一种多端行波故障定位方法

一种多端行波故障定位方法

0线路两端运行波治理算法b型行波定位法在原理上，并行波定位方法分为两种类型：单端法和双端法。单端法利用行波在阻抗不连续点发生反射和透射的特性,找到来自故障点的反射波,根据波速与时间的关系,计算得到故障距离;双端法利用故障行波以接近于光速的速度向线路两端传播的特点,在线路两端捕捉故障初始行波波头,利用行波到达线路两端的时间差来实现故障定位。利用故障产生的行波进行单端故障定位的方法称为“A型行波定位法”;利用故障产生的行波进行双端故障定位的方法称为“B型行波定位法”;人工注入脉冲信号的方法称为“C型行波定位法”。随着数字信号处理器(DSP)技术的发展,B型行波定位法的优势会越来越凸现。文献和文献分别从基于网络和基于图论的角度对输电网B型行波定位算法进行了深入讨论和进一步优化,但是B型行波定位法不适用于配电网。配电网多为树形结构,母线上有很多分支,线路情况复杂,且很多接地故障都是暂态故障,靠两端测量很难找出故障点位置。因此,本文提出了一种基于多端行波的配电网故障定位方法。1基于电磁等方向传播反行波的一般计算公式cB型行波定位法利用故障点产生的行波到达线路两端的时间差来实现定位,其原理如图1所示。图1中,T1和T2分别为线路发生故障后,故障行波到达线路两侧(母线M和母线N)的时间。设波速为v,母线M与母线N之间的距离为l,则故障点到母线M的距离x为:根据电磁场理论,单根无损线路上的电压u和电流i是关于位置x和时间t的函数,它们满足波动过程:式中:L和C分别为线路单位长度的电感和电容。以上方程有达朗贝尔(D.Alembert)解,即式中:,接近光速;,为波阻抗;u1t(-x/v)为沿x正方向传播的前行波;u2t(+x/v)为沿x反方向传播的反行波。该定位方法能达到较高的精度,不存在在后继到来的反射波中寻找故障点反射波的问题,在美国和欧洲等国家和地区有一些应用。随着通信技术的发展,该定位方法利用了全球定位系统(GPS)来保证时间的一致性,在输电线路的定位中得到了广泛的应用。2多端行波定位算法从图论的角度,不考虑网络元件的特性而只研究行波测量网络的拓扑关系时,可将电力系统配电网络抽象成由n个顶点和m条边构成的图G=(P,Q)。其中,P={A,B,…,K},表示图的顶点集合;Q={m1,m2,…,m10,ma,mb,…,mi},表示图的边集合,其中各元素表示对应线路区段的长度;P和Q分别对应于电力系统中配电网末端(变压器)集合和树形网络支路集合。m与n之间的关系为m=2n-3。配电网拓扑结构如图2所示。图2中,顶点A,B,…,K处安装了各线路末端变压器。故障发生后,故障行波将沿着线路向整个电网传播,考虑到故障行波在整个电网中传播的复杂性,本文只考虑故障行波第1波头在配电网中的传播。图2所示的树形配电网络,线路分支多且分支上又有分支,故障可能发生在电网中的任何位置。当故障发生在cd段的k点时,行波会沿着图中箭头所指方向向故障点两端传播,沿着线路到达各末端变压器。此时假设传到各末端变压器的时间为:T={TA,TB,…,TK}配电网末端将通过通用分组无线业务(GPRS)或电力线载波,将记录的行波波头到达时刻的时间数据T和变压器编号K传回变电站中心站,如图3所示。图3中,KT并非K与T相乘,而是表示一个字符串,此字符串中包含时间数据T和变压器编号K。另外,文中所表示时间信息为行波到达时刻。多端行波定位的核心是如何通过每个变压器端传回来的数据,根据实际的配电网拓扑结构进行运算,最终得出故障点在配电网中的位置。变电站中心站进行多端定位的步骤如下。步骤1:中心站将接收到的每一个KT数据中的时间数据T,按时间的先后进行排序。步骤2:提取时间最短的前3个时间数据Tx,Ty,Tz。根据B型行波定位原理,得出,式中:lxy为变压器Kx与变压器Ky之间的线路长度;lxz为变压器Kx与变压器Kz之间的线路长度;xy为故障点所在位置距变压器Ky的距离;xz为故障点所在位置距变压器Kz的距离。步骤3:验证故障点是否在线路分支点。例如图2中的i点,当故障发生在线路gi段靠近交叉点i时,根据步骤1和步骤2算出的最靠近故障点的3个变压器分别为变压器KI,KJ,KK。此时算出来的故障点若在i点,则转到步骤4;否则转到步骤5。步骤4:事先根据配电网实际拓扑图,算出可能出现上述故障定位点的区段,进行特殊标记。如果出现,将Tx舍弃,继续向后推进1位,转到步骤2。步骤5:由于配电网特性为2个变压器之间只有唯一一条线路,根据以上信息及实际配电网拓扑图可计算出故障点准确位置。假设故障发生在cd段的k点,则式中:xD为故障点k与变压器KD之间的距离;xC为故障点k与变压器KC之间的距离。由于行波在线路中的传播速度是一定的,由式(7)可计算出,k点到各变压器的距离为:由式(8)可计算出,在T={TA,TB,…,TK}中时间最小的3个为TC,TD,TE。