劉際波等

摘 要：提出了一種基于行波特征時(shí)間差的配電網(wǎng)單端故障特征區(qū)段定位方法。變電站測得的暫態(tài)線模電壓行波信號(hào)包含了一系列來自線路上波阻抗不連續(xù)點(diǎn)的反射波頭，與第一個(gè)波頭相比，來自分支末端的反射波頭能量較大，利用二進(jìn)小波變換模極大值信息可以檢測出這類能量較大的波頭，從而確定故障所在的特征區(qū)段。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng) 故障區(qū)段定位 行波 特征時(shí)間差

中圖分類號(hào)：TM771 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）01（b）-0116-03

Characteristic Time Delay Based Fault Characteristic-Section Identification Method for Distribution Networks

Liu Jibo1， Zhang Hongwei1 Yang Chunling1 Jin Hui1 Huang Jian1 Zhou Xiaoping2

（1.Wencheng Electric Power Supply Company， Wencheng Zhejiang 325300； 2.Pingyang Electric Power Supply Company， Pingyang Zhejiang 325400 China）

Abstract：A single-ended fault characteristic-section identification method based on characteristic time delay of traveling waves for distribution networks is proposed. The transient aerial mode voltage traveling wave recorded at substation contains many wave heads reflected from the surge impedance discontinuity points. And compared with the first wave head， the subsequent wave heads which are reflected once from the end of laterals have larger energy. These wave heads with larger energy can be found out by the modulus maxima of dyadic wavelet transform， as a result the fault characteristic-section can be identified. The simulation results verify the validity of the proposed method.

Key Words：Distribution Network；Fault Section Identification；Traveling Wave；Characteristic Time Delay

受絕緣老化、雷擊等因素的影響，配電網(wǎng)的故障時(shí)有發(fā)生。線路發(fā)生故障后，必須盡快進(jìn)行故障定位，從而縮短故障排除時(shí)間?，F(xiàn)有的故障定位方法可分為故障測距方法[1～6]和故障區(qū)段定位法。

故障區(qū)段定位法主要有基于饋線自動(dòng)化的故障區(qū)段定位法[7～9]和基于故障指示器的故障區(qū)段定位法[10～11]。前者具有原理簡單、算法實(shí)現(xiàn)便捷的優(yōu)點(diǎn)，但是投資較大。后者需要人工現(xiàn)場巡線。

本文提出了一種單端故障特征區(qū)段定位方法，該方法只需分析第一次到達(dá)變電站測量點(diǎn)的線模行波波頭的特征，從而在節(jié)省了投資，避免了故障點(diǎn)反射波頭難以準(zhǔn)確識(shí)別等問題。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法是樹形配電網(wǎng)故障特征區(qū)段定位的一種可行的方法。

1 暫態(tài)行波的折反射現(xiàn)象

配電線路上分支較多，行波運(yùn)動(dòng)到波阻抗不連續(xù)點(diǎn)時(shí)將發(fā)生折射和反射現(xiàn)象。如圖1所示，設(shè)線路1的波阻抗為Z1，線路2的波阻抗為Z2，且它們的大小不相等。通常將入射波稱為正向行波，反射波稱為反向行波。

入射波在波阻抗不連續(xù)的A點(diǎn)會(huì)發(fā)生折射和反射。電壓行波和電流行波的折反射系數(shù)一般不同。以電壓行波為例，其折射系數(shù)和反射系數(shù)分別為：

