一種多端行波故障定位方法

一種多端行波故障定位方法

0線路兩端運(yùn)行波治理算法b型行波定位法在原理上，并行波定位方法分為兩種類型：?jiǎn)味朔ê碗p端法。單端法利用行波在阻抗不連續(xù)點(diǎn)發(fā)生反射和透射的特性,找到來(lái)自故障點(diǎn)的反射波,根據(jù)波速與時(shí)間的關(guān)系,計(jì)算得到故障距離;雙端法利用故障行波以接近于光速的速度向線路兩端傳播的特點(diǎn),在線路兩端捕捉故障初始行波波頭,利用行波到達(dá)線路兩端的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)故障定位。利用故障產(chǎn)生的行波進(jìn)行單端故障定位的方法稱為“A型行波定位法”;利用故障產(chǎn)生的行波進(jìn)行雙端故障定位的方法稱為“B型行波定位法”;人工注入脈沖信號(hào)的方法稱為“C型行波定位法”。隨著數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)技術(shù)的發(fā)展,B型行波定位法的優(yōu)勢(shì)會(huì)越來(lái)越凸現(xiàn)。文獻(xiàn)和文獻(xiàn)分別從基于網(wǎng)絡(luò)和基于圖論的角度對(duì)輸電網(wǎng)B型行波定位算法進(jìn)行了深入討論和進(jìn)一步優(yōu)化,但是B型行波定位法不適用于配電網(wǎng)。配電網(wǎng)多為樹(shù)形結(jié)構(gòu),母線上有很多分支,線路情況復(fù)雜,且很多接地故障都是暫態(tài)故障,靠?jī)啥藴y(cè)量很難找出故障點(diǎn)位置。因此,本文提出了一種基于多端行波的配電網(wǎng)故障定位方法。1基于電磁等方向傳播反行波的一般計(jì)算公式cB型行波定位法利用故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波到達(dá)線路兩端的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)定位,其原理如圖1所示。圖1中,T1和T2分別為線路發(fā)生故障后,故障行波到達(dá)線路兩側(cè)(母線M和母線N)的時(shí)間。設(shè)波速為v,母線M與母線N之間的距離為l,則故障點(diǎn)到母線M的距離x為:根據(jù)電磁場(chǎng)理論,單根無(wú)損線路上的電壓u和電流i是關(guān)于位置x和時(shí)間t的函數(shù),它們滿足波動(dòng)過(guò)程:式中:L和C分別為線路單位長(zhǎng)度的電感和電容。以上方程有達(dá)朗貝爾(D.Alembert)解,即式中:,接近光速;,為波阻抗;u1t(-x/v)為沿x正方向傳播的前行波;u2t(+x/v)為沿x反方向傳播的反行波。該定位方法能達(dá)到較高的精度,不存在在后繼到來(lái)的反射波中尋找故障點(diǎn)反射波的問(wèn)題,在美國(guó)和歐洲等國(guó)家和地區(qū)有一些應(yīng)用。隨著通信技術(shù)的發(fā)展,該定位方法利用了全球定位系統(tǒng)(GPS)來(lái)保證時(shí)間的一致性,在輸電線路的定位中得到了廣泛的應(yīng)用。2多端行波定位算法從圖論的角度,不考慮網(wǎng)絡(luò)元件的特性而只研究行波測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系時(shí),可將電力系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)抽象成由n個(gè)頂點(diǎn)和m條邊構(gòu)成的圖G=(P,Q)。其中,P={A,B,…,K},表示圖的頂點(diǎn)集合;Q={m1,m2,…,m10,ma,mb,…,mi},表示圖的邊集合,其中各元素表示對(duì)應(yīng)線路區(qū)段的長(zhǎng)度;P和Q分別對(duì)應(yīng)于電力系統(tǒng)中配電網(wǎng)末端(變壓器)集合和樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)支路集合。m與n之間的關(guān)系為m=2n-3。配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中,頂點(diǎn)A,B,…,K處安裝了各線路末端變壓器。故障發(fā)生后,故障行波將沿著線路向整個(gè)電網(wǎng)傳播,考慮到故障行波在整個(gè)電網(wǎng)中傳播的復(fù)雜性,本文只考慮故障行波第1波頭在配電網(wǎng)中的傳播。圖2所示的樹(shù)形配電網(wǎng)絡(luò),線路分支多且分支上又有分支,故障可能發(fā)生在電網(wǎng)中的任何位置。當(dāng)故障發(fā)生在cd段的k點(diǎn)時(shí),行波會(huì)沿著圖中箭頭所指方向向故障點(diǎn)兩端傳播,沿著線路到達(dá)各末端變壓器。