【基于行波模量波速差的配网混合线路故障测距仿真分析案例7100字】

基于行波模量波速差的配网混合线路故障测距仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u22066基于行波模量波速差的配网混合线路故障测距仿真分析案例 1213191.1.基于模量波速差与经验小波变换的故障测距方法及特点 1176181.1.1.构建基于模量波速差与经验小波变换的故障测距方法 1233601.1.2.基于模量波速差与经验小波变换的故障测距方法的特点 398451.2.测距方法有效性仿真 3272081.2.1.AJ1段线路故障 5316571.2.2.J1J2段线路故障 624041.2.3.J2B段线路故障 8208111.3.测距方法影响因素分析及适应性仿真 10169641.3.1.基于模量波速差与经验小波变换的故障测距方法的影响因素分析 103851.3.2.在不同采样频率下的仿真与仿真结果分析 1222401.3.3.在不同故障距离下的仿真与仿真结果分析 19291331.3.4.在不同故障初相角下的仿真与仿真结果分析 2844121.3.5.在不同故障过渡电阻下的仿真与仿真结果分析 32241591.3.6.基于模量波速差与经验小波变换的故障测距方法仿真结果分析 36基于模量波速差与经验小波变换的故障测距方法及特点构建基于模量波速差与经验小波变换的故障测距方法对于如图2.12所示n段式混合线路故障，本文利用安装在配电线路母线端的电流互感器实时采集故障后的三相电流信号，在已知线路单位长度正序与零序参数的情况下可通过波速公式v=1LC近似计算出每段线路相应的行波线模波速v11，v12……v1n，与行波零模波速v01，v02……v由第二章的分析可知，在已知线路长度与线模、零模波速的情况下，由式（4.1）可以计算出线路连接点Jk（k为小于等于n的非负整数）故障时，故障行波线模、零模首次到达测量点A的时间差∆T∆（4.1）线路中发生单相接地故障后，通过安装在母线端的电流互感器实时获取三相电流信号，运用叠加定理处理以获取故障电流行波信号，并应用卡伦摩尔变换解耦故障电流行波获取其线模、零模分量。运用经验小波变换分解故障电流行波线模、零模分量，分别得到其高频分量。再通过对称差分能量算子对行波线模、零模高频分量进行解调，获取时间-能量图谱。标定行波线模能量图谱中第一个突变点对应时刻为行波线模首波波头到达检测点的时刻t1F，同理，标定行波零模能量图谱中第一个突变点对应时刻为行波零模首波波头到达检测点的时刻t0F，计算行波线模、零模分量首波波头到达检测点的时间差于是可对比∆t与时间判据∆Tk的大小来判断故障线路段，即当此时根据第二章的推导可知，由式（4.2）的测距公式即可计算故障距离：d=（4.2）其中：Lk−1为前k-1段线路长度之和，且当k=1时，L基于行波模量波速差的配网混合线路故障测距方法步骤如下：根据配网混合线路参数计算线路连接点Jk（k为小于等于n的正整数）故障时，故障行波线模、零模分量首次到达母线端的时间差∆T在配网混合线路母线端设置电流检测点，记录故障电流信号。通过叠加定理处理故障电流信号，得到故障电流行波信号。应用卡伦摩尔变换对故障电流行波信号进行解耦，得到故障电流行波线模分量与零模分量。通过经验小波变换分别分解故障电流行波线模分量与零模分量，分别得到行波线模、零模的低频分量与高频分量。通过对称差分能量算子分别对行波线模、零模的高频分量进行解调，分别得到行波线模、零模的时间-能量图谱。标定行波线模、零模能量图谱中第一个信号突变点的对应时刻，即分别为故障行波线模、零模首波波头到达检测点时刻。记录故障行波线模、零模首次到达检测点的时刻，并计算其时间差∆t。由时间判据判断故障线路段，即当∆T由测距公式计算故障距离，即d=L基于模量波速差与经验小波变换的故障测距方法的特点本文提出的基于线模、零模波速差与经验小波变换的故障测距方法具有如下特点：（1）不受检测点不同步时差的影响。本文提出的基于模量波速差的测距原理只需测量故障行波线模、零模分量到达单端检测点的时间差，避免了多端测距中检测点不同步时差对测距结果的影响，因此无需在检测装置中安装GPS时钟，节省了硬件成本。（2）无需考虑线路折反射波。本文测距原理利用行波线模与零模分量首次到达检测点的时间差进行测距，无需分辨线路折反射波，测距原理简单可行。（3）自适应性强。