c型行波法在配電網(wǎng)故障定位中的應用

c型行波法在配電網(wǎng)故障定位中的應用

0目前我國植物配電網(wǎng)絡(luò)存在的一些基隨著我國工業(yè)的發(fā)展，供電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不斷復雜，用戶對供電穩(wěn)定性的要求越來越高。一方面,在系統(tǒng)正常運行時要防止故障的發(fā)生;另一方面,在故障發(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。然而,配電網(wǎng)的多分支結(jié)構(gòu)給故障巡線帶來諸多困難,這就迫切需要一種自動進行故障定位的方法出現(xiàn)?，F(xiàn)階段配電網(wǎng)故障定位的方法主要分為兩類:基于配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的方法和行波法。兩類方法各有其特點?；谂渚W(wǎng)自動化系統(tǒng)的方法從理論上說是最簡明的方法,通過各個FTU和RTU的返回信號,利用各種數(shù)學算法進行尋址判斷。但是這種方法有一個大前提是配網(wǎng)自動化系統(tǒng)大規(guī)模使用并且從其中獲得的故障信息準確無誤,然而現(xiàn)在我國大部分城市電力配電網(wǎng)絡(luò)并沒有配備先進的配網(wǎng)自動化系統(tǒng),所以這種方法的實用的現(xiàn)實性較差。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,其中又分為A、B、C、D、E、F六型方法。其中只有C型方法,也即單端注入行波法適用于多終端的配電網(wǎng)絡(luò)。C型行波法的基本原理是在線路始端注入檢測信號,并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,這種方法從理論上說在配電網(wǎng)中是可行的。由于配電網(wǎng)絡(luò)分支對信號的衰減和外界噪聲干擾的影響,C型行波法的數(shù)據(jù)處理存在很大困難,所以一直沒有得到廣泛的實際應用。但是,通過改進信號源,使其發(fā)出高幅值窄脈沖,就可以很大程度彌補分支帶來的信號衰減;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。同時從所錄波形中分析提取線路特殊點的特征波形,就可以分析出正常情況和故障情況下的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),從而判定故障分支。1帶分支機構(gòu)線路的個別信號傳播行波在線路中的傳輸特點是遇到阻抗不匹配(不連續(xù))點就會發(fā)生反射和折射。在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(wǎng)中,阻抗不匹配點主要表現(xiàn)為分支點、開路點和短路點三類,分別返回負向、同向和負向行波。圖1表示的是一條以點O為起點,點B為終點,并在OB中的點A處帶一條支路AC的線路。AB段內(nèi)點S處發(fā)生單相接地故障。從O點發(fā)出檢測信號W1,W1到達分支點A后沿三個路徑傳播:W11透過A點沿分支AC傳播;W12透過A點沿分支AB傳播,可以達到故障點S;W13在A點發(fā)生反射,直接返回始端O點。W11到達C點時,遇到開路返回同向信號W2;W2返回A點時又有三個傳輸路徑,其中透過A點的W21直接返回O點,另一個透射A點的W22沿分支AB傳播,可以達到故障點S。W12與W22先后到達S點,遇到接地返回負向信號,此信號分成W32和W31兩股,同時向A點和B點傳輸。由W12產(chǎn)生的W32遇到A點后的透射部分W33的波頭成為第一個從S點返回始端的波頭。W31到達B點后遇開路反射,其最終透射部分W41返回檢測點。之后,信號繼續(xù)在線路中往復傳播,在A、B、C、S、O點發(fā)生反射和折射,直至衰減到零。從上述過程中,可以看出行波在帶分支線路中有以下傳播特點:(1)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,當只有一處發(fā)生接地故障時,只有一股可以到達故障點。同時故障點返回的信號遇到該分支節(jié)點又要發(fā)生折反射,只有一股可以回到檢測點,又經(jīng)歷了第二次衰減。(2)在帶有多個分支點的線路中,每經(jīng)過一個分支點,信號就要按(1)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(jīng)過一定量的分支后,可能導致返回信號太小以致無法辨識。(3)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,所以必須加以識別,區(qū)分分支點和故障點。2自適應濾波理論利用C型行波法進行故障定位的第一步是故障測距。其原理是通過比較正常波形與故障波形找尋突變點,根據(jù)突變點距脈沖發(fā)出的起始時刻的時間差來計算故障距離。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1μs的偏差就會使故障測距結(jié)果出現(xiàn)300m的誤差。而現(xiàn)場所錄波形雖然形態(tài)清晰,但卻包含了大量高頻噪聲,若不將這些噪聲濾除,就會對測量精度造成很大的影響。自適應濾波理論是由WidrowB.等人在1967年提出的,并在近幾十年內(nèi)得到迅速發(fā)展?