消除零模波速影響的配電網(wǎng)單端行波故障測(cè)距算法

何 曉，雷 勇，周聰聰，周 凱，王 鵬

?

消除零模波速影響的配電網(wǎng)單端行波故障測(cè)距算法

何 曉，雷 勇，周聰聰，周 凱，王 鵬

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

配電網(wǎng)線路分支眾多，末端往往具有三相不平衡負(fù)載，傳統(tǒng)的單端行波法需在復(fù)雜的折反射波中提取故障點(diǎn)的反射波，不易實(shí)現(xiàn)。而基于模量行波速度差和基于線模行波突變這兩種故障測(cè)距方法的精確度都受制于不穩(wěn)定的零模波速度。基于此，將兩種方法結(jié)合，利用零模檢測(cè)波速度與傳播距離成對(duì)應(yīng)關(guān)系的特點(diǎn)，獲得不受零模波速度影響的故障定位新方法，該方法避免了傳統(tǒng)故障測(cè)距算法需要多次從復(fù)雜的折反射波中提取信息的缺點(diǎn)，能夠簡(jiǎn)潔、快速、準(zhǔn)確地對(duì)復(fù)雜的分支線路進(jìn)行故障測(cè)距。此方法首先檢測(cè)故障暫態(tài)行波的零模和線模分量到達(dá)首端的時(shí)間差，然后在首端對(duì)三相同時(shí)注入相同的高壓脈沖并檢測(cè)線模行波首個(gè)波頭到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，進(jìn)而利用穩(wěn)定的線模波速度進(jìn)行故障距離的測(cè)量。最后，利用PSCAD仿真驗(yàn)證了所提方法基本不受故障位置、過(guò)渡電阻大小以及故障初相角的影響，各種情況下絕對(duì)誤差均在100 m之內(nèi)。

配電網(wǎng)；故障測(cè)距；零模波速度；小波變換；波頭

0 引言

電網(wǎng)故障中單相接地故障占了80%以上，且由于配電網(wǎng)具有線路網(wǎng)絡(luò)半徑小、末端隨機(jī)負(fù)荷多、線路分支繁多等特點(diǎn)，使得單相接地故障定位比較困難。如果不能快速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障定位，將導(dǎo)致重大的經(jīng)濟(jì)損失，配電網(wǎng)單相接地故障的高效定位是一個(gè)亟待解決的難點(diǎn)問(wèn)題[1-2]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)的自動(dòng)化水平尚未成熟，基于自動(dòng)化采集裝置的定位方法尚不能在很多地區(qū)實(shí)現(xiàn)[3-6]，而阻抗法精度較差，受線路隨機(jī)負(fù)荷影響較大[7-8]，在配電網(wǎng)故障定位上行波法是目前較可行且有較高研究?jī)r(jià)值的方法[9]。行波故障測(cè)距法在輸電線路雖已成熟應(yīng)用，但不能直接搬到配電網(wǎng)中使用，因?yàn)楦邏狠旊娋€路是一條或少數(shù)幾條分支的線路，行波易于識(shí)別與分析；而配電網(wǎng)眾多的分支會(huì)造成信號(hào)衰減及信息混疊干擾，給測(cè)距或定位方法造成了難度。

根據(jù)測(cè)量端的數(shù)量，行波故障測(cè)距通常被分為雙端法和單端法[10]。雙端法即D型行波法[11-12]，該方法只能對(duì)主干線路上的故障進(jìn)行測(cè)距，對(duì)分支線路不太奏效，除非在每個(gè)分支末端都裝設(shè)行波檢測(cè)裝置[13-15]，且需要GPS時(shí)鐘同步，但這樣則會(huì)大量增加成本。單端法中，A型行波法[16-17]由于故障點(diǎn)反射波會(huì)淹沒(méi)在分支點(diǎn)折反射波中，且信號(hào)較弱，難以識(shí)別，故不易實(shí)現(xiàn)；行波模量速度差法[18-20]原理簡(jiǎn)單易行，只需要獲取各模量的第一個(gè)波頭信息，但是存在零模波速度隨距離改變的問(wèn)題，測(cè)距的前提是需要對(duì)具體線路進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)擬合[21]；C型行波法[22]應(yīng)用在配電網(wǎng)中時(shí)，分支末端的三相不平衡負(fù)載會(huì)造成偽故障點(diǎn)的出現(xiàn)，使測(cè)距失效；基于線模行波突變的配電網(wǎng)故障測(cè)距方法[23]消除了線路多變性和不平衡負(fù)載的影響，但是從測(cè)距公式中可知，也需要同時(shí)知道線模和零模波速度才能精確測(cè)距[24]。文獻(xiàn)[23]中以行波首個(gè)非零點(diǎn)作為行波到達(dá)時(shí)刻，取波速度為光速，理論上在架空線路是可行的，但是在存在干擾和采集靈敏度不夠的情況下，行波首個(gè)過(guò)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波速度會(huì)顯著下降，此方法會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)距誤差。

