電纜單端故障測(cè)距的阻抗-行波組合法

彭 浩，沈興來，陳 奎

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電纜單端故障測(cè)距的阻抗-行波組合法

彭 浩1，沈興來2，陳 奎1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.徐州供電局, 江蘇 徐州 221116)

單端故障行波測(cè)距的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確識(shí)別故障反射波頭與對(duì)端母線反射波頭。為更準(zhǔn)確識(shí)別行波波頭，提出一種新型阻抗-行波組合法。先由阻抗法粗略計(jì)算故障位置，并考慮實(shí)際誤差，為行波法尋找波頭縮小范圍，得到多個(gè)測(cè)距結(jié)果。再根據(jù)故障反射波頭與對(duì)端母線反射波頭之間相互制約的關(guān)系對(duì)結(jié)果進(jìn)行篩選，選擇最符合條件的一組，同時(shí)確認(rèn)兩個(gè)波頭的到達(dá)時(shí)間，根據(jù)時(shí)間點(diǎn)計(jì)算故障距離。此法利用兩波頭間的特定關(guān)系，同時(shí)找到兩個(gè)波頭，比只查找單個(gè)波頭更準(zhǔn)確，更不易出錯(cuò)。經(jīng)Matlab和ATP-EMTP仿真驗(yàn)證，方案可行。

阻抗法；單端行波法；小波變換；故障測(cè)距；組合法

0 引言

準(zhǔn)確定位輸電線路故障，可以降低尋找故障點(diǎn)的難度，減少停電時(shí)間。對(duì)減少經(jīng)濟(jì)損失、保障人民生活水平有重要意義。

行波測(cè)距法分為雙端法和單端法。雙端法在線路兩端設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，通過故障初始行波到達(dá)兩端的時(shí)間差實(shí)現(xiàn)測(cè)距，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)距精度高，操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是依賴精確的GPS同步時(shí)鐘，而且兩端都要有測(cè)量裝置，造價(jià)較高。相比之下，單端法只在一端設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，不受通信條件限制，成本較雙端法低，若能保證測(cè)距精度，單端法將更有優(yōu)勢(shì)[1-3]。單端法的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確分辨各個(gè)波頭對(duì)應(yīng)的反射行波，但如何準(zhǔn)確分辨波頭，一直是一個(gè)難題。測(cè)量阻抗法自提出以來，已經(jīng)大量應(yīng)用在各種故障測(cè)距裝置中，雖然其準(zhǔn)確性不高，但有較高的魯棒性，可以用來初步確定故障點(diǎn)的大致范圍。而行波測(cè)距較為精確，若能結(jié)合兩者特點(diǎn)，便可以實(shí)現(xiàn)更精確的故障測(cè)距。

文獻(xiàn)[4]提出依據(jù)阻抗法與行波法的組合提升測(cè)距精度，并分析了識(shí)別波頭的各種情況，但如何準(zhǔn)確識(shí)別波頭依然是個(gè)難點(diǎn)；文獻(xiàn)[5]提出了先用行波法測(cè)得多組數(shù)據(jù)，再用單端阻抗法篩選的方法，但數(shù)據(jù)組較多時(shí)計(jì)算量大易出錯(cuò)；文獻(xiàn)[6]利用小波變換模極大值的極性區(qū)分故障點(diǎn)和對(duì)端母線反射行波，該方法理論上可行，但在多個(gè)模極大值中通過極性辨別比較困難；文獻(xiàn)[7]提出的組合方法通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)得到零模及線模波速，得到大致距離，再結(jié)合小波分析實(shí)現(xiàn)測(cè)距，方法理論上可行，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)需要大量的故障數(shù)據(jù)，而電力線路的故障數(shù)據(jù)不可能很多，使該法受到局限。

基于以上分析，本文提出一種阻抗法與行波法組合的故障測(cè)距新方法，通過引入實(shí)際誤差縮小尋找波頭的范圍并獲取多組數(shù)據(jù)，利用故障反射波與對(duì)端母線反射波相互制約的關(guān)系篩選出最符合的一組，兩個(gè)波頭同時(shí)得到確認(rèn)，避免了只尋找單一波頭時(shí)可能出現(xiàn)的誤差，提高了測(cè)距精度。