由于经验小波变换具有自适应性，对于不同故障行波信号能够自适应地划分信号的傅里叶频谱，获取包含信号特征的高频分量，并构建相应的正交小波基函数，实现了自适应的小波变换，而且经过对称差分能量算子解调后能够快速准确地标定行波波头。所以该定位方法在不同故障条件下的自适应性较强。测距方法有效性仿真本文以3.3.1中利用MATLAB/simulink搭建的10kV配电网仿真模型为例进行仿真分析，仿真模型如图3.1所示，线路示意图如图4.1所示。如图4.1所示，已知线路全长为L=15km，其中线路AJ1段为架空线路，线路长度l1=5km；线路J1J2段为电缆线路，线路长度l2=4km；线路J2B段为架空线路，线路长度l3=5km。图4.1仿真线路示意图由此可知，对于前k段线路之和Lk：L（4.3）L（4.4）L（4.5）L（4.6）架空线路与电缆线路具体参数如表3-1与表3-2中所示。已知线路参数，则由v=1架空线路AJ1段线模波速v11、J2B段线模波速v13为：v（4.7）架空线路AJ1段零模波速v01、J2B段零模波速v03为：v（4.8）电缆线路J1J2段线模波速v12为：v（4.9）电缆线路J1J2段零模波速v02为：v（4.10）已知线路长度与波速，由式（4.1）可求出故障区段时间判据：∆（4.11）∆（4.12）∆（4.13）为了证明本文所提测距方法的有效性，论文将分别通过不同故障区段与故障位置的详细仿真算例来说明。分别设置三段线路不同故障位置发生单相接地故障。系统中性点经消弧线圈接地，工作在过补偿情况下，补偿度为10%；故障初相角设置为60°；故障过渡电阻设置为50Ω；仿真总时长为0.05s；故障发生时刻为0.035s；采样频率为5MHz；对故障发生后0.2ms的故障行波线模、零模信号进行经验小波变换与对称差分能量算子（EWT-SDEO）处理；为了使得测距结果更直观，本文将EWT-SDEO处理后的波形均采取归一化处理。下文将给出其详细仿真算例。AJ1段线路故障如图4.2所示，设置AJ1段线路距离A端检测点d=3km处发生单相接地故障，检测装置采集故障发生后的三相电流行波信号，利用叠加原理获取故障后200μs的故障行波，再应用卡伦摩尔变换将故障行波分解为线模分量与零模分量，再通过EWT-SDEO处理以获得初始行波线模、零模分量的时间-能量图谱，进而将第一个波头所对应时刻标定为初始行波线模、零模分量传播到达A端检测点的时刻，其具体处理结果如图4.3所示。由图4.3可知，故障行波零模分量与故障行波线模分量首次到达检测点A的时间差为：∆t=16.4μs−9.6μs=6.8μs（4.14）图4.2AJ1段线路故障示意图图4.3距A端3km处故障行波处理结果故障区段时间判据∆T0∆（4.15）由此判断故障点位于第一段线路，即线路AJ1区段。所以对于测距公式式（4.2），k=1，由此计算故障距离d为：d（4.16）上述故障测距算例的绝对误差e为：e=（4.17）其相对误差er为：e（4.18）J1J2段线路故障图4.4J1J2段线路故障示意图如图4.4所示，设置J1J2段线路距离A端检测点d=6km处发生单相接地故障，检测装置采集故障发生后的三相电流行波信号，利用叠加原理获取故障后200μs的故障行波，再应用卡伦摩尔变换将故障行波分解为线模分量与零模分量，再通过EWT-SDEO处理以获得初始行波线模、零模分量的时间-能量图谱，进而将第一个波头所对应时刻标定为初始行波线模、零模分量传播到达A端检测点的时刻，其具体处理结果如图4.5所示。图4.5距A端6km处故障行波处理结果由图4.5可知，故障行波零模分量与故障行波线模分量首次到达检测点A的时间差为：∆t=46.4μs−26μs=20.4μs（4.19）故障区段时间判据∆T1≈11.092μs∆（4.20）由此判断故障点位于第二段线路，即线路J1J2区段。所以对于测距公式式（4.2），k=2，由此计算故障距离d为：d（4.21）上述故障测距算例的绝对误差e为：e=（4.22）其相对误差er为：e（4.23）J2B段线路故障图4.6Q2N段线路故障示意图如图4.6所示，设置J2B段线路距离A端检测点d=11km处发生单相接地故障，检测装置采集故障发生后的三相电流行波信号，利用叠加原理获取故障后200μs的故障行波，再应用卡伦摩尔变换将故障行波分解为线模分量与零模分量，再通过EWT-SDEO处理以获得初始行波线模、零模分量的时间-能量图谱，进而将第一个波头所对应时刻标定为初始行波线模、零模分量传播到达M端检测点的时刻，其具体处理结果如图4.7所示。