（电气工程专业论文）杨家坪供电局配网电缆故障测距的应用研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着城市建设的发展，电力系统配网线路的敷设方式逐步由裸线架空型过渡 到电缆地下暗敷设。虽然电力电缆故障率较低，但是一旦发生故障，查找起来十 分困难和繁琐，对提高配电网络可靠性和安全性带来了很大障碍。 为适应市场经济的发展，在电缆出现故障时，须快速地发现故障，并确定故 障点的位置，这已成为城市配网运行中的一个重要课题。本论文以此为出发点， 就基于电缆物理模型故障测距方法开展研究。 在广泛阅读国内外电缆故障测距方面的相关文献，熟悉基于电缆物理模型的 电缆故障测距理论原理的基础上，本文开展了基于现场运行电缆参数模型的电缆 故障测距的研究。 为使研究顺利进行，本文就杨家坪供电局现场所运行的不同配网电缆参数进 行了实铡，并在此实测电缆参数的基础上，构建了基于现场电缆参数的a t p 模型。 依据构建的现场电缆参数a r p 模型，获取了电缆不同运行状态和区外故障下 的数据，以供电缆故障测距人工神经网络数学模型的辨识训练。 在辨识的电缆故障测距人工神经网络数学模型基础上，利用构建的现场电缆 a t p 模型，开展了对基于电缆物理模型故障测距方法的分析研究。 为使基于电缆物理模型的故障测距方法在杨家坪供电局得到应用，本文还就 电缆两端采样数据的传输方式给予了研究，其主要方式是基于g p r s 通信技术的 数据传输方式。 关键词：电力系统、电缆故障测距物理模型数据传输 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 w i mt h ed e v e l o p m e n to fc i t yc o n s t r u c t i o n , o v e r h e a dl i n e sa r eg r a d u a l l yr e p l i e d w i t hu n d e r g r o u n dc a b l e s d e s p i t eo fl o w e rf a i l u r er a t e ，c a b l e sa r ed i f f i c u l tf o rf a u l t l o c a t i o n , w h i c hi n f l u e n c e st h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y f a u l tm o n i t o r i n ga n dl o c a t i o np r o m p t l ya r ew o r t h yo fi n - d e p t hr e s e a r c ht or e d u c e t h el o s so fe c o n o m y t h i st h e s i sc o n d u c t st h er e s e a r c ho nf a u l tl o c a t i o no fd i s t r i b u t i o n 加d b a s e do nt h ec a b l ep h y s i c a lm o d e l a f t e rr e a d i n gm a n yc o r r e l a t i v el i t e r a t u r e sa b o u tc a b l ef a u l tl o c a t i o na n d c o m p r e h e n d i n gt h et h e o r yo fc a b l ef a u l tl o c a t i o nb a s e do i lc a b l ep h y s i c a lm o d e l ，t h e r e s e a r c ha n de x p e r i m e n to ft h el o c a lc a b l ep a r a m e t e rf o rc a b l ef a u l tl o c a t i o nb a s e do n t h ec a b l ep h y s i c a lm o d e la r ec a r r i e do n t t h ec a b l ep a r a m e t e r sc o m ef i o mt h el o c a lc a b l eo fy a n g j i a p i n gp o w e rs u p p l y c o m p a n y al o k vc a b l es y s t e mi s b u i l tb ya t p 、 ，i mt h ec a b l ep a r a m e t e r sf r o m y a n g i i a n p i n gp o w e rs u p p l yc o m p a n y o u t e rt w o - p h a s ea n dt h r e e - p h a s ec a b l eg r o u n d i n gf a u l ti ss