根據(jù)以上方法存在的不足，同時(shí)為了避免從配電網(wǎng)復(fù)雜的折反射波中提取多個(gè)波頭信息，在缺乏零模波速度先驗(yàn)知識(shí)的情況下進(jìn)行故障測(cè)距，本文利用線路中線模波速較為穩(wěn)定、而零模檢測(cè)波速度與傳播距離成對(duì)應(yīng)關(guān)系的特點(diǎn)，聯(lián)立基于模量行波速度差和基于線模行波突變的故障點(diǎn)定位方法，消除了測(cè)距公式中的零模波速度量，提出了一種新的消除零模波速影響的配電網(wǎng)單端行波故障測(cè)距算法，并得到一種新的故障測(cè)距公式。

1 行波模量分析

在任何均勻的三相輸電線路中，每一點(diǎn)的電壓和電流均滿足式(1)波動(dòng)方程組[25]。

求解式(1)對(duì)應(yīng)的方程組，得到

求得的式(2)即為三相電路在頻域中對(duì)應(yīng)的波動(dòng)方程組，由于三相電路之間存在著電磁耦合效應(yīng)，方程組內(nèi)的方程相互關(guān)聯(lián)，不易直接求解該方程組，為了簡(jiǎn)化該方程的求解過(guò)程，采用卡倫鮑厄變換矩陣對(duì)式(2)進(jìn)行相模變換，將電流相量和電壓相量轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的形式，使得變換后對(duì)應(yīng)方程的各個(gè)分量相互獨(dú)立，以此將三相系統(tǒng)分解成了三個(gè)獨(dú)立的模量，易于求解。其對(duì)應(yīng)的相模變換和反變換公式為

式中：a,b,c為相量；0,1,2為模量。

卡倫鮑厄矩陣變換時(shí)，三相行波對(duì)應(yīng)的0模、1模和2模的含義如圖1。

圖1行波各模分量在三相線路上的分布情況

2 ?模量波速分析

模量行波對(duì)應(yīng)的模波阻抗和模傳播系數(shù)分別為[25]

而模行波分量的傳播速度則為

對(duì)于零模，由于其特性和零序電感、零序電流密切相關(guān)；而由于大地回路集膚效應(yīng)的存在，使得

行波的色散使零模行波波頭的形狀發(fā)生變化，因此零模波抵達(dá)的準(zhǔn)確時(shí)刻也就難以判定，這將直接影響到故障定位的準(zhǔn)確度。通常采用具有1階消失矩的小波對(duì)相應(yīng)的零模行波進(jìn)行小波變換，小波變換的模極大值也就對(duì)應(yīng)著行波的突變點(diǎn)。小波變換模極大值即是信號(hào)被平滑后的1階導(dǎo)數(shù)的模極大值，當(dāng)距離較短時(shí)，1階導(dǎo)數(shù)模極大值由高頻分量引起，而行波衰減常數(shù)隨頻率升高而增大，因而，隨著傳播距離的增加，高頻分量部分的幅值衰減更嚴(yán)重，1階導(dǎo)數(shù)模極大值從高頻往低頻轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致了檢測(cè)波速度逐漸降低。研究表明，對(duì)于給定的線路，零模行波的檢測(cè)波速隨其傳播距離的增加而單調(diào)減小，且?guī)缀醪皇軇e的因素的影響[28-29]。

