基于TWACS的配電網(wǎng)故障定位算法研究

王建元，邢春陽(yáng)，胡躍旭，鞠默欣

（1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林132012；2.吉林省電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春130600）

0 引 言

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，由于配電線路長(zhǎng)期處在惡劣的環(huán)境中和線路本身的質(zhì)量等問(wèn)題，以致線路故障越來(lái)越頻繁地發(fā)生。目前，國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)依然是靠人工巡線的方法進(jìn)行故障定位，只有部分裝設(shè)有配電網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備的地區(qū)才能有效地隔離故障，但是不能確定故障發(fā)生的位置，為了盡快排除故障恢復(fù)供電，配電網(wǎng)故障測(cè)距的研究變得更有意義。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于配電網(wǎng)故障定位方法［1］的研究已取得顯著成果，從原理上可以劃分為兩大類，分別為數(shù)值計(jì)算定位法［2］和監(jiān)測(cè)定位法［3－4］。數(shù)值計(jì)算定位法只是在理論研究的基礎(chǔ)上，在配電網(wǎng)中選取測(cè)量點(diǎn)，根據(jù)測(cè)量點(diǎn)所記錄的信息，從各種干擾信息中提取豐富的故障信息的方法。文獻(xiàn)［5］所提到的雙端量測(cè)距方法利用故障后故障區(qū)段的電壓電流的信息構(gòu)造測(cè)距方程，避免了過(guò)渡電阻對(duì)測(cè)距精度的影響。文獻(xiàn)［6］中的小波包分析法利用信號(hào)相關(guān)性進(jìn)行故障定位，十分具有理論價(jià)值。國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)還采用監(jiān)測(cè)定位法，通過(guò)在分結(jié)點(diǎn)安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)監(jiān)測(cè)故障信息，從而進(jìn)行有效地故障切除和定位，文獻(xiàn)［3］中的光纖傳感器是通過(guò)故障后分結(jié)點(diǎn)的零序電容電流信息來(lái)確定故障區(qū)段，然后通過(guò)繼電設(shè)備切除故障區(qū)段。以上各種方法中很少考慮到數(shù)據(jù)信息的傳輸問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題需要考慮投資和方法的實(shí)用性，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)定位法投資比較大，只能測(cè)出故障分支不能確定故障位置。在復(fù)雜的配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，沒(méi)有裝設(shè)故障定位的裝置，只能記錄供電端的信息，為了減少故障信息傳輸?shù)耐顿Y，并能利用故障發(fā)生時(shí)變電所記錄的信息進(jìn)行準(zhǔn)確定位，達(dá)到工程上的要求。文獻(xiàn)［7］提出了一種新型通信技術(shù)TWACS，信號(hào)可以直接跨越變壓器臺(tái)區(qū)實(shí)現(xiàn)兩方的直接通信。與通信載波方法相比，它不需要中間設(shè)備，可以節(jié)省很大成本，而且這種技術(shù)不受饋線結(jié)構(gòu)、電容和變壓器繞組結(jié)構(gòu)的限制，信號(hào)衰減很小，抗干擾能力強(qiáng)，可以傳輸故障信息。

采用文獻(xiàn)［7］中的TWACS技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高精度的故障定位，結(jié)合單位正序差流有效值法和基于參數(shù)檢測(cè)的雙端故障測(cè)距算法準(zhǔn)確地進(jìn)行故障定位。把這種方法應(yīng)用到國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)中將很大程度上提高效率以及降低成本，產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益。

1 TWACS通信技術(shù)原理

雙向工頻自動(dòng)通信（TWACS）是近些年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，它利用在基頻電壓過(guò)零點(diǎn)處對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，以50 Hz作為信號(hào)的載波頻率通道，可以有效地跨越變壓器的限制，通過(guò)在入站通道調(diào)制電流信號(hào)，在出站通道調(diào)制電壓信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)雙向工頻通信。

對(duì)于出站信號(hào)，此處以兩個(gè)完整的電壓波形作為一個(gè)調(diào)制信號(hào)的周期，在其中一個(gè)波形的過(guò)零點(diǎn)前30°時(shí)，導(dǎo)通晶閘管對(duì)波形進(jìn)行畸變，由于此處電壓過(guò)高，因此需要在調(diào)制電路中添加隔離變壓器，利用調(diào)制位置的不同攜帶不同的信號(hào)，分別為“0”或者“1”（見(jiàn)圖1），若兩個(gè)周波都無(wú)調(diào)制信號(hào)，那么表示無(wú)信息。目前，出站信號(hào)的解調(diào)主要采用時(shí)域方法，本文采用差分算法和閾值判斷的方法進(jìn)行解調(diào)。