1 阻抗法測(cè)距

阻抗法測(cè)距的原理如圖1 所示。

圖1阻抗法原理圖

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，阻抗法測(cè)距公式

雖然該法準(zhǔn)確性不高，但其魯棒性強(qiáng)，故可用來粗略測(cè)定故障點(diǎn)距離。

2 基于小波分析的單端行波測(cè)距

2.1 小波變換模極大值

發(fā)生故障后的輸電線路，其暫態(tài)行波具有突變性、奇異性等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的傅里葉變換只能描繪整個(gè)時(shí)間段內(nèi)頻率的特性，是一種全局變換，無法反映出特定時(shí)間段或頻率段的情況，從而丟失了分析故障的有用信息，造成較大誤差。而小波分析可以在時(shí)域和頻域同時(shí)局部化，能較好地檢測(cè)突變點(diǎn)。

小波變換的模極大值常被用來檢測(cè)信號(hào)的奇異性，其定義如下：

小波變換的模極大值點(diǎn)與暫態(tài)行波的突變點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，若將對(duì)暫態(tài)行波信號(hào)的分析轉(zhuǎn)化為對(duì)信號(hào)小波變換模極大值的分析，可大大簡(jiǎn)化分析和計(jì)算過程[9-11]。

2.2 單端行波法

單端行波法只在線路的一端設(shè)置測(cè)量點(diǎn)。故障發(fā)生后，故障點(diǎn)產(chǎn)生暫態(tài)行波向兩端傳播，最先到達(dá)測(cè)量端的波頭為故障初始行波，其后有故障點(diǎn)反射行波及對(duì)端母線反射行波，單端測(cè)距法即根據(jù)故障初始行波與其后二者之一的時(shí)間差測(cè)距[12-13]，如圖2 所示。

圖2 單端行波法測(cè)距原理

3 阻抗-行波組合法測(cè)距

阻抗法測(cè)到的初始距離一般和實(shí)際故障點(diǎn)有較大誤差，因此在阻抗法測(cè)距后需要結(jié)合行波法得到更精確的結(jié)果。組合法測(cè)距的步驟如圖3所示。

圖3 流程圖

4) 一般滿足式(6)的有多組模極大值，根據(jù)式(7)在多個(gè)組合中篩選出最接近條件的，得到兩個(gè)新時(shí)間點(diǎn),。

5) 代回式(4)、式(5)，求取平均值，即為測(cè)距結(jié)果。

4 仿真分析

本文采用ATP-EMTP軟件仿真[14-15]，電壓等級(jí)110 kV，線路MN全長(zhǎng)20 km。假設(shè)A相接地短路，故障點(diǎn)距測(cè)量端9 km，接地電阻10 Ω，采樣頻率為1 MHz，故障發(fā)生時(shí)間為0.008 s，仿真時(shí)間0.02 s，如圖4所示。

圖4電纜故障仿真模型

線路結(jié)構(gòu)參數(shù)為

1) 非故障時(shí)，采集A相的正常電流；故障后，采集測(cè)量端A相電壓、電流。對(duì)采集的數(shù)據(jù)傅里葉變換并由阻抗法測(cè)距式(1)得到故障大致距離km；由式(2)得。

由圖5可得到數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 小波變換尺度1下的模極大值

表 1 9 km處故障各波頭與初始行波時(shí)間差

求取兩個(gè)距離的平均值，即為故障點(diǎn)距離

與實(shí)際故障距離誤差為0.038 km。

不同故障點(diǎn)的仿真結(jié)果如表2所示。

表2 不同故障點(diǎn)的仿真結(jié)果

表中：為故障距離；0為故障初始行波到達(dá)時(shí)間；1為故障反射行波到達(dá)時(shí)間；2為對(duì)端母線反射行波到達(dá)時(shí)間；為組合法測(cè)距結(jié)果；為阻抗法測(cè)距結(jié)果。