3 消除零模波速影響的單端行波故障測(cè)距算法

3.1 基于模量行波速度差的故障測(cè)距方法

應(yīng)用模量行波的速度差進(jìn)行故障測(cè)距的原理：由于零模行波和線模行波的波速度不相同，所以由故障點(diǎn)處產(chǎn)生的暫態(tài)行波途經(jīng)相同的傳播線路所需要的時(shí)間也不相同，所以利用對(duì)應(yīng)的時(shí)間差和速度差得到測(cè)試點(diǎn)與故障點(diǎn)之間的距離，從而進(jìn)行故障點(diǎn)的定位。如圖2所示，M端為線路首端也即是測(cè)量點(diǎn)，線路的F點(diǎn)發(fā)生單相接地故障產(chǎn)生暫態(tài)行波，且該暫態(tài)行波同時(shí)向兩端傳播。由于零模和線模行波分別以不一樣的波速度向首端傳播，故有關(guān)系式(6)[18]。

進(jìn)而有測(cè)距公式：

3.2 基于線模行波突變的故障測(cè)距方法

如果線路中的某處發(fā)生了單相接地故障，則故障點(diǎn)處將不再保持三相平衡狀態(tài)，進(jìn)而，模量系統(tǒng)的各個(gè)導(dǎo)體間將出現(xiàn)耦合現(xiàn)象。所以，當(dāng)在線路首端對(duì)三相同時(shí)注入相同的高壓脈沖(即注入一個(gè)零模電壓行波)時(shí)，將會(huì)在故障點(diǎn)處產(chǎn)生線模反射行波，在首端也將能檢測(cè)到一個(gè)線模行波的突變。如圖3所示，當(dāng)在首端M處注入一個(gè)高壓脈沖后，將有式(8)的關(guān)系式[23]。

式中：0表示零模電壓行波的波速度；0表示零模電壓行波到達(dá)故障點(diǎn)所用的時(shí)間；1表示故障點(diǎn)反射回來(lái)的線模電壓波的波速度；1表示故障點(diǎn)反射的線模電壓行波到達(dá)首端所花的時(shí)間；為故障點(diǎn)到首端的距離；為線模電壓行波首次到達(dá)首端的時(shí)刻(假定脈沖注入時(shí)刻為時(shí)間起點(diǎn))。

圖3基于線模行波突變的故障測(cè)距原理圖

Fig. 3 Schematic of fault location method based on mutation of aerial mode traveling wave

進(jìn)而有故障測(cè)距公式：

3.3 消除零模波速影響的故障測(cè)距算法

據(jù)測(cè)距公式(7)、式(9)可知，如果單獨(dú)應(yīng)用上述兩種測(cè)距方法，若要獲得精確的故障距離，不僅要檢測(cè)模量行波到達(dá)首端的時(shí)間，還要確定所對(duì)應(yīng)的模量行波的準(zhǔn)確波速度。由第2章分析，線模行波波速比較穩(wěn)定，可以使用實(shí)測(cè)值，但是零模行波的測(cè)量波速度則會(huì)隨著距離的變化而變化，對(duì)于給定的線路，二者的關(guān)系曲線是固定不變的。由于式(7)和式(9)中的零模行波所傳播的距離均為故障距離，所以它們對(duì)應(yīng)的零模測(cè)量波速度也是相同值。

聯(lián)立式(7)和式(9)，消去對(duì)應(yīng)的零模波速度，得到新的故障測(cè)距公式：

由式(10)可知，要準(zhǔn)確計(jì)算出故障距離，只是需要知道模量行波的到達(dá)時(shí)間和線模的波速度。本算法的整體步驟如下：

(1) 記錄傳播到線路首端的故障暫態(tài)行波，并經(jīng)相模變換計(jì)算其對(duì)應(yīng)的零模分量和線模分量；

(2) 對(duì)上一步得到的零模電壓行波信號(hào)和線模電壓行波信號(hào)分別進(jìn)行小波變換，根據(jù)小波模極大值點(diǎn)獲得零模行波到達(dá)時(shí)刻0，和線模行波的到達(dá)時(shí)刻1，進(jìn)而求得兩者的時(shí)間差D；

(3) 當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，在線路首端對(duì)三相同時(shí)注入相同的高壓脈沖，并檢測(cè)線路中反射的行波信號(hào)，通過(guò)相模變換得到相應(yīng)的線模分量；

(4) 對(duì)線路中反射的線模電壓行波信號(hào)進(jìn)行小波變換，并取小波模極大值點(diǎn)處的時(shí)間作為線模行波抵達(dá)首端的時(shí)間；

