基于暫態(tài)電流的高壓輸電線的故障檢測(cè)

單金燦，王愛玉，胡亞超，趙峰印（山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島，66590）

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基于暫態(tài)電流的高壓輸電線的故障檢測(cè)

單金燦1，王愛玉2，胡亞超3，趙峰印4
（山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島，266590）

摘要：針對(duì)高壓輸電線故障存在檢修困難、故障點(diǎn)定位誤差較大和易受外部因素影響等問題，本文根據(jù)行波傳輸理論以故障電流行波為測(cè)量對(duì)象，提出一種基于暫態(tài)電流的高壓輸電線路單端故障測(cè)距算法。現(xiàn)以某區(qū)電網(wǎng)高壓輸電線路故障為例，利用MATLAB構(gòu)建仿真模型進(jìn)行仿真。由仿真結(jié)果可以看出：所采用的故障測(cè)距算法不僅計(jì)算簡(jiǎn)單，而且測(cè)距精度較高。

關(guān)鍵詞：故障測(cè)距；小波變換；測(cè)距誤差；仿真分析

0　引言

隨著我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，高壓輸電線路越來(lái)越多。高壓輸電線路是輸電系統(tǒng)的命脈，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。由于高壓輸電線路分布范圍比較廣，所以高壓輸電線路故障巡檢十分困難，且難以分析故障特點(diǎn)。因此，良好的故障點(diǎn)定位算法既保證了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，又節(jié)約了故障處理時(shí)間。

故障測(cè)距方法按照測(cè)距原理可分為阻抗法、故障分析法和行波法。阻抗法是根據(jù)測(cè)量故障電壓與電流量來(lái)確定線路故障點(diǎn)，此方法比較簡(jiǎn)單，但精度較低。故障分析法與阻抗法一樣，雖然方法簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，精度卻不高。行波法是依據(jù)故障行波在輸電線路中傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距的，其精度不受線路故障電阻的影響。

本文通過分析暫態(tài)電流行波，把小波變換方法應(yīng)用到行波測(cè)距中，提出了基于暫態(tài)電流的單端故障測(cè)距算法。

1　暫態(tài)電流行波分析

在電力系統(tǒng)中，輸電線路發(fā)生故障時(shí)在故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)行波，如圖1所示，其沿著輸電線路從故障點(diǎn)向線路兩端傳播。

圖1　暫態(tài)行波沿輸電線的傳播示意圖

在分析故障行波傳播過程時(shí)，可以將輸電線路進(jìn)行等效，其參數(shù)等效電路如圖2所示。

圖2　輸電線參數(shù)的等值電路

若輸電線路為無(wú)損線路，則由此可得到如下波動(dòng)方程組：

由波動(dòng)方程組可解得線路M端和N端的故障電流行波解析表達(dá)式為：

2　小波變換

由于檢測(cè)到的信號(hào)是奇異的，所以小波變換十分合適分析這類信號(hào)。設(shè)表示故障電流行波（或），為基小波函數(shù)，為伸縮因子，b為平移因子。

二進(jìn)小波變換具有平移不變性，因此本文采用Daubechies （dbN） 小波系為基小波，進(jìn)行小波變換。

3　故障測(cè)距算法

在電力系統(tǒng)中，由于故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波沿著線路向線路兩端運(yùn)動(dòng)，所以輸電線路故障測(cè)距精度容易受到暫態(tài)行波傳播波速的影響。根據(jù)小波的奇異性原理，利用小波變換實(shí)現(xiàn)對(duì)暫態(tài)電流行波的分析，并通過檢測(cè)故障行波到達(dá)測(cè)量端的時(shí)刻，來(lái)實(shí)現(xiàn)單端故障測(cè)距，如圖3所示。

圖3　單端故障測(cè)距原理示意圖

圖4　高壓輸電線的仿真模型圖

由圖3所示，可以列出如下方程組：

解方程組得：

由測(cè)距公式可以看出:故障點(diǎn)距M端的距離與行波傳播波速無(wú)關(guān)，從而避免了行波的傳播波速影響故障測(cè)距。同時(shí)，該方法不需要同步GPS時(shí)鐘，減少了設(shè)備，降低了投資成本。

