C型行波法在配电网故障测距中应用之研究_图文

1、第24卷第3期2007年6月现代电力Modern Electric PowerVol124No13J une2007文章编号:100722322(20070320020204文献标识码:A中图分类号:TM711C型行波法在配电网故障测距中应用之研究于盛楠,杨以涵,鲍海(华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206R esearch on Application of C2type T raveling2w aveScheme in Distribution F ault LocationYu Shengnan,Yang Y ihan,Bao Hai(School of Electrical

2、 and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Beijing102206,China摘要:为解决配电网故障定位问题,使配电网故障定位自动化,以减少巡线工作量和用户停电时间,提出了利用C 型行波法对单相接地故障进行故障测距的方法。该方法基于C型行波定位理论,通过在线路始端注入一高幅值脉冲,使用高采样率采集装置在始端接收返回波形,再选取适当的滤波器进行数字滤波滤除噪声提纯有用信号,并使用隔点差分的方法确定行波在线路始端和故障点之间返回所用的时间,从而在较短时间内计算出故障距离。同时,通过分析行波在带分支线路中的传

3、输过程,提出了确定简单配电网络的拓扑结构的方法。经过理论分析、A TP仿真及实验室模拟实验,并对所得数据进行有效分析,证明了该方法的正确性,也说明该方法在配电网故障定位中是实际可行的。关键词:行波;分支线路;信号衰减;高速采集;滤波差分Abstract:To solve t he p roblem of t he f ault location in dis2 t ribution networks,a f ault location met hod is suggested f or t he single2p hase grounding f ault based on C2typ e t

4、 raveling2 wave t heory.This met hod aims to realize t he automation, and to reduce line insp ection workload a nd customer black2 out p eriod.The back waves f rom t he lines a re monitored by injecting signals wit h high voltage a nd na rrow p ulse.The wavef orms a re ext racted wit h p rop er filt

5、er.Af ter filtering, t he interval of t he t raveling2wave between t he beginning end of t he line a nd t he f ault p oint is calculated.The f ault dis2 ta nce is calculated.Through t he a nalysis of t he t ra nsmission p rocess of injected t raveling2wave on lines with branches,the met hod of st ru

6、cture confirmation in simple dist ribution net2 work a nd f ault location is p rop osed.Through t he simulation in A TP and exp eriments on a nalog lines in lab,t he scheme is p roved to be correct t hrough technological analysis.K ey w ords:t raveling2wave;branch lines;signal f ading; high rate pic

7、king;diff erence of filter waves 0引言随着我国工业的发展,电力网络规模逐渐加大,结构逐渐复杂,用户对供电稳定的要求也越来越高。一方面,系统正常运行时要防止故障的发生;另一方面,故障发生后尽快进行故障定位,迅速排除故障,保证系统运行安全,将损失最小化。故障定位包括选线和故障测距两部分。经过多年努力,配电网故障选线成果喜人1,很多研究人员也一直在努力寻求故障测距的解决方案。现阶段故障定位方法主要有阻抗法和行波法两大类223。阻抗法的原理是线路阻抗与线路长度成正比,在输电网络中使用较多,由于配电网中分支较多,线路负荷随机性大,故不适宜使用。行波法是基于故障距离与行波

8、从故障点传输到检测点的时间成正比的原理,一般分为A,B,C,E4种4-6。其中A、B两种都要检测故障自身产生的行波,需要在变电站的各母线出线处加设检测装置,投资较大;E型方法也即双端行波法,需要在线路两端进行检测,对多分支的配电网络难以适用;C型方法,也即单端行波法,是在线路始端注入检测信号,并通过注入信号与故障点返回信号的时差来确定故障位置,这种方法从理论上说在配电网中是可行的。本文通过利用C型行波法进行了配电线路的A TP仿真、实验室模拟实验和现场实验,并对所得数据进行有效的分析,证明了该方法在配电网故障定位中的可行性。1注入行波在带分支线路中的传输C型行波法是在线路始端注入信号,并在始端

9、同时测量注入信号和返回信号,所以,若记信号注入时刻为0时刻,那么故障点返回信号的波头到达始端的时刻值的1/2,就是行波从故障点到检测点的时间差。用公式描述如下:S =12t v (1式中,S 表示故障距离;t 表示故障点返回信号的波头到达始端的时刻值;v 表示波速 。图1发生接地故障时行波在带分支线路中的传播示意图图1表示的是一条带有二个分支的线路。O 点为线路起始点,线路在A 点分成两支AB 和AC 。AB 段内S 点发生单相接地故障。从O 点发出检测信号W 1,W 1到达阻抗不连续点A 后沿3个路径传播:W 11透过A 点沿AC 传播;W 12透过A 点沿AB 传播并达到故障点S ;W 1

10、3在A 点直接反射回始端。W 11到达C 点时,遇到开路返回同向信号W 2;W 2返回A 点时又有3个传输路径,其中透过A 点的W 21直接返回O 点,另一个透射A 点的W 22沿分支AB 传播,可以达到故障点S 。W 12与W 22先后到达S 点,遇到接地分别返回负向信号W 32和W 31,同时向A 点和B 点传输。W 32经过A 点后的透射部分W 33的波头成为第一个从S 点返回始端的波头。W 31到达B 点后遇开路反射,其最终透射部分W 41返回检测点。之后,信号继续在线路中往复传播,在各点发生反射和折射,直至衰减到零。从上可见行波在带分支线路中的传播有以下特点:信号遇到带有N 个分支的

