基于突變量波形互異性的故障定位新方法

曹 穎，劉建華，彭云倩，劉詩涵

(長沙理工大學電氣與信息工程學院, 湖南長沙410114)

基于突變量波形互異性的故障定位新方法

曹 穎，劉建華，彭云倩，劉詩涵

(長沙理工大學電氣與信息工程學院, 湖南長沙410114)

在諧振接地系統中，利用波形相關性選線定位存在判據裕度不足，易引起誤判的問題。根據系統發生單相接地故障時，故障上游三相電流突變量波形間差異性與故障下游三相電流突變量波形間差異性的不同，提出了基于突變量波形互異性的故障定位新方法。首先定義了各相互異參數與各相鄰兩檢測測點之間的故障測度，通過提取線路上各檢測點的三相電流突變量，算取每檢測點三相電流突變量之間的互異參數，然后計算各檢測點之間的故障測度。仿真結果顯示純線路或混合線路故障時故障區段相鄰兩檢測點之間的故障測度最大，而非故障區段相鄰兩檢測點之間的故障測度均接近于1。因此可知此方法判據裕度裕度較高，不易發生誤判，也能適用于混合線路故障區段檢測。

諧振接地系統；單相接地故障；相電流突變量；波形互異性；互異參數；故障測度

0 引言

對于小電流接地系統，由于存在故障電流弱的特點，很難定位故障區段。因此許多學者對此類問題進行了大量研究，但一些方法還是存在一些局限性，不易運用在結構比較復雜的配電網中。其中基于行波故障定位方法[1-2]對采樣設備要求過高，因此投資成本較大，且此方法運用在高壓輸電線路上時效果較好，但運用于配電網故障定位時則效果較差。基于小波變換選線定位方法[3]由于把故障特征比較明顯的電氣量作為特征量，因此判別正確率較高，但若小波基選取不當，則會使判別結果差。基于聚類選線定位[4]等數學融合方法如今研究較多，可以適用于多種故障類型判別，但若訓練樣本選取不合理，也會造成判別結果較差。基于零序電流波形相關性[5-6]或零序功率波形相關性[7]定位方法運用在純架空線路上時效果較好，但運用在混合線路中時其判據裕度較低，易引起誤判。

因此本文提出了基于突變量波形互異性的故障定位新方法，通過利用各檢測點各相電流突變量波形之間的差異性進行故障區段定位。仿真結果表明本方法判據裕度較高，且具有適用于混合線路故障區段定位的優點。

1 互異參數理論

根據文獻[8]可知故障上游各檢測點具有兩非故障相電流突變量幅值小、波形大致相同，而故障相電流突變量幅值較大，且與其所在檢測點的非故障相電流突變量波形不一致的特點；對于故障下游，各檢測點則具有三相電流突變量幅值、波形大致相同的特點。因此本文定義了互異參數α如公式(1)所示，以此刻畫故障上游與故障下游各相電流突變量波形的差異性。

(1)

式中：ikx、iky、ikz分別為檢測點k的x、y、z三相電流突變量，由故障后一個周期的信號數據減去故障前一個周期信號數據所得到；N為一個周期的數據長度；n為采樣點序列，當n=1時此刻為故障發生時刻，即系統零序電壓大于15%額定電壓的時刻，也表示提取突變量起始時刻，當n=N時此刻為提取突變量截止時刻；αkx為檢測點k的x相互異參數。

通過公式(1)可知當檢測點三相電流突變量幅值、波形大致相同時，則各相互異參數均較小，接近于1，而當檢測點一相電流突變量比其余兩相電流突變量幅值較大時，則該相互異參數較大，相對而言其余兩相互異參數較小。而通過文獻[8]也可知突變量波形僅在故障區段相鄰兩檢測點之間發生了較大突變，因此再結合上述分析可知故障上游各檢測點三相最大互異參數大致相同，且數值較大，而故障下游各檢測點三相最大互異參數大致相同，且數值較小，均接近于1。

2 故障測度判據

故障區段相鄰兩檢測點的三相最大互異參數相差較大，且兩檢測點中故障上游檢測點互異參數較大，而故障下游檢測點互異參數較小。因此通過定義故障測度β刻畫相鄰兩檢測點三相最大互異參數的差異：

(2)

式中：βjk為兩相鄰檢測點j、k之間的故障測度，且檢測點j更靠近母線側。

因此可知非故障區段相鄰兩檢測點之間的故障測度為1，而故障區段相鄰兩檢測點之間的故障測度遠大于1。那么可設取一閥值βset判斷故障區段，當相鄰兩檢測點的故障測度大于此閥值，則為故障區段，否則為非故障區段。通過仿真可知βset設為4時故障判據有很好的判據裕度，具體故障區段定位流程圖如圖1所示，其中U0、Um分別為系統零序電壓和額定電壓。

圖1 故障定位流程圖

3 仿真驗證分析

本文利用ATP搭建某10kV配電網諧振接地系統模型如圖2所示，在此基礎上進行仿真驗證分析，其線路參數[9-10]如表1～2所示。

圖2 仿真模型

圖2中a、b、c、d4個檢測點分別位于線路1的3 km、4 km、5 km、6 km處，e、f、g、h4個檢測點分別位于混合線路2的8 km、9 km、10 km、11 km處。消弧線圈采用過補償方式運行，補償度為8%，消弧線圈電感值為0.947 H，根據文獻[11]要求設置；每條線路負荷用一個(400+j20)Ω的阻抗代替；采樣頻率為100 kHz,仿真時間設為0.045 s。

