基于特征時間差的配網(wǎng)故障特征區(qū)段定位方法

劉際波等

摘 要：提出了一種基于行波特征時間差的配電網(wǎng)單端故障特征區(qū)段定位方法。變電站測得的暫態(tài)線模電壓行波信號包含了一系列來自線路上波阻抗不連續(xù)點的反射波頭，與第一個波頭相比，來自分支末端的反射波頭能量較大，利用二進小波變換模極大值信息可以檢測出這類能量較大的波頭，從而確定故障所在的特征區(qū)段。仿真結(jié)果驗證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng) 故障區(qū)段定位 行波 特征時間差

中圖分類號：TM771 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（b）-0116-03

Characteristic Time Delay Based Fault Characteristic-Section Identification Method for Distribution Networks

Liu Jibo1， Zhang Hongwei1 Yang Chunling1 Jin Hui1 Huang Jian1 Zhou Xiaoping2

（1.Wencheng Electric Power Supply Company， Wencheng Zhejiang 325300； 2.Pingyang Electric Power Supply Company， Pingyang Zhejiang 325400 China）

Abstract：A single-ended fault characteristic-section identification method based on characteristic time delay of traveling waves for distribution networks is proposed. The transient aerial mode voltage traveling wave recorded at substation contains many wave heads reflected from the surge impedance discontinuity points. And compared with the first wave head， the subsequent wave heads which are reflected once from the end of laterals have larger energy. These wave heads with larger energy can be found out by the modulus maxima of dyadic wavelet transform， as a result the fault characteristic-section can be identified. The simulation results verify the validity of the proposed method.

Key Words：Distribution Network；Fault Section Identification；Traveling Wave；Characteristic Time Delay

受絕緣老化、雷擊等因素的影響，配電網(wǎng)的故障時有發(fā)生。線路發(fā)生故障后，必須盡快進行故障定位，從而縮短故障排除時間?，F(xiàn)有的故障定位方法可分為故障測距方法[1～6]和故障區(qū)段定位法。

故障區(qū)段定位法主要有基于饋線自動化的故障區(qū)段定位法[7～9]和基于故障指示器的故障區(qū)段定位法[10～11]。前者具有原理簡單、算法實現(xiàn)便捷的優(yōu)點，但是投資較大。后者需要人工現(xiàn)場巡線。

本文提出了一種單端故障特征區(qū)段定位方法，該方法只需分析第一次到達變電站測量點的線模行波波頭的特征，從而在節(jié)省了投資，避免了故障點反射波頭難以準(zhǔn)確識別等問題。仿真結(jié)果驗證了該方法是樹形配電網(wǎng)故障特征區(qū)段定位的一種可行的方法。

1 暫態(tài)行波的折反射現(xiàn)象

配電線路上分支較多，行波運動到波阻抗不連續(xù)點時將發(fā)生折射和反射現(xiàn)象。如圖1所示，設(shè)線路1的波阻抗為Z1，線路2的波阻抗為Z2，且它們的大小不相等。通常將入射波稱為正向行波，反射波稱為反向行波。

入射波在波阻抗不連續(xù)的A點會發(fā)生折射和反射。電壓行波和電流行波的折反射系數(shù)一般不同。以電壓行波為例，其折射系數(shù)和反射系數(shù)分別為：

