基于多端行波到達時差的配電網(wǎng)故障選線方法

張 健，王 奕，曾祥君，張 遠，寧遠志，曹 晶

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.長沙理工大學(xué)智能電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410076)

基于多端行波到達時差的配電網(wǎng)故障選線方法

張 健1，王 奕1，曾祥君2，張 遠1，寧遠志2，曹 晶2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.長沙理工大學(xué)智能電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410076)

電網(wǎng)故障行波由故障點產(chǎn)生沿最短路徑傳向整個電網(wǎng)。配電網(wǎng)非故障線路行波由母線傳向各分支，定義各分支末端行波到達時差為線路時差特征值,僅由線路結(jié)構(gòu)確定；而故障線路行波由故障點傳向各分支，各分支末端行波到達時差則小于或等于該線路時差特征值。提出一種基于多端行波到達時差的配電網(wǎng)故障選線方法，采用線路多端行波到達的時差測量值數(shù)組與該線路時差特征值數(shù)組的相關(guān)分析進行故障選線，提高了故障選線的抗干擾能力。仿真分析結(jié)果及現(xiàn)場運行結(jié)果表明，該方法不受故障類型限制，容錯能力好，選線可靠性高。

配電網(wǎng)；行波；相關(guān)系數(shù)；故障選線

中性點非有效接地配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，由于故障電流小，故障選線困難[1]。接地故障選線在國內(nèi)外也是長期存在的技術(shù)難題，現(xiàn)有故障選線方法主要有穩(wěn)態(tài)信號選線法[2-4]、人工注入法[5]和暫態(tài)信號選線法[6-9]3種。穩(wěn)態(tài)信號選線法由于故障電流微弱、弧光故障時電弧不穩(wěn)定，檢測到的信號可靠性不高，容易產(chǎn)生誤判；人工注入法在現(xiàn)場應(yīng)用中有一定的效果，但難以檢測瞬時性和間歇性故障，且需要增加信號注入設(shè)備，投資大；暫態(tài)信號選線法由于故障特征明顯，且不受消弧線圈及電弧的影響，檢測靈敏度高，已成為國內(nèi)外研究的熱點。文獻[10-13]通過提取暫態(tài)零序電流，綜合運用小波分析、相關(guān)分析等來進行故障選線，但由于暫態(tài)量頻率成分和大小受網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、故障時刻等多種因素影響，且電流信號包含工頻分量、衰減的直流分量、噪聲等成分，處理困難。基于上述故障選線方法，國內(nèi)外開發(fā)了多種故障選線裝置，實驗室測試和現(xiàn)場試驗都具有滿意的結(jié)果，但由于裝置在現(xiàn)場運行過程中，易受到電磁干擾、故障電弧、現(xiàn)場運行管理等因素的影響[14]，選線的準(zhǔn)確率一般僅在20%左右，無法滿足配電自動化中對接地故障跳閘的要求。

電網(wǎng)故障時，故障點產(chǎn)生暫態(tài)行波信號，以恒定速度沿線路最短路徑向整個電網(wǎng)高速傳播，距離故障點的路徑越短，能檢測到初始行波到達時刻就越早，對于相同結(jié)構(gòu)的線路或電纜，故障行波傳輸距離與傳輸時間成正比[15]。對于輻射式配電網(wǎng)，故障行波通常由故障線路傳輸?shù)侥妇€，再傳輸?shù)椒枪收暇€路，因此，利用配電網(wǎng)母線和各線路分支末端測量到的故障初始行波時間先后關(guān)系，可以查找故障線路，即故障初始行波最早出現(xiàn)的線路為故障線路。該選線方式僅需檢測行波到達時間，僅與行波傳輸時間有關(guān)，受中性點接地方式影響小，理論選線精度高。

