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行波法在配电网故障测距中的应用

时间:2011-10-12


中国电力教育

2010年管理论丛与技术研究专刊

行波法在配电网故障测距中的应用
徐汝俊*? 严? 凤
(华北电力大学电气与电子工程学院,河北 保定 071003) 摘? 要: 行波法故障测距不受系统参数、 运行方式、 线路不对称性及互感器变化误差等因素的影响, 构成简单、 容易实现。 该方法通过检测行波在故障点及检测端之间往返一次的时间或利用故障点行波到达线路两端的时间差来计算故障距离,具 有测距速度快、精度高的优点。本文介绍了 A、B、C、E 这 4 种行波测距方法的原理及其各自的优缺点。通过对 10kV 多 分支配电线路单相接地故障进行仿真,比较正常线路和故障线路波形,找到了第一个波形畸变点并以此来确定故障距离。 结果表明测距精度满足实际要求,从而验证了 C 型行波法在配电网故障测距中的可行性。 关键词 : 配电网 ; 行波法 ; 反射波 ; 测距 ; 仿真

配电网与电力用户相联,所处的地理环境复杂,线路 分支多,接地电阻和分布电容比较大,故障定位困难,一 直被认为是个难点。近年来,行波法日趋成熟,其优越性 越来越受到电力行业的重视。尤其是 C 型行波法,在故障 后可以重复测距判断,很大程度上保证了测量精度,在配 电网故障测距中有较大的优势。 行波法是通过测量故障产生的行波在故障点及检测端 (母线)之间往返一趟的时间或利用故障点行波到达线路两 端的时间差来计算故障距离, 一般分为 A、 C、 4 种。[1-3] B、 E 本文通过分析行波反射和折射原理,介绍了这几种行波测距 方法的原理和特点。最后通过对 10kV 多分支配电线路单相 接地故障进行仿真分析,验证了 C 型行波法在配电网故障 测距中的可行性。 一、行波反射与折射原理 行波在线路上传播时, 遇到波阻抗不连续点 (如故障点) 会发生反射与折射。[4-6] 反射和折射是行波的重要特性,其 中,反射波是用来实现故障测距的重要依据。 相当于 z2 → 8

(2) 当线路出现开路点或行波运动到线路的开路终端时, ,有反射系数 Ku=1,Ki=-1。线路中短路点 有反射系数 Ku=-1, i=1。如果线路经阻抗接地, 相当于 z2, K 此时波阻抗 z2 可以看做是接地电阻 R 和波阻抗 zi 并联的等 值阻抗,此时电压反射系数为 二、行波测距方法 利用行波进行故障测距有几种方法,按信号采集位置 可以分为单端测距和双端测距。利用故障产生的行波进行 单端故障测距的方法称为 A 型行波测距方法,利用故障产 生的行波进行双端故障测距的方法称为 B 型行波测距方法, 故障后由人工注入脉冲信号单端测距的方法称为 C 型行波 测距方法,利用线路故障发生后开关重合闸的瞬间,注入 电流脉冲双端测距的方法称为 E 型行波测距方法。 (1)A 型行波测距。在线路发生故障时,故障点产生 的电压(电流)行波在故障点与母线之间来回反射,根据 行波在测量点与故障点之间往返一次的时间和行波的波速 来确定故障点的距离。下面以线路发生金属性接地为例, 说明 A 型行波测距法原理。
XL



Ui

z1
Ur

Uj

o

z2

图1?行波的反射和折射过程

M

F uf

如图 1 所示,行波 Ui (入射波)沿波阻抗为 Z1 的线路 传播,到达 O 点,波阻抗由 Z1 变为 Z2,发生反射和折射 ; (反射波) Z1 线路返回, 沿 另一部分行波 Uj (透 一部分行波 Ur 射波)沿 Z2 线路继续传播。O 点的反射系数可以用反射电 压 (电流) 与入射电压 (电流) 之比来表示, 电压反射系数为: (1) 电流的反射波极性会发生改变,电流反射系数与电压 反射系数大小相等,符号相反。

t1 t2
图2?A型行波测距示意图

N

图 2 中,设在 t=0 时刻,线路上 F 点发生金属性接地 故障,故障点的电压行波 uf 以波速 v 向两侧传播,行波在 t1 时刻到达检测端 M,由于 M 点为波阻抗变化点,行波发 生反射,设该点反射系数为 K,则反射波 K×uf 由检测端 M 向故障点方向传播。由于故障点为金属性短路,当反射 波到达故障点时会发生全反射并改变极性,在 t2 时刻又返

