配電網(wǎng)行波信號(hào)的獲取方法研究

劉國(guó)棟，劉國(guó)樹 ，張 璇 ，朱建剛 ，李觀陽

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274000；2.山東理工大學(xué)智能電網(wǎng)研究院，山東 淄博 255000；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司膠州供電公司，山東 青島 266300）

0 引言

我國(guó)配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且多為架空線與電纜的混合線路。當(dāng)線路上發(fā)生故障時(shí)，不易排查，影響供電可靠性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響國(guó)家經(jīng)濟(jì)與國(guó)民生活，因此對(duì)線路故障進(jìn)行快速準(zhǔn)確定位具有重要意義。目前，應(yīng)用于配網(wǎng)故障測(cè)距的方法主要有基于穩(wěn)態(tài)量（阻抗法、故障分析法）和暫態(tài)量（行波法）的方法，基于穩(wěn)態(tài)量的故障測(cè)距方法由于受過渡電阻、故障類型、線路結(jié)構(gòu)以及互感器飽和影響較大，使得測(cè)距不準(zhǔn)確，而行波法克服了這一缺點(diǎn)。由于配電網(wǎng)線路短、架空電纜線路混合且分支較多，在這些阻抗不連續(xù)點(diǎn)無法正確識(shí)別故障點(diǎn)反射波，因此我們選擇只需識(shí)別故障初始行波波頭的雙端測(cè)距方法。利用行波法進(jìn)行故障測(cè)距，要解決的第一個(gè)問題就是暫態(tài)行波分量準(zhǔn)確提取的問題［1］。一般來說為節(jié)約投資，要充分利用線路上現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行行波分量的提取。配電線路母線處安裝有電流互感器，末端裝有電壓互感器，若電流互感器及電壓互感器能夠滿足獲取行波信號(hào)的要求，則不僅會(huì)大大減少投資，還會(huì)使測(cè)距裝置的安裝方便，為此我們對(duì)其行波傳變特性進(jìn)行分析。

本文分析了故障時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)電壓行波特征，得到故障信號(hào)對(duì)于傳播行波信號(hào)互感器的要求，并對(duì)線路上TA、TV的行波傳變特性進(jìn)行記證。結(jié)合配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使用圖論法分析了行波測(cè)距裝置的安裝位置。最后，以鐵路線路為例，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 故障產(chǎn)生暫態(tài)行波特性

1.1 暫態(tài)行波頻域特征

故障時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)行波是具有一定上升時(shí)間的直角波，其方程表示如式（1）：

利用MATLAB進(jìn)行分析，得其幅頻特性及相頻特性，如圖1所示。

圖1 故障產(chǎn)生暫態(tài)電壓行波頻率特性曲線

分析圖1可知，故障暫態(tài)行波頻譜連續(xù)，因此需要傳變行波的互感器有比較好的頻率特性。

1.2 對(duì)測(cè)量互感器的要求

為了能在互感器的二次側(cè)檢測(cè)到故障行波信號(hào)，理想情況下希望測(cè)量互感器能反映一次故障信號(hào)波形。但是在進(jìn)行行波測(cè)距時(shí)，我們只需要對(duì)初始行波波頭進(jìn)行檢測(cè)，因此對(duì)于測(cè)量互感器的要求并不那么嚴(yán)格。參考文獻(xiàn)［2］指出，互感器的截止頻率應(yīng)大于25 kHz，且行波在3.3 μs內(nèi)上升值不應(yīng)低于最大值的10%。

2 TA行波傳變特性分析

2.1 TA等效電路

TA工頻等效電路如圖2所示。其中，Lm為勵(lì)磁電感，Rm為鐵芯損耗，Rb為二次負(fù)載電阻，Lb為二次負(fù)載電感（含線圈電阻與漏感）。

由參考文獻(xiàn)［2］可知，TA的勵(lì)磁電感Lm隨頻率增大而減小，其損耗相應(yīng)增加。因此在等效TA高頻電路模型時(shí)，忽略Lm。而TA的二次繞組對(duì)地分布電容Cs吸收的電流隨頻率增加而增大，在等效TA高頻電路模型時(shí)，需要將其納入考慮，其高頻等效電路如圖3所示。

圖2 TA工頻等效電路

圖3 TA高頻等效電路

2.2 TA高頻信號(hào)傳變能力分析

為便于分析，這里我們采用自動(dòng)控制理論中的的黑盒子技術(shù)［3-7］，通過研究輸入輸出的頻域響應(yīng)，建立TA的傳輸函數(shù)模型，分析TA的高頻信號(hào)傳變能力。

