基于c型行波法的多終端配電網(wǎng)故障定位

基于c型行波法的多終端配電網(wǎng)故障定位

在中國(guó)的電網(wǎng)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中，最大的故障是單相接觸故障。因此，如何快速、準(zhǔn)確地確定單相接觸的錯(cuò)誤位置，是電氣系統(tǒng)繼電保護(hù)的研究重點(diǎn)。配電網(wǎng)故障主要有2大類:單相接地故障和相間故障。對(duì)于后者的故障定位現(xiàn)階段主要采用基于配網(wǎng)自動(dòng)化的方法,即通過(guò)各個(gè)饋線自動(dòng)化遠(yuǎn)方智能終端和遠(yuǎn)方終端的返回信號(hào)或通過(guò)SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù),利用各種數(shù)學(xué)算法進(jìn)行尋址,從而找到故障位置。而對(duì)于發(fā)生最為頻繁的單相接地故障卻一直沒(méi)有較好的解決方式。由于配網(wǎng)終端負(fù)荷的影響,使應(yīng)用于輸電網(wǎng)絡(luò)故障定位的阻抗法不再適用。而另一故障定位的經(jīng)典理論體系行波法得到關(guān)注。行波法是基于故障距離與行波從故障點(diǎn)傳輸?shù)綑z測(cè)點(diǎn)的時(shí)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(wǎng)絡(luò)。C型行波法的基本原理是在線路始端注入檢測(cè)信號(hào),通過(guò)注入信號(hào)時(shí)刻與故障點(diǎn)返回信號(hào)時(shí)刻的時(shí)差來(lái)確定故障位置,這種方法理論上可行,但也遇到了實(shí)際難題。由于配電網(wǎng)絡(luò)多分支的特點(diǎn),C型行波法的注入信號(hào)在線路中衰減很大,從故障點(diǎn)返回的信號(hào)變得微弱;同時(shí)又有外界噪聲的干擾,使本來(lái)就已微弱的有用信號(hào)被淹沒(méi),給數(shù)據(jù)處理帶來(lái)很大困難。但是,通過(guò)提高信號(hào)源幅值,即發(fā)出高幅值窄脈沖的方法,可很大程度彌補(bǔ)分支帶來(lái)的信號(hào)衰減;再使用數(shù)字濾波等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,就可恢復(fù)信號(hào)的本來(lái)面目,進(jìn)行故障測(cè)距。同時(shí)從錄波波形中分析提取線路特殊點(diǎn)的特征波形,就可以分析出正常和故障情況下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從而判定故障分支。因此,利用C型行波法進(jìn)行故障測(cè)距和故障定分支來(lái)實(shí)現(xiàn)故障定位,是一種具有很強(qiáng)實(shí)用性的方法。1實(shí)用定位方法1.1c型行波法cs故障點(diǎn)到檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)問(wèn)差精確的故障定位建立在正確選線的基礎(chǔ)之上。經(jīng)過(guò)多年的研究,小電流接地選線技術(shù)已經(jīng)比較成熟,選線的正確率可達(dá)到95%以上。因此,得到故障測(cè)距和故障定分支2個(gè)方面的精確結(jié)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(diǎn)傳播到檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間差,再乘以波速得到故障距離。C型行波法是在始端同時(shí)測(cè)量注入信號(hào)和返回信號(hào),并記信號(hào)注入時(shí)刻為0時(shí)刻,則故障點(diǎn)返回信號(hào)的波頭到達(dá)始端時(shí)刻值的1/2就是行波從故障點(diǎn)到檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)問(wèn)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(diǎn)返回信號(hào)的波頭到達(dá)始端的時(shí)刻值;v為波速?，F(xiàn)場(chǎng)使用時(shí),首先在離線狀態(tài)下記錄每一相的開路波形(之所以要對(duì)每一相都分別錄波,是因?yàn)殡m然三相的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本一致,但三相不可能絕對(duì)平衡,尤其B相由于同時(shí)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(shí),將故障相的開路波形與短路波形相減,并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波處理,得到使兩波形出現(xiàn)差異的第一個(gè)波形突變點(diǎn)。找出該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻,即可用上式得到故障距離。圖1詳細(xì)描述了故障測(cè)距的程序流程。1.2反演的轉(zhuǎn)換與輸電網(wǎng)絡(luò)相比,配電網(wǎng)絡(luò)的供電半徑較小,且其中35kV網(wǎng)絡(luò)帶有少量分支線路,10kV網(wǎng)絡(luò)帶有較多分支。這就需要首先對(duì)行波在分支處的傳輸過(guò)程進(jìn)行分析。行波在傳輸過(guò)程中遇到阻抗不連續(xù)點(diǎn)會(huì)發(fā)生反射和折射。當(dāng)傳播前方波阻抗大于傳播后方波阻抗時(shí),返回同向行波,反之返回負(fù)向行波。在配電網(wǎng)中,阻抗不匹配點(diǎn)主要為分支點(diǎn)、開路點(diǎn)和短路點(diǎn)3類,分別返回負(fù)向、同向和負(fù)向行波。在只有一個(gè)分支點(diǎn)的線路中,信號(hào)遇到帶有N個(gè)分支的節(jié)點(diǎn)會(huì)分成N+1股,當(dāng)一處發(fā)生接地故障時(shí),只有一股可以到達(dá)故障點(diǎn)。