(5) 將D和以及線模行波速度1(1取線路實(shí)測(cè)值)代入式(10)，求得故障距離。

4 仿真分析

本文基于PSCAD中的頻率相關(guān)線路模型(frequency dependent models)進(jìn)行電力網(wǎng)絡(luò)的搭建和仿真。并將從PSCAD中得到的行波信號(hào)，導(dǎo)入Matlab進(jìn)行相模變換和函數(shù)為Db6的小波變換。

如圖4所示，為10 kV配電網(wǎng)的仿真線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，圖中字母代表線路中的節(jié)點(diǎn)(包括主干線兩端、各分支點(diǎn)和分支末端)，各線路的長(zhǎng)度如圖中標(biāo)注，導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-240，直徑是21.6 mm，直流電阻0.118 1W/m，土壤電阻率100W·m。表示線路的首端(亦是測(cè)量點(diǎn))，并在各個(gè)支路的末端安裝10 kV/0.4 kV的配電變壓器(Dyn或Yyn聯(lián)結(jié))和三相不對(duì)稱負(fù)荷。仿真過(guò)程中，注入的暫態(tài)行波信號(hào)為易于檢測(cè)的高壓脈沖，其對(duì)應(yīng)的寬度為4 μs，幅值是10 kV，采樣頻率為10 MHz。線模波速度取為2.982×105km/s，則從原理而言對(duì)應(yīng)的誤差為14.91 m。

在線路段且距首端距離9 km處設(shè)置一個(gè)阻值為10W的單相接地故障，故障初相角為90°。故障處產(chǎn)生的暫態(tài)行波的零模分量和線模分量如圖5(a)和圖5(b)所示。利用Db6小波對(duì)其進(jìn)行21尺度下的小波變換，得到其細(xì)節(jié)部分的波形以圖6所示。從圖6可以獲得故障暫態(tài)零模分量和線模分量的第一個(gè)波頭時(shí)間分別為30.6 μs和30.1 μs，對(duì)應(yīng)的D=30.6 μs-30.1 μs =0.5 μs。

圖4仿真線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖5故障產(chǎn)生的暫態(tài)行波

圖6故障暫態(tài)行波在21尺度下的小波變換

然后在線路首端三相同時(shí)注入相同的高壓脈沖，測(cè)量線模電壓行波，仿真得到的波形如圖7，小波變換后的波形如圖8所示。由圖中看到線模行波到達(dá)首端的第一個(gè)波頭時(shí)刻為60.6 μs。

圖7注入脈沖后首端的線模電壓行波

圖8注入脈沖后首端的線模電壓行波在21尺度下的小波變換

將D和代入式(10)，求得對(duì)應(yīng)的故障距離為8.961 km，而真實(shí)故障距離為9 km，則其對(duì)應(yīng)的絕對(duì)誤差為39 m，在誤差范圍內(nèi)。

同樣的情況下，應(yīng)用基于模量行波速度差的方法，零模波速度取為2.934×105km/s，測(cè)得故障距離為9.114 km；采用文獻(xiàn)[23]中基于線模行波突變的方法時(shí)，測(cè)得故障距離為9.09 km。

改變故障位置、過(guò)渡電阻和故障初相角后，再分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

表1表示當(dāng)保持接地電阻為10W，故障初始相角為90°不變時(shí)，改變故障位置時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從表中可以看到，在不同故障距離的情況下，本方法都能獲得較好的測(cè)距精度，誤差范圍比較小，而且即使故障位置接近分支點(diǎn)或者分支末端，也基本不受影響。而基于模量行波速度差的方法在沒(méi)有擬合零模波速度的條件下，測(cè)量結(jié)果十分不穩(wěn)定，誤差很大；基于線模行波突變的方法也隨著故障距離的增加誤差逐漸增大。

表1不同故障位置的仿真結(jié)果

Table 1 Simulation results of different fault location

表2為只改變接地電阻時(shí)的仿真結(jié)果，故障均設(shè)置在段，距離首端9 km，故障初相角也均為90o。從表中可以看到接地電阻的變化并不影響測(cè)距的精確度，而從仿真過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，接地電阻增大時(shí)會(huì)使首端檢測(cè)到的各模行波的幅值變小，但是對(duì)各模行波第一個(gè)波頭的形狀基本沒(méi)有影響，所以相應(yīng)的小波變換的第一個(gè)模極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻也沒(méi)有發(fā)生變化，即測(cè)距結(jié)果不受影響。另外兩種方法中，基于模量行波速度差的方法，也基本不受接地電阻的影響；而基于線模行波突變的方法則會(huì)隨著接地電阻的增大而變得不精確。