i m u l a t e db ya t p t o c r e a t et h ea n nm o d e lt r a i n i n gs a m p l e sa n ds i m u l a t i o ns a m p l e s f a u l tl o c a t i o ns i m u l a t i o nb a s e do nt h e d i s t r i b u t e dp a r a m e t e rc a b l em o d e li s c o m p l e t e d ；t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ec a b l ef a u l tl o c a t i o nm e t h o dp r o p o s e di nt h et h e s i si s f e a s i b l ea n dc a l lo b t a i nt h ef a u l tl o c a t i o n i no r d e rt o a p p l yt h ef a u l tl o c a t i o nm e t h o di nt h ey a n g i i a p i n gp o w e rs u p p l y c o m p a n y , ad a t as y n c h r o n i z a t i o nb a s eo nt h eg p r s i sp r o p o s e di nt h et h e s i s k e y w o r d s ：f a u l tl o c a t i o n , a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，p h y s i c a lm o d e l ，g p r st e c h n o l o g y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：2 呻7 年f ，月妒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：下罗 签字日期：汾订年 月v 日 导师虢k 毽、 签字日期： 帅7 年6 月日 重庆大学工程硕士学位论文 i 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 电力系统是国民经济的基础工业，电力系统运行生产的安全性和可靠性对国 民经济发展起到重要的作用。随着城市电网改造，在1 l o k v 及以下系统中，电力 电缆的应用日益广泛，在一些城市的市区地下电缆已逐步取代架空线路。随着电 缆数量的增多及运行时间的延长，电缆线路因绝缘老化、环境因素及人为因素的 故障越来越频繁，对供电可靠性造成了严重影响，因此电缆故障的准确测距显得 越来越重要。寻求一种快捷、准确的电力电缆故障测距方法，已日益受到国内各 供电企业和学者的关注，并成为国内外科研技术人员的共同目标。 目前已有的输电线路故障测距装置主要是针对高压和超高压输电线路开发 的。然而随着城网改造的进一步深入，1 1 0 k v 及以上高电压等级的建设已十分完 备，自动化水平较高，调度管理、运行管理也比较规范。相比之下，l o k v 供电网 络由于各种原因，自动化水平基本上较低，处于长期被忽视的状态，且存在线路 情况及路径环境复杂、变化多、供电可靠性差、故障率高等问题l 。 重庆城市供电网络电压等级主要是以l o k v 为主( 约占整个供电用户数量的 9 0 以上) ，随着城市建设的发展，配网线路的敷设方式逐步由裸线架空型过渡到 电缆地下暗敷设。虽然电力电缆故障率较低，但是一旦发生故障，查询起来十分 困难和繁琐，对提高配电网络可靠性和安全性带来了很大障碍。 为适应市场经济的发展，快速地发现故障，并确定故障点的位置就成为城市 配网运行中的一个重要课题。本文利用实测的电缆参数及杨家坪供电局和尚山变 电站实际运行数据，就电缆物理模型的人工神经网络数学模型进行训练和测试， 其训练和测试结果表明，基于人工神经网络对电缆分布参数数学模型的参数进行 辨识是可行的。同时本文提出了解决双端测距所涉及的通讯问题的方法及实现方 案。 1 2 电缆故障测距研究综述 电力电缆故障主要有以下的类型i 6 - s ： 机械损伤。机械损伤类故障比较常见，所占的故障率最大( 约为5 7 ) ， 其主要原因有：安装时损伤；直接外力破坏；震动或冲击负荷造成电缆绝缘损坏； 自然现象如热膨胀、土地沉降等。 绝缘受潮。绝缘受潮的故障率约为2 3 。主要是由电缆中间头或终端头密 封工艺不良或密封失效、电缆外护层有孔或裂纹造成的。 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 绝缘老化。过热会引起绝缘老化，电缆过负荷使电缆过热的很重要的因素， 安装与电缆密集区、穿管敷设的电缆及与热力管道附近的电缆都会由于过热而造 成绝缘老化。绝缘老化故障率为9 。 过电压。大气与内部过电压作用，使电缆绝缘层击穿形成故障，击穿点一 般存在材料缺陷。 