但暫態(tài)行波信號瞬間即逝，而配電網(wǎng)直接與負載相連，線路分支多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、行波傳輸衰減大，且電網(wǎng)實際運行中存在各種高頻干擾波和開關(guān)操作波。上述種種因素均會導(dǎo)致配電網(wǎng)故障行波檢測困難，大大降低配電網(wǎng)故障行波到達時間的測量精度[15]，甚至導(dǎo)致行波到達時間記錄失敗。

為提高故障選線精度，筆者提出一種基于多端行波到達時差融合的配電網(wǎng)故障選線新方法。該方法利用整個配電網(wǎng)多個分支末端測量的故障初始行波到達時間，進行信息融合處理，提高故障選線的容錯能力，實現(xiàn)高可靠性故障選線。

1 故障選線原理和方法

1.1 原理

如圖1所示，具有架空線路與電纜混合線路的配電網(wǎng)，其中粗線代表電纜，在配電網(wǎng)各線路上選擇性安裝行波采集裝置，記錄初始行波到達時間。故障發(fā)生時，故障行波的傳輸路徑為如下所述。

1) 對于故障線路，故障行波由故障點按線路最短路徑傳輸?shù)焦收暇€路的各個分支末端，故障線路各行波采集裝置記錄的初始行波到達時間與母線記錄的初始行波到達時間之差與故障點位置有關(guān)，離故障點最近的行波采集裝置記錄的初始行波到達時間最早。

圖1 配電網(wǎng)故障行波傳輸路徑

2) 對于非故障線路，故障行波傳播路徑恒定，首先由故障線路傳輸?shù)侥妇€，再按線路最短路徑傳輸?shù)椒枪收暇€路的各分支末端。因此，非故障線路各行波采集裝置記錄的初始行波到達時間與母線記錄的初始行波到達時間之差與故障點位置無關(guān)，離母線最近的行波采集裝置記錄的初始行波到達時間最早。

3) 對于母線發(fā)生故障時，所有線路故障行波傳輸?shù)穆窂胶愣?，全都由母線處按線路最短路徑傳輸?shù)脚潆娋€路的各分支末端。因此，所有配電線路各行波采集裝置記錄的初始行波到達時間與母線記錄的初始行波到達時間之差與故障點位置無關(guān)，都是離母線最近的行波采集裝置記錄的初始行波到達時間最早。

因此，根據(jù)故障線路與非故障線路行波傳輸路徑的差別，可以進行故障選線。為此，定義線路時差特征值數(shù)組：母線故障時，各配電線路行波采集裝置記錄的初始行波到達時間與變電站母線處記錄的初始行波到達時間之時差。定義每次故障啟動后各線路的時差測量值數(shù)組：各配電線路行波采集裝置記錄的初始行波到達時間與變電站母線處記錄的初始行波到達時間之時差。

理論上，非故障線路的時差測量值數(shù)組和時差特征值數(shù)組完全一致，即相關(guān)系數(shù)為1。而故障線路的時差測量值數(shù)組和時差特征值數(shù)組相關(guān)系數(shù)小于1，具體與線路結(jié)構(gòu)及故障點位置有關(guān)；故障點離母線越近，其相關(guān)系數(shù)越接近于1；故障點離母線越遠，相關(guān)系數(shù)越小，甚至為負數(shù)。母線故障時，理論上各線路的時差測量值數(shù)組和時差特征值數(shù)組相關(guān)系數(shù)均為1，考慮到現(xiàn)場裝置運行測量的系統(tǒng)誤差，相關(guān)系數(shù)一般整定為接近于1的數(shù)，且此時各線路相關(guān)系數(shù)的離散性小。