圖1 出站信號(hào)的編碼方式Fig.1 Encoding mode of the outbound signal

對(duì)于入站信號(hào)的調(diào)制原理與出站信號(hào)的調(diào)制原理基本相同，都是通過(guò)晶閘管的導(dǎo)通來(lái)調(diào)制信號(hào)，兩者之間的不同在于入站信號(hào)的調(diào)制是通過(guò)電流畸變來(lái)攜帶信號(hào)。入站信號(hào)的調(diào)制處在用戶低壓端，因此不需要使用隔離變壓器。對(duì)于入站信號(hào)的編碼相對(duì)比較復(fù)雜，需要四個(gè)周波作為一個(gè)調(diào)制單元，相互對(duì)應(yīng)的“0”或“1”碼圖一共有 18組，如果在 1、2、3、4位置進(jìn)行調(diào)制表示信息位為“1”，那么在5、6、7、8位置進(jìn)行調(diào)制表示信息位為“0”，編碼示意圖如圖2所示。對(duì)于入站信號(hào)的解調(diào)，由于調(diào)制信號(hào)比較微弱，所以相對(duì)比較困難，需要先把電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，再使用FIR濾波器處理信號(hào)，然后采用相干解調(diào)法進(jìn)行解調(diào)。

圖2 入站信號(hào)的編碼示意圖Fig.2 Encoding mode schematic diagram of the inbound signal

2 單位區(qū)段正序差流有效值法

對(duì)于配電網(wǎng)接地系統(tǒng)存在零序電流，可以根據(jù)區(qū)段零序差流法檢測(cè)到故障區(qū)段，進(jìn)而確定故障的位置。但是對(duì)于兩相短路和三相短路等故障，不存在零序電流，故區(qū)段零序差流法不能適用于所有的故障類型?？紤]到各類故障都存在正序電流，故可以采用正序電流進(jìn)行檢測(cè)。針對(duì)多分支配電網(wǎng)傳統(tǒng)的零序電流比幅法［8］測(cè)量精度不夠高，主要原因是在配電網(wǎng)具有多分支線路的情況下，非故障線路與故障線路的零序電流幅值差別不是很明顯，且沒(méi)有較強(qiáng)的規(guī)律性，因此容易導(dǎo)致誤判。為了提高區(qū)間定位精度，本文首先提出利用各區(qū)段“差流”與長(zhǎng)度的比值來(lái)拉大非故障線路與故障線路之間的差距，使得判據(jù)更加明顯，其公式如下：

單一的單位零序電流法也存在著一定的缺陷，它只能反映某單一時(shí)刻或者某些時(shí)刻的故障零序電流，在此本文結(jié)合零序電流有效值法來(lái)提高故障區(qū)段定位的準(zhǔn)確度。針對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)會(huì)存在大量的非周期分量以及多次、高次諧波，因此用單一的對(duì)稱分量法不能滿足計(jì)算要求，本文在對(duì)稱分量法的基礎(chǔ)上采用全周波傅式算法［9］進(jìn)行序分量計(jì)算，零序、正序和負(fù)序分量計(jì)算公式如下：

式中 xak、xbk、xck為各相采樣值；N為一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)；Wk、Wk′、Wk“的計(jì)算公式如下：

針對(duì)以上得到的數(shù)據(jù)利用離散的有效值公式來(lái)計(jì)算正序電流有效值，根據(jù)各區(qū)段電流有效值與平均值的比值Tk1進(jìn)行故障區(qū)段判斷：

由故障時(shí)電流特征可知故障區(qū)段的Tk1最大，這樣通過(guò)比較Tk1的大小就可確定故障區(qū)段。

3 基于參數(shù)檢測(cè)的雙端故障測(cè)距算法

3.1 故障測(cè)距計(jì)算

在配電網(wǎng)中參數(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)計(jì)算結(jié)果極為重要，本文采用分布參數(shù)模型［10］進(jìn)行故障測(cè)距研究，以減小誤差?，F(xiàn)以單相為例，其故障后的模型如圖3所示。

圖3 發(fā)生故障后的參數(shù)模型Fig.3 Model parameters after the fault happens

圖中Zm、Zn分別為系統(tǒng)阻抗；l為線路總長(zhǎng)度；Vm、Vn為 M、N端的電壓，Im、In分別為 M、N端的電流。

根據(jù)線路分布參數(shù)模型可知故障點(diǎn)f的電壓向量，得到：

由以上兩式可以得到測(cè)距公式如下：

式中i可取正序分量或正序故障分量，通過(guò)上式可測(cè)各類型的故障距離。

3.2 線路參數(shù)和非同步角計(jì)算

在配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，電氣量只存在正序分量，因此可采用正序分量計(jì)算兩端的非同步角，計(jì)算公式如下：

