配电网故障定位的研究

配电网故障定位的研究

电网中断将带来巨大的经济损失，严重影响正常社会秩序。为了及时发现和消除错误，需要进行调查和消除错误。配电网结构复杂,面积庞大,故障频繁,传统的定位方法费时费力,急需一种快速准确的故障定位方法。行波定位操作简单,速度快,应用在输电网中效果良好,应该尝试在配电网中应用。随着经济的发展,社会对电力的依赖越来越强,电网断电对社会生活造成的影响愈来愈大,经济损失难以估计。因此,快速准确定位故障,对电力系统的经济性、安全性和可靠性非常重要。配电网是电网中结构最复杂,分布面积最庞大的部分,故障频繁,尤其是单相接地故障,发生概率最大,因此研究配电网接地故障定位问题很有必要。目前,国内外对行波定位技术的研究大多集中于高压输电线路,对配电网的行波故障定位研究较少而且成果不明显。原因在于高压电网采用中性点有效接地的接地方式,属于大电流接地系统,线路结构简单,故障信号明显,易于判别提取。而配电网发生单相接地故障后,故障信号相对较弱,容易被其他信号淹没,导致定位困难。行波法故障定位具有不需要巡线,操作简单和定位速度快的优势,在输电网中已经得到了很好的应用,但是,将行波定位理论应用于配电网,尤其是低压配电网,目前的研究还不够完善。本文给出了利用特征波确定故障区段和利用波形差定位故障距离的具体方法,并通过仿真和现场试验证实了其有效性。c-行波定位1.t1之际返回首端波是线路中间节点特征波是能够表征特定端点或节点的行波波形,如图1所示。线路参数:MF段长度20km,FN段长度10km,FQ段长度20km。t1时刻返回首端的波是线路中间节点F的特征波;t2时刻返回首端的波是线路端点N的特征波;t3时刻返回首端的波是线路端点Q的特征波(仿真波形见图2)。从特征波的传播路径可以看出,特征波是线路首端发射波到达某节点或端点,然后反射回首端的所有波形中最先到达的波形。即特征波是首端接收到的节点或端点反射的第一个波形。由于特征波在到达线路首端的时间、波形信号强度以及容易辨识方面的优势,被应用于C型行波定位。2.特征波位置的确定行波定位需要解决两个问题:(1)确定故障区段,即故障位于哪条分支上。(2)确定故障距离,即故障点距离信号发射首端的距离。图2显示的是图1线路以M作首端,N、Q端空载情况下的MATLAB数值仿真图形。线路首端发射10000V矩形波电压脉冲。图中第一个脉冲(负脉冲)是节点F特征波,第二个脉冲是端点N的特征波(FN段长度小于FQ段,所以端点N的特征波先到达M点),第三个脉冲是端点Q的特征波。以图1所示线路发生金属性接地为例说明利用特征波确定故障区段的方法。首先,向正常相发射脉冲,记录行波反射波形(见图2)。接着,向故障相发射同样的脉冲信号,记录行波反射波形。然后,对比正常波形,根据故障点特征波位置,判断故障区段:(1)若在节点F特征波前出现一负脉冲,则故障位于MF区段。(2)若节点F、端点Q特征波都存在,但是端点N的特征波消失,说明线路首端的发射脉冲能够到达F、Q点,但无法到达N点,因此故障位于MF区段。(3)若节点F、端点N特征波都存在,但是端点Q的特征波消失,则故障位于FQ区段。3.基于matlab的c型行波定位算法对于输电网,只需要知道故障相行波反射信号即可定位故障点。但是对于配电网,尤其是节点多的配电网,单单依靠故障相数据进行行波定位是不够的。因为,分支节点不同于线路端点的地方在于:节点反射波是负的脉冲。由于故障点特征波也是负脉冲,所以二者辨识困难。如果无法辨识故障点特征波,就无法定位故障点。因此,配电网行波定位需要知道正常相行波数据。