考慮現(xiàn)場配電網(wǎng)故障行波采集系統(tǒng)存在的行波到達時間測量誤差，如：行波采集裝置存在20 ns以下的行波波頭辨識延時、各行波采集裝置的衛(wèi)星同步時鐘之間的不同步(一般小于50 ns)以及部分行波采集裝置行波波頭記錄失敗[15]，采集到第2甚至第3行波波頭。為此，項目組提出一種簡單的故障選線容錯判別方法。設(shè)定整定值A(chǔ)[0.8,0.99]，整定值B[0.01,0.1]；當(dāng)某一線路的時差特征值數(shù)組與時差測量值數(shù)組相關(guān)系數(shù)大于A時，則表明此線路為非故障線路；若所有線路的相關(guān)系數(shù)均大于A，且不同線路相關(guān)系數(shù)兩兩之差最大值小于整定值B(不同線路的時差相關(guān)系數(shù)離散性小)，則判別為母線故障；否則判別相關(guān)系數(shù)最小的線路為故障線路。

1.2 方法

根據(jù)故障選線原理，開發(fā)一種故障行波傳輸時差選線系統(tǒng)。故障選線系統(tǒng)由故障選線主站和故障行波采集裝置組成，主站安裝在配電網(wǎng)控制室，行波采集裝置選擇性安裝在配電網(wǎng)各分支末端。配電網(wǎng)發(fā)生故障后，各行波采集裝置記錄初始電壓行波到達的時間，該時間被送到主站后，由主站進行故障選線計算。但由于行波在傳輸過程中，易受干擾影響，且現(xiàn)有行波裝置靈敏度不高，有可能誤啟動導(dǎo)致時間記錄錯誤造成選線失敗。因此，在進行故障行波選線時，首先要對時間數(shù)據(jù)進行篩選與剔除，再對有效數(shù)據(jù)進行融合處理，綜合利用多端行波信息來進行故障選線。

1.2.1 故障選線步驟

1)在變電站母線處及配電線路部分分支末端安裝行波記錄裝置。

(1)

其中，m=(a,b,c,d,…)，n為配電線路m上各分支末端行波采集裝置的編號，n=(1,2,…,N)，N為配電線路m上分支末端安裝行波采集裝置的總數(shù)量。

3)配電網(wǎng)在t0時刻發(fā)生實際故障時，配電線路各行波采集裝置記錄故障初始行波到達的時間，計算任一配電線路m上各分支末端行波采集裝置n記錄的故障初始行波到達時間tmn與母線處記錄的故障初始行波到達時間t0的時間差，得到任一配電線路m的時差測量值數(shù)組：

(2)

4)篩選與剔除故障行波采集裝置記錄的無效時間數(shù)據(jù)(包括未接收到的行波采集裝置)，找出有效時間相對應(yīng)裝置的新時差特征值數(shù)組Hm與新時差測量值數(shù)組Gm，以待計算。

5)計算各配電線路m的時差測量值數(shù)組Gm和時差特征值數(shù)組Hm的相關(guān)系數(shù)ρm。

6)比較所有配電線路的相關(guān)系數(shù)，若所有相關(guān)系數(shù)都大于整定值A(chǔ)，且各線路相關(guān)系數(shù)兩兩之差最大值小于整定值B，則判別為母線故障；否則判別相關(guān)系數(shù)最小的線路為故障線路。整定值A(chǔ)，B的選取與線路結(jié)構(gòu)及各裝置測量精度有關(guān)，根據(jù)試驗與現(xiàn)場運行經(jīng)驗，建議整定值A(chǔ)的取值范圍為[0.8，0.99]，整定值B的取值范圍為[0.01，0.1]。

1.2.2 無效時間的篩選與剔除

在線路m中找出裝置之間距離最遠的2個行波采集裝置，將這2個行波采集裝置間的距離記為Lmx，計算得到行波在此兩裝置間的傳輸時間為Tmx。

對線路m上的行波采集裝置i記錄的行波到達時間ti，計算其與線路上其他所有行波采集裝置記錄的行波到達時間差值，求取這些時間差的平均數(shù)Δti。

設(shè)兩行波采集裝置的時間記錄誤差最大值為tset(考慮到單個行波裝置的時間記錄誤差小于0.5 μs，tset取值推薦為1μs)，如果某一行波采集裝置計算的Δti滿足：