电缆的绝缘物流失 电力电缆的故障原因是极其复杂的，故障形式也千差万别。电力电缆的故障大 多数则是由几种原因共同作用的结果o 】。 表l 电缆故障性质的分类 1 h b l elt h ec l a s s i f i c a f i o no f t h ec a b l ef a u l t 故障性质 r ， 间隙击穿情况 开路 在直流或高压脉冲作用下击穿 低阻小于1 0 磊研不是太低时，可用高压脉冲击穿 高阻 大于l o 磊 高压脉冲击穿 闪络直流或高压脉冲击穿 低阻故障。一般情况下电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘 电阻低于4 0 0 q 时，而导体连续性良好者称为低阻故障。常见低阻故障有单相接地、 二相短路或接地等。 高阻故障。一般情况下电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘 电阻低于正常值很多，但高于4 0 0 q ，而导体连续性良好者称为高阻故障。常见高 阻故障有单相接地、二相短路或接地等。 其他。如断线故障，断线并接地或短路故障，泄漏性故障，闪络性故障等。 据统计：电缆在运行中出现的故障，故障点过渡电阻都不高，一般只有几十欧， 只有几个别出现上千欧的情况，而在电缆定期检测时则多出现高阻故障和闪络故 障。 国内外现有的电力系统故障定位( 也称故障测距) 方法主要可划分为两大类： 利用故障发生时的电量信号( 电压和电流) 进行故障测距，利用外加信号( 音频) 进行故障测距。第一类主要分为行波法和阻抗法，并依据数据来源角度的不同，又 都包括单端法和双端法；第二类主要分为声测法和音频感应法。 ( 1 ) 行波故障测距法 行波故障测距法的原理是根据行波到达母线后反射到故障点，再由故障点反射 到达母线的时问差，或是根据行波初始波头到达两侧母线的时间差进行测距的一 2 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 种算法。 在实际输电线路中，由于本身的结构、绝缘介质及导体材料不同，使得故障产 生行波分析和研究比较困难，并且对装置的要求很高。行波测距误差在数个脚， 故障测距误差在数百米，并且需要专用的同步时间单元【l l j ( 2 ) 阻抗故障测距法 阻抗故障测距法是通过求解从故障点到测量点的线路阻抗值来估计故障阻抗 点距离的一种方法。在建立输电线路故障阻抗测距模型时，通常把故障距离作为 一个电路参数考虑进去，通过求解电路方程，求出阻抗距离 1 2 - 1 3 1 。 阻抗法的原理基于输电线路为均匀线的假设，即假设故障回路阻抗或电抗与测 量点到故障点的距离成正比。故障时，测量装置由启动元件启动，测得故障时的 电压和电流等参数，进而计算出故障回路的阻抗。由于线路长度与阻抗成正比， 因此可以求出由装置安装处到故障点的距离。 故障阻抗的计算可以使用线路两端的信息进行，也可以仅利用一端测量信息进 行近似处理。单端阻抗法在理论上无法克服过渡电阻的影响，并且需要在测距算 法中做一定的假设，所以在很多情况下其测量精度难以保证。 双端量故障测距利用线路两端的电流、电压信息，能在理论上消除故障点过渡 电阻、系统阻抗和故障类型对测距精度的影响，具有精确测距的能力。但迄今所 提出的双端量测距算法还不能完全消除下列因素对测距精度的影响：线路模型、 线路参数不平衡、线路参数不准确、负荷电流、同步测量精度和基波分量的提取 精度。 ( 3 ) 外加信号测距法 目前，比较常用的外加信号电缆故障测距方法是声测法和音频感应法。 所谓声测法就是在故障电缆上加冲击高压，使故障点放电产生爆声，然后利用 仪器直接或间接探测这爆声发出的位置，就能找到故障点。声测法只适用于高阻故 障。这是在实际运用最广泛的方法。 所谓音频法就是在故障电缆上施加音频电流，使故障电缆发出音频电磁波，然 后在地面上用探头沿故障电缆路径接收电磁场变化的信号，将这信号送入耳机变为 声音，最后根据耳机中声音的强弱来判断故障点的位置。 在实际应用中，声测法常因受到电缆故障点环境因素干扰，如振动噪声过大， 电缆埋设过深等而造成定点困难。为解决这一矛盾，采用声磁同步检测法，即声磁 法i 2 9 - 3 5 。 1 3 论文的研究思路和内容 本文利用与运行电缆同型号规格、同厂家的实测的电缆参数及杨家坪供电局 3 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 和尚山变电站实际运行数据，在a t p 仿真平台上模拟了几条l o k v 配电电缆模型， 并在此电缆模型上产生了用于电缆数学模型辨识的数据样本。利用已得到的数据 样本，就电缆物理模型的人工神经网络数学模型进行训练和测试，基于辨识后的 电缆分布参数数学模型，利用在a t p 仿真平台上获取的电缆区内两相短路、三相 短路的故障数据，就基于分布参数电缆物理模型的故障测距方法进行仿真分析， 拟证明故障测距方法的可行性。其训练和测试结果表明，基于人工神经网络对电 缆分布参数数学模型的参数进行辨识是可行的，其故障测距误差是可以接受的， 与电缆规格型号无关。同时本文提出了双端测距所涉及的通讯问题的解决方法及 实现方案。 