該方法通過阻抗法獲取故障的粗略距離，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)將誤差考慮在內(nèi)，為之后的行波波頭識(shí)別劃出范圍。結(jié)合小波分析準(zhǔn)確識(shí)別突變點(diǎn)的特性，確認(rèn)各個(gè)暫態(tài)行波波頭的到達(dá)時(shí)間，同時(shí)識(shí)別故障點(diǎn)反射波與對(duì)端母線反射波，依據(jù)兩者的關(guān)系多次篩選模極大值得到正確的時(shí)間點(diǎn)。由于兩波頭相互制約，故不會(huì)因識(shí)別了錯(cuò)誤的單一波頭而得到錯(cuò)誤結(jié)果，提高了測(cè)距的精確性。

5 結(jié)論

本文提出的方法組合了阻抗法和基于小波分析的單端行波法，阻抗法魯棒性強(qiáng)，雖誤差較大，卻可用于初步定位。而小波分析能準(zhǔn)確識(shí)別行波突變點(diǎn)，使行波法精確性較高，因此可依據(jù)故障反射行波與對(duì)端母線反射行波到達(dá)時(shí)間之間相互制約、相互驗(yàn)證的特定關(guān)系，在多個(gè)模極大值中找到對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。相比依據(jù)模極大值的極性與幅值識(shí)別波頭的方法更為準(zhǔn)確，令故障測(cè)距結(jié)果更精確。

本文線路結(jié)構(gòu)較為單一，對(duì)于更復(fù)雜的多分支線路以及電纜—架空線混合線路，有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

鋼渣組成中有硅酸三鈣、硅酸二鈣等，可以在水泥和混凝土中應(yīng)用[23]，鋼渣的摻入可以提高水泥漿體的水化速率和密實(shí)度，其密實(shí)度和后期性能顯著較好[24-25]。鋼渣粉的比表面積對(duì)性能的影響較大，一般粉磨時(shí)間越長(zhǎng)，制備混凝土的抗壓性能越好，綜合性能和成本，合適的比表面積為650 m2/kg[26]。利用鋼鐵渣粉代替20%～50%的水泥應(yīng)用于混凝土中，效果良好，目前已經(jīng)制訂國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼鐵渣粉》(GB/T 28293—2012)[27]。

[1] 何軍娜, 陳劍云, 艾穎梅, 等. 電力系統(tǒng)行波測(cè)距方法及其發(fā)展[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(24): 148-154.

HE Junna, CHEN Jianyun, AI Yingmei, et al. Fault location methods based on traveling wave theory for power system and its development[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(24): 148-154.

[2] 徐銘銘, 肖立業(yè), 林良真. 基于零模行波衰減特性的配電線路單相接地故障測(cè)距方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(14): 397-404.

XU Mingming, XIAO Liye, LIN Liangzhen. A fault location method for the single-phase-to-earth fault in distribution system based on the attenuation characteristic of zero-mode traveling wave[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(14): 397-404.

[3] 耿建昭, 王賓, 董新洲. 利用單相跳閘后信息的輸電線路單相接地單端精確測(cè)距方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(16): 184-193.

GENG Jianzhao, WANG Bin, DONG Xinzhou. A novel one-terminal single-line-to-ground fault location algorithm in transmission line using post-single-phase-trip data[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(16): 184-193.

[4] 鄭秀玉, 丁堅(jiān)勇, 黃娜. 輸電線路單端故障定位的阻抗-行波組合算法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(6): 18-21.

[5] 盧繼平, 黎穎, 李健, 等. 行波法與阻抗法結(jié)合的綜合單端故障測(cè)距新方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2007, 31(23): 65-69.

LU Jiping, LI Ying, LI Jian, et al. Non-communication fault locating of transmission line based on traveling wave and impedance method[J]. Automation of Electric Power Systems, 2007, 31(23): 65-69.

[6] 馬丹丹, 王曉茹. 基于小波模極大值的單端行波故障測(cè)距[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2009, 37(3): 55-59.

MA Dandan, WANG Xiaoru. Single terminal methods of traveling wave fault location based on wavelet modulus maxima[J]. Power System Protection and Control, 2009, 37(3): 55-59.

[7] 梁睿, 孫式想. 單端行波故障測(cè)距的組合方法研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(3): 699-706.