Δti>Tmx+tset

(3)

則可認為此行波裝置記錄的波頭時間是無效的，從數(shù)組中剔除。

整個故障選線流程如圖2所示。

圖2 故障選線流程

2 仿真驗證

以圖1所示，某配電網(wǎng)建立EMTP仿真模型，對該文選線方法進行仿真驗證，參數(shù)如表1，2所示。主變參數(shù)：額定電壓為110 kV/10.5 kV，額定容量為50 MV·A；空載電流為1%，空載損耗為35 kW；短路損耗為205 kW，短路電壓比為10%。接地方式采用過補償，補償度為7.5%。配變終端等效為一個423 pF的入口電容，行波信號檢測采樣頻率為10 MHz。

專家共識推薦:熒光膀胱鏡和NBI技術(shù)的應(yīng)用有助于提高膀胱癌的檢出率，建議有條件單位可以在熒光或NBI引導(dǎo)下行TURBT。

表1 架空線路參數(shù)[16]

表2 電纜線路參數(shù)[16]

如圖1所示，模擬配電網(wǎng)中的變電站母線及3條配電線路部分分支末端安裝行波采集裝置，各配電線路編號取值為m=a，b，c；其中，配電線路a的各分支末端行波記錄裝置編號為a1，a2，a3，a4，a5；配電線路b各分支末端行波采集裝置編號為b1，b2，b3，b4，b5，配電線路c各分支末端行波采集裝置編號為c1，c2，c3。利用自主研發(fā)的行波發(fā)生器，從母線處注入一故障行波信號，模擬變電站母線故障，各配電線路行波采集裝置記錄故障電壓行波，得到各配電線路行波采集裝置記錄的初始行波波頭到達時間，如表3所示。

表3 母線處故障時各采集裝置記錄的行波到達時間

Ha=[28.7 46.6 16.8 54.6 21.9]，

Hb=[55.9 81.7 101.6 105.5 135.3]，

Hc=[12 75.8 113.5]。

如圖1所示，現(xiàn)假設(shè)配電線路a發(fā)生單相接地故障，各配電線路行波裝置記錄的初始行波波頭到達時間如表4所示。

表4 線路a故障時行波采集裝置記錄的行波到達時間

計算各配電線路m行波采集裝置記錄的故障初始行波到達時間tmn與變電站母線處記錄的故障初始行波到達時間t0的時間差，得到配電線路m的時差測量值數(shù)組Gm，即

Ga=[-28.6 -38.5 -16.7 -30.5 -2]，

Gb=[55.8 31.6 101.5 105.4 135.2]，

Gc=[11.9 75.7 113.3]。

先對無效時間數(shù)據(jù)進行篩選與剔除，由圖1找出相距最遠的兩裝置b5，c3，可知Lmx=17+49 km，則Tmx=17 000/200+49 000/300=85+163.3=248.3 μs。取tset=1 μs，由表4中的數(shù)據(jù)可知所有裝置的Δti均滿足，即所有數(shù)據(jù)均為有效數(shù)據(jù)。

計算各配電線路m的時差測量值數(shù)組Gm和時差特征值數(shù)組Hm的相關(guān)系數(shù)ρm，得ρa=-0.740 3，ρb=1，ρc=1，假設(shè)整定值A(chǔ)取值為0.85，B取值為0.05；由上述結(jié)果可以清楚的看出：配電線路c的相關(guān)系數(shù)ρc和線路b的相關(guān)系數(shù)ρb均大于整定值A(chǔ)，但線路a的相關(guān)系數(shù)ρa小于整定值A(chǔ)；所以判斷相關(guān)系數(shù)最小的線路a為故障線路。故判別結(jié)果與實際一致，驗證了該故障選線方法的有效性。