（1）

配電線路上暫態(tài)電壓行波的反射系數(shù)如下[12]。

（1）對于變壓器而言，因暫態(tài)行波頻率較高（10～100 kHz之間），故可視為開路，反射系數(shù)接近+1。

（2）對于支路數(shù)大于2的節(jié)點(diǎn)，一般反射系數(shù)為負(fù)。

（3）當(dāng)接地電抗為0或遠(yuǎn)小于線路暫態(tài)電抗時(shí)，故障點(diǎn)的反射系數(shù)小于-1。

（4）對于終端阻抗，若大于線路暫態(tài)電抗，則反射系數(shù)為正，否則為負(fù)。

2 利用小波變換模極大值檢測暫態(tài)行波波頭

電力線路故障時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)行波信號(hào)是一種突變性的高頻暫態(tài)信號(hào)，阻抗不連續(xù)點(diǎn)造成的透射和反射波頭是暫態(tài)行波信號(hào)的奇異點(diǎn)。設(shè)是函數(shù)局部突變點(diǎn)（奇異點(diǎn)），若小波是反對稱的，則在該點(diǎn)處的小波變換取模極大值[13]。因此，對采集到的暫態(tài)行波信號(hào)進(jìn)行二進(jìn)小波變換，根據(jù)小波變換模極大值信息來檢測暫態(tài)行波信號(hào)中突變點(diǎn)的位置和時(shí)刻，從而確定行波波頭的到達(dá)時(shí)刻。由于二次樣條小波具有支集長度短、滿足線性相位等優(yōu)點(diǎn)，通常將其應(yīng)用于電力系統(tǒng)暫態(tài)信號(hào)奇異檢測中[14]。三相系統(tǒng)各相之間存在耦合，需采用模量變換將其解耦，本文采用凱倫貝爾模量變換進(jìn)行解耦。由于線模行波分量的波速穩(wěn)定，因此采用線模行波分量作為分析對象。

3 基于特征時(shí)間差的故障特征區(qū)段定位方法endprint

以圖2所示配電系統(tǒng)為例，假設(shè)線路型號(hào)相同，以暫態(tài)電壓行波為例，對于有兩個(gè)分支的節(jié)點(diǎn)（如B點(diǎn)和C點(diǎn)），由式（1）可知其反射系數(shù)為-1/3，折射系數(shù)為2/3；對于變壓器母線處，其反射系數(shù)為1。由于分支長度一般較短，通過分析故障發(fā)生后到達(dá)變電站測量點(diǎn)的前幾個(gè)波頭，可以得出以下規(guī)律。

（1）故障點(diǎn)前有分支的情況。前幾個(gè)波頭中，與第一個(gè)波頭相比，能量較大的幾個(gè)波頭來源有兩種：一是第一個(gè)波頭在變電站A處全反射后，再經(jīng)第一個(gè)分支點(diǎn)B反射，然后回到變電站測量點(diǎn)的波頭，由于在B點(diǎn)的反射系數(shù)為-1/3，其能量約為第一個(gè)波頭能量的-1/3，相比第一個(gè)波頭的額外傳播距離為第一個(gè)區(qū)段AB長度的2倍。

將這種波頭定義為第一類特征波頭；二是只經(jīng)過一個(gè)分支，其它都是沿主饋線傳播而到達(dá)測量點(diǎn)A的波頭，以圖中K點(diǎn)故障為例，這種波頭有兩個(gè)，分別沿路徑KCFCBA和路徑KCBEBA到達(dá)測量點(diǎn)A，由于比第一個(gè)波頭多經(jīng)歷了一次折射，其能量約為第一個(gè)波頭的2/3，相比第一個(gè)波頭其額外傳播距離為所經(jīng)過分支長度的2倍，將這種波頭定義為第二類特征波頭。除了這些特征波頭外，其它的波頭由于會(huì)經(jīng)過更多次的折反射，其能量與第一個(gè)波頭相比較小。

（2）故障點(diǎn)前沒有分支的情況，即故障點(diǎn)在第一個(gè)區(qū)段AB或分支BE上。此時(shí)在前幾個(gè)波頭中，檢測不到第二類特征波頭。當(dāng)故障點(diǎn)K在AB上時(shí)，行波主要在AK之間來回振蕩，與第一個(gè)波頭相比，后續(xù)波頭的能量系數(shù)與故障情況有關(guān)；當(dāng)故障點(diǎn)在BE上時(shí)，可以檢測到第一類特征波頭。

本文定義第二類特征波頭與第一個(gè)波頭之間的時(shí)間差為特征時(shí)間差，特征時(shí)間差反映了第二類特征波頭相比第一個(gè)波頭傳播的額外距離（2倍的分支長度）。同時(shí)，定義主饋線上的一個(gè)區(qū)段（如圖2中的區(qū)段BC）及與該區(qū)段末端相連的分支（如分支CF）為特征區(qū)段，如果主饋線的區(qū)段末端沒有分支（如區(qū)段CD），該區(qū)段即為特征區(qū)段。故障所在的特征區(qū)段為故障特征區(qū)段。對于圖2所示的配電系統(tǒng)，其特征區(qū)段有ABE、BCF和CD。

由上述分析可知，根據(jù)變電站處的測量信號(hào)，檢測第二類特征波頭的個(gè)數(shù)及其特征時(shí)間差，便可以判斷故障點(diǎn)前的分支數(shù)，也即可判斷出故障所在的特征區(qū)段。小波變換模極大值的大小和極性可以反映波頭的能量信息，因此以第一個(gè)波頭的模極大值為參考，設(shè)置一定的能量閾值（如0.35），便可檢測出第二類特征波頭的個(gè)數(shù)及其特征時(shí)間差，從而確定故障所在的特征區(qū)段。