* 作者简介 : 徐汝俊,男,华北电力大学电气与电子工程学院硕士研究生。

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行波法在配电网故障测距中的应用
回检测端 M。 设故障点到信号检测点 M 的距离为 XL,则故障点的计 算公式为 : (3) 如果是经电阻接地的故障,则在接地点还有一部分波 透射到接地点的另一侧,但仍有反射波回到检测点,由于 能量的分散,使反射波幅值比金属性接地时要小。 (2)B 型行波测距。B 型行波测距方法利用故障点产 生的行波到达线路两端的时间差来确定故障距离。设线路 发生故障时,行波到达线路两侧 M 和 N 的时间分别为 t1 和 t2,波速为 v,则故障点到 M 的距离 XL 由下式求出 : (4) 其中,L 为母线 M、N 之间的线路长度。 (3)C 型行波测距。C 行波原理与 A 行波原理一样, 如图 3 所示。
XL

四、仿真分析 利用 C 型行波法对带分支线路进行测距,通过 ATP 软件进行仿真,如图 4 所示,在线路分支 BE 中间处发生 单相接地故障,其接地电阻为 1000Ω。信号源采用幅值为 10kV,宽度为 2 微秒的高压脉冲信号。其中,线路波阻抗 为 460Ω, MN=15km,AD=3km,MA=5km,MB=9km, BE=2km,BC=3km,CG=1km。

图4?仿真线路示意图

在检测点采用 100MHZ 的采样率进行采样,得到的正 常线路波形如图 5 所示,当 F 点发生单相接地故障时,故 障波形如图 6 所示。正常线路与故障线路波形相减,得到 的波形差如图 7 所示,其中第一个波形畸变点是来自故障 点的反射波。 对图 7 的波形差信号用 matlab 小波包分解和重构,得 到故障时刻 t=66.70μs,根据公式(3) ,取 v=300m/μs,则: 20
[A] 20 15 [A]

M

t1 t2
图3?C型行波定位示意图

N

15 10 [A] 10 5 5 0 0 -5 -5 -10
15 10 5 0 -5

20

该方法不是利用故障发生时产生的行波信号,而是在 故障后,由人工向故障线路发射高频脉冲信号,然后检测 并识别来自故障点的反射波。测距公式同(3) 。 (4)E 型行波测距。E 型行波测距是利用线路故障切除 后开关重合闸时向线路注入一个合闸电流脉冲。如果线路 发生的是永久性短路故障,则合闸脉冲会在故障点被反射 回来,利用检测合闸脉冲与反射脉冲的时间差可以测量故 障距离,测距公式同(4) 。如果线路是瞬时性故障,则不 会发生反射,线路恢复供电。 三、行波测距方法特点 A 型行波法测距装置简单,但行波在不断折、反射中 衰减很大,有时不易区分是来自故障点还是其他节点的反 射波。B 型行波测距只利用第一个波头,信号幅度大,容 易识别,计算处理简单 ; 但线路两端都需要检测装置,且 需要通讯设备来实现时间同步,投资比较大。由于故障发 生是随机的,当在线路电压过零点发生接地故障时,产生 的行波信号很微弱,难以识别,此时 A、B 型行波定位就 会失效,而 E 型行波法可以弥补这种缺陷。 C 型行波法是离线测距,不受信号故障时刻行波信号 强弱的影响,在进行故障测距时可以重复进行判断。当一 次接收到的信号不能清楚分析故障点位置时,可以重新发 一个行波信号进行再次测距。此外 C 型行波法可以节省装 置投资,它不需要在每条线路上装设高频采集装置。但该 方法的不足之处是在高阻抗接地和闪络性故障时,接地点 的反射信号很弱甚至不产生反射信号,此时需要高压脉冲 发生器产生高压脉冲信号击穿故障点绝缘,这对信号发生 装置提出了更高的要求。