表2接地電阻不同時(shí)的仿真結(jié)果

Table 2 Simulation results of different grounding resistance

表3為段中，且距離首端9 km處在不同時(shí)刻(即故障初相角不同)發(fā)生單相接地故障的仿真結(jié)果，其對(duì)應(yīng)的接地電阻均為10W。從表中可知，對(duì)于不同的故障發(fā)生時(shí)刻，本方法均有較好的定位精確度。與接地電阻變化的情況類似，故障初相角主要是影響了故障產(chǎn)生的暫態(tài)行波的幅值大小，卻并不改變各模行波第一個(gè)波頭的形狀，所以對(duì)測(cè)距結(jié)果基本不影響。而基于模量行波速度差的方法，由于兩個(gè)模量時(shí)間差的乘積效應(yīng)，使得測(cè)距結(jié)果很不穩(wěn)定；基于線模行波突變的方法，由于是離線注入測(cè)距，并不受故障初相角的影響。

表3 故障初相角不同時(shí)的仿真結(jié)果

綜上，本文所提的方法消除零模波速度的影響，使得在各種故障條件下的測(cè)距結(jié)果都表現(xiàn)得比較穩(wěn)定精確。

5 ?結(jié)論

1) 零模行波波速度的確定是影響基于模量行波速度差和基于線模行波突變方法的測(cè)距精度的關(guān)鍵因素，本文提出的故障測(cè)距方法通過(guò)聯(lián)合二者的測(cè)距原理，消去了零模波速度量，較大提高了測(cè)量精度。

2) 本文提出方法屬單端行波測(cè)距方法，只需在首端檢測(cè)行波，且只需利用小波變換識(shí)別行波各模分量的第一個(gè)波頭，而不用在復(fù)雜的折反射混合波中識(shí)別第二個(gè)波頭信息，避免了線路分支、分支末端等的影響。

3) 仿真驗(yàn)證了該方法基本不會(huì)被不同的故障位置、過(guò)渡電阻大小、故障初相角所影響，論證了方法的有效性和準(zhǔn)確性。

[1] 唐金銳, 尹向根, 張哲, 等. 零模檢測(cè)波速度的迭代提取及其在配電網(wǎng)單相接地故障定位中的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(4): 202-211.

TANG Jinrui, YIN Xianggen, ZHANG Zhe, et al. Iterative extraction of detected zero-mode wave velocity and its application in single phase-to-ground fault location in distribution networks[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(4): 202-211.

[2] 唐昆明, 楊偉, 張?zhí)? 等. 基于Stehfest 算法的配網(wǎng)單相接地故障雙端測(cè)距方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(14): 76-83.

TANG Kunming, YANG Wei, ZHANG Taiqin, et al. A new two-terminal fault location method for distribution network based on Stehfest algorithm[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(14): 76-83.

[3] 劉慧海, 張曉莉, 姜博, 等. 行波故障測(cè)距裝置的檢測(cè)與評(píng)價(jià)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(1): 145-149.

LIU Huihai, ZHANG Xiaoli, JIANG Bo, et al. Testing and evaluation method of fault location equipment based on traveling wave[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(1): 145-149.

[4] 薛永端, 徐丙垠, 李天友, 等. 配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)電 流接地故障暫態(tài)定位技術(shù)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2013, 33(12): 27-32.

XUE Yongduan, XU Bingyin, LI Tianyou, et al. Small- current grounding fault location based on transient signals of distribution automation system[J]. Electric Power Automation Equipment, 2013, 33(12): 27-32.

[5] 牛睿, 梁軍, 張峰, 等. 基于可變行波辨識(shí)時(shí)窗的單端故障定位方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(24): 56-64.

NIU Rui, LIANG Jun, ZHANG Feng, et al. Single-ended fault location method based on variable time windows for traveling wave identification[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(24): 56-64.

[6] 楊炎龍. 配電網(wǎng)故障定位研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2013.