4　仿真分析

為了驗(yàn)證本文所提出的測(cè)距算法，本文以在0.01s時(shí)刻發(fā)生A相接地故障為例。接地電阻設(shè)置為4，采樣頻率為1MHz，并利用MATLAB構(gòu)建模型進(jìn)行仿真分析，其仿真模型圖如圖4所示。

表1　仿真輸電線路單位參數(shù)

圖5　電流行波的線模分量

圖6　電流行波線模分量的4層小波分解

圖7　模極大值點(diǎn)序列

由上圖可以看出模極大值點(diǎn)所在的采樣序列分別為：10051、10112、10094。由于故障時(shí)刻等于信號(hào)對(duì)應(yīng)奇異點(diǎn)的采樣序列除以采樣頻率，所以、、

。

由測(cè)距公式（3-2）可求出故障點(diǎn)位置：

相對(duì)誤差為：

同理可求得高壓輸電線路發(fā)生不同類型故障時(shí)的仿真測(cè)距結(jié)果及其相對(duì)誤差，如表2所示。由表2可以看出，本文采用的故障測(cè)距算法具有較高的定位精度。

5　總結(jié)

本文分析了高壓輸電線路故障暫態(tài)電流行波，通過分析行波在線路中的傳輸過程，提出了不受波速影響的單端行波測(cè)距算法。利用MATLAB構(gòu)建模型仿真分析，并對(duì)電流行波的線模分量進(jìn)行多尺度小波分解，從而根據(jù)行波波頭到達(dá)母線測(cè)量點(diǎn)的時(shí)刻及測(cè)距公式，求出故障點(diǎn)位置。由仿真結(jié)果可以看出：本文所采用的故障測(cè)距算法不僅提高了測(cè)距精度，而且減少了投資成本。

參考文獻(xiàn)

［1］霍爽.高壓輸電線路故障測(cè)距算法的研究［D］.山東：山東大學(xué)，2012.

［2］葛耀中，徐丙垠，陳平.利用暫態(tài)行波測(cè)距的研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，29（3）：70-75.

［3］董新洲，葛耀中，徐丙垠，陳平，李京.利用GPS的輸電線路行波故障測(cè)距研究［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1996，20（12）：37-40.

［4］趙龍.高壓輸電線路故障測(cè)距新解析［D］.四川：四川大學(xué)，2000.

［5］董新洲，劉建政，余學(xué)文.輸電線路暫態(tài)電壓行波的故障特征及其小波分析［J］，電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2001，16（3）：57-61.

［6］ 齊爽，翟玉成，劉立偉，張木子，韓學(xué)軍.單端行波測(cè)距新算法的研究［J］，東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（1）：48-51

［7］李清改.基于行波法的輸電線路故障測(cè)距研究［D］.河南：河南理工大學(xué)，2010.

The Fault Location of High Voltage Transmission Line Based on Transient Current

Shan Jincan1，Wang Aiyu2，Hu Yachao3，Zhao Fengyin4
（College of Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

Abstract：According to the theory of travelling wave transmission，this article puts forward the singleended fault location algorithm of high voltage transmission based on transient current，which isn’t affected by the line wave velocity.The method mainly aims at the problems that the faults of high voltage transmission line are difficultly inspected by the artificial and affected easily by natural factors， whose error is bigger in positioning the fault point.This article takes the high voltage transmission line fault of a district power grid for example to build a simulation model for simulation and analysis by MATLAB. The algorithm of fault location adopted by the article is effective and able to improve the precision of ranging by the results of simulation and analysis.

Keywords：fault location；wavelet transform；range error；simulation and analysis

作者簡(jiǎn)介

單金燦（1991-），男，山東人，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化等方面的研究。

王愛玉（1988-），男，山東人，碩士研究生，主要從事電力傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化等方面的研究。

表2　不同位置發(fā)生不同類型故障時(shí)的仿真測(cè)距結(jié)果