在线定位论文（精选5篇）
在线定位论文 篇1
单相接地故障是电网中出现频率最高的一种故障。由于配电网的多分支型的网络结构不同于输电网的单支模型,因此适用于输电线路的行波法、基于阻抗的单端和两端测距算法难以在配电网中实现故障点的准确定位[1,2,3]。本文提出基于分布式探测器的实时故障监测的方法,在配电网络中的主要节点分布安装一定数量的探测器,将监测信息即零序电流测量值加以汇总分析,得到故障区间位置。相比于现有测距算法[4,5,6],所提方法简单实用。
1 在线故障监测的总体方案
对中性点不接地系统进行单相接地故障分析[7],可得如下特征:
a.发生单相接地故障时,全系统都将出现零序电压;
b.在非故障分支线路上有零序电流,其数值等于本身的对地电容电流,电容性无功功率的实际方向为由母线流向线路;
c.在故障分支线路上,始端零序电流为全系统非故障线路对地电容电流的总和,数值一般较大,电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线。
根据线路单相接地故障情形下的特征信息,采用分布式探测器在线监测接地故障时,可以采用如下判据判断故障[8]:采用监测零序电流的方法,当母线上出线较多、网络规模较大时,母线至故障点的区段零序电流值基本相等,而且远大于其他区段的零序电流值,这一特点可作为故障定位判据。
具体实现方案为:在各分布式监测点安装在线监测探测器,各个探测器具备零序电流测量、数据处理和GPRS通信功能;在监控中心设置计算机主机,主机系统包括GPRS通信、信息处理和地理信息管理软件。配电网正常运行时每个探测器都处于待机状态,当发生接地故障时,主机系统根据监测到的零序电压确定故障的发生,通过通信系统启动各个探测器测量零序电流,测量结果通过GPRS反馈给主机,管理软件根据网络结构和各分支的零序电流大小进行综合分析,实现故障区间的定位。分析结果以短消息的方式发送给相关负责人。总体方案示意如图1所示。
在方案实施中,在线监测探测器是技术的核心。由于配电网节点众多,且多数节点不具备室内测量条件,作为远方监测终端,除具备零序电流测量、数据处理、通信功能外,设备必须满足成本低、体积小、功耗低的要求,并能适应苛刻的户外运行条件。
2 分布式探测器
2.1 结构
零序电流的测量是分布式探测器的主要功能,传统的电流互感器体积大、成本高,不适于在变电站外的架空线路上使用,传统的零序电流测量方法是在电流互感器二次侧将三相电流信号相加,但是在变电站外的架空线路上由于高压绝缘问题,无法直接相加三相电流信号,因此设计了分布式电流互感器。分布式电流互感器采用了目前广泛应用于数据采集领域的射频(RF)通信技术。射频连接技术解决了配电网中测量电压、电流中的绝缘问题。分布式探测器分别在每一相安装电流测量单元,以无线射频的方式输出测量结果给一个中转设备,该中转设备接收并处理三相电流测量单元的测量值,得到零序电流值。分布式探测器具体结构可参见图1(b)。电流测量单元的原理框图如图2所示。
电流测量单元一直处于待机休眠状态,当射频电路接收到中转设备发送的同步测量信号时,通过中断唤醒微处理器,启动电流测量程序,采集一定周期的电流值后再通过射频电路传输给中转设备。A/D转换器选用12位Maxim1066。射频元件选用NRF24L01。NRF24L01是真正的单芯片GFSK射频收发器,只需十来个外围元件就能够实现射频收发功能。它工作在2.4～2.5 GHz的ISM波段,拥有125个工作频道,通过可达10 MHz传输频率的SPI接口与微处理器交换数据,无线数据传输频率可达2 MHz,内嵌地址匹配和CRC校验电路。
2.2 零序电流计算
