10 kV配電網單相接地故障定位方法的研究

徐汝俊,嚴 鳳,裴玉龍

(華北電力大學 電氣與電子工程學院,河北 保定 071003)

10 kV配電網單相接地故障定位方法的研究

徐汝俊,嚴 鳳,裴玉龍

(華北電力大學 電氣與電子工程學院,河北 保定 071003)

介紹了一種行波定位方法,將行波反射信號進行小波包分解與重構處理,構造特征矩陣,利用大矩陣來確定故障區段。比較故障線路和正常線路波形,使兩波形相減,利用波形差第一個畸變點來確定故障距離。

10 kV配電網;故障定位;特征波

0 引 言

由于 10 kV配電系統普遍采用中性點非有效接地方式,線路發生單相接地故障后,故障特征不明顯,而且 10 kV配電網所處的地理環境復雜,一般采用單電源輻射性供電,總體長度長,配電線路分支較多,接地電阻和對地電容大,故障定位困難。

本文提出一種行波定位方法[1～5],分為判斷故障區段和確定故障距離兩個部分。在線路故障后,向正常線路和故障線路分別發射一個行波信號,在線路檢測點采集反射回來的信號,對故障線路信號波形進行小波包分解和重構,構造特征矩陣,利用大矩陣來判斷故障區段。然后,通過比較故障線路和正常線路波形,找到故障點特征波對應的時刻,利用測距公式來確定故障距離。通過對 10 kV配電線路單相接地故障進行仿真分析,驗證了該方法的可行性。

1 行波定位方法介紹

線路發生故障后,在線路檢測點發射行波信號,行波信號遇到波阻抗不連續點 (線路的節點、端點和故障點)就會發生反射和折射,利用行波信號在波阻抗不連續點產生的第一個反射波來進行故障定位,該波稱為特征波。

1.1 判斷故障區段

為了方便解釋故障區段判斷方法,以圖 1、2為例,帶分支的線路 MB上共有 3個區段,它們是主干線上的兩個區段 MA,AB和一個分支構成的區段 AD。在 M點檢測反射行波信號時,首先檢測到的是來自第一個分支節點 A的反射波,后繼到來的是其它分支節點、端點和故障點的反射波。對于檢測點 M,由于來自故障點 F下游的反射波與那些來自故障點上游的反射波相比,具有較小的能量,所以在判斷故障區段時,只考慮來自故障點上游波阻抗不連續點的反射波。在這兩個區段上發生故障時,其共同的特征波是 SA,無論這兩個區段上何處故障,在檢測端 M處均能檢測到來自 A點的特征波。

圖1 AB區段發生故障特征波傳播路徑Fig.1 Transm ission routes of characteristic waves when fau lt occurs on section AB

如果區段 AB上故障,初始信號行波傳播到 A后,一部分行波將向 D點傳播,到達分支端點 D后又反射回 A,其中的一部分由 A點傳播到檢測點 M,該反射波的傳播路徑是 M→A→D→ M,用SD表示,它是 AB區段故障時的特征波,該特征波到達檢測端的時間是 2( MA+AD)/v。

圖2 AD區段故障特征波傳播路徑Fig.2 Transm ission routes of characteristic wavesw hen fault occurs on section AD

如果區段 AD上故障,初始信號行波傳播到 A后,一部分行波將向 B點傳播,在 B點有一部分行波將反射回 A,其中的一部分再由 A點傳播到 M點。該反射波的傳播路徑是 M→A→B→ M,用SB表示,它是 AD區段故障時的特征波,該特征波到達檢測點的時間是 2 MB/v。

在特定時刻能檢測到來自某波阻抗不連續點的特征信號時,用 “1”來表示,表明該特征波SA的值為有效數據;特征信號在特定時刻不能檢測到或很微弱,低于門限值時,用 “0”表示,表明該特征波的值為無效數據,這樣可以用一個大矩陣表示,如式 (1)所示：第一行表示特征波的值無效,表示故障發生在節點 A的上游,即在第一區段 MA上發生了故障;第二行表示第一個特征波 SA、SD的值有效,而SB的值無效,表明能檢測到來自 D點的反射信號,可以判斷故障發生在 AB區段;同理,第三行表示故障發生在AD區段。

由上述一條分支線路可以推廣到多條分支線路,在節點特征波到達檢測點 M的時刻,對信號求取局部能量 e＊i。如果有 n條分支線路,線路上波阻抗不連續點的數量為 m=2n+1,這也是特征波的數量。在網絡拓撲結構固定的情況下,根據距離和波速的關系,節點特征波到達檢測點的時間是可以計算出來的,用該特征波到達檢測點 M時刻的 20個離散點的幅值 |fij|來計算其局部能量,如式 (2)所示：

式中：i(i=1,2,…2n+1)是指與大矩陣中特征波對應的第 i個特征波。一個大矩陣中特征波的數量為 2n+1,需要計算的特征波局部能量數量與此相同,所有特征波的總能量 E和每個特征波的歸一化局部能量的計算如公式 (3)和 (4)所示：

故障信號的局部能量能夠反映線路上某一阻抗不連續點是否有反射波到達檢測點。經過小波包分解和重構后,信號被分為多個頻帶,如果只用某一頻帶的局部能量進行分析,有可能造成對故障區段的誤判,因此選用多個頻帶信號進行局部能量計算,由這些局部能量組成一個特征矩陣,設定一個門限值,將特征矩陣轉化成大矩陣,通過各頻帶大矩陣信息來綜合判斷故障區段。

