小型水電站配電線路斷線故障自動檢測方法研究

朱振洪，孫 輝，馬偉偉

（1.國網浙江余姚市供電有限公司，浙江余姚 315400；2.余姚市宏宇輸變電工程有限公司，浙江 余姚 315400）

水電站能夠將水的位能和動能轉換成電能。一旦水電站出現故障，將會對配電工作造成很大的阻礙。常見的故障類型是水電站的配電線路問題，其易導致水電站的部分驅動指令中斷，以至于難以完成水電站的正常工作[1-2]。

傳統(tǒng)的小型水電站配電線路斷線故障自動檢測應用小波檢測方法，但由于小波變換方法主要管理電路信號的波動，對于線路電壓的靈敏性不高，導致其在水電站配電線路斷線故障診斷過程中易出現診斷偏差[3-4]。為此，該文根據小型水電站配電線路斷線的基本類型和常見故障情況出發(fā)，設計一種新的水電站配電線路斷線故障自動檢測方法。

1 線路斷線故障分析

小型水電配電線路主要具備的性質是電流、電壓、電勢、電阻、等效阻抗等，以上所有性質相互影響。其中最能判斷線路運行狀態(tài)的是電壓，其他性質沒有電壓相同的影響力[5]。因此，該文通過水電站配電線路的電壓變化情況判斷線路斷線的故障類型。

小型水電站結構如圖1 所示。常見的水電站配電線路斷線故障分為單線斷線故障和多線斷線故障[6-7]。

圖1 小型水電站結構

1.1 配電線路單線斷路故障分析

小型水電站配電線路單線斷線故障的本質是在水電站配電線路內部，只存在串聯電路所在的支路故障，并且此支路對線路內其他支路的正常運行影響小或者不存在影響。因此，針對單線斷線故障來說，其故障類型下電壓的變化特征通過電壓值、電壓值與干路的零序電壓的關系、支路電壓與干路負荷電壓的關系表現出來[8]。單線斷線故障檢測線路如圖2所示。

圖2 單線斷線故障檢測線路

在水電站配電線路所有支路中，當某一條支路的電壓為0 或者為極限值，定義該支路為故障線路[9-10]。

如果在一個故障線路中，所有支路的電壓值正常，那么需要進一步判斷每個支路的電壓值和干路的零序電壓的數值比例，正常線路中兩者比例為1∶1。如果存在單線斷線故障，那么兩者比例為1∶2。

當線路的支路電壓值正常和電壓值與零序電壓的比值正常時，需要繼續(xù)判斷線路的負荷電壓，配電線路出現斷線故障時，線路負荷電壓的數值會增加，通過電壓靈敏器測量線路的負載電壓值，正常的負荷電壓和各個支路的電壓比值為0.5∶1，當存在線路故障的支路電壓與負荷電壓的比值達到3∶1 時，該支路為故障支路，線路的故障類型為水電站配電線路的單線故障[11-12]。

1.2 配電線路多線斷路故障分析

在小型水電站配電線路的斷線故障中，多線斷線故障比單線斷線故障發(fā)生的概率大，解決起來更加困難。

配電線路多線斷線故障是指線路內存在干路故障或者多條干路和支路共同出現故障。其形成的本質是線路內多個支路和干路相當于直接負荷，電流全部為0，電源側電壓維持故障前水平不變，負荷側電壓消失。

為此，該文根據水電站配電線路內各個干路和支路的電壓值進行線路多線斷線故障的分析。因為在配電線路發(fā)生多線斷線故障時，線路的負荷電壓失去意義不會發(fā)生波動[13-14]，因此該文不用考慮負荷電壓的影響。

線路內多條支路出現故障，斷線點位置就無法正常進行電壓的傳輸，此條線路的相位值會立即升高，線路的電壓相位變化差值超過規(guī)定范圍，此線路為多線斷線故障[15]。配電線路多線斷線故障檢測如圖3 所示。

根據圖3 可知，出現多線斷線故障時，總線路內會出現大量富余電壓，總線路電源電壓的值就會小于正常電壓，線路內的偏移電壓也會隨之增大，其幅度值與線路正常狀態(tài)有直接關系，線路內部的多線斷線故障會直接降低偏移電壓和線路電壓的利用率。在此基礎上，分析電源電壓與正常的電壓是否存在數值差距，如果存在數據差值，需要觀察干路電壓相位變化差值。