由圖3，TA的高頻等效電路可得TA的電流傳輸函數(shù)為式（2）：

一般，Rm在數(shù)百歐姆左右，Cs在幾千皮法左右，Rb則根據(jù)二次回路所接負(fù)載變化而變化，數(shù)值一般在10 Ω 左右。這里我們 Rm取300 Ω，Cs取 2 000 pF，Rb取8 Ω，Lb取 3 mH。

圖4 TA的電流傳輸頻率特性曲線

利用MATLAB進(jìn)行頻域分析，得到其幅頻特性曲線如圖4所示。

分析圖4上3個(gè)特征點(diǎn)可知，其截止頻率（下降到輸入值的0.7倍時(shí)的頻率）為33 kHz，而在100 kHz的時(shí)候，TA依舊能傳輸31.5%的一次電流，根據(jù)1.2的分析可知，TA是能夠滿足行波測(cè)量要求的。

3 TV行波傳變特性分析

3.1 TV等效電路

在進(jìn)行TV對(duì)高頻信號(hào)響應(yīng)建模時(shí)，如果利用分布參數(shù)，會(huì)使分析變得極為復(fù)雜。由參考文獻(xiàn)［8］可知，利用電壓互感器集中參數(shù)模型分析其某一特性，會(huì)得到與實(shí)際相符的結(jié)果。其等效電路如圖5所示。

圖5 TV高頻簡(jiǎn)化等效電路

其中：L為互感器一次側(cè)漏感與折算到一次側(cè)的二次側(cè)漏感之和，C1為TV一次側(cè)的等效分布電容，C2為折算到一次側(cè)的二次側(cè)等效分布電容，Z2為折算到一次側(cè)的互感器二次側(cè)所接負(fù)載的波阻。

3.2 TV高頻傳變能力分析

由圖5 TV的高頻簡(jiǎn)化等效電路可得TV的電壓傳輸函數(shù)為式（3）：

由參考文獻(xiàn)［9］可知，TV一次側(cè)所接線路波阻Z1一般為幾百歐姆，二次側(cè)所接線路的波阻Z2一般為幾十到一百多歐姆。TV一次、二次繞組的漏感數(shù)值從電壓互感器生產(chǎn)廠家即可獲得。對(duì)于TV的等效分布電容，可以利用TV的結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)其相應(yīng)的分布電容計(jì)算得到。這里我們以實(shí)際應(yīng)用的TV 為例，Z1取 300 Ω，Z2取 150 Ω， 經(jīng)計(jì)算得 L 為23.571 mH，C1為 504 pF，C2為 5 pF。計(jì)算后得到其截止頻率為320 kHz，上升時(shí)間為3.5 μs， 根據(jù)1.2 μs的分析可知，TV是能夠滿足行波測(cè)量要求的。

4 測(cè)距裝置布點(diǎn)方案

在進(jìn)行完信號(hào)提取研究之后，就要進(jìn)行行波測(cè)距裝置的安裝工作。由于行波測(cè)距裝置設(shè)備價(jià)格昂貴，所以不能在配電網(wǎng)所有支路都安裝行波測(cè)距裝置，需要對(duì)行波測(cè)距裝置的安裝地點(diǎn)進(jìn)行選擇。

行波測(cè)距裝置能否可靠地檢測(cè)行波信號(hào)進(jìn)行故障測(cè)距，主要看其是否滿足可觀性的要求?？捎^性指在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，如果其任一支路發(fā)生故障，該故障產(chǎn)生的行波信號(hào)能被直接檢測(cè)或間接檢測(cè)，則稱該配電網(wǎng)是完全可觀測(cè)的［10］?？捎^測(cè)包括直接可觀和間接可觀。直接可觀，發(fā)生故障的線路末端安裝有行波檢測(cè)裝置；間接可觀，發(fā)生故障的線路末端沒有安裝行波檢測(cè)裝置，但是起于另一安裝有行波檢測(cè)裝置的線路之間分支節(jié)點(diǎn)數(shù)為1。

根據(jù)行波信號(hào)在配電網(wǎng)線路中的傳播特點(diǎn)，結(jié)合配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，我們采用基于圖論的行波測(cè)距配置方法，配電網(wǎng)中的各個(gè)設(shè)備用圖6來表示。

圖6 配電網(wǎng)拓?fù)鋱D

其中：AB 稱為主饋線，Ca、Dc、Ed 等稱為單一分支，F(xiàn)b稱為多分支。

為滿足可測(cè)性的要求，主饋線兩端必須安裝行波測(cè)距裝置；為節(jié)省投資，單一分支節(jié)點(diǎn)末端不需安裝行波測(cè)距裝置，多分支節(jié)點(diǎn)視情況選擇其中某分支節(jié)點(diǎn)末端安裝。