4 重庚大学工程硕士学位论文2 主要故障测距方法的分析 2 主要故障测距方法的分析 国内外现有的电力系统故障定位( t g 称故障测距) 方法主要可划分为两大类： 利用故障发生时的电量信号( 电压和电流) 进行故障测距，利用外加信号( 音频) 进行故障测距。第一类主要分为行波法和阻抗法，并依据数据来源角度的不同， 又都包括单端法和双端法；第二类主要分为声测法和音频感应法 2 。1 行波故障测距法 行波故障测距法的原理是根据行波到达母线后反射到故障点，再由故障点反 射到达母线的时间差，或是根据行波初始波头到达两侧母线的时间差进行测距的 一种算法1 1 4 - 2 0 i 。 以接地故障为例，如图2 1 所示，发生故障的网络所处的状态【图2 1 ( a ) 】称为 故障状态，利用叠加原理，故障状态可分解为非故障状态【图2 1 ( b ) 1 和故障附加状 态【图2 1 ( c ) 】。 图2 1 电网故障示意图 f i 9 2 1p o w e rn e t w o r kf a u l t 非故障状态就是故障前正常运行状态，电压是假定故障点f 处无故障时该 点的电压。故障附加状态只有在故障后才出现，作用在该网络中的电源就是与故 障前该点电压数值相等方向相反的等效电源一，称为虚拟电源或附加电源。在该 电源作用下，故障附加网络中将只包含故障分量的电压口，和电流l 。故障分量独 立于非故障分量，但仍然受系统运行方式的影响。整个故障后网络中各点的电压 和电流就是故障前负荷分量( 电压和电流) 和故障分量( 电压口，和电流7 ，) 的和，即 - - - - 口口+ u ， ( 2 1 a ) i = i o + i f q 1 b ) 故障分量电压、电流，是故障点产生的向两侧母线运动的正向行波和反向行 波的叠加： 矾j ；母= u + x - 晴+ u - x + 1 , 0 ( 2 2 a ) 5 重庆大学工程硕士学位论文 2 主要故障测距方法的分析 矗置母= 广 x - 啊+ i - x + 嵋 ( 2 2 b ) 式中，、，分别为正向电流行波和反向电流行波；+ 、i l - 分别为正向电压行 波和反向电压行波；v 为波的传播速度，约为光速。 因此，可利用故障暂态电流、电压的行波或故障后施加脉冲频率调制雷达信 号判别故障点的距离，统称行波法。 2 1 1 单端行波法 单端行波法是基于单端信息量的一种测距方法，其中单端行波测距的关键是 准确求出行波第一次到达测量端与其从故障点反射回到测量端的时间差，并包括 故障行波分量的提取。常用的行波单端故障测距算法有求导数法、相关法、匹配 滤波器法和主频率法。由于行波在特征阻抗变化处的折反射情况比较复杂( 如行 波到达故障点后会发生反射也会通过故障点折射到对侧母线上去) ，非故障线路不 是“无限长”，由测量点折射过去的行波分量经一定时间后，又会从测量点折射回 故障线路等，使行波分析和利用单端行波精确故障测距有较大困难。 2 1 2 双端行波法 双端行波法是基于双端信息量的一种测距方法双端行波测距依据的公式主要 为： z ：l - ( t 2 - t o y( 2 3 a ) 2 五：! ! 刍= 2 1 ( 2 3 b ) 2 式中，为线路长度；z 、五分别为故障点到两端的距离，、岛分别为行波到 达线路两端时间，p 为行波传播速度。 双端行波法的关键是准确纪录下电流或电压行波到达线路两端的时间，误差 应在数个j 岱以内，以保证故障测距误差在数百米以内( 行波在线路上传播速度近 似为3 0 0 m s ，i s 时间误差对应约1 5 0 m 的测距误差) 。它需要专用的同步时间单元。 2 2 阻抗故障测距法 阻抗故障测距法是通过求解从故障点到测量点的线路阻抗值来估计故障阻抗 点距离的一种方法。在建立输电线路故障阻抗测距模型时，通常把故障距离作为 一个电路参数考虑进去，通过求解电路方程，求出阻抗距离【2 m 7 1 。 阻抗法的原理基于输电线路为均匀线的假设，即假设故障回路阻抗或电抗与 测量点到故障点的距离成正比。故障时，测量装置由启动元件启动，测得故障时 的电压和电流等参数，进而计算出故障回路的阻抗。由于线路长度与阻抗成正比， 因此可以求出由装置安装处到故障点的距离。 故障阻抗的计算可以使用线路两端的信息进行，也可以仅利用一端测量信息 6 重庆大学工程硕士学位论文 2 主要故障测距方法的分析 进行近似处理。 2 2 1 单端阻抗法 这类方法最初是建立在阻抗法或电抗法的原理的基础上，计算方法比较复杂， 如利用牛顿拉夫逊方法、富立叶级数方法、最小二乘估计方法等来计算故障阻抗， 从而求得故障距离。采用此类方法的故障探测器由于不能消除过渡电阻的影响， 探测精度都不高。后来人们对这种方法进行改进，检测工频电气量的过零点来消 除过渡电阻的影响，此法原理简单但不易实现，测距精度也无明显改善。 这是因为除单端供电线路以外，仅使用单端信息不能有效地消除对侧系统的 影响，这自然影响到测距的精度。这些不能或不能完全消除影响的因素包括： 故障点过渡电阻； 对侧系统运行阻抗； 负荷电流。 针对以上的问题，很多文献分别进行了研究，并有针对性地提出了一些有影 响的测距算法。 