图4.7距A端11km处故障行波处理结果由图4.7可知，故障行波零模分量与故障行波线模分量首次到达检测点A的时间差为：∆t=113.6μs−61.4μs=52.2μs（4.24）故障区段时间判据∆T2≈47.742μs∆（4.25）由此判断故障点位于第三段线路，即线路J2B区段。所以对于测距公式式（4.2），k=3，由此计算故障距离d为：d（4.26）上述故障测距算例的绝对误差e为：e=（4.27）其相对误差er为：e（4.28）测距方法影响因素分析及适应性仿真配网混合线路发生实际故障时，故障情况非常复杂，很多因素都会影响到实际故障测距的准确性，因此需要对其进行分析并进行验证性仿真实验。基于模量波速差与经验小波变换的故障测距方法的影响因素分析基于模量波速差与经验小波变换的配网混合线路故障测距影响因素如下：采样频率行波测距精度受采样频率的影响较大，由本文所提测距方法的测距公式d=Lk−1由以上分析可知，提高采样频率能有效降低测距过程中的截断误差，提高测距精度。故障距离行波测距精度受到行波波速的影响，在配网混合线路中，不同线路段的波速不同，由于架空线路波速大于电缆线路波速，所以当行波波头标定带来相同的时间误差时，若故障点位于架空线路段，其测距误差大于故障点位于电缆线路段时。例如，当行波波头标定带来0.1μs的误差时，即波头标定偏差时间t取为0.1μs，带入测距公式中可知，对于架空线路其测距误差为45.078m，对于电缆线路其测距误差为10.914m。由以上分析可知，当故障距离不同时，故障点可能位于不同的线路段，而电缆线路段内故障时的行波测距误差在整体上要小于架空线路段内故障时的行波测距误差。故障初相角线路在不同时刻发生故障时，有着不同的线路电压相角，即不同的故障初相角。如果故障发生时刻线路电压相角很小，这时产生的故障行波幅值较小，行波波头难以识别，容易导致行波检测误差变大甚至难以有效检测，最终导致测距误差变大。故障过渡电阻当配电线路发生单相接地故障时，存在一定数值的过渡电阻，而过渡电阻的大小会影响故障行波的幅值大小，过渡电阻较大时，故障行波的幅值变得很微弱，进而影响到行波波头的准确检测，最终会对测距结果造成一定影响，使得误差增大，严重时甚至会导致测距过程失效。由上文分析可知，实际配电线路发生故障时，往往故障情况非常复杂，在不同的采样频率、故障距离、故障初相角和故障过渡电阻下行波故障测距精度不同，于是需要验证本文测距方法对于不同故障情况的适应性。本文以3.3.1中利用MATLAB/simulink搭建的三段式混合线路仿真模型为例，线路示意图如图4.1所示，通过仿真不同的故障情况，应用控制变量法来验证测距方法对于不同故障情况下的适应性。在不同采样频率下的仿真与仿真结果分析以下通过仿真来验证不同采样频率对基于线模、零模波速差与经验小波变换的故障测距方法的影响，其中故障条件设置为：分别设置AJ1线路段距离A端检测点d=3km处、J1J2线路段距离A端检测点d=6km、J2B线路段距离A端检测点11km处，发生单相接地故障，中性点运行在过补偿情况下，补偿度为10%，故障初相角设置为60°，故障过渡电阻设置为50Ω，设置采样频率分别为1MHz、2MHz、5MHz、10MHz四种情况下分别做详细仿真，对故障后200μs的故障行波线模与零模信号分别进行EWT-SDEO处理。AJ1线路段距离A端检测点d=3km处故障行波处理结果如图4.8所示；J1J2线路段距离A端检测点d=6km处故障行波处理结果如图4.9所示；J2B线路段距离A端检测点11km处故障行波处理结果如图4.10所示。采样频率1MHz采样频率2MHz采样频率5MHz采样频率10MHz图4.8故障距离3km处理结果采样频率1MHz采样频率2MHz采样频率5MHz采样频率10MHz图4.9故障距离6km处理结果采样频率1MHz采样频率2MHz采样频率5MHz采样频率10MHz图4.10故障距离11km处理结果通过以上仿真分析验证了配电线路在发生单相接地故障时，检测点不同采样频率对测距方法的影响情况，如图4.8、图4.9和图4.10所示，在不同采样频率情况下，基于EWT-SDEO的行波检测方法均能准确检测出故障初始行波波头到达检测点的时刻，并且随着采样频率的提高，波头的奇异性也随之增强，使得波头更易被有效识别，对于行波到达检测点时刻的标定也更加精确。