為了探討該選線方法在不同故障情況下的適應(yīng)性，分別對不同故障類型、故障初相角(以線路a的A相初相位作為參考相位，記為0)、過渡電阻Rf，故障位置Lf，故障線路進行詳盡仿真，仿真結(jié)果如表5所示。

表5 不同故障情況下的選線結(jié)果

分析表5的選線結(jié)果可知，該文所提出的基于多端行波時間信息的配電網(wǎng)故障選線方法可以正確、可靠地選出故障線路，魯棒性強，不受故障位置、故障類型、過渡電阻、故障初相角的影響。

3 裝置試運行

使用該選線方法的選線裝置已應(yīng)用于廣東電網(wǎng)某220 kV變電站的10 kV饋線中。選線系統(tǒng)如圖3所示，只畫出其中2條饋線，行波采集裝置安裝在變電站和部分分支線路末端。

目前，裝置已入網(wǎng)運行近1年，能對每次接地故障進行成功選線與定位，其中，2次故障選線結(jié)果如表6所示。驗證了該文選線原理與方法現(xiàn)場應(yīng)用的可行性。

圖3 故障選線裝置現(xiàn)場應(yīng)用

序號相關(guān)系數(shù)選線結(jié)果實際故障1[-0．65911]線路1線路12[-0．67111]線路1線路1

4 結(jié)語

筆者利用配電網(wǎng)故障行波傳輸時差進行故障選線。為減少行波信號到達時間測量誤差的影響，提出了一種基于多端行波信息融合的配電網(wǎng)故障選線方法，已申請了發(fā)明專利(專利號：201410542020.1)，具有如下特點。

1)利用整個配電網(wǎng)中各行波裝置記錄的初始行波到達時間進行信息融合處理，定義時差特征值數(shù)組進行相關(guān)分析，可以有效消除各種干擾信號的影響，提高故障選線的靈敏性和可靠性。

2)該選線方法僅檢測初始行波波頭，檢測靈敏度高，能有效減少故障接地電阻和故障初相角的影響，具有運算簡單、選線準(zhǔn)確率較高、實用性強的優(yōu)點。

3) 該故障選線方法可以在配電網(wǎng)故障行波定位系統(tǒng)中實現(xiàn)，裝置已在電網(wǎng)試運行，得到現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證，準(zhǔn)備推廣應(yīng)用。

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A novel fault line detection method with the time difference of multi-terminal detected traveling waves for distribution networks

ZHANG Jian1, WANG Yi1, ZENG Xiang-jun2, ZHANG Yuan1, NING Yuan-zhi2, CAO Jing2

(1. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou 510080, China; 2. Hunan Province Key Laboratory of Smart Grids Operation and Control, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China)

Fault traveling waves transmit to the whole power grid along the short path in a distribution system. For the normal line, the traveling wave transmits to every branch from the busbar. The time difference of traveling wave arriving at every branch terminal is decided by the normal line structure, and it is defined as Time-Difference-Eigen-Value (TDEV) in this paper. However, for the faulted line, the traveling wave transmits to every branch from the fault point. And the time difference of multi-terminal detected traveling waves (TDTV) is less than or equal to the TDEV in the faulted line. A novel method of fault line detection with the time difference of multi-terminal detected traveling waves was then presented. The method detected the fault line by comparing the correlation coefficient of time difference measured-value array with the TDEV array, and it has a stronger anti-interference ability. Simulation analysis results show that the proposed method can detect all kinds of faults with strong robustness, simple operation, high reliability, and good practicality.

distribution networks; traveling wave; correlation coefficient; fault detection

2016-09-15

國家自然科學(xué)基金(61233008；51277014；51425701)中國南方電網(wǎng)公司科技項目(K-GD2014-163)

曾祥君(1972—)，男，博士，教授，主要從事電力系統(tǒng)保護與控制的研究；E-mail:eexjzeng@qq.com

TM773

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1673-9140(2016)04-0051-07