圖3 配電線路多線斷線故障檢測

2 配電線路斷線故障自動檢測方法

水電站配電線路斷線故障發(fā)生時內部會產生一個非基頻率的暫態(tài)信號，檢測設備如圖4 所示。

圖4 水電站配電線路斷線故障檢測設備

該文通過希爾伯特-黃變換算法確定線路是否發(fā)生故障，通過經驗模態(tài)分解算法確定線路斷線的故障點位置。

希爾伯特-黃變換算法是一個非線性的信號處理算法，十分適合用于對線路進行分析，具有高強度的計算能力[16]。對收集到的線路非基頻率暫態(tài)信號進行變換計算，計算出每個信號周期內的瞬時頻率和振幅，希爾伯特-黃變換算法對分析的非基頻率暫態(tài)信號具有一定的標準，主要標準為信號的局部極值點、信號周期長度相同，信號的每個區(qū)域內的最大極值點不超過暫態(tài)信號的上下包絡值。該算法將線路內的非基頻率信號進行隨機分段，然后對每段信號進行分解，具體分解過程如下：

其中，rn表示非基頻信號的電阻值；di表示計算基頻率信號的電勢值。

提取分解的暫態(tài)信號中的局部極大值、局部極小值，然后計算每段信號的上下包絡值，計算公式如下：

其中，m表示包絡值；a(t) 表示線路電壓的振幅；ei是判斷系數。

以上公式計算出的包絡值如果不滿足上文設定的局限規(guī)定，那么重新進行信號分解，計算包絡值。然后根據每段線路信號的包絡值、局部極值，計算出每段線路的瞬時頻率，如果所有的瞬時頻率誤差在0.5 rad/s 內，那么該水電站配電線路沒有故障，相反則存在故障。

在通過希爾伯特-黃變換算法檢測線路是否存在斷線故障的基礎上，根據電路的非基頻率信號分析結果，得出信號每周期的特征時間尺度，提取信號時間尺度，檢測異常波動尺度，該區(qū)域是水電站配電線路斷線的故障區(qū)域。

配電站和用戶之間的關系如圖5 所示。

圖5 配電站和用戶之間的關系

小型水電站配電線路斷線故障自動檢測工作流程如圖6 所示。

圖6 斷線故障自動檢測工作流程

1）通過專業(yè)儀器測量小型水電站配電線路內各個介質的數值，根據希爾伯特-黃變換算法計算線路內其他隱含介質的數值，對小型水電站配電線路進行故障檢測，判斷線路是否存在故障，如果存在故障，則需要判斷線路的故障類型；

2）分析小型水電站配電線路故障類型，根據線路內各個支路的電壓和干路介質的數值比較，確定是否滿足配電線路單線斷線故障的特征和多線斷線故障的特征；

3）確定好小型水電站配電線路斷線的故障類型后，根據經驗模態(tài)分解方法分析出配電線路內故障所處的區(qū)域，完成小型水電站配電線路斷線故障的自動檢測工作。

3 實驗研究

為驗證上述小型水電站配電線路斷線故障自動檢測方法的有效性，將其與傳統(tǒng)的檢測方法進行實驗對比。選用的傳統(tǒng)方法分別為基于配電網雙端信息融合的單相斷線故障實時監(jiān)測方法、基于形態(tài)學-小波的接觸網斷線故障檢測方法。

實驗參數如表1 所示。

表1 實驗參數

該文利用3種檢測方法同時針對配電線路單線斷線故障和配電線路多線斷線故障進行檢測。配電線路單線斷線故障電流啟動判斷計算值曲線如圖7所示。

根據圖7 可知，定義的配電線路故障定值為0.5 kA，通過判斷計算，分析發(fā)生斷線故障之后，線路會啟動保護條件，該文提出的小型水電站配電線路斷線故障自動檢測方法啟動保護條件的時間為5 ms，傳統(tǒng)方法分別為基于配電網雙端信息融合的單相斷線故障實時監(jiān)測方法啟動保護條件的時間為40 ms，基于形態(tài)學-小波的接觸網斷線故障檢測方法啟動保護條件的時間為80 ms。

圖7 單線斷線故障電流啟動判斷計算值曲線

配電線路斷多線斷線故障電流啟動判斷計算值曲線如圖8 所示。

圖8 多線斷線故障電流啟動判斷計算值曲線

根據圖8 可知，該文提出的小型水電站配電線路斷線故障自動檢測方法啟動保護條件的時間為8 ms，傳統(tǒng)方法中，分別為基于配電網雙端信息融合的單相斷線故障實時監(jiān)測方法啟動保護條件的時間為70 ms，基于形態(tài)學-小波的接觸網斷線故障檢測方法啟動保護條件的時間為94 ms。

綜上所述，該文提出的小型水電站配電線路斷線故障自動檢測方法能夠通過故障電流的啟動時間來檢測故障特征，靈敏度更高，適用性更強。除此之外，該文提出的檢測方法還能夠有效判定故障區(qū)域，因此檢測效果更好。

4 結束語

該文針對小型水電站配電線路中存在的單線和多線斷線故障類型進行分析，從而提取配電線路斷線故障特征，總結線路斷線故障的自動檢測流程。實驗結果表明，該方法提高了檢測精度和速度，能夠促進小型水電站配電線路故障自動檢測技術的發(fā)展。