解微分方程算法 这类方法假定被保护电路的分布电容可以忽略，于是故障后测距装置安装处 的电流电压应满足微分方程： y ：拦+ ，+ i( 2 4 ) 出 基于工频基波量的算法 单端法只用到线路一侧的电压、电流测量值，在理论上无法克服过渡电阻的 影响，需要在测距算法中傲一定的假设。尽管许多学者对此提出了一些修正和改 进算法，但这些算法比较复杂，且需要准确知道2 侧系统阻抗或进行一些近似的 假设，所以在很多情况下其测量精度难以保证。 2 2 2 双端阻抗法 随着通信技术的飞速发展，双端故障测距已成为人们研究的重点，并已提出了 许多有价值的算法。双端量故障测距利用线路两端的电流、电压信息，能在理论 上消除故障点过渡电阻、系统阻抗和故障类型对测距精度的影响，具有精确测距 的能力。双端量故障测距算法可分为两种：一是基于两端非同步数据的算法，它 不要求两端的同步采样，但算法复杂，计算量大；二是基于两端同步数据的算法， 它需要量端的同步采样，但算法简单，测距精度高。同时值得注意的是，迄今所 提出的双端量测距算法还不能完全消除下列因素对测距精度的影响：线路模型、 线路参数不平衡、线路参数不准确、负荷电流、同步测量精度和基波分量的提取 精度。 7 重庆大学工程硕士学位论文2 主要故障测距方法的分析 2 3 应用小波分析的电力电缆故障测距 八十年代发展起来的小波变换，具有表征特征信号突变特征的能力以及对非 平稳信号的良好的处理效果，可以从不同尺度下信号小波变换的结果进行干扰分 析和抑制、提取信号故障特征参数，实现故障测距相同的原理也可以用于电缆的 故障检测，但因为电缆的距离比较短又埋于地下，行波传播过程更为复杂，要达 到几米的精确测距，需要克服更多的困难。 小波用于电缆故障测距的算法，是一种离线测距方法，在脉冲电流测试法的 基础上，引入小波变换，再进行3 尺度小波分解于重构，再对重构信号进行5 尺 度小波分解，在分解尺度上检测模极大值，以确定放电脉冲和反射脉冲的起始点 k 1 和k 2 ，然后利用公式( 1 2 ) 来确定故障距离： l ，：k k 2 - k 0( 2 5 ) 。 2 t 其中k l 和k 2 是离散采样点，f 是采样频率，y 是脉冲传播速度。 考虑到电缆发生故障时，故障点的电弧呈现纯电阻性，故障点的电流和故障 点两端的电压同相位，然后根据电缆首端的电压和电流测量值，在线路的分布参 数理论基础上求出沿电缆各点的电压、电流值以及它们的相位差。建立故障测距 方程后就可以进行在线故障测距了 2 4 实时专家系统 专家系统，即用计算机来模拟专家思维，解决某以领域内的重大问题。电缆 故障测距专家系统将专家知识库作为电脑的基本数据库，用一套规则来维护和更 新知识库。它根据故障定位的三个主要内容把任务分为三各阶段：故障诊断、故 障预定位、故障精确定点，都采用脉冲电流法。精确定点阶段采用常用的定点方 法( 音频感应法、声磁同步法等) 。 2 5 外加信号测距法 目前，比较常用的外加信号电缆故障测距方法是声测法和音频感应法。 所谓声测法就是在故障电缆上加冲击高压，使故障点放电产生爆声，然后利用 仪器直接或间接探测这爆声发出的位置，就能找到故障点。由于当故障电阻很小或 金属性短路时，故障点的放电声非常微弱，因此，声测法只适用于高阻故障。 所谓音频法就是在故障电缆上施加音频电流，使故障电缆发出音频电磁波，然 后在地面上用探头沿故障电缆路径接收电磁场变化的信号，将这信号送入耳机变为 声音，最后根据耳机中声音的强弱来判断故障点的位置。 在实际应用中，声测法常因受到电缆故障点环境因素干扰，如振动噪声过大， 8 重庆大学工程硕士学位论文2 主要故障测距方法的分析 电缆埋设过深等而造成定点困难。为解决这一矛盾，采用声磁同步检测法，即声磁 法口9 。5 】。 声磁法就是在故障电缆上旌加冲击高压使故障点放电发出爆声，然后用仪器同 时检测声音的振动信号与故障点放电产生的脉冲磁场信号来快速寻找故障点的方 法 2 9 - 3 2 1 。 声磁法在检测声音振动信号的同时，检测故障点放电产生的脉冲磁场信号。声 磁法不仅能够提高故障点的识别能力，而且通过检测接收到的磁声信号时间差，还 可以估计故障点距离探头的位置；且比较在电缆两侧接收到脉冲磁场的初始极性， 亦可以在进行故障定点的同时，寻找电缆路径以及鉴别故障电缆。下面对声磁法的 这几个功能分别加以分析。 现场测试时，往往已听到故障点放电声了，但仍不能最后精确地断定故障点在 何处，特别是当电缆敷设在钢管或管道里边时，困难更大。通过检测磁、声信号的 时间差，判断故障点的远近，测出时间差最小的点，即故障点。 2 6 本章小结 通过对几种主流故障测距方法的分析对比，得这些测距方法的优缺点及指出 电缆故障测距存在的问题。 9 重庆大学工程硕士学位论文 3 基于电缆物理模型的故障测距理论原理 3 基于电缆物理模型的故障测距原理 3 1 电缆故障测距基本原理 长距离输电电缆能量的线损可由线路的阻抗、感抗、容抗等造成，当这些物 理参数确定时，线路上任意点处的电流和电压均可通过线路两个端点中的任一端 点处的电流电压及其各阶导数确定，即： 仁嚣墨笼：臻撕：麟a t ， 【j = 品“，足，厶ck ，z ，m ， ”，矿，) 。 或者： 乏黜之三昌冀搿黧n9 葛a 2 ， 【，= 岛( ，一j 5 ，足厶c 嵋，丘，丘，k 丘”，) - 1 其中，为电缆总长， 为电缆一端到计算点的长度，如图3 1 所示。 