先从正常相始端注入一个脉冲信号,并以线路始端作为测量点检测线路的反射行波。在三相线路对称的前提下,该反射行波就是故障相在无故障情况下的反射行波。然后,从故障相始端注入同样的脉冲,并检测反射行波,该行波在故障点处将发生异于正常情况的负反射。比较正常和故障情况下的反射波,第一个波形畸变点必然是故障点的特征波所在点。仍以图1所示线路为例,借助MATLAB数值仿真,说明利用波形差异法进行C型行波定位的过程。(假定线路FQ段15000m处发生金属性接地)。首先,向正常相发射脉冲信号,并采集反射行波数据。仿真波形如图2所示。接着,向故障相注入同样的脉冲信号,并采集反射行波数据,仿真波形如图3所示。对比正常时波形图2明显看出,节点Q特征波消失,但是多了一负脉冲波形——故障点特征波。然后,将正常时与故障时的反射行波数据相减,找出差异,如图4所示。由于仿真时间有限,所以在图中只看到一个差异波形,实际上不止一个,但是行波定位只利用第一个差异波形,它是由故障点特征波造成的,与故障距离对应。根据波速和特征波返回时间即可定位故障距离s=vt/2(其中v表示波速;t表示从发射脉冲到故障点特征波返回的时间;s表示故障距离)。试验结果与分析1.数据采集和滤波如图5所示,试验线路为一条35kV配电线路,总长7.8km,在7.5km处有一个长为100m的分支。在M点采用高压信号发生器离线注入高压脉冲信号(幅值为10kV,脉冲宽度为12μs),并采用示波器进行数据采集。由于示波器的耐压问题,需要将检测点所测信号经过分压衰减至原来的1/80后进入示波器。采样率为50MHz。在M点分别采集线路正常以及A、B点金属性单相接地故障时的行波信号(如图6所示)。对采集到的行波信号进行滤波,滤波效果如图7所示。图9是采集得到的行波反射波形(已滤波)。利用波形差定位方法计算故障距离,计算结果见表。从表可见,波形差C型行波定位法的定位精度较好,可以满足实际需要。中性点故障点差异波形的定位行波定位技术不但可以应用于输电网,也可以应用于配电网。C型行波定位相对于其他行波定位方法具有:操作简单,只需一端设置行波发射和接收装置;可控性强,能够控制发射的行波波形和强度;能够多次发射行波信号进行多次故障定位的优势。当分支节点较多时,故障点特征行波信号不明显,辨识困难,而波形差行波定位法可以克服该困难,因为故障与非故障差异波形的突变点必定是故障点特征波所在点。实际线路存在白噪声干扰,需要良好的滤波措施;波形畸变严重,需合理确定差异波形突变点,即特征波返回时刻。但是,在低压配电网应用C型行波定位目前尚有困难,主要原因在于:低压配电网结构过于复杂,分支节点过多,接地电阻大(通常在10kΩ以上)行波返回信号被严重削弱,当信号微弱到无法辨识故障点特征波,也无法辨识差异波形的突变点的时侯,行波定位将失败。以后的研究需要解决行波返回信号的加强放大问题以及微弱信号的检测问题。试验结果分析:1)比较滤波前后，容易看山，实际线路白噪声干扰严重，尤其是故障点特征波微弱的情况下，更需要良好的识波措施。2)实际线路行被被形畸变，尤共是在分支节点多的情况下，行波波头辨识(即定义波形中哪个点作为反射特征波到达首端的时刻)困难。3)因为A点离发脉冲端近，所以A点故障时，特征波出现的时刻先于B点故障特征波出现的时刻，实际波形跟理论分析一一致。4)波形差行被定位消除了故障点之前各节点的反射信号，这样第一个信号幅值突变点就是故障所在点。2.实验线路和实验方法试验二线路为某变电站35kV出线。MH,MJ是同杆双回线，MI段和IM