此時(shí)假設(shè)傳到各末端變壓器的時(shí)間為:T={TA,TB,…,TK}配電網(wǎng)末端將通過(guò)通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(GPRS)或電力線載波,將記錄的行波波頭到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間數(shù)據(jù)T和變壓器編號(hào)K傳回變電站中心站,如圖3所示。圖3中,KT并非K與T相乘,而是表示一個(gè)字符串,此字符串中包含時(shí)間數(shù)據(jù)T和變壓器編號(hào)K。另外,文中所表示時(shí)間信息為行波到達(dá)時(shí)刻。多端行波定位的核心是如何通過(guò)每個(gè)變壓器端傳回來(lái)的數(shù)據(jù),根據(jù)實(shí)際的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)算,最終得出故障點(diǎn)在配電網(wǎng)中的位置。變電站中心站進(jìn)行多端定位的步驟如下。步驟1:中心站將接收到的每一個(gè)KT數(shù)據(jù)中的時(shí)間數(shù)據(jù)T,按時(shí)間的先后進(jìn)行排序。步驟2:提取時(shí)間最短的前3個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)Tx,Ty,Tz。根據(jù)B型行波定位原理,得出,式中:lxy為變壓器Kx與變壓器Ky之間的線路長(zhǎng)度;lxz為變壓器Kx與變壓器Kz之間的線路長(zhǎng)度;xy為故障點(diǎn)所在位置距變壓器Ky的距離;xz為故障點(diǎn)所在位置距變壓器Kz的距離。步驟3:驗(yàn)證故障點(diǎn)是否在線路分支點(diǎn)。例如圖2中的i點(diǎn),當(dāng)故障發(fā)生在線路gi段靠近交叉點(diǎn)i時(shí),根據(jù)步驟1和步驟2算出的最靠近故障點(diǎn)的3個(gè)變壓器分別為變壓器KI,KJ,KK。此時(shí)算出來(lái)的故障點(diǎn)若在i點(diǎn),則轉(zhuǎn)到步驟4;否則轉(zhuǎn)到步驟5。步驟4:事先根據(jù)配電網(wǎng)實(shí)際拓?fù)鋱D,算出可能出現(xiàn)上述故障定位點(diǎn)的區(qū)段,進(jìn)行特殊標(biāo)記。如果出現(xiàn),將Tx舍棄,繼續(xù)向后推進(jìn)1位,轉(zhuǎn)到步驟2。步驟5:由于配電網(wǎng)特性為2個(gè)變壓器之間只有唯一一條線路,根據(jù)以上信息及實(shí)際配電網(wǎng)拓?fù)鋱D可計(jì)算出故障點(diǎn)準(zhǔn)確位置。假設(shè)故障發(fā)生在cd段的k點(diǎn),則式中:xD為故障點(diǎn)k與變壓器KD之間的距離;xC為故障點(diǎn)k與變壓器KC之間的距離。由于行波在線路中的傳播速度是一定的,由式(7)可計(jì)算出,k點(diǎn)到各變壓器的距離為:由式(8)可計(jì)算出,在T={TA,TB,…,TK}中時(shí)間最小的3個(gè)為TC,TD,TE。根據(jù)B型行波定位原理,得出:式中:lEC為變壓器KE與變壓器KC之間的線路距離;lDC為變壓器KD與變壓器KC之間的線路距離;xE為故障點(diǎn)k到變壓器KE的距離;xD為故障點(diǎn)k到變壓器KD的距離。由圖2中xD>m7可知故障點(diǎn)不在dD段;由xE>m7可知故障點(diǎn)不在dE段;由m6+m5>xD得出故障點(diǎn)k就在cd段,位置為距離變壓器KD為xD處。由于行波幅值大、易于辨識(shí),使得計(jì)算處理簡(jiǎn)單;線路過(guò)渡電阻的電弧特性、系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化(是否多分支線路等)、線路的分布電容以及負(fù)荷電流等對(duì)測(cè)距復(fù)雜性不會(huì)造成大的影響,但要求線路末端測(cè)量系統(tǒng)含精確到微秒的同步時(shí)鐘,以實(shí)現(xiàn)末端的時(shí)間同步。隨著GPS時(shí)鐘同步技術(shù)和數(shù)字光纖通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用,線路各端的數(shù)據(jù)交換已成為可能。因此,本文將在此行波定位系統(tǒng)中采用基于GPS的多端故障定位方法?；诙喽诵胁ǖ呐潆娋W(wǎng)單相接地故障定位方法的系統(tǒng)總體流程如圖4所示。3正常情況下的線路仿真本章利用ATP仿真軟件對(duì)配電線路中各種單相接地故障建立了仿真模型,并利用MATLAB軟件對(duì)ATP仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,再用多端行波在線定位方法對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。大量的ATP仿真結(jié)果驗(yàn)證了多端行波在線定位方法的可行性。三相線路行波過(guò)程與單相線路行波過(guò)程的不同之處在于,一相上有電壓和電流時(shí),其他兩相會(huì)耦合產(chǎn)生電容電流,同時(shí)反作用于該相,導(dǎo)致該相的行波發(fā)生變化。這里假設(shè)三相線路是對(duì)稱的。