在三相电路中,任意一组不对称的三相相量可以分解为正序、负序和零序分量[9]。零序电流等于三相零序电流之和,按式(1)计算可得零序电流。但是由于3个电流测量单元增益的一致性难以保证,取3个电流测量单元的瞬时测量值直接相加,所得零序电流瞬时值的计算精度并不理想。用神经网络和3个电流测量单元构造智能传感器则能够较精确地测量出零序电流。
本智能传感器选用的前向多层神经网络的反向传播(BP)学习理论采用有教师学习算法,擅长于函数逼近,有很强的计算能力和自学习自适应能力。如果3层神经网络的隐层采用Sigmoid函数,输出层采用Purelin函数,各层采用有限个神经元,就能以任意精度充分逼近任意复杂的非线性关系[10]。因此,采用神经网络结构进行反复的离线训练能建立各相电流测量值与零序电流的对应关系。然后,用训练好的神经网络对3个电流测量单元响应得到的网络输出即为零序电流值,从而实现对零序电流的在线监测。算法采用的BP网络见图3,网络结构共有3层,即输入层Xi、隐层Fj、输出层Zk,输入层为电流测量单元检测到的Ia Ib和Ic的测量值,输出层为零序电流值,隐层节点数为3[11]。
3 通信方案
目前移动通信覆盖范围广,费用低廉,GPRS的高速数据传输服务成为本方案的首选。
SIM300是支持GSM/GPRS 900/1 800/1 900MHz3种频率的低功耗模块,可以提供高质量语音通信服务和GPRS Class 10的高速数据传输服务。
当使用TCP向远端Server传输数据时,先要建立一个TCP连接。分布式探测器中的SIM300模块作为Client向远程的Server发起一个TCP连接,要成功建立连接需要Server端为连接到Internet的一台计算机,而且该计算机的IP地址是公网的IP地址(可以用拨号的方式获得,如在计算机局域网内部则无法建立连接),该计算机运行相应程序,分布式探测器中的SIM300模块就可以用AT命令与Server建立TCP连接,连接成功后会返回CONNECT OK。然后就可以用AT+CIPSEND发送数据到Server[12]。
通信协议采用一主机对多从机的点对点方式。当主机要读取某分布式探测器的数据时,与相应的分布式探测器建立TCP连接,分布式探测器收到数据串后上传数据给主机。
4 监控主机
当发生接地短路故障,主机监测到零序电压的变化时启动通信程序,各分机收到请求后,将故障后电流测量值作为结果上传给主机。配电网正常运行时的零序电流值作为参考存储在计算机中,可以消除三相负荷不平衡引起的零序电流测量值的偏差。
本系统的监控主站由计算机和通信模块组成,利用通信模块的RS-232口和计算机连接在一起,构成一个可利用标准AT命令集驱动控制的,具有无线收发功能的GPRS信息终端。主站的计算机通过通信模块接入GSM网络后,就可以用短消息业务和数据业务按照一定的规约格式给分布式探测器发送命令信息。
计算机上安装由VC编写的监控软件。该软件主要包括3部分:应用软件、工具软件、数据库管理软件。这3部分结合在一起共同实现与终端设备的通信和对原始数据的各种处理。用户可以使用工具软件在线制作配电网馈线图,在线输入和修改各终端设备的原始数据,并形成数据库;数据库管理软件对各种数据进行管理;应用软件是主体部分。正常时计算机处于主菜单状态,用户可以根据需要选择显示网络结构图或是地理信息图作为背景图。
5 结论
a.提出了在配电网加装探测器在线监测接地故障的方法,通过综合分析探测器的零序电流测量信息,可实现故障分支或故障区段的准确定位。
b.给出了分布式探测器的具体研制方案,其中分布式电流测量单元和GPRS通信环节的研制使装置满足了配电网的实际要求,实验装置的测试证明该方案是可行的。