以圖7配電網(wǎng)實(shí)例進(jìn)行分析，驗(yàn)證優(yōu)化方法的正確性。

在圖7所示的中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng)中，A、B 安裝行波測(cè)距裝置，C、D 不安裝，E、F 選擇其一安裝，這里我們選擇E進(jìn)行安裝，根據(jù)行波在母線處電流行波明顯、線路末端電壓行波明顯以及配網(wǎng)中電壓互感器、電流互感器的安裝位置，采取母線處使用電流行波，線路末端使用電壓行波的雙端測(cè)距方案。在Fd之間設(shè)置U相接地故障，利用ATP進(jìn)行仿真，得到各個(gè)測(cè)距裝置安裝點(diǎn)仿真結(jié)果如圖8－10所示。

圖7 簡(jiǎn)單配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖8 E端U相電壓行波

圖9 B端U相電壓行波

圖10 A端電流行波

由圖 9、圖 10、圖 10（a）、圖10（b）可知，當(dāng)在 0.05 s發(fā)生U相接地故障以后，B、E端U相電壓發(fā)生突變，A端電流發(fā)生突變。因此可以根據(jù)檢測(cè)到故障信號(hào)的時(shí)間結(jié)合雙端測(cè)距原理進(jìn)行故障測(cè)距，即該方法可用。

5 仿真分析

5.1 鐵路線路結(jié)構(gòu)

鐵路電力系統(tǒng)工作于電網(wǎng)的末端，屬于供配電環(huán)節(jié)，影響著鐵路行車安全，自閉／貫通線路是鐵路電力系統(tǒng)的重要組成部分，因此對(duì)其供電可靠性有著更高的要求。與一般的配電網(wǎng)相比，鐵路距離更長(zhǎng)，一般約為40～60 km左右，特殊情況下能達(dá)上百公里，且供電線路呈線狀，無分支，接線相對(duì)簡(jiǎn)單，當(dāng)使用行波法進(jìn)行故障測(cè)距時(shí)，影響其測(cè)距精度的因素更少，因此在鐵路中更適合用行波法進(jìn)行故障測(cè)距。

由參考文獻(xiàn)［11］可知，10 kV鐵路自閉／貫通線路電壓電流互感器配置如圖11所示。

圖11 自閉／貫通線路電壓電流互感器配置圖

母線處裝有三相TV，以測(cè)量母線三相對(duì)地電壓。出線處裝有兩相TA（U相和W相），同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)失壓備自投，出線處還裝有TV，以測(cè)量線路上電壓。

5.2 仿真分析

根據(jù)濟(jì)南段萊蕪東-新汶所線路中的一段線路搭建仿真模型，如圖12所示。該區(qū)間線路長(zhǎng)度近60 km，混接線路，全線電纜有43段，架空線45段，比較復(fù)雜。線纜材質(zhì)為鋼芯鋁絞線，架空線多為L(zhǎng)GJ-50裸線，夾雜少量JKLGYJ-50絕緣線，電纜多為 YJV22-10kv／3*70。

圖12 線路示意圖

這里我們選取萊蕪東到萊鋼箱變這一段利用MATLAB搭建單相接地故障的仿真模型，其中測(cè)距裝置分別安裝在萊蕪東所和萊鋼箱變處，在萊蕪東所選擇電流行波為測(cè)距信號(hào)，在萊鋼箱變選擇電壓行波作為測(cè)距信號(hào)。

其仿真波形圖如圖13－16所示。

圖13 TA一次側(cè)電流波形

圖14 TA二次側(cè)電流波形

圖15 TV一次側(cè)電壓波形

圖16 TV二次側(cè)電壓波形

從以上4個(gè)圖形分析可知，在行波測(cè)距裝置安裝處均能檢測(cè)到故障行波信號(hào)，且當(dāng)電流行波信號(hào)經(jīng)過TA、電壓行波信號(hào)經(jīng)過TV后均保持原來波形不失真，因此本文所提方法可行。

6 結(jié)論

通過分析TA、TV的等值電路得到的傳遞函數(shù)，得到TA、TV均能有效傳變故障行波波頭信號(hào)。因此在配電網(wǎng)中使用行波法進(jìn)行故障測(cè)距時(shí)，可以利用線路上現(xiàn)有的TA、TV來獲取行波信號(hào)。在配電網(wǎng)中使用圖論法研究行波測(cè)距裝置的安裝位置，采用單分支線路上不安裝、多分支線路上選擇性安裝、主饋線兩端都安裝行波測(cè)距裝置的方案，并結(jié)合配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)選擇行波測(cè)距方案的測(cè)距方法具有可行性。

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