基于行波法的低壓臺(tái)區(qū)低壓故障停電報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 琳

(國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司 伊春供電公司，黑龍江 伊春 153000)

電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性對(duì)于人們的正常生活工作產(chǎn)生重要影響，低壓臺(tái)區(qū)低壓電網(wǎng)通常具有較長(zhǎng)線路[1]，由此導(dǎo)致其負(fù)荷性質(zhì)繁雜，極易受外界外力因素破壞等因素導(dǎo)致不同短路、斷線、過(guò)載、接地等故障造成停電[2]。因此，研究一種有效機(jī)制實(shí)現(xiàn)低壓臺(tái)區(qū)低壓故障停電報(bào)警具有重要意義。阿遼沙·葉等[3]通過(guò)對(duì)比電網(wǎng)數(shù)據(jù)終端與電能表停上電數(shù)據(jù)判斷停電原因并報(bào)警；徐銘銘等[4]利用停電發(fā)生概率以及停電嚴(yán)重程度的重復(fù)多發(fā)性等指標(biāo)實(shí)現(xiàn)停電報(bào)警；李澤文等[5]提出基于隨機(jī)共振—固有時(shí)間尺度分解的行波信號(hào)檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)停電報(bào)警。本文以提升停電報(bào)警效率，縮短故障報(bào)修時(shí)間，保障低壓臺(tái)區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定為目的，設(shè)計(jì)基于行波法的低壓臺(tái)區(qū)低壓故障停電報(bào)警系統(tǒng)。

1 低壓臺(tái)區(qū)低壓故障停電報(bào)警系統(tǒng)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

基于行波法的低壓臺(tái)區(qū)低壓故障停電報(bào)警系統(tǒng)的拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 低壓臺(tái)區(qū)低壓故障停電報(bào)警系統(tǒng)的拓?fù)銯ig.1 Topology diagram of low voltage fault power failure alarm system in low voltage station area

圖1中，PSTN為公用電話交換網(wǎng)[6]，屬于一類具備模擬技術(shù)的電路轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)。PSTN的通信成本小，電路轉(zhuǎn)換的網(wǎng)絡(luò)帶寬使用率較??；斷電報(bào)警器能夠在低壓臺(tái)區(qū)低壓故障停電時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)呼出報(bào)警信息；CTI服務(wù)器屬于系統(tǒng)的調(diào)度部門[7]，管理系統(tǒng)報(bào)警信息的呼入與呼出；用戶能夠在Web服務(wù)器登錄本文系統(tǒng)；短信貓能夠發(fā)出報(bào)警信息?；谛胁ǚǖ牡蛪号_(tái)區(qū)低壓故障停電報(bào)警系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)Fig.2 Hierarchical structure of the system

圖2中，接入層的功能是低壓臺(tái)區(qū)低壓故障信號(hào)的檢測(cè)、報(bào)警電話的呼叫接入；流程控制層能夠設(shè)置停電報(bào)警的流程，可管理報(bào)警器的響應(yīng)條件與報(bào)警后的相關(guān)電網(wǎng)保護(hù)措施[8]；業(yè)務(wù)邏輯層主要服務(wù)于用戶，響應(yīng)用戶的呼叫指令。流程控制層中自動(dòng)報(bào)警模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自動(dòng)報(bào)警模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of automatic alarm module

(1)零序電流檢測(cè)器。低壓臺(tái)區(qū)低壓故障停電時(shí)，電流零序分量電流進(jìn)入自動(dòng)報(bào)警模塊，通過(guò)自動(dòng)報(bào)警模塊中二次電流互感器TA傳輸至過(guò)流檢測(cè)器，通過(guò)過(guò)流檢測(cè)器分辨零序電流是否大于閾值。

(2)主控制器。主控制器獲取過(guò)流檢測(cè)器傳輸?shù)男盘?hào)后，執(zhí)行延時(shí)操作，主控制器使用調(diào)制解調(diào)器Modem往流程控制層發(fā)送報(bào)警信號(hào)[9]。