i 五 y 呸 j 如 图3 1 配网电缆示意图 f i g3 1p o w e rc a b l eo nr a d i c a ls y s t e m 在线路出现故障后，包含故障点的一段电缆由于物理参数的改变，端点处的电 流、电压不再满足方程( 3 1 ) 或( 3 2 ) ，但不包含故障点的一段端点处的电流、电压 仍满足方程( 3 1 ) 或( 3 2 ) 。所以计算点与故障点不重合时，由关系式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 分别计算的i ，将不再相同，但当计算点与故障点重合时，两段电缆都不包含故障点， 由方程( 3 1 ) 和( 3 2 ) 分别计算的y 将是相同的。因此，当线路出现故障时，调整z 的值，分别由方程( 3 1 ) 和( 3 2 ) 计算y 的值，是误差达到最小的z 即是误差点的位 置。 3 2 电缆数学模型 图3 2 为一段长，、物理参数均匀分布的电缆，假定电流由左边流向右边，在 线路中任取- - d , 段a x ，在此小段上电压降及电流的减少分别为： 1 0 重庆大学工程硕士学位论文 3 基于电缆物理模型的故障测距理论原理 翻3 2 电缆线路分布模型 f i 9 3 2d i s t r i b u t e dm o d e lo f p o w e rc a b l e s o ，v d x = 一腆罢出 ( 3 3 ) 。8 型id x = 一出 ( 3 4 ) 由式( 3 3 ) 、( 3 4 ) 可得： 巧= v o + 碰+ 域+ r 吖( f 铷d x + 三c r ( f 鲁删由( 3 5 ) 要由式( 3 5 ) 得到式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 是非常困难的。但我们注意到，电流 波的波长为6 0 0 0 k m s ，当，足够小时，电流、电压关于时间的导数在上的变化都 很小，可近似为常数，即： b 矗+ 瓯+ 华坛 i 巧* + 麟+ “+ 争咤+ 竽，坛 其中导数为对时间求导。 式( 3 6 ) 只有在? 足够小时才有足够的精度，为了解决这一问题，将长电缆露 等分，在每一段上利用式( 3 6 ) 后可得： 巧* + 警，。( j i ) + 窆矿。 ( 3 7 ) 巧+ 尸t ( j i ) 磊埘+ 芝：qt ( d 咭日 ( 3 7 ) 其中，t ( j i ) ，口t 均为常数项等于0 的2 n - 1 次多项式。 为得到公式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 中i ，的表达式，将长为，的电缆如图1 分为两段，记 五= 专，在两段电缆上分别利用公式( 3 7 ) 得： i 腑k + 叱( 五) p + 吼( 五) “2 # - 1“ ( 3 8 ) i 份+ 如( 1 一名) 矿+ 钆o - ；t ) d 封 其中也( 名) ，a ( ) ，最( 1 一名) ，q ( 1 一五) 均为常数项等于0 的2 n 1 次多项式。 在电缆参数已知，由于电缆两端的电压、电流是可以测量得到，式( 3 8 ) 可 以改写为如下式( 3 9 ) ( 3 1 0 ) - 忙百) ( 3 9 ) 重庆大学工程硕士学位论文3 基于电缆物理模型的故障测距理论原理 或者： v = f , 0 一五) ( 3 1 0 ) 对式( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 构造如下式( 2 1 8 ) ： 足a ，l 一名) = i ( 五) 一正( 1 一五) l ( 3 1 1 ) 中r 、l 、c 为已知电缆参数，五为待求解的未知量。 当电缆在无故障时的正常情况下，对电缆中的任意一点，由百( 2 ) 计算的电压 值与由五( 1 一d 计算的电压值理论上应相等，即( 3 1 1 ) 式中的以2 , 1 一五) = o 。 当电缆线路发生短路故障时，设故障点在f ，如图2 6 所示： 图3 3 电缆哉障 f i g 3 3c a b l ef a u l t 利用式( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 可以求得故障点。 当搜索点在除去故障点f 以外的任意一点b 时，因b n 段电缆模型结构发生了 变化，则由m 端计算的b 点电压? w 不等于由n 端计算的b 点电压，此时( 3 1 1 ) 的，【五，l 一州值有较大的误差。因此在故障启动的条件下，由( 3 1 1 ) 式计算的值 有较大的误差时搜索的点即不是故障点。 当搜索点在故障点f 时，因悄及i m 段电缆模型结构均未发生变化，则由m 端计算的f 点电压等于由n 端计算的f 点电压，此时( 3 1 1 ) 的最五，l 一2 ) 值 理论上为零。因此在故障启动的条件下，由( 3 1 1 ) 式计算的值为零时搜索的点即 为故障点。 当电缆发生故障后，式( 3 1 1 ) 只有一个未知数z ，通过求解旯，使得 取五，卜”50 的点，即可以实现电缆故障测距，找到故障点。 