在故障測(cè)距的計(jì)算公式中傳播常數(shù)γ、波阻抗Zc的準(zhǔn)確度直接影響到測(cè)距的精度，然而這些參數(shù)容易受到外部因素的影響，因此需要對(duì)這些參數(shù)［11－12］進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，以確保測(cè)距的準(zhǔn)確性，在得到非同步角的基礎(chǔ)上，可由線路模型得到相應(yīng)序分量的γ和Zc。

4 算例分析

為了驗(yàn)證以上所述方法的有效性，現(xiàn)采用MATLAB／SIMULINK進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真采樣。所選的線路參數(shù)如表1所示。

表1 線路參數(shù)Tab.1 Line parameters

建立如下模型，以C相接地故障為例，如圖4所示。

圖4 仿真簡(jiǎn)化模型Fig.4 Simplified model of simulation

模型中M端表示發(fā)電機(jī)端，N表示用戶端，1、2、3…7表示配電網(wǎng)中的7個(gè)分支。仿真采樣頻率為5 000 Hz，即每個(gè)周波采樣100個(gè)點(diǎn)。在N端設(shè)置調(diào)制模塊，本次仿真中只對(duì)A相電流進(jìn)行調(diào)制，設(shè)定用戶端入站信號(hào)的調(diào)制信號(hào)為“1011”，調(diào)制波形如圖5所示。當(dāng)未發(fā)生故障時(shí)，首先對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加噪處理，由于存在噪聲和諧波，需要用FIR濾波器來(lái)提取信號(hào)，然后用數(shù)字差分算法對(duì)提取到的信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，最后求和并根據(jù)相干解調(diào)法的閾值判斷準(zhǔn)則得到信號(hào)，解調(diào)過(guò)程如圖6。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)信號(hào)的輸出結(jié)果如圖7。

圖5 電流調(diào)制波形圖Fig.5 Waveform diagram of current modulation

圖6 未發(fā)生故障時(shí)的解調(diào)結(jié)果Fig.6 Demodulation result when a failure doesn’t occur

圖7 發(fā)生故障后的解調(diào)結(jié)果Fig.7 Demodulation result when a failure occurs

對(duì)比圖6和圖7的解調(diào)結(jié)果，可以看出故障檢測(cè)的信號(hào)幅值不滿足閾值判斷條件，因此可以判斷出故障是否發(fā)生。

根據(jù)單位區(qū)段正序差流有效值法可以得到各區(qū)段的有效值如表2～表3所示。

表2 過(guò)渡電阻為0Ω發(fā)生單相接地故障Tab.2 Single-phase ground fault occurs when transition resistance is equal to 0Ω

表3 過(guò)渡電阻為100Ω發(fā)生單相接地故障Tab.3 Single-phase earth ground occurs when transition resistance is equal to 100Ω

由以上兩表可以準(zhǔn)確判斷出故障發(fā)生在區(qū)段5，而且該方法不受過(guò)渡電阻的影響。

采用區(qū)段5故障前一周波的數(shù)據(jù)按照以上公式計(jì)算非同步角以及其他參數(shù)，由于故障剛發(fā)生后有各種復(fù)雜的諧波和衰減直流分量，因此選擇遠(yuǎn)離故障發(fā)生的時(shí)刻以提高精度，采用故障發(fā)生后線路兩端第三個(gè)周波的正序基頻分量進(jìn)行故障測(cè)距計(jì)算。表4給出了不同過(guò)渡電阻、不同故障實(shí)際距離情況下的測(cè)量結(jié)果。

表4 故障測(cè)距仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results of fault location

5 結(jié)束語(yǔ)

以多種方法為基礎(chǔ)，提出基于TWACS通信技術(shù)的配電網(wǎng)故障定位算法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）通過(guò)對(duì)比雙向工頻通信系統(tǒng)和電力線載波通信系統(tǒng)，其特殊的優(yōu)點(diǎn)，能夠在配電網(wǎng)絡(luò)中得到很好的應(yīng)用，大大提高效率，同時(shí)也能降低通信成本；

（2）單位區(qū)段正序差流有效值法既可以加大非故障線路和故障線路的差距，也能通過(guò)傅式算法消除三相電壓、電流中含有大量的多次、高次諧波和非周期分量，還能利用一個(gè)周期內(nèi)所有數(shù)據(jù)的有效值來(lái)減小誤差；

（3）非同步角和實(shí)時(shí)參數(shù)對(duì)雙端測(cè)距十分關(guān)鍵，本文采用基于參數(shù)檢測(cè)的雙端故障測(cè)距算法，考慮了這幾種參數(shù)對(duì)故障定位的影響，在最大程度上減小了誤差，滿足實(shí)際工程的需要。