1.2 基于多點(diǎn)電流測(cè)量的輸電線路行波故障定位

故障信息監(jiān)測(cè)模塊采用基于多點(diǎn)電流測(cè)量的輸電線路行波故障定位方法實(shí)現(xiàn)故障信息定位。使用羅氏電流互感器獲取低壓臺(tái)區(qū)低壓下的電流行波數(shù)據(jù)源[10]，使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把獲取的故障電流行波數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心主機(jī)。監(jiān)控中心故障定位模塊需要分辨相鄰測(cè)點(diǎn)中每項(xiàng)電流的相位關(guān)聯(lián)性，完成故障點(diǎn)定位。然后將每個(gè)測(cè)點(diǎn)存在的故障初始行波到達(dá)時(shí)間實(shí)施時(shí)序有效性檢驗(yàn)。根據(jù)中間故障范圍選取標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置用來(lái)定位故障的兩端測(cè)點(diǎn)，通過(guò)不存在故障線路和兩端測(cè)點(diǎn)獲取有效行波到達(dá)時(shí)間在線運(yùn)算獲取故障行波波速，最終使用雙端行波定位原理定位故障點(diǎn)。

1.2.1 故障范圍定位

根據(jù)基于電流故障分量的分相電流相位差動(dòng)方法，對(duì)比近鄰TA中電流故障分類的相位關(guān)聯(lián)性，以此定位故障范圍。

電力故障分量ΔJ的計(jì)算方法是：

ΔJ=Jg-JL

(1)

式中，Jg、JL分別為存在故障的電流與正常電流。

運(yùn)算電流故障分量前，使用突變量檢測(cè)算法分辨故障出現(xiàn)的時(shí)間，使用一定周期的電流采樣值通過(guò)式(1)運(yùn)算獲取電流故障分量、電流故障分量的基波相位。若近鄰測(cè)點(diǎn)中運(yùn)算獲取的某相電流故障分量的相位值依次是Δq1與Δq2，使用式(2)分辨故障相別與故障出現(xiàn)在近鄰測(cè)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的概率。

|Δq1-Δq2|≤Δqth

(2)

若相位差|Δq1-Δq2|≤閾值Δqth，則此相故障，故障點(diǎn)處于兩個(gè)測(cè)點(diǎn)范圍中。

1.2.2 波速在線檢測(cè)

將最相近故障點(diǎn)兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)設(shè)成首級(jí)測(cè)點(diǎn)，往線路兩側(cè)延伸和首級(jí)測(cè)點(diǎn)近鄰的測(cè)點(diǎn)設(shè)成第2級(jí)測(cè)點(diǎn)，同理能夠獲取第m級(jí)測(cè)點(diǎn)。

定位故障點(diǎn)后，使用首級(jí)與第2級(jí)測(cè)點(diǎn)間線路段運(yùn)算波速，前提是使用的測(cè)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果存在有效性。第2級(jí)測(cè)點(diǎn)設(shè)為NK-1，首級(jí)測(cè)點(diǎn)設(shè)為NK，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)獲取的故障初始行波抵達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間差設(shè)為ΔhK。NK-1與NK間線路長(zhǎng)度設(shè)為cK。故障行波波速u的運(yùn)算方法為：

(3)

1.2.3 故障距離運(yùn)算

故障距離是故障點(diǎn)至用來(lái)定位的線路段始端測(cè)點(diǎn)的距離。若近鄰測(cè)點(diǎn)間線路長(zhǎng)度差異不大，使用第2級(jí)測(cè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)故障定位。

鄰近測(cè)點(diǎn)間線路長(zhǎng)度通常情況下是存在差異的，且此差異不屬于未知數(shù)，所以，能夠使用持續(xù)延伸值后級(jí)測(cè)點(diǎn)的形式，選取用來(lái)定位的線路段的兩端測(cè)點(diǎn)。多測(cè)點(diǎn)輸電線路詳情如圖4所示。