表1 架空線路參數

表2 電纜線路參數

現模擬bc區段發生了合閘角0°、過渡電阻500 Ω、故障相為A相的單相接地故障。線路1各檢測點的相電流突變量如圖3～6所示。

圖3 檢測點a處各相突變量

圖4 檢測點b處各相突變量

圖5 檢測點c處各相突變量

圖6 檢測點d處各相突變量

現根據公式(1)可到得到相應的各檢測點三相互異參數矩陣D1如下所示。其中D1kx表示檢測點k的x相互異參數。通過各檢測點三相互異參數可知，對于故障上游a、b兩檢測點，故障相互異參數較大且大致相等，而其剩余兩相互異參數均較小；對于故障下游c、d兩檢測點，兩者三相互異參數均較小且大致相等，與上述理論分析相符。現通過公式(2)可得到ab、bc、cd相鄰檢測點的故障測度分別為{1.01，138.30，1.09}，可知故障區段bc段故障測度遠大于閥值4，而故障區段ab、cd故障測距均接近于1，因此此方法能準確地判別出bc段為故障區段。

4 適應性分析

為了較好地驗證此方法在架空線路上的適用性，現模擬架空線路1上不同檢測點區段在不同故障條件下發生了單相接地故障，其各檢測點區段故障測度及判別結果如表3所示。結果可知故障區段的故障測度值遠大于閥值，尤其是在合閘角為90°時其值達到上千，而非故障區段的故障測度值則均接近于1，故障判別效果非常好，因此此方法能較好地應用在架空線路。

表3 架空線路1區段故障時線路1各區段故障測度與判別結果

為了進一步研究此方法在結構比較復雜的配電網的適用性，現模擬混合線路2上不同檢測點區段在不同故障條件下發生了單相接地故障，其各檢測點區段故障測度及判別結果如表4所示。通過表中結果可知此方法運用在混合線路上時其故障判據裕度也較好，不易發生誤判，因此可知此方法適用于結構比較復雜的配電網系統。

表4 混合線路2區段故障時線路2各區段故障測度與判別結果

5 結論

本文所提出的基于基于突變量波形互異性的故障定位新方法能很好地應用在架空、混合線路故障區段定位中，沒有傳統方法適用對象單一的弊端，且非故障區段的故障測度值均接近于1，而故障區段的故障測度值較大，遠大于閥值，其故障判別裕度較高，不易發生誤判，適合于結構比較復雜的配電網故障區段定位。

[1]張姝，何正友，趙云翾，等.基于C型行波法的10 kV客運專線電力電纜貫通線故障定位方法[J].電力系統保護與控制，2012,40(14):51-57.

[2]李傳兵，譚博學，高鵬，等.基于D型行波原理的T接線路故障測距方法[J].電力系統保護與控制，2013,41(18):78-82.

[3]竇新宇，李春明.基于小波變換的小電流接地故障選線仿真研究[J].電力科學與工程，2011，27(2):41-43.

[4]廖桂源，李彩林，施偉，等.基于注EMD聚類算法的配電網單相接地故障選線方法[J].電力科學與工程，2014，30(2):57-61.

[5]孫波，孫同景，薛永端，等．基于暫態信息的小電流接地故障區段定位[J]．電力系統自動化，2008，32(3)：52-55．

[6]馬士聰，徐丙垠，高厚磊，等．檢測暫態零模電流相關性的小電流接地故障定位方法[J]．電力系統自動化，2008,32(7):48-52．

[7]田書，王曉衛，王娟娟.基于相關分析的暫態零模電流與功率故障定位方法比較[J].電網技術,2011,35(4):206-211.

[8]宋國兵，李廣，于葉云，等.基于相電流突變量的配電網單相接地故障區段定位[J].電力系統自動化，2011, 35(21):84-89.

[9]康小寧，劉鑫，索南加樂，等.基于矩陣束算法的經消弧線圈接地系統故障選線新方法[J].電力系統自動化，2012,36(12):88-93.

[10]任建文，張猛，谷雨峰.基于本征模態熵的諧振接地系統故障選線研究[J].華北電力大學學報(自然科學版)，2014，41(6):53-59.

[11]吳樂鵬，黃純，林達斌,等.基于暫態小波能量的小電流接地故障選線新方法[J].電力系統自動化設備,2013,33(5):70-75.

A New Method of Fault Location Based on the Dissimilarity of Waveform of Sudden Variable

CAO Ying, LIU Jianhua, PENG Yunqian, LIU Shihan

(College of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China )

In the resonant grounding system, the problem of the insufficient criterion margin for the line selection by the waveform correlation exists, which could cause the problem of false detection. According to the principle that the variability between the sudden variables of three phase currents in the upstream is different with in downstream when the single-phase grounding fault occurs in the system, a new method for fault location based on the dissimilarity of waveform of a sudden variable is proposed. Firstly, this paper defines the dissimilarity parameters and the fault measure between the two adjacent points. Then the dissimilarity parameters between the sudden variables of three phase currents of each detection point are obtained after the sudden variables of three phase currents are extracted from every detection point. Finally, the fault measure between the two adjacent points is calculated. The simulation results show that fault measure between the two adjacent detection points in the fault section is the largest under the situation of the fault pure lines or hybrid lines, and the fault measure between the adjacent two detection points in the non-fault section is close to one. Therefore, this method has the higher criterion margin, and it is not easy to cause the problem of false detection. What’s more, it can be applied to the fault section detection for hybrid lines.

resonant grounding system；single phase to grounding fault；the sudden variable of phase current；dissimilarity of waveform；dissimilarity parameter；fault measure

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.03.006

2016-10-28。

TM73

A

1672-0792(2017)03-0031-05

曹穎(1992-)，女，碩士研究生，研究方向為電力系統運行與控制。