（1）

配電線路上暫態(tài)電壓行波的反射系數(shù)如下[12]。

（1）對于變壓器而言，因暫態(tài)行波頻率較高（10～100 kHz之間），故可視為開路，反射系數(shù)接近+1。

（2）對于支路數(shù)大于2的節(jié)點，一般反射系數(shù)為負(fù)。

（3）當(dāng)接地電抗為0或遠小于線路暫態(tài)電抗時，故障點的反射系數(shù)小于-1。

（4）對于終端阻抗，若大于線路暫態(tài)電抗，則反射系數(shù)為正，否則為負(fù)。

2 利用小波變換模極大值檢測暫態(tài)行波波頭

電力線路故障時產(chǎn)生的暫態(tài)行波信號是一種突變性的高頻暫態(tài)信號，阻抗不連續(xù)點造成的透射和反射波頭是暫態(tài)行波信號的奇異點。設(shè)是函數(shù)局部突變點（奇異點），若小波是反對稱的，則在該點處的小波變換取模極大值[13]。因此，對采集到的暫態(tài)行波信號進行二進小波變換，根據(jù)小波變換模極大值信息來檢測暫態(tài)行波信號中突變點的位置和時刻，從而確定行波波頭的到達時刻。由于二次樣條小波具有支集長度短、滿足線性相位等優(yōu)點，通常將其應(yīng)用于電力系統(tǒng)暫態(tài)信號奇異檢測中[14]。三相系統(tǒng)各相之間存在耦合，需采用模量變換將其解耦，本文采用凱倫貝爾模量變換進行解耦。由于線模行波分量的波速穩(wěn)定，因此采用線模行波分量作為分析對象。

3 基于特征時間差的故障特征區(qū)段定位方法endprint

以圖2所示配電系統(tǒng)為例，假設(shè)線路型號相同，以暫態(tài)電壓行波為例，對于有兩個分支的節(jié)點（如B點和C點），由式（1）可知其反射系數(shù)為-1/3，折射系數(shù)為2/3；對于變壓器母線處，其反射系數(shù)為1。由于分支長度一般較短，通過分析故障發(fā)生后到達變電站測量點的前幾個波頭，可以得出以下規(guī)律。

（1）故障點前有分支的情況。前幾個波頭中，與第一個波頭相比，能量較大的幾個波頭來源有兩種：一是第一個波頭在變電站A處全反射后，再經(jīng)第一個分支點B反射，然后回到變電站測量點的波頭，由于在B點的反射系數(shù)為-1/3，其能量約為第一個波頭能量的-1/3，相比第一個波頭的額外傳播距離為第一個區(qū)段AB長度的2倍。

將這種波頭定義為第一類特征波頭；二是只經(jīng)過一個分支，其它都是沿主饋線傳播而到達測量點A的波頭，以圖中K點故障為例，這種波頭有兩個，分別沿路徑KCFCBA和路徑KCBEBA到達測量點A，由于比第一個波頭多經(jīng)歷了一次折射，其能量約為第一個波頭的2/3，相比第一個波頭其額外傳播距離為所經(jīng)過分支長度的2倍，將這種波頭定義為第二類特征波頭。除了這些特征波頭外，其它的波頭由于會經(jīng)過更多次的折反射，其能量與第一個波頭相比較小。

（2）故障點前沒有分支的情況，即故障點在第一個區(qū)段AB或分支BE上。此時在前幾個波頭中，檢測不到第二類特征波頭。當(dāng)故障點K在AB上時，行波主要在AK之間來回振蕩，與第一個波頭相比，后續(xù)波頭的能量系數(shù)與故障情況有關(guān)；當(dāng)故障點在BE上時，可以檢測到第一類特征波頭。

本文定義第二類特征波頭與第一個波頭之間的時間差為特征時間差，特征時間差反映了第二類特征波頭相比第一個波頭傳播的額外距離（2倍的分支長度）。同時，定義主饋線上的一個區(qū)段（如圖2中的區(qū)段BC）及與該區(qū)段末端相連的分支（如分支CF）為特征區(qū)段，如果主饋線的區(qū)段末端沒有分支（如區(qū)段CD），該區(qū)段即為特征區(qū)段。故障所在的特征區(qū)段為故障特征區(qū)段。對于圖2所示的配電系統(tǒng)，其特征區(qū)段有ABE、BCF和CD。

由上述分析可知，根據(jù)變電站處的測量信號，檢測第二類特征波頭的個數(shù)及其特征時間差，便可以判斷故障點前的分支數(shù)，也即可判斷出故障所在的特征區(qū)段。小波變換模極大值的大小和極性可以反映波頭的能量信息，因此以第一個波頭的模極大值為參考，設(shè)置一定的能量閾值（如0.35），便可檢測出第二類特征波頭的個數(shù)及其特征時間差，從而確定故障所在的特征區(qū)段。