圖4中，線路長(zhǎng)度cK、cK+2、cK+3、cK+4已知，線路長(zhǎng)度cK=cK+2+cK+3，將第2級(jí)測(cè)點(diǎn)延伸到第3級(jí)測(cè)點(diǎn)NK+3，把第2級(jí)測(cè)點(diǎn)NK-1與第3級(jí)測(cè)點(diǎn)NK+3依次設(shè)成始端與末端測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)定位。NK+4、NM分別為第4級(jí)測(cè)點(diǎn)與末端測(cè)點(diǎn)。

運(yùn)算獲取故障行波波速u，設(shè)置用來(lái)故障點(diǎn)位的線路范圍后，使用雙端行波運(yùn)算獲取故障距離。若定位獲取的故障范圍不大，也能夠直接獲取定位結(jié)果。

圖4 多測(cè)點(diǎn)輸電線路詳情Fig.4 Details of transmission line with multiple measuring points

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)基于行波法的低壓臺(tái)區(qū)低壓故障停電報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用性能，利用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)仿真低壓臺(tái)區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行，采用本文系統(tǒng)對(duì)仿真對(duì)象低壓故障停電現(xiàn)象進(jìn)行報(bào)警測(cè)試。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中仿真的低壓臺(tái)區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 低壓臺(tái)區(qū)電網(wǎng)Fig.5 Power grid diagram of low voltage platform area

低壓臺(tái)區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)如下：電網(wǎng)為220 kV雙端輸電線路，總長(zhǎng)200 km。故障點(diǎn)設(shè)定在側(cè)25、50、100、200 km位置。測(cè)點(diǎn)設(shè)定距離故障點(diǎn)1.5～2.0 m區(qū)域，測(cè)點(diǎn)間距設(shè)定為4 km，用于仿真實(shí)際電流測(cè)點(diǎn)，在0.5 s時(shí)出現(xiàn)停電現(xiàn)象，設(shè)定的采樣周期為10×10-6s。故障類型為A相接地、AB兩相短路、高次諧波電流過(guò)載和三相短路。設(shè)定該電網(wǎng)低壓故障定位誤差閾值為88 m，當(dāng)本文系統(tǒng)定位誤差小于閾值時(shí)，則說(shuō)明本文系統(tǒng)滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

圖3中：Qe1、Qw分別為熱交換前煙氣熱量、濕垃圾熱量；Qe2、Qd、Qg分別為熱交換后煙氣熱量、干垃圾熱量、水蒸氣熱量；Qt為干燥過(guò)程中損失的熱量；Ve為煙氣體積；Ww、Wd、Wg分別為濕垃圾質(zhì)量、干垃圾質(zhì)量、水蒸氣質(zhì)量；Te1、Tm1分別為熱交換前煙氣溫度、濕垃圾溫度；Te2、Tm2、Tg分別為熱交換后煙氣溫度、干垃圾溫度、水蒸氣溫度；ce1、ce2分別為熱交換前后煙氣的比熱容；cw、cd分別為濕垃圾、干垃圾的比熱容；cg為水蒸氣比熱容。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 電流行波數(shù)據(jù)含噪量

本文系統(tǒng)采集的低壓臺(tái)區(qū)低壓下電流行波數(shù)據(jù)中噪聲如圖6所示。

圖6 電流行波數(shù)據(jù)中噪聲Fig.6 Noise content in current traveling wave data

電流行波數(shù)據(jù)內(nèi)含有大量噪聲將造成電流行波數(shù)據(jù)失穩(wěn)，提升數(shù)據(jù)分析誤差，對(duì)系統(tǒng)低壓故障停電報(bào)警的準(zhǔn)確性造成顯著影響。分析圖6得到，本文系統(tǒng)采集的電流行波數(shù)據(jù)中噪聲在前0.6 s中較為穩(wěn)定，控制在1.5 dB以下；在0.6 s后電流行波數(shù)據(jù)中噪聲有所提升，但始終低于2 dB。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示本文系統(tǒng)采集到的電流行波數(shù)據(jù)噪聲較低，利于提升低壓臺(tái)區(qū)低壓故障停電報(bào)警精度。