即在故障录波时间长度一定的情况下，提高采样点的个数有利于行波波头的准确检测。根据图4.8、图4.9和图4.10的处理结果，计算得上述故障仿真详细测距结果如表4-1所示。表4-1不同采样频率下故障测距结果采样频率/MHz故障距离/km测距结果/km绝对误差/m相对误差/%133.1551555.17233.1551555.17533.065652.171033.020200.67166.081811.35265.972280.47566.016160.271066.00550.0811110.919810.7421110.919810.7451111.010100.09101111.010100.09由表4-1所示可知，随着采样频率的升高，测距精度也会明显提高。通过以上仿真结果验证了配网混合线路在发生单相接地故障时，不同采样频率对本文测距方法的影响情况，提高采样频率能有效提高测距精度。但在采样频率时5MHz时，测距精度已较高。在提高采样频率时也会提高设备投资成本，因此本文仿真采用5MHz采样频率完成。由以上分析可知，在设备投资成本可接受范围内，提高检测装置的采样频率有利于提高测距精度。在不同故障距离下的仿真与仿真结果分析以下通过仿真来验证不同故障距离对基于线模、零模波速差与经验小波变换的故障测距方法的影响，其中故障条件设置为：设置仿真线路中每隔1km依次发生单相接地故障，采样频率为5MHz，故障初相角为60°，故障过渡电阻为50Ω，对故障后200μs的故障行波线模与零模信号分别进行EWT-SDEO处理。不同故障距离情况下的故障行波处理结果如图4.11所示。故障距离1km故障距离2km故障距离3km故障距离4km故障距离5km故障距离6km故障距离7km故障距离8km故障距离9km故障距离10km故障距离11km故障距离12km故障距离13km故障距离14km故障距离15km图4.11不同故障距离下的行波处理结果通过以上仿真分析验证了配电线路在发生单相接地故障时，不同故障距离对本文测距方法的影响情况，如图4.11所示，在不同故障距离下，基于EWT-SDEO的行波检测方法均能准确检测出初始行波波头到达检测点的时刻。根据图4.11的处理结果，计算得上述故障仿真详细测距结果如表4-2所示。表4-2不同故障距离下故障测距结果故障距离/km测距结果/km绝对误差/m相对误差/%10.99280.822.074743.733.065652.1744.057571.4355.012120.2466.016160.2777.020200.2988.00220.0399.026260.291010.018180.181111.010100.091212.00110.011313.083830.641414.075750.541514.976240.16由表4-2可知，本文测距方法在采样频率为5MHz时，在不同故障距离下的故障测距误差均未超过100m。通过以上仿真分析验证了基于线模、零模波速差测距原理与EWT-SDEO行波检测方法的行波测距方法，在不同故障距离下均具有较高测距精度。在不同故障初相角下的仿真与仿真结果分析下面通过仿真来分析本文所提出的故障测距方法在不同故障初相角下的测距结果及受影响情况。其中故障条件设置为：设置J2B段线路距离A端检测点d=11km处发生单相接地故障，故障过渡电阻设置为50Ω，采样频率为5MHz，设置不同的故障初相角分别做详细仿真，对故障后200μs的故障行波线模与零模信号分别进行EWT-SDEO处理，处理结果图4.12所示。故障初相角5度故障初相角30度故障初相角60度故障初相角90度故障初相角120度故障初相角150度图4.12不同故障初相角下的行波处理结果通过以上仿真结果验证了配网混合线路在发生单相接地故障时，不同故障初相角对本文测距方法的影响情况。由图4.12可知，本文测距方法在采样频率为5MHz、故障距离为11km、故障过渡电阻为50Ω时，在不同故障初相角下，基于EWT-SDEO的行波检测方法均能准确检测初始行波波头到达检测点的时刻，且行波处理结果均相同，计算得测距结果d=11.010km，绝对误差为10m。通过以上仿真分析验证了基于线模、零模波速差测距原理与EWT-SDEO行波检测方法的行波测距方法，在不同故障初相角下均具有较高测距精度。在不同故障过渡电阻下的仿真与仿真结果