根据B型行波定位原理,得出:式中:lEC为变压器KE与变压器KC之间的线路距离;lDC为变压器KD与变压器KC之间的线路距离;xE为故障点k到变压器KE的距离;xD为故障点k到变压器KD的距离。由图2中xD>m7可知故障点不在dD段;由xE>m7可知故障点不在dE段;由m6+m5>xD得出故障点k就在cd段,位置为距离变压器KD为xD处。由于行波幅值大、易于辨识,使得计算处理简单;线路过渡电阻的电弧特性、系统运行方式的变化(是否多分支线路等)、线路的分布电容以及负荷电流等对测距复杂性不会造成大的影响,但要求线路末端测量系统含精确到微秒的同步时钟,以实现末端的时间同步。随着GPS时钟同步技术和数字光纤通信技术在电力系统中的广泛应用,线路各端的数据交换已成为可能。因此,本文将在此行波定位系统中采用基于GPS的多端故障定位方法。基于多端行波的配电网单相接地故障定位方法的系统总体流程如图4所示。3正常情况下的线路仿真本章利用ATP仿真软件对配电线路中各种单相接地故障建立了仿真模型,并利用MATLAB软件对ATP仿真数据进行处理,再用多端行波在线定位方法对处理后的数据进行分析。大量的ATP仿真结果验证了多端行波在线定位方法的可行性。三相线路行波过程与单相线路行波过程的不同之处在于,一相上有电压和电流时,其他两相会耦合产生电容电流,同时反作用于该相,导致该相的行波发生变化。这里假设三相线路是对称的。图2为用ATP仿真软件搭建的10kV线路在正常情况下的仿真模型,限于篇幅,本文只仿真分析图中上半部分分支线路。线路模型采用分布参数的三相线路。电源为220kV输电网末端。由于配电网中变压器中性点非有效接地,这里变压器采用1kΩ的电阻接地。变压器的输电网侧和380V线路采用中性点直接接地。在每个变压器的一次侧放置电压探头,测量配电网线路中单相接地故障在变压器两侧产生的瞬间电压变化情况。每2个点之间用π形线路模拟,其中电阻为1Ω,电感为1.08mH,电容为0.011μF,线间电感为0.1μH,线间电容为0.1nF。仿真时间根据线路的长度选取,仿真线路由电源端算起,最长的线路为27km,仿真时间为0.03s,采样间隔为0.1μs。在线路正常运行的情况下,各末端变压器高压侧A相波形(从下到上依次为变压器KA,KB,KC,KD,KE)如图5所示。图5所示波形为正常工频波形中一个波谷放大后的图形。从图5可以看出:线路不同末端的工频波形有细微的差别,线路距离电源侧越远,工频幅值略微变小;其他相位的相角都没有变化。4不同因素对线路接收的影响4.1初始角对系统行波幅值的影响行波波形是在线路单相接地故障瞬间产生的,故障初始角大小影响故障附加电压幅值的大小,关系到暂态电压行波信号的强弱。为研究不同故障初始角对提取电路行波的影响,仿真时假设图2中(3)处发生A相接地故障,故障初始角θ分别为90°,45°,30°和0°,其仿真波形见附录A图A1。从附录A图A1可以看出,随着故障初始角的减小,线路两端检测到的初始暂态电压行波的幅值也明显减小,在故障初始角接近0°时,故障行波几乎观察不到,也就相应地无法检测。但在绝大多数情况下,行波到达线路末端的距离可通过本文方法计算得到。表1为对不同故障初始角的误差分析。4.2金属性接地故障的仿真由于故障有可能在任何时候发生在线路任何区段中的任何点,因此,有必要分析线路中不同区段故障点发生故障时检测到的波形有何不同。假设发生金属性接地故障,故障初始角为45°,故障分别发生在图2中(1),(2),(3),(4)这4点,其仿真波形见附录A图A2。仿真结果表明,故障发生在不同区段时,线路末端检测到的波形到达时刻都不相同,经过计算得出的结论与理论值基本一致。表2为对故障发生在不同区段的误差分析。4.3接地电阻仿真故障接地电阻也是影响暂态行波信号强弱的原因之一。为考查不同接地电阻对提取电路行波的影响,不失一般性,假设图2中(3)处发生A相接地故障,电压(故障)初始角为45°,接地电阻R分别为0.001Ω,10Ω,100Ω和500Ω,其仿真波形见附录A图A3。仿真结果表明,在不断增大故障处接地电阻值时,行波波形将明显减弱,当故障点电阻增大到一定范围时,故障相将会有电压。将故障发生时刻的行波波头进行放大,放大后经过计算得出:故障发生时,接地电阻的大小不影响行波波头传到各个配电网末端的时刻,与理论值相符。表3为对不同接地电阻的误差分析。4.4多端行波定位验证配电网为树形结构,不仅有主干线路,还有很多分支,分支中又有分支,使配电网非常复杂。假设发生金属性接地故障,故障初始角为45°,故障分别发生在图2中,,,这4点,然后观察故障发生后各个终端检测到的波形(由于终端变压器测距点比较多,所以仿真中只取距离故障点最近的4个点作为测量点),仿真波形见附录A图A4。仿真结果表明,虽然图2所示的配电网有不同的分层,且各个分层中的分支结构各不相同,但当系统中任意一点发生故障后,都能通过多端行波定位清楚地确定故障的位置,显示了多端行波定位方法的可靠性。表4为对故障发生在不同分支层的误差分析。5仿真数据和理论