11、节点会分成N +1股,当仅一处发生接地故障时,仅一股可以到达故障点;故障点返回的信号遇到该分支节点又要发生折反射,仅一股可以回到检测点。分支对信号的衰减很大,这就需要能发出足够能量信号的信号源。由于在分支点返回的信号是与短路故障点返回信号同方向的负向信号,所以必须加以辨识,区分分支点和故障点。2故障点返回波形波头的确定仍然利用图1进行分析。注入信号后,最先返回O 点的是W 13,用时T OAAO ;第2个返回O 点的是W 23,用时T OACAO ;第3个返回O 点的是W 33,用时T OASAO ;第4个返回O 点的是W 41,用时T OABAO 。当AC 与AS 距离不等时,这四个时刻值也

12、都不等。由此得到分支点与故障点的判别方法:当线路拓扑结构已知,且结构相对简单时,首先估算信号在各分支点、各线路末端与首端往返所需时间,当发现不匹配的时刻点,即为故障发生点。当线路拓扑结构未知或分支结构复杂繁琐时,分两步确定故障位置:首先将故障时的波形与开路波形相比较,得到突变时刻,从而确定故障距离;然后分析突变时刻前的返回波形,确定故障点前的分支情况,从而精确定位。在实际线路中,由于配电网多分支的特点,往往要选用第2种方法进行故障定位。精确定位的关键在于确定故障录波和开路录波相减后波形的突变时刻。有3种方法可供选择:直接将电压值与0作比较,连续高于(或低于0的起始时刻为突变时刻。该方法的优点是

13、算法简单,快速运算。然而由于实际录波信号往往包含大量噪声,导致其无法使用。运用小波包分析。小波分析在信号的奇异性上非常敏感,采用小波包分析不但可以滤波还可以提取高频分量找出突变点。但每进行一个尺度的小波变换再进行重构都会增加数据个数,导致精度降低。先滤波再进行隔点差分。滤波可以有效去除波形中的噪声干扰,有效简化进一步的处理过程;隔点差分后选择电压持续增大一定点数的第一个点为突变时刻点,经多次计算证实,稳定可靠。3仿真及结果分析对于前面所述的判别方法,通过仿真验证其正确性。 重要的是找到接地波形与开路波形的突变点。图2仿真所用带分支线路图2为仿真用线路图。信号源后接一只与波阻抗相当的电阻再进行采

14、样检测,避免信号返回始端12第3期于盛楠等:C 型行波法在配电网故障测距中应用之研究 后继续往返在线路中,引起波形震荡。采用ATP软件,仿真一条全长21km 的线路,在9km 处出一条6km 的分支,且在分支末端短路。信号源采用了脉宽4s ,幅值1000V 的脉冲信号。不计负荷影响。仿真时线路上的行波波速为167m/s ,得到图3的仿真波形。其中实线表示开路波形,虚线表示支路末端接地时的波形 。图3开路和分支末端直接接地波形对比观察图3,在两波形出现差异的突变点以前两波形皆有一个明显的负波形,这就是分支点A 的反射波。计算信号传至A 点再返回检测点需要时间t OAAO =2×9

15、15;1031167×108=108×10-6s 与波形所对应时时间基本一致。为了精确故障位置,将开路波形与接地波形对应时刻相减,得到图4,并将其中过零突变点附近的30个点的数据摘抄至表1 。图4开路与分支末端直接接地波形相减波形表1中有两个点值得注意,在18点处电压跃零,在38点处电压达到最高。这两点对应的距离值分别为第18点85×167/2=707915m 第38点185×167/2=1544715m而后者与仿真故障位置15000m 非常接近,相对误差为2198%。表1仿真波形相减后突变30点数据序号8e -005815e -0059e -00591

16、5e -005181819225813252417248815207319131118363163-512187 -105516-1115154实验室模拟实验为了对仿真进行验证,在实验室搭建了模拟系统。该系统按线路分布参数搭建,根据经验参数设置其中电容电感的取值。其中每个单位模块代表115km ,搭成与仿真线路相同的长线带分支模拟线路。信号源幅值5000V ,脉宽10m 。示波器使用的是采样率为100M Hz 的Tek TDS3014B ,经分压电阻后在线路始端进行测量。图5模拟实验接线示意图22现代电力2007年首先由不带分支的模拟试验确定波速,模拟波速约为300m/s 。接着分别测量开路波

17、形和6km 支路末端直接接地波形,得到图6。其中细线表示开路波形,粗线表示分支接地后所测得波形。两波形均为将示波器数据导入Matlab 后绘图而成。零时刻前数据已去除 。图6模拟实验的开路波形和分支接地波形图6中第一个向下突变点为分支点返回波形造成,第二个突变点为接地点返回波形。为了便于分析,将两波形相减,得到图7(a 的波形。该波形受到实验噪声的影响,波形较粗,不易于精确定位,所以将其进行数字滤波处理,得到图7(b 。所选用的滤波器为基于凯瑟窗的无限长低通滤波器。观察图7发现虽然经过滤波,但对过零突变点仍然很难判断,所以对滤波后数据又进行一次隔10点的差分处理见图7(c ,并将差分后连续40

18、0点大于0中的第一个点的时刻值记录下来,作为过零突变的时刻值 。图7开路与分支直接接地波形相减及其滤波后波形根据程序计算的结果,突变时刻为916e -5s ,故障位置为1414km ,相对误差4%。且若考虑模型中每个模块参数不能完全一致,相对误差应更小。5结论通过理论分析、A TP 仿真及实验室模拟实验,并对所得数据进行有效分析,最大误差不超过±4%,证明了C 型行波法的正确性,也说明该方法在配电网故障定位中是切实可行的。现场噪声是对所测数据的最大干扰,精确定位需要有效的数据处理方式。通过将离线状态下的开路波形与接地故障波形相减,进行有效滤波后隔点差分,找到连续多点大于0中的第一个点,并将此时刻值记录