对式( 3 1 1 ) ，如果五阶数比较低时，可以通过求解方程来获得五值，但当阶 数较高时，方程求解就非常困难，因此，只能通过迭代搜索的方法来求解五，找到 使得式( 3 1 1 ) 等于零的兄值。 3 3 电缆故障测距方法的总体结构 图3 3 给出了电缆故障测距方法的总体结构。 电缆故障测距原理样机主要包括以下部分：1 ) 构建电缆人工神经网络模型， 根据理论部分设计，建立相应的人工神经网络模型和结构参数；2 ) 人工神经网络 重庆大学工程硕士学位论文3 基于电缆物理模型的故障测距理论原理 训练，利用采集的数据，对建立的人工神经网络进行训练，不断改善模拟精度， 从面得到电缆人工神经网络模型的计算参数；3 ) 故障距离计算；4 ) 双端同步采 样；5 ) 故障启动和故障确认。 在图3 4 中，可看到电缆故障测距方法工作的流程如下： 1 ) 同步采样。两端测距装置实时进行数据的同步采集，并进行数据的传送。 图3 4 电缆故障测距方法的总体结构 f i g 3 4s b u c t u r eo f c a b l ef a u l tl o c a t i o n 重庆大学工程硕士学位论文3 基于电缆物理模型的故障测距理论原理 2 ) 故障启动和确认。电缆两端测距装置根据设置的故障启动条件，自动识别本回 路是否发生故障； 3 ) 如没有故障，则对建立的人工神经网络进行训练，不断修正网络参数； 4 ) 如发生故障，则将故障数据送至训练完毕的人工神经网络，计算故障点距主站 端的距离。 3 3 1 自适应模型的故障启动 图3 5 给出了基于自适应模型的故障启动实现框图。 l 去短路抽 f t f n 。o i 自适应正弦fe 疗l 广：_ 1 逸s e = = t y e s 障确认 j 滤波器i 7 liz i e 0 ) 1 1 型n o n o 法单相接 i i ii ii 删艋髯 图3 5 自适应模型的故障启动实现框图 f i g 3 5b l o c kd i a g r a mo f f a u l td e t e c t m gb a s e do n “l a p t i v 。m o d e l 自适应模型故障启动方法的基础是正弦波自适应滤波器，其原理如下： “力= a c o s ( o j 力4 - b s i n ( d o0 ( 3 1 2 ) 毋= 式力一，( 玲 ( 3 。1 3 ) 爿= a - d 力c o s ( 0 3 力 ( 3 1 4 ) = b 一e ( 0 s i n ( c od ( 3 1 5 ) 式中式o 是实际检测的正弦输入电流信号，“f ) 是正弦波自适应滤波器的预测输 出，o 是实际检测正弦输入电流信号和正弦波自适应滤波器预测输出之间的误 差，a 、口是正弦波自适应滤波器的权系数，爿、是正弦波自适应滤波器权系 数的修正值，卢是正弦波自适应滤波器的算法收敛因子。 当电力系统正常运行时，正弦波自适应滤波器输出与电力系统的实际检测输 入电流信号之间的误差d f ) 很小；在输入正弦电流信号发生偏离正常情况的变化 时，误差d f ) 将增大；在电力系统出现故障时，输入电流信号将剧烈变化，其误差 d f ) 将变得很大。依据正弦波自适应滤波器对电力系统输入电流信号的预测，计算 其预测误差d f ) 就可追踪输入电流信号的变化，在出现故障时予以快速灵敏地反应 和启动。 自适应模型预测的故障启动方法分两个步骤实现，一个是故障启动的检测步 骤，另一个是故障启动的认定步骤。 故障启动的检测步骤是对于正弦波自适应滤波器数学模型输出与实际检测输 1 4 重庆大学工程硕士学位论文 3 基于电缆物理模型的故障测距理论原理 入信号之间在时的预测误差e c r u ) ，在连续次都满足 f d 籽 的条件下( 为故障检测阈值) ，就认为电力系统有可能出现故障， 故障启动的认定步骤。 ( 3 1 6 ) 进入下一个 故障启动的认定步骤是连续厶次计算预测误差之和艺i o ) l ，若满足 产i 艺i d o ) l ( 3 1 7 ) j - 1 则认为电力系统出现故障，e 。为故障认定阙值；若不满足式( 3 1 6 ) ，则认为电 力系统未出现故障。在故障启动的认定步骤中，若有连续厶次都不满足式( 3 1 7 ) 的条件，可撤消故障启动的认定。 3 3 2 故障的确认 图3 6 给出了故障确认的实现框图。 故障确认由电流电压瞬时幅值增量来实现，其实现基础是瞬变信号的正弦逼 近方法，电流电压瞬时幅值可依据瞬态信号的正弦逼近方法来求取。设输入的电 流电压瞬变信号为 反力= 【a 。( o c o s ( n c o 力+ b = ( t ) s i n ( n 明 ( 3 1 8 ) 廓d 用一个各次谐波成分的幅值和相位都为时间函数的数学模型 又力= 气( t ) c o s ( n o j0 + b ：( 0 s i n ( n o j 明 ( 3 1 9 ) 图3 6 故障确认的实现框图 f i g 3 6b l o c kd i a g r a mo f f a u l ta m r m i n g 重庆大学工程硕士学位论文3 基于电缆物理模型的故障测距理论原理 来逼近输入电流瞬变信号暖f ) ，使其误差函数平方e ( 0 2 = ( 暖f ) 一爿0 ) 2 在一个区段 里达到最小，这时在这个区段里计算估计出的4 ( f ) 、昆( f ) 就可真实表征输入电流 瞬变信号的丑。