4 仿真結(jié)果

為了驗證所提出的故障特征區(qū)段定位方法的正確性，在PSCAD仿真平臺上搭建了圖3所示配電系統(tǒng)的仿真模型，并針對不同的故障情況進行仿真分析，仿真時的時域采樣頻率設(shè)為1MHz。該配電系統(tǒng)的桿塔和線路模型參數(shù)參考文獻[17]。該樹形配電系統(tǒng)包含四個特征區(qū)段：ABF、BCG、CDH和DE。

4.1 區(qū)段BC發(fā)生故障

假設(shè)在區(qū)段BC距B點2 km處發(fā)生A相金屬性接地故障，此時母線A處測得的線模電壓波形如圖4所示。

采用二進小波變換，選取二次樣條小波作為母小波函數(shù)，對上述信號進行六層分解。選取第一尺度的分析結(jié)果，該尺度下對應(yīng)行波分量的波速為2.99×108m/s。以第一個波頭的模極大值為參考，設(shè)置閾值為0.35，過濾掉小于第一個波頭模極大值的35%的模極大值，此時第一尺度的小波變換模極大值分析結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以得出，第一個正的模極大值對應(yīng)采樣點為17，第二個正的模極大值對應(yīng)采樣點為31，其特征時間差為14us（行波在分支BF上的額外傳播距離對應(yīng)的時間）。由上述信息可知，檢測出的第二類特征波頭個數(shù)為1，即故障點前的分支數(shù)為1，從而判斷出此時故障發(fā)生在故障特征區(qū)段BCG上。

4.2 分支CG發(fā)生故障

假設(shè)在分支CG距C點500 m處發(fā)生A相金屬性接地故障。此時第一尺度下的分析結(jié)果如圖6所示。第一個正的模極大值對應(yīng)采樣點為22，第二個正的模極大值對應(yīng)采樣點為36，其特征時間差為14 us（行波在分支BF上的額外傳播距離對應(yīng)的時間）。由上述信息可知，檢測出的第二類特征波頭個數(shù)為1，即故障點前的分支數(shù)為1，從而判斷出此時故障發(fā)生在故障特征區(qū)段BCG上。

4.3 區(qū)段CD發(fā)生故障

假設(shè)在區(qū)段CD距C點2 km處發(fā)生A相金屬性接地故障。此時第一尺度下的分析結(jié)果如圖7所示。第一個正的模極大值對應(yīng)采樣點為27，第二個正的模極大值對應(yīng)采樣點為34，其特征時間差為7us（行波在分支CG上的額外傳播距離對應(yīng)的時間）；第三個正的模極大值對應(yīng)采樣點為41，其特征時間差為14us（行波在分支BF上的額外傳播距離對應(yīng)的時間）。由上述信息可知，檢測出的第二類特征波頭個數(shù)為2，即故障點前的分支數(shù)為2，從而判斷出此時故障發(fā)生在故障特征區(qū)段CDH上。

5 結(jié)語

本文介紹了利用暫態(tài)行波對樹形配電網(wǎng)進行故障特征區(qū)段定位的方法，它只使用變電站測量設(shè)備檢測到的暫態(tài)線模電壓行波信號。該行波信號包含了一系列來自線路上波阻抗不連續(xù)點的反射波頭，這些反射波頭是行波信號的奇異點。與首先到達變電站測量端的第一個波頭相比，第二類特征波頭的能量較大且其極性與第一個波頭相同。利用二進小波變換的模極大值信息可以計算出特征時間差，進而確定第二類特征波頭的個數(shù)，從而可以確定故障特征區(qū)段。仿真結(jié)果驗證了該區(qū)段定位方法的有效性和實用性。該方法可以為工作人員查找故障點提供一定的指導(dǎo)意義。

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