1.2 確定故障距離

在線路正常時與接地故障后分別注入脈沖信號,通過檢測反射波,可以發現：在故障點第一個反射波到達之前,故障線路的反射過程與正常時一致,之后則不同。由此可知,兩個波形的第一個差異點必然來自故障點的反射波。使故障波形與正常波形相減,找到波形差信號的第一個畸變點所對應的時刻 t,通過測距公式 (5)求出故障距離 l。

式中：v是波速。

2 仿真分析

如圖 3線路所示,在線路區段 AB上的 F1點和區段 BC上的 F2點分別發生金屬性單相接地故障,故障點 F1距 A點 3 km,F2距 B點 4.3 km。其中, MA=6 km,AB=4.5 km,BC=7 km,CN=3 km,AD=1 km,BE=3 km,CK=2 km。信號源采用幅值為 10 kV,寬度為 2μs的高壓脈沖信號。其中,設行波的傳播速度為光速,即 300 m/μs,線路波阻抗為 500Ω。

圖3 配電線路故障示意圖Fig.3 Distribution line fault schem atic diagram

利用 ATP軟件建立線路模型,在檢測點采集到正常線路波形、F1點故障波形、F2點故障波形分別如圖 4中 (a)、(b)、(c)所示。

圖4 正常線路和故障線路電流行波波形Fig.4 Waveforms of the norm al line current travelling waves and the fault one

對以上行波信號波形進行 3層小波包分解和重構,共分為 8個頻帶;選用其中的第 2、3、4、7共 4個分頻帶信號進行局部能量計算,得到 4組局部能量數據;仿真線路的分支數量為 3,由這 4組特征波的歸一化局部能量構成一個 7列、4行的特征矩陣。計算局部能量時,在特征波時刻附近取樣 20個數據,當 F1點和 F2點發生故障時,特征矩陣分別為式 (6)和 (7)：

設門限值為 0.03,當特征矩陣中一個特征波的局部能量大于 0.03時,矩陣中的值為有效,置為 “1”;當特征矩陣中一個特征波的局部能量小于 0.03時,矩陣中的值無效,置為 “0”。根據這個規則,將上面兩個特征矩陣轉變成大矩陣為：

下面來確定故障距離,使故障線路與正常線路波形相減,得到的波形差如圖 5所示。在圖 5(a)中,第一個波形畸變點即為故障點 F1的特征波,通過小波包分解和和重構后的數據處理,我們可以確定故障時刻為 60.04μs。根據已設定的波速,通過測距公式可以得到故障距離為：

圖5 故障線路與正常線路波形差Fig.5 Subtraction between the fault line waveform and the norm al one

與實際距離相差 6m;同理,在圖5(b)中,故障特征波時刻為 98.70μs,計算得到的故障距離為 14 805m,與實際距離相差 5m,可見測距精度滿足實際要求。

3 結 論

本文提出的行波定位方法屬于離線定位,當一次接受到的信號不能準確判斷故障位置時,可以重發一個行波信號進行再次定位,小波分析方法是時間窗和頻率窗都可以改變的時頻局部化分析方法,即在低頻部分具有較高的頻率分辨率較低的時間分辨率,在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率,利用多分辨分析可以對信號進行有效的時頻分解。通過小波包的分解和重構,將行波信號進行低頻和高頻多層次劃分,可以精細地分析信號突變點。

10 kV配電網線路分支較多,環境復雜,不易定位。行波法具有定位速度快,精度高的優點,利用特征波能量可以快速地判斷故障區段,通過波形差可以精確地計算故障距離。結合小波包分析,行波法在故障定位應用中也變得越來越成熟,因此具有很好的研究價值和發展前景。

[1]要煥年,曹梅月.電力系統諧振接地 [M].北京：中國電力出版社,2000.

[2]季濤,薛永端,孫同景,等.配電線路行波故障測距初探 [J].電力系統自動化,2005,29(19)：66-70.

Ji Tao,Xue Yongduan,Sun Tongjing,et al.Fault location for distribution feeders based on traveling waves[J].Automation of Electric Power Systems,2005,29(19)：66-70.

[3]嚴鳳,楊奇遜,齊鄭,等.基于行波理論的配電網故障定位方法的研究 [J].中國電機工程學報,2004,24(9)：37-42.

Yan Feng,Yang Qixun,Qi Zheng,et al.Study on the fau lt-location methods for power distribution network based on the traveling wave theory[J].Proceedings of CSEE,2004,24(9)：37-42.

[4]楊棟.基于行波法的 10 kV電力電纜故障測距算法的改進研究 [J].電力科學與工程,2009,25(2)：16-18.

Yang Dong.Research on fault location algorithm of 10 kV power cab le based on traveling wave[J].Electric Power Science and Engineering,2009,25(2)：16-18.

[5]覃劍.輸電線路單端行波故障測距的研究 [J].電網技術,2005,29(15)：65-70.

Qin Jian.Study on single terminal traveling wave fault location of transmission line[J].Power System Technology,2005,29(15)：65-70.

Research on Location Method of Single Phase Grounding Fau lt of 10 kV Distribution Network

Xu Rujun,Yan Feng,PeiYulong
(School of Electricaland Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

A kind of traveling wave fault-location method is introduced in this paper,the reflected signal of traveling wave is treated through waveletpacketdecomposition and reconstruction,structuring characteristic matrix and using bigmatrix to determine the fau lt section.Contrasting the waves reflected from the fault line and the normal one,and subtracting this two waveforms,then the fault distance is determ ined by finding the first distortion point.

10 kV distribution network;fault location;characteristic wave

T M726;T M930.1

A

2010-06-07。

徐汝俊 (1986-),男,碩士研究生,研究方向為智能化檢測與控制技術,E-mail：xurujun66@163.com。