-10 -15 -10 -15 -20 -15 0.00 -20 0.04 0.08 0.08
0.08

0.12
0.12

0.16
0.16

(file tu.pl4; x-var t) c:XX0002-XX0001 -20 0.00 0.04 0.00 0.04 (file tu.pl4; x-var t) c:XX0002-XX0001 (file tu.pl4; x-var t) c:XX0002-XX0001

[ms] 0.20
[ms] 0.20

0.12

0.16

[ms] 0.20

20 20 1520 1515 10 1010 5 5 5 0 0 0 -5 -5 -5 -10

图5?正常线路波形

-10 -10 -15 -15 -15 -20 0.00 0.04 -20 -20 0.00 0.04 (file 1q.pl4; x-var t) c:XX0002-XX0001 0.00 0.04
(file 1q.pl4; x-var t) c:XX0002-XX0001

(file 1q.pl4; x-var t) c:XX0002-XX0001

0.08 0.08 0.08

0.12
0.12

0.16
0.16

0.12

0.16

*10 -3 -30.20 0.20

*10 -3 0.20 *10

图6?单相接地故障波形
5 5 4 4 3
5 4 3

3 22 2 11 1 00 0 -1 -1 -1 -2 -2 -2 -3 -3 -3 -4 -4 0 0 -4 0
0. 0. 55 1 1 1. 5 1. 5 22 2. 5 5 2. x 10
4

0. 5

1

1. 5

2

x 10 5 2. x 10
4

4

图7?正常线路与故障线路波形差

(下转第 555页)

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一元线性回归模型在负荷预测中的应用
则预测误差率为 : 电网的负荷预测证明了一元线性回归模型用于负荷预测的 科学性和准确性。 参考文献 : ?
[1]牛东晓,曹树华,赵磊,张文文.电力系统预测技术及其应用 [M].北京:中国电力出版社,1998. [2]张健,曹志东.负荷预测在电力市场中的应用[J].山东电力技 术,2000,(2). [3]郭光飞,郭喜庆.模糊线性回归法在负荷预测中的应用[J].电 网技术,2002,26(4). [4]关欣,陈志斌,周鸿飞.评价回归模型拟合效果的数量化方法 [J].沈阳农业大学学报,2001,(6).

t E 7 - E7 /E7 =(25.44-23.95)/23.95=6.22% 可见,用此种方法预测的数据具有较好的科学性和准
确性。 五、结论 传统的回归方法是一种成熟的算法,利用该模型对统 计规律进行分析能较准确地反映出负荷与影响其精度的因 素的关系,得出较佳的预测值。通过分析,精确回归预测 要求挑选的样本量要尽可能大,最大程度地降低一些不规 则的特殊值的影响。通过对负荷特性的详细分析建立合适 的模型,使其能够最接近地描述实际情况,同时还应该结 合其他模型,进行综合比较,争取最佳预测。根据对实际

(上接第 549页) 参考文献 : 与实际距离相差 5m,测距精度满足实际要求。 五、总结 行波法不受系统参数、运行方式、线路不对称及互感 器变换误差等因素的影响,构成简单、容易实现。故障行 波信号在传播途中会夹杂着一些混合信号,使得行波信号 在传播过程中发生畸变,检测起来困难。所以,行波测距 法的关键是要能够准确地识别来自故障点的行波波头并确 定相应的时刻。小波分析作为一种时域分析方法,可以把 信号在时域和频域上进行良好的局部化分析,通过小波变 换跨尺度分析可以排除噪声干扰,提取出信号中的奇异点 和突变部分,利用小波分析可以比较容易地找到来自故障 点的行波波头并确定相应的时刻。
[1]陈平,葛耀中,徐丙垠.现代行波故障测距原理及其在实测故 障分析中的应用——A型原理[J].继电器,2004,32(2):13-18. [2]陈平,葛耀中,徐丙垠.现代行波故障测距原理及其在实测故 障分析中的应用——D型原理[J].继电器,2004,32(3):13-18. [3]严凤,杨奇逊,齐郑,等.基于行波理论的配电网故障定位方 法的研究[J].中国电机工程学报,2004,24(9):37-42. [4]徐丙垠,李胜祥,陈宗军.电力电缆故障探测技术[M].北京: 机械工业出版社,1999. [5]陈崇源,颜秋容.电路理论:端口网络与均匀传输线[M].武 汉:华中科技大学出版社,1997. [6]李建平.小波分析与信号处理[M].重庆:重庆出版社,1997.

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