[7] MORA-FLOREZ J, MELENDEZ J, CARRILLO- CAICEDO G. Comparison of impedance based fault location methods for power distribution systems[J]. Electric Power Systems Research, 2008, 78(4): 657-666.

[8] WANG Bin, DONG Xinzhou, LAN Lan, et al. Novel location algorithm for single-line-to-ground faults in transmission line with distributed parameters[J]. IET Generation Transmission & Distribution, 2013, 7(6): 560-566.

[9] 冀魯豫. 復(fù)雜配電網(wǎng)故障定位方法研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2011.

[10] 陳仕龍, 謝佳偉, 畢貴紅, 等. 一種特高壓直流輸電線路神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙端故障測(cè)距新方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(4): 257-264.

CHEN Shilong, XIE Jiawei, BI Guihong, et al.A novel two terminal fault location method used ANN for UHVDC transmission line[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(4): 256-264.

[11] 季濤. 基于暫態(tài)行波的配電線路故障測(cè)距研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2006.

[12] 張廣斌, 束洪春, 于繼來(lái), 等. 不依賴雙側(cè)時(shí)鐘同步的輸電線雙端行波測(cè)距[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(20): 199-209.

ZHANG Guangbin, SHU Hongchun, YU Jilai, et al. Double-ended travelling wave fault location independent[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(20): 199-209.

[13] 王陽(yáng), 曾祥軍, 黎銳烽, 等. 基于圖論的配電網(wǎng)故障行波定位新算法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2012, 36(18): 143-147.

WANG Yang, ZENG Xiangjun, LI Ruifeng, et al. A traveling wave fault location algorithm for distribution network based on graph theory[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(18): 143-147.

[14] 范新橋, 朱永利. 基于雙端行波原理的多端輸電線路故障定位新方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(1): 261-269.

FAN Xinqiao, ZHU Yongli. A novel fault location scheme for multi-terminal transmission lines based on principle of double-ended traveling wave[J]. Power System Technology, 2013, 37(1): 261-269.

[15] 朱永利, 范新橋, 尹金良. 基于三點(diǎn)電流測(cè)量的輸電線路行波故障定位新方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2012, 27(3): 260-269.

ZHU Yongli, FAN Xinqiao, YIN Jinliang. A new fault location scheme for transmission lines based on traveling waves of three measurements[J]. Power System Technology, 2012, 27(3): 260-269.

[16]梁睿, 靳征, 王崇林, 等. 行波時(shí)頻復(fù)合分析的配電網(wǎng)故障定位研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(28): 130-136.

LIANG Rui, JIN Zheng, WANG Chonglin, et al. Research of fault location in distribution networks based on integration of travelling wave time and frequency analysis[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(28): 130-136.

[17] 嚴(yán)鳳, 楊奇遜, 齊鄭, 等. 基于行波理論的配電網(wǎng)故障定位方法的研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 24(9): 37-43.

YAN Feng, YANG Qixun, QI Zheng, et al. Study on fault location scheme for distribution network based on traveling wave theory[J]. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(9): 37-43.

[18] 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.

[19] 張帆, 潘貞存, 馬琳琳, 等. 基于模量行波傳輸時(shí)間差的線路接地故障測(cè)距與保護(hù)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(10): 78-83.

ZHANG Fan, PAN Zhencun, MA Linlin, et al. Transmission line fault location and protection based on the gap between zero mode and aerial mode traveling wave propagation time[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(10): 78-83.

[20] 劉朕志, 舒勤, 韓曉言, 等. 基于行波模量速度差的配電網(wǎng)故障測(cè)距迭代算法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(8): 88-93.

LIU Zhenzhi, SHU Qin, HAN Xiaoyan, et al. An iterative fault location algorithm using the difference of wave velocity between zero mode component and aerial mode component of traveling wave[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(8): 88-93.

[21] 李傳兵, 譚博學(xué), 高鵬, 等. 基于 D 型行波原理T接線路故障測(cè)距方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2013, 41(18): 78-82.

LI Chuanbing, TAN Boxue, GAO Peng, et al. A fault location method for T-connection lines based on D-type traveling wave theory[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(18): 78-82.

[22] 于盛楠, 楊以涵, 鮑海. 基于C型行波法的配電網(wǎng)故障定位的實(shí)用研究[J]. 繼電器, 2007, 35(10): 1-4.