( 力、b o c t ) ，其电流瞬时幅值和相位可求取如下 4 。( 力= 4 ( 力2 + 忍( 力2 ( 3 2 0 ) 删= a r c t g 筹 ( 3 2 1 ) 对于实际的电力系统，由于基波是电力系统输入信号的主要成分，因此可用 只有基波成分的幅值和相位都为时间函数的数学模型 ，( f ) = 4 ( o c o s ( n o j 力4 - 目( t ) s i n ( 舢f ) ( 3 2 2 ) 来近似逼近输入电流瞬变信号“o ，其基波电流瞬时幅值和相位为 4 。( 力= 4 ( 力2 + 日( 哆2 ( 3 2 3 ) = a r c t g 篙 ( 3 2 4 ) 在通过式( 4 1 2 ) 求取出基波电流电压瞬时幅值后，就可实现电流瞬时幅值增 量的故障确认。 在自适应模型预测的故障启动条件下，给定一个时间区间厶，根据区间以两 点的电流电压瞬时幅值4 ( 0 ) 和九( 0 ) ，计算这两点电流电压瞬时幅值的增量 a 气= a ( 0 ，) 一a ( 0 ) ( 3 2 5 ) 若电流电压瞬时幅值的增量满足 色 如 ( 3 2 6 ) 的条件，则确认为故障。 为了保证电流电压瞬时幅值增量故障确认的可靠性，在满足式( 3 2 6 ) 的基础 上，引入下面条件 忽( 0 ，) k ( 3 2 7 ) a ( 0 ) 如 ( 3 2 8 ) 4 以为电流幅值的故障确认阈值，a 。为电压幅值的故障确认阈值。只有既满足式 ( 3 2 6 ) 又满足式( 3 2 7 ) 和式( 3 2 8 ) 的条件，才会确认为故障。 3 3 3 电缆人工神经网络模型的训练 1 6 重庆大学工程硕士学位论文3 基于电缆物理模型的故障测距理论原理 图3 7 电缆人工神经网络模型 f i g 3 7a n nm o d e lo f c , a b l e 图3 7 给出了电缆人工神经网络模型，图3 8 给出了电缆人工神经网络模型的 训练框图。 1 7 重庆大学工程硕士学位论文3 基于电缆物理模型的故障测距理论原理 图3 8 电缆人工神经网络模型的训练框图 f i g 3 8b l o c kd i a g r a mo f c a b l ea n n m o d e lt r a i n i n g 电缆a n n 模型训练是故障测距的关键环节。根据前面的理论分析，模型中需 要电压电流及其电压电流多阶导数作为训练数据。电压电流的多阶导数根据电压 电流的曲线拟合计算。在图3 7 中， ，伊表示电压的n 阶导数，1 k ，n ) a 表示a 相电流的1 3 阶导数， ，b 。，c 和矿a ，矿b ，矿c 分别表示经过硬件调理得到的 某一时刻的电流和电压值。 在图3 8 中，电流电压输入信号经人工神经网络计算后，得到指定点的电压值 1 1 1 , 通过比较两端在指定点的电压值，并依据偏差不断修正人工神经网络的权系 数，从而完成一个训练循环。两端的电压偏差e 由下式计算： f p 广矿， ( 3 2 6 ) 式中，表示l 端计算得到的指定点的电压，伊，表示2 端计算得到的指定点的电 压。当满足孑( e - s e t s ，岛e l s 为给定阈值，就认为电缆人工神经网络模型的训练完成。 3 3 4 电缆故障点的确定 图3 9 给出了电缆故障点确定的实现框图。 1 8 藿庆大学工程硕士学位论文3 基于电缆物理模型的故障测距理论原理 图3 9 电缆故障点确定的实现框图 f i 晷3 9b l o c kd i a g r a mo f c a b l ef a u l tl o c a t i o n 在电缆发生故障时，依据故障前一时刻实时训练的电缆a n n 模型，从电缆两 端计算电缆a n n 模型的输出，不断调节位置参数 直到双端电压的偏差达 到最小，则此时的，即为故障点的距离。 3 4 本章小结 由输电线路长线方程推导出关于线路双端电流电压量及其线路长度的函数关 系式，利用人工神经网络的函数逼近能力，构造出人工神经网络模型，将电力电 缆正常运行情况下测得的双端电流电压信号输入神经网络中进行训练，使该神经 网络模型充分逼近上述函数关系式，实现电缆双端电气量与电缆距离间的精确映 射。在故障测距算法中，基于由两端计算故障点处电压值，电压幅值相等原理， 用训练好的神经网络代替函数关系式，通过搜索迭代求解故障距离 1 9 重庆大学工程硕士学位论文4 基于现场电缆参数h t p 模型 4 基于现场电缆参数的a t p 模型 4 1 电缆目前运用情况 杨家坪供电局目前有1 1 0 k v 陈家坪、袁家岗、和尚山、友谊路、石桥铺等变 电站为全电缆出线，其他1 1 0 k v 变电站也有大量的电缆出线，电缆出线间隔占总 间隔数的7 0 ，1 0 k v 开闭所集中在城市供电中心地带，出线方式全为电缆方式， 总运行电缆长度约为8 0 0 k m 一1 0 0 0 k m ，其中单回长度超过l k m 的电缆有1 5 0 多路， 超过3 l ( m 的有1 0 0 多路。 目前电缆型号全部采用y j 、r 2 2 型交联聚乙烯绝缘铠装电缆，规格从3 x 5 0 到 3 x 4 0 0 ，其中变电站出线及开闭所联络等主要出线大都采用大规格电缆