；谧赃m應濾波理論,在設(shè)計自適應濾波系統(tǒng)時只需知道很少的或者根本不需要任何關(guān)于信號與噪聲的先驗統(tǒng)計知識,其參數(shù)即可自動調(diào)整至最優(yōu)狀態(tài),實現(xiàn)簡單,并且濾波性能甚好。比較常用的自適應濾波算法有最小均方(LMS)算法和遞歸最小二乘(RLS)算法兩種。經(jīng)過對多種算法在對實驗數(shù)據(jù)的處理速度和精度的比較后,選用了LMS自適應FIR濾波器。其原理如圖2所示。自適應濾波器有兩個輸入端(主輸入和參考輸入)以及兩個輸出端(濾波器輸出和誤差輸出)。信號源S(n)中包含期望信號和噪聲信號,經(jīng)過傳輸系統(tǒng)H(z)的頻率特性影響,信號x(n)將與主信號S(n)不同,利用自適應濾波器可以從信號x(n)中提取原來的主信號S(n),而噪聲干擾被濾波作用抑制了。由于在注入行波到達故障點并返回之前時間內(nèi)的所有波形是一致的,所以利用在離線狀態(tài)下測得的濾波后的無故障時所錄波形減去故障時所錄波形,其中的第一個明顯突變點所對應的時刻就是注入行波到達故障點又返回線路始端的時刻點,記為t,而故障距離也可以簡單的通過公式(1)計算出來:其中:S表示故障距離,v表示波速。3故障在整體上出現(xiàn)特征計算出了故障距離,下一個問題就是確定故障分支。利用特征波就可以很好地解決這個問題。特征波是指線路中的特殊點返回的波形,這些特殊點包括線路始端、分支節(jié)點和各分支末端。首先利用ATP的仿真結(jié)果來說明。仿真中信號源采用脈寬為1μs,幅值1000V的高壓脈沖源,線路波阻抗設(shè)置為300?,信號源經(jīng)300?電阻接入線路。波速采用300m/μs。線路結(jié)構(gòu)如圖3。在檢測點采用100M的采樣率進行采樣,分別得到開路波形(圖4a)和A點處發(fā)生單相接地故障時的故障波形(圖4b),以及開路波形與故障波形的相減波形(圖4c)。從圖可以很容易判斷出相減波形的突變時刻為13.3μs,即故障距離為13.3×300/2=2000m,與該線路故障情況一致。接下來分析故障所在分支。首先觀察開路波形。第一個特征向上為信號源,第二個特征向下為第一個分支點返回特征,第三個特征向上為第一個分支末端返回特征,第四個特征向下為第一個分支點特征來回反射的結(jié)果,第五個特征向下為第二個分支點的返回特征,第六個特征向上為第二個分支點后較短分支的返回特征,第七個特征向上為第二個分支點后較長分支的返回特征。再看故障波形。很明顯,第六個特征變?yōu)橄蛳?且第二個分支點后較長分支的返回特征雖減弱但仍然存在,所以故障位置在第二個分支點后的較短分支上。4波速取及其特征波提取經(jīng)過上述理論分析,得到C型行波法在配電網(wǎng)故障定位中是可行的這一結(jié)論。此結(jié)論在北京市大興區(qū)與當?shù)毓╇姽竞献鬟M行的實驗中得到驗證。該實驗的實驗條件為一條35kV線路,主線延伸至5291m處連接3條分支,其中較短的一條2349m,較長的兩條長度相等,為5900m。分別設(shè)置了主線近、主線遠、分支點、短分支中、短分支末端、長分支中和長分支末端共計7個實驗點。實驗在該線路停電狀態(tài)下進行(該變電站的其余線路正常運行)。由脈沖信號源發(fā)出4kV的高幅值類三角波脈沖,脈寬10μs,由線路始端注入。同時在始端使用采樣率為100M的型號為Tek3014B的高速示波器接收已分壓衰減20倍的返回波形,通過RS-232串口將示波器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入電腦程序,并輸出故障定位結(jié)果。限于篇幅,下面僅以第6點的情況作為典型進行說明。圖5的左側(cè)三副圖分別為開路錄波、第6點處直接接地的故障錄波以及二者的相減波形。其中縱坐標代表電壓幅值(單位:V),橫坐標代表時間(單位:s)。右側(cè)三副圖分別為對應左側(cè)波形經(jīng)自適應濾波的結(jié)果。自適應濾波器采用的是凱塞窗的FIR型LMS自適應數(shù)字濾波。經(jīng)濾波后,原始波形中的噪聲干擾基本消除,且波形形狀沒有改變。計算結(jié)果的相對誤差僅為+1.4%。但是,僅僅使用這樣的波形希望程序輸出故障分支是比較困難的,所以采用了峰值法提取特征波。首先根據(jù)線路總長確定有用波形的時間范圍,丟棄冗余信息。接著抽取波形中所有的峰值和谷值點,并記錄下來。最后比較這些保存點,除去對判別分支沒有作用的點。最終計算提取的開路波形和第6點故障波形的特征波如圖6。其中圖6上為開路波形特征波,第一個特征向上為信號源發(fā)出特征,第二個特征向下為分支點特征波,第三個特征向上為短分支特征波,第四個特征向上為長分支特征波。且由于該線路有兩條長度相等的長分支,所以第四個特征的幅值高于第三個特征。圖6下為第6點故障波形的特征波,與圖6上相比,它缺少了短分支的特征波,從而判斷故障發(fā)生在短分支上,這與實際情況是完全一致的。當波速取284m/μs時,將實驗中其余實驗點的故障定位結(jié)果匯總?cè)绫??？梢?通過“C型行波法——自適應濾波故障測距——特征波故障定位”的流程進行離線故障定位,測距相對誤差不超過±1.5%,故障定位結(jié)果準確可靠。5故障所在支設(shè)置通過理論分析、ATP仿真及現(xiàn)場實驗,并對所得數(shù)據(jù)進行有效分析,最大誤差不超過±1.5%,證明了C型行波法的正確性,也說明該方法在配電網(wǎng)故障定位中是實際可行的?，F(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