YU Shengnan, YANG Yihan, BAO Hai. Study on fault location in distribution network based on C-type travelling-wave scheme[J]. Relay, 2007, 35(10): 1-4.

[23] 周聰聰, 舒勤, 韓曉言. 基于線模行波突變的配電網(wǎng)單相接地故障測(cè)距方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2014, 38(7): 1973-1978.

ZHOU Congcong, SHU Qin, HAN Xiaoyan. A single- phase earth fault location scheme for distribution network based on mutation of line mode traveling wave[J]. Power System Technology, 2014, 38(7): 1973-1978.

[24] 馬士聰, 高厚磊, 徐丙垠, 等. 配電網(wǎng)故障定位技術(shù)綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2009, 37(11): 120-123.

MAO Shicong, GAO Houlei, XU Bingyin, et al. A survey of fault location methods in distribution network[J]. Power System Protection and Control, 2009, 37(11): 120-123.

[25] 施圍, 郭潔. 電力系統(tǒng)過(guò)電壓計(jì)算[M]. 2版. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[26]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): 700-706.

LIANG Rui, SUN Shixiang. A combined method of single-ended traveling wave fault location[J]. Power System Technology, 2013, 37(3): 700-706.

[27] 覃劍, 陳祥訓(xùn), 鄭建超. 行波在輸電線上傳播的色散研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 1999, 19(9): 27-35.

QIN Jian, CHEN Xiangxun, ZHENG Jianchao. Study on dispersion of travelling wave in transmission line[J]. Proceedings of the CSEE, 1999, 19(9): 27-35.

[28] 李友軍, 徐麗娜. 電力系統(tǒng)接地短路故障中零模分量的依頻關(guān)系分析[J]. 繼電器, 2007, 35(15): 4-8.

LI Youjun, XU Lina. Relationship between earth mode surge and frequency on power system earth fault[J]. Relay, 2007, 35(15): 4-8.

[29] 李學(xué)生, 盛洪江. 基于波速影響的零模行波研究[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2011, 31(6): 93-97.

LI Xuesheng, SHENG Hongjiang. Study of zero-mode traveling wave based on influence of wave velocity[J]. Electric Power Automation Equipment, 2011, 31(6): 93-97.

(編輯 周金梅)

A single-terminal fault location algorithm in distribution network for eliminating the effect of the velocity of zero-mode traveling wave

HE Xiao, LEI Yong, ZHOU Congcong, ZHOU Kai, WANG Peng

(School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Due to frequently occurred three-phase unbalanced loads in the ends of large number of branches in distribution networks, it is difficult to extract reflected wave of the fault point in the complex reflected and refracted waves using the traditional single-terminal traveling wave methods. Simultaneously the precision of the fault location methods based on the difference of wave velocity between zero-mode component and line-mode component of traveling waves and the one based on mutation of line-mode traveling wave are decided by the unstable zero-mode wave velocity. Therefore, a new approach is proposed by combining the above two methods to achieve higher efficiency and precision of measuring the fault distance and location. The presented method employs the correspondence between the detected zero-mode wave velocity and the fault distance to achieve the fault location algorithm which is not impacted by zero-mode wave velocity. The approach firstly detects difference of arrival time between the zero-mode traveling wave and line-mode traveling wave at the head end. And then post-injecting high voltage pulses into three phases simultaneously and detecting the arrival time of the first line-mode traveling wave head at the head end of the transmission line. Following, it employs the stable line-mode wave velocity to execute the measurement of the fault distance. Finally, PSCAD-based simulation shows that the absolute errors of this algorithm are less than 100 m in all cases, without influence from the fault location, grounding resistance and fault initial phase angle.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51407121).

distribution network; fault location; zero-mode traveling wave; wavelet transform; wave head

10.7667/PSPC152169

2015-12-14；

2016-03-28

何 曉( 1991-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備故障點(diǎn)檢測(cè)與定位；E-mail: xiao_he1008@163.com

雷 勇(1966-)，男，博士，教授，研究方向?yàn)殡姽だ碚撆c新技術(shù)、智能電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制、機(jī)器人等；E-mail: 420974017@qq.com

周聰聰(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)故障定位和電力系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)與處理。E-mail: zhoucongcong89@qq.com

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(51407121)