圖2為用ATP仿真軟件搭建的10kV線路在正常情況下的仿真模型,限于篇幅,本文只仿真分析圖中上半部分分支線路。線路模型采用分布參數(shù)的三相線路。電源為220kV輸電網(wǎng)末端。由于配電網(wǎng)中變壓器中性點(diǎn)非有效接地,這里變壓器采用1kΩ的電阻接地。變壓器的輸電網(wǎng)側(cè)和380V線路采用中性點(diǎn)直接接地。在每個(gè)變壓器的一次側(cè)放置電壓探頭,測(cè)量配電網(wǎng)線路中單相接地故障在變壓器兩側(cè)產(chǎn)生的瞬間電壓變化情況。每2個(gè)點(diǎn)之間用π形線路模擬,其中電阻為1Ω,電感為1.08mH,電容為0.011μF,線間電感為0.1μH,線間電容為0.1nF。仿真時(shí)間根據(jù)線路的長(zhǎng)度選取,仿真線路由電源端算起,最長(zhǎng)的線路為27km,仿真時(shí)間為0.03s,采樣間隔為0.1μs。在線路正常運(yùn)行的情況下,各末端變壓器高壓側(cè)A相波形(從下到上依次為變壓器KA,KB,KC,KD,KE)如圖5所示。圖5所示波形為正常工頻波形中一個(gè)波谷放大后的圖形。從圖5可以看出:線路不同末端的工頻波形有細(xì)微的差別,線路距離電源側(cè)越遠(yuǎn),工頻幅值略微變小;其他相位的相角都沒(méi)有變化。4不同因素對(duì)線路接收的影響4.1初始角對(duì)系統(tǒng)行波幅值的影響行波波形是在線路單相接地故障瞬間產(chǎn)生的,故障初始角大小影響故障附加電壓幅值的大小,關(guān)系到暫態(tài)電壓行波信號(hào)的強(qiáng)弱。為研究不同故障初始角對(duì)提取電路行波的影響,仿真時(shí)假設(shè)圖2中(3)處發(fā)生A相接地故障,故障初始角θ分別為90°,45°,30°和0°,其仿真波形見(jiàn)附錄A圖A1。從附錄A圖A1可以看出,隨著故障初始角的減小,線路兩端檢測(cè)到的初始暫態(tài)電壓行波的幅值也明顯減小,在故障初始角接近0°時(shí),故障行波幾乎觀察不到,也就相應(yīng)地?zé)o法檢測(cè)。但在絕大多數(shù)情況下,行波到達(dá)線路末端的距離可通過(guò)本文方法計(jì)算得到。表1為對(duì)不同故障初始角的誤差分析。4.2金屬性接地故障的仿真由于故障有可能在任何時(shí)候發(fā)生在線路任何區(qū)段中的任何點(diǎn),因此,有必要分析線路中不同區(qū)段故障點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)檢測(cè)到的波形有何不同。假設(shè)發(fā)生金屬性接地故障,故障初始角為45°,故障分別發(fā)生在圖2中(1),(2),(3),(4)這4點(diǎn),其仿真波形見(jiàn)附錄A圖A2。仿真結(jié)果表明,故障發(fā)生在不同區(qū)段時(shí),線路末端檢測(cè)到的波形到達(dá)時(shí)刻都不相同,經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的結(jié)論與理論值基本一致。表2為對(duì)故障發(fā)生在不同區(qū)段的誤差分析。4.3接地電阻仿真故障接地電阻也是影響暫態(tài)行波信號(hào)強(qiáng)弱的原因之一。為考查不同接地電阻對(duì)提取電路行波的影響,不失一般性,假設(shè)圖2中(3)處發(fā)生A相接地故障,電壓(故障)初始角為45°,接地電阻R分別為0.001Ω,10Ω,100Ω和500Ω,其仿真波形見(jiàn)附錄A圖A3。仿真結(jié)果表明,在不斷增大故障處接地電阻值時(shí),行波波形將明顯減弱,當(dāng)故障點(diǎn)電阻增大到一定范圍時(shí),故障相將會(huì)有電壓。將故障發(fā)生時(shí)刻的行波波頭進(jìn)行放大,放大后經(jīng)過(guò)計(jì)算得出:故障發(fā)生時(shí),接地電阻的大小不影響行波波頭傳到各個(gè)配電網(wǎng)末端的時(shí)刻,與理論值相符。表3為對(duì)不同接地電阻的誤差分析。4.4多端行波定位驗(yàn)證配電網(wǎng)為樹(shù)形結(jié)構(gòu),不僅有主干線路,還有很多分支,分支中又有分支,使配電網(wǎng)非常復(fù)雜。假設(shè)發(fā)生金屬性接地故障,故障初始角為45°,故障分別發(fā)生在圖2中,,,這4點(diǎn),然后觀察故障發(fā)生后各個(gè)終端檢測(cè)到的波形(由于終端變壓器測(cè)距點(diǎn)比較多,所以仿真中只取距離故障點(diǎn)最近的4個(gè)點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)),仿真波形見(jiàn)附錄A圖A4。仿真結(jié)果表明,雖然圖2所示的配電網(wǎng)有不同的分層,且各個(gè)分層中的分支結(jié)構(gòu)各不相同,但當(dāng)系統(tǒng)中任意一點(diǎn)發(fā)生故障后,都能通過(guò)多端行波定位清楚地確定故障的位置,顯示了多端行波定位方法的可靠性。表4為對(duì)故障發(fā)生在不同分支層的誤差分析。5仿真數(shù)據(jù)和理論