路自身電感、電容及阻抗的影響,會逐漸衰減,且配電網的末端多變壓器,會對波形產生異化作用。如何從衰減和異化后的波形中提取有用信息并加以利用,是故障定位能否成功的關鍵。1.3接地電阻為400k時對于行波法,過大接地電阻(幾百kΩ)產生的波形相當于該點開路,而當接地電阻為幾十kΩ時,對輸入信號的分壓就會導致返回特征不明顯。此方法適用于接地過渡電阻較小(3kΩ以內),且線路均勻(即全架空線或全電纜),線路原始長度參數(shù)已知的配電網絡單相接地故障定位。2處理數(shù)據(jù)2.1c型行波法的濾波參數(shù)利用C型行波法進行故障定位的第1步是故障測距?，F(xiàn)場所錄波形雖形態(tài)清晰,卻包含一定量的高頻噪聲,由于行波在線路中的傳輸速度與光速相當,尋找的突變點只要有1gs的偏差就會使故障測距結果出現(xiàn)近150m的誤差,所以一定要濾除干擾噪聲。普通濾波器在濾波時需設定通帶、阻帶范圍等參數(shù)。但對于C型行波法的故障定位來說,為了得到更好的線路特征波,必須發(fā)出窄脈沖,因而有用信號和噪聲信號都處在高頻,這對通帶頻率的選取產生了障礙,從而影響計算結果。自適應濾波器只需知道很少或根本不需要任何關于信號與噪聲的先驗統(tǒng)計知識,其參數(shù)即可自動調整至最優(yōu)狀態(tài),實現(xiàn)簡單,濾波性能好,因此選用了自適應濾波。較常用的自適應濾波算法有最小均方算法和遞歸最小二乘算法。經過對多種算法在對實驗數(shù)據(jù)處理速度和精度的比較后,選用了LMS自適應有限沖擊響應濾波器。2.2故障定位計算對于全架空線或全電纜線路來說,其中傳輸?shù)男胁úㄋ偈禽^為均勻的,因而可以采用一個平均波速對全線路的故障定位進行計算。故障定位的第1步是記錄信號輸入無故障線路后的波形,并作為基本波形保存,因而可利用這個基本波形進行波速的選取計算。方法是在基本波形中選取幾個較為清晰的特征點對應的特征波,對應特征點實際位置,計算出對各個特征點綜合誤差最小的行波波速。2.3障錄波與開口波形相減波形的過程經過自適應濾波后的波形會“干凈”許多,但實際情況是,由于線路參數(shù)對波形的異化作用,故障錄波與開路波形的相減波形往往沒有一個特別明顯的突變點,而是一個逐漸離開零幅值的過程。因此,需要把這個逐漸的過程尖銳化,從而方便找出變化的第1個點作為時間記錄點。差分是一個簡單、有效的方法,對于已經過濾得較好的波形,相隔2點進行差分,可以很好的提取出突變點。2.4建立特征波的方法由于信號源發(fā)出的脈沖信號要由內置變壓器放大,因此發(fā)出的實際不是方波,而是類似三角波的信號。同時,信號在線路中的傳播過程中,形狀會發(fā)生畸變,這都給特征波的提取帶來了困難。峰值掃描是選取波形中所有極值點作為初始數(shù)據(jù)源,通過對極值點的幅值比較排除偽特征,經過1次比較,即可得到真正的特征極值。根據(jù)特征極值繪制出特征波,就可以從開路波形中得到網絡的基本拓撲結構,并從故障波形中找到故障所在分支。使用“自適應濾波———隔點差分———峰值掃描”的3步數(shù)據(jù)處理過程,算法簡單,計算快捷,具有很高的實時性。3基于c型行波理論的兩步定位方法在需要一個通過理論分析及現(xiàn)場實驗,并對所得數(shù)據(jù)進行有效分析,