2.2.2 故障定位精度

(1)不同故障類型條件下定位精度。低壓臺(tái)區(qū)電網(wǎng)25 km處和200 km處不同低壓故障條件下，本文系統(tǒng)對(duì)故障區(qū)域的定位結(jié)果如圖7所示。

分析圖7能夠得到，當(dāng)故障點(diǎn)出現(xiàn)在25 km處時(shí)，本文系統(tǒng)對(duì)不同低壓故障類型定位誤差控制在15 m以內(nèi)；當(dāng)故障點(diǎn)出現(xiàn)在200 km處時(shí)，本文系統(tǒng)對(duì)不同低壓故障類型定位誤差控制在27 m以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，隨著故障點(diǎn)距離的延長(zhǎng)，本文系統(tǒng)對(duì)于故障類型定位誤差有所提升，但定位誤差均顯著低于設(shè)定閾值。由此說(shuō)明，本文系統(tǒng)對(duì)不同低壓故障類型具有較高定位精度。

(2)不同故障點(diǎn)條件下定位精度。壓臺(tái)區(qū)電網(wǎng)不同故障點(diǎn)發(fā)生高次諧波電流過(guò)載故障條件下，本文系統(tǒng)對(duì)故障點(diǎn)的定位結(jié)果如圖8所示。

圖7 不同低壓故障下系統(tǒng)故障定位結(jié)果Fig.7 Fault location results of the system under different low voltage faults

圖8 不同故障位置下系統(tǒng)故障定位結(jié)果Fig.8 Fault location results of the system under different fault locations

分析圖8得到，當(dāng)不同故障點(diǎn)發(fā)生高次諧波電流過(guò)載故障時(shí)，本文系統(tǒng)故障定位誤差均控制在15 m以內(nèi)，由此進(jìn)一步證明本文系統(tǒng)具有較高的定位精度。

2.2.3 報(bào)警時(shí)間測(cè)試

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)對(duì)于低壓故障停電報(bào)警的效率，對(duì)比不同故障點(diǎn)發(fā)生AB兩相短路故障條件下本文系統(tǒng)的報(bào)警時(shí)間，結(jié)果如圖9所示。

圖9 報(bào)警時(shí)間測(cè)試結(jié)果Fig.9 Alarm time test results

由圖9可知，本文系統(tǒng)針對(duì)不同故障點(diǎn)發(fā)生AB兩相短路故障條件下的停電報(bào)警時(shí)間隨著故障點(diǎn)距離的延長(zhǎng)呈逐漸提升的趨勢(shì)，當(dāng)故障發(fā)生在25 km處時(shí)本文系統(tǒng)停電報(bào)警時(shí)間約為0.5 s；當(dāng)故障發(fā)生在200 km處時(shí)本文系統(tǒng)停電報(bào)警時(shí)間約為0.1 s。由此說(shuō)明，本文系統(tǒng)具有較高的停電報(bào)警效率。

2.2.4 資源占用率

本文系統(tǒng)停電報(bào)警過(guò)程中的資源占用情況如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)運(yùn)行資源占用率Fig.10 Occupancy rate of system operation resources

由圖10可知，使用本文系統(tǒng)進(jìn)行停電報(bào)警過(guò)程中各主要功能CPU占用率低于10%，內(nèi)存占用率低于6%，說(shuō)明本文系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中資源占用率較低，具有節(jié)約資源的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)基于行波法的低壓臺(tái)區(qū)低壓故障停電報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)于不同故障情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果顯示本文系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，快速實(shí)現(xiàn)停電報(bào)警。在其后的研究中，將主要針對(duì)本文系統(tǒng)的定位精度進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，以期提升本文系統(tǒng)的應(yīng)用性能。