4 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證所提出的故障特征區(qū)段定位方法的正確性，在PSCAD仿真平臺(tái)上搭建了圖3所示配電系統(tǒng)的仿真模型，并針對不同的故障情況進(jìn)行仿真分析，仿真時(shí)的時(shí)域采樣頻率設(shè)為1MHz。該配電系統(tǒng)的桿塔和線路模型參數(shù)參考文獻(xiàn)[17]。該樹形配電系統(tǒng)包含四個(gè)特征區(qū)段：ABF、BCG、CDH和DE。

4.1 區(qū)段BC發(fā)生故障

假設(shè)在區(qū)段BC距B點(diǎn)2 km處發(fā)生A相金屬性接地故障，此時(shí)母線A處測得的線模電壓波形如圖4所示。

采用二進(jìn)小波變換，選取二次樣條小波作為母小波函數(shù)，對上述信號(hào)進(jìn)行六層分解。選取第一尺度的分析結(jié)果，該尺度下對應(yīng)行波分量的波速為2.99×108m/s。以第一個(gè)波頭的模極大值為參考，設(shè)置閾值為0.35，過濾掉小于第一個(gè)波頭模極大值的35%的模極大值，此時(shí)第一尺度的小波變換模極大值分析結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以得出，第一個(gè)正的模極大值對應(yīng)采樣點(diǎn)為17，第二個(gè)正的模極大值對應(yīng)采樣點(diǎn)為31，其特征時(shí)間差為14us（行波在分支BF上的額外傳播距離對應(yīng)的時(shí)間）。由上述信息可知，檢測出的第二類特征波頭個(gè)數(shù)為1，即故障點(diǎn)前的分支數(shù)為1，從而判斷出此時(shí)故障發(fā)生在故障特征區(qū)段BCG上。

4.2 分支CG發(fā)生故障

假設(shè)在分支CG距C點(diǎn)500 m處發(fā)生A相金屬性接地故障。此時(shí)第一尺度下的分析結(jié)果如圖6所示。第一個(gè)正的模極大值對應(yīng)采樣點(diǎn)為22，第二個(gè)正的模極大值對應(yīng)采樣點(diǎn)為36，其特征時(shí)間差為14 us（行波在分支BF上的額外傳播距離對應(yīng)的時(shí)間）。由上述信息可知，檢測出的第二類特征波頭個(gè)數(shù)為1，即故障點(diǎn)前的分支數(shù)為1，從而判斷出此時(shí)故障發(fā)生在故障特征區(qū)段BCG上。

4.3 區(qū)段CD發(fā)生故障

假設(shè)在區(qū)段CD距C點(diǎn)2 km處發(fā)生A相金屬性接地故障。此時(shí)第一尺度下的分析結(jié)果如圖7所示。第一個(gè)正的模極大值對應(yīng)采樣點(diǎn)為27，第二個(gè)正的模極大值對應(yīng)采樣點(diǎn)為34，其特征時(shí)間差為7us（行波在分支CG上的額外傳播距離對應(yīng)的時(shí)間）；第三個(gè)正的模極大值對應(yīng)采樣點(diǎn)為41，其特征時(shí)間差為14us（行波在分支BF上的額外傳播距離對應(yīng)的時(shí)間）。由上述信息可知，檢測出的第二類特征波頭個(gè)數(shù)為2，即故障點(diǎn)前的分支數(shù)為2，從而判斷出此時(shí)故障發(fā)生在故障特征區(qū)段CDH上。

5 結(jié)語

本文介紹了利用暫態(tài)行波對樹形配電網(wǎng)進(jìn)行故障特征區(qū)段定位的方法，它只使用變電站測量設(shè)備檢測到的暫態(tài)線模電壓行波信號(hào)。該行波信號(hào)包含了一系列來自線路上波阻抗不連續(xù)點(diǎn)的反射波頭，這些反射波頭是行波信號(hào)的奇異點(diǎn)。與首先到達(dá)變電站測量端的第一個(gè)波頭相比，第二類特征波頭的能量較大且其極性與第一個(gè)波頭相同。利用二進(jìn)小波變換的模極大值信息可以計(jì)算出特征時(shí)間差，進(jìn)而確定第二類特征波頭的個(gè)數(shù)，從而可以確定故障特征區(qū)段。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該區(qū)段定位方法的有效性和實(shí)用性。該方法可以為工作人員查找故障點(diǎn)提供一定的指導(dǎo)意義。

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