從故障點(diǎn)返回的信號(hào)遇到該分支節(jié)點(diǎn)再次折反射,經(jīng)歷了第2次衰減后只有一股回到檢測(cè)點(diǎn)。在帶有多個(gè)分支點(diǎn)的線路中,每經(jīng)過(guò)一個(gè)分支點(diǎn),信號(hào)就要按上段所述衰減一次,故障點(diǎn)距線路始端越遠(yuǎn),其衰減就會(huì)更強(qiáng)烈,在經(jīng)過(guò)一定量的分支后,可能導(dǎo)致返回信號(hào)太小以致無(wú)法辨識(shí)。同時(shí),由于行波在線路傳輸過(guò)程中受線路自身電感、電容及阻抗的影響,會(huì)逐漸衰減,且配電網(wǎng)的末端多變壓器,會(huì)對(duì)波形產(chǎn)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(guān)鍵。1.3接地電阻為400k時(shí)對(duì)于行波法,過(guò)大接地電阻(幾百kΩ)產(chǎn)生的波形相當(dāng)于該點(diǎn)開路,而當(dāng)接地電阻為幾十kΩ時(shí),對(duì)輸入信號(hào)的分壓就會(huì)導(dǎo)致返回特征不明顯。此方法適用于接地過(guò)渡電阻較小(3kΩ以內(nèi)),且線路均勻(即全架空線或全電纜),線路原始長(zhǎng)度參數(shù)已知的配電網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行故障定位的第1步是故障測(cè)距?，F(xiàn)場(chǎng)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(dāng),尋找的突變點(diǎn)只要有1gs的偏差就會(huì)使故障測(cè)距結(jié)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(shí)需設(shè)定通帶、阻帶范圍等參數(shù)。但對(duì)于C型行波法的故障定位來(lái)說(shuō),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(hào)和噪聲信號(hào)都處在高頻,這對(duì)通帶頻率的選取產(chǎn)生了障礙,從而影響計(jì)算結(jié)果。自適應(yīng)濾波器只需知道很少或根本不需要任何關(guān)于信號(hào)與噪聲的先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)知識(shí),其參數(shù)即可自動(dòng)調(diào)整至最優(yōu)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,濾波性能好,因此選用了自適應(yīng)濾波。較常用的自適應(yīng)濾波算法有最小均方算法和遞歸最小二乘算法。經(jīng)過(guò)對(duì)多種算法在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理速度和精度的比較后,選用了LMS自適應(yīng)有限沖擊響應(yīng)濾波器。2.2故障定位計(jì)算對(duì)于全架空線或全電纜線路來(lái)說(shuō),其中傳輸?shù)男胁úㄋ偈禽^為均勻的,因而可以采用一個(gè)平均波速對(duì)全線路的故障定位進(jìn)行計(jì)算。故障定位的第1步是記錄信號(hào)輸入無(wú)故障線路后的波形,并作為基本波形保存,因而可利用這個(gè)基本波形進(jìn)行波速的選取計(jì)算。方法是在基本波形中選取幾個(gè)較為清晰的特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的特征波,對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)實(shí)際位置,計(jì)算出對(duì)各個(gè)特征點(diǎn)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(guò)程經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波后的波形會(huì)“干凈”許多,但實(shí)際情況是,由于線路參數(shù)對(duì)波形的異化作用,故障錄波與開路波形的相減波形往往沒(méi)有一個(gè)特別明顯的突變點(diǎn),而是一個(gè)逐漸離開零幅值的過(guò)程。因此,需要把這個(gè)逐漸的過(guò)程尖銳化,從而方便找出變化的第1個(gè)點(diǎn)作為時(shí)間記錄點(diǎn)。差分是一個(gè)簡(jiǎn)單、有效的方法,對(duì)于已經(jīng)過(guò)濾得較好的波形,相隔2點(diǎn)進(jìn)行差分,可以很好的提取出突變點(diǎn)。2.4建立特征波的方法由于信號(hào)源發(fā)出的脈沖信號(hào)要由內(nèi)置變壓器放大,因此發(fā)出的實(shí)際不是方波,而是類似三角波的信號(hào)。同時(shí),信號(hào)在線路中的傳播過(guò)程中,形狀會(huì)發(fā)生畸變,這都給特征波的提取帶來(lái)了困難。峰值掃描是選取波形中所有極值點(diǎn)作為初始數(shù)據(jù)源,通過(guò)對(duì)極值點(diǎn)的幅值比較排除偽特征,經(jīng)過(guò)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(wǎng)絡(luò)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并從故障波形中找到故障所在分支。使用“自適應(yīng)濾波———隔點(diǎn)差分———峰值掃描”的3步數(shù)據(jù)處理過(guò)程,算法簡(jiǎn)單,計(jì)算快捷,具有很高的實(shí)時(shí)性。3基于c型行波理論的兩步定位方法在需要一個(gè)通過(guò)理論分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),并對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析,