LIANG Rui, SUN Shixiang. A combined method for single-ended traveling wave fault location[J]. Power System Technology, 2013, 37(3): 699-706.

[8] 劉琨, 董新洲. 單端電氣量組合故障測(cè)距方法的適用性分析[J]. 廣東電力, 2012, 25(6): 9-14.

LIU Kun, DONG Xinzhou. Applicability analysis on combined fault location algorithm based on single terminal data[J]. Guangdong Electric Power, 2012, 25(6): 9-14.

[9] 姚海燕, 張靜, 留毅, 等. 基于多尺度小波判據(jù)和時(shí)頻特征關(guān)聯(lián)的電纜早期故障檢測(cè)和識(shí)別方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(9): 115-123.

YAO Haiyan, ZHANG Jing, LIU Yi, et al. Method of cable incipient faults detection and identification based on multi-scale wavelet criterions and time-frequency feature association[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(9): 115-123.

[10] 劉曉明, 趙洋, 曹云東, 等. 基于小波變換的交流系統(tǒng)串聯(lián)電弧故障診斷[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(1): 10-17.

LIU Xiaoming, ZHAO Yang, CAO Yundong, et al. Series arc fault diagnosis based on wavelet transform in AC system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(1): 10-17.

[11] 許勇, 牛永會(huì), 郭寧明, 等. 新型輸電線路故障測(cè)距系統(tǒng)的研制[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(12): 119-125.

XU Yong, NIU Yonghui, GUO Ningming, et al. Development of the new fault location system based on Qnet[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(12): 119-125.

[12]黃子俊, 陳允平. 基于小波變換模極大值的輸電線路單端故障定位[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2005, 25(2): 10-14. HUANG Zijun, CHEN Yunping. Non-communication fault locating of transmission line based on wavelet modulus maxima[J]. Electric Power Automation Equipment, 2005, 25(2): 10-14.

[13] 位韶康, 陳平, 姜映輝. 一種不受波速影響的單端行波測(cè)距方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2013, 41(13): 76-81.

WEI Shaokang, CHEN Ping, JIANG Yinghui. A single- ended traveling wave ranging method avoiding wave speed influence[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(13): 76-81.

[14] 邱太洪, 王俊波, 李國偉, 等. 高頻脈沖電流法在XLPE電纜終端帶電測(cè)試中的應(yīng)用[J]. 高壓電器, 2015(5): 99-103.

QIU Taihong, WANG Junbo, LI Guowei, et al. Application of high frequency pulse current method in live detection of XLPE cable terminal[J]. High Voltage Apparatus, 2015(5): 99-103.

[15] 陳根, 唐焱, 王新橋. 基于ATP的高壓電纜金屬護(hù)套多點(diǎn)接地故障仿真[J]. 高壓電器, 2014, 50(4): 49-53.

CHEN Gen, TANG Yan, WANG Xinqiao. Simulation of multipoint grounding faults in metal sheath of high-voltage cable based on ATP[J]. High Voltage Apparatus, 2014, 50(4): 49-53.

(編輯 葛艷娜)

Impedance-traveling wave assembled method of cable single-terminal fault location

PENG Hao1, SHEN Xinglai2, CHEN Kui1

(1. School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. Xuzhou Power Supply Company, Xuzhou 221116, China)

The key of single terminal fault location is to identify the fault point reflected wave and the opposite bus reflected wave. In order to identify the wave accurately, a new method combined with impedance measurement and wave, is presented. The impedance measurement method can calculate the location roughly. According to the actual error, the range for wave tip can be narrowed. Then the relationship between fault reflected wave and opposite bus reflected wave can be used to find the time of wave tip. The fault distance can be calculated by the time and the wave velocity. This method finds two wave tips at the same time and the tip time restrict each other, which is more accurate than finding one wave tip only. Matlab and ATP-EMTP simulation results show the method is reliable.

impedance measurement method; single terminal travelling wave method; wavelet transform; fault location; combined method

10.7667/PSPC152122

2015-12-07；

2016-04-21

彭 浩(1993-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娎|故障診斷。E-mail: ph5798819@qq.com