c.提出的方案和具体的实现技术可应用于当前的配电网自动化改造项目中。
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在线定位论文 篇2
目前国内学者在研究扰动源定位的方法研究上取得了一些成果。当电网发生低频振荡时,传播到电网中不同位置的特殊形状扰动行波具有相似性,文献[6]提出一种比较多点测量数据波形相似度以确定低频振荡扰动源位置的定位方法。尽管系统强迫振荡的表现形式与弱阻尼振荡相似,但是两者在能量转换方面却大不一样,根据这些特点从能量函数的角度出发进行识别强迫振荡扰动源的位置[7,8,9]。在能量函数分析法的基础上,文献[10]构建了不同层次的割集,根据割集流出的振荡能量正负来判断扰动源是否位于割集内部,实现扰动源大致方位的识别。近年来,电力系统机电波理论[11]的提出为强迫振荡扰动源定位方法的研究提供了新思路。文献[12]采用滑动数据窗法计算机电波到达时间来确定扰动源的位置,提高了定位的快速性。
文中通过力学中的能量共振特点构建出系统振荡能量的表达形式,根据其能量转换与电路中的能量表现形式相类似的特点,结合电路理论分析振荡能量,提出一种比较发电机频率波动以及电气有功功率波动这2个电气量稳态阶段的相位差关系,判断强迫振荡扰动源是否位于机组原动机上的扰动源定位方法。利用TLS_ESPRIT算法提取出主导频率下相应电气量的相位参数,滤去了采集的电气量中非扰动源决定的分量。该方法基于广域测量系统(WAMS)实测的数据,能够直接识别频率和有功功率这两个电气量的相位参数并进行判断,为扰动源的在线监测定位提供了研究参考方向。
1 强迫振荡系统的能量共振
1.1 经典弹簧系统能量共振
在经典力学中,对于受迫振动的系统,一般从位移共振和速度共振这两方面进行分析。首先讨论经典的弹簧系统,在其受迫振荡过程中从系统的动能以及势能的变化来分析能量共振特点[13]。
设某一振动系统由质量为m的物体,弹力系数为k的弹簧组成,其中阻力系数为β,在外力F=F0cosωt作用下发生强迫振动,其运动微分方程为:
式中:x为物体偏离平衡位置的位移。其中,系统在强迫振荡过程中,动能为Ek(t)=mv2/2,势能为Ep(t)=kx2/2,总能量E(t)=Ek(t)+Ep(t)。振荡系统的平均能量为:
式中:T为外力的振动周期。
当系统开始受迫振荡过渡到稳态时,系统的平均能量E軒(t)不断增加直到不变,且当外力的频率ω与系统的固有频率ω0相等时,系统发生共频振荡,平均能量最大。此时外力F对系统做的功等于系统克服阻力-βv做功消耗的能量,而系统的动能和势能互相发生转化。
1.2 单机无穷大系统的振荡能量构建
根据经典力学中的弹簧系统受迫振荡的原理,首先以单机无穷大系统为例,对电力系统发生强迫振荡时振荡能量特点进行分析。
在平衡点附近线性化之后的发电机运动方程为:
式中:M为发电机的惯性常量;D为发电机阻尼系数;Ks为发电机同步系数;Δδ为发电机功角相对于平衡点的偏移量。
不难看出,式(3)和式(1)存在着对偶关系。在电力系统发生强迫振荡过程中,对电力系统构建适当的振荡能量变量:
式中:Δω=dΔω/dt。
式中:ΔPe=KsΔδ。
当电力系统发生强迫共振且处于稳态阶段时:
式中:保持不变,且可得:
2 强迫振荡能量转换特性
在电力系统发生强迫振荡且达到稳态时,功角偏差量、功率偏差量、频率偏差量等都能够用正弦函数来表示。对式(6)和式(7)两边同时进行求导,可得:
式(8)体现了振荡过程中非耗能的储能特性,而式(9)体现了发电机振荡能量的产生和消耗。
根据能量守恒定律可知,与节点相连的n条支路上流入节点的有功功率波动量ΔPl的代数和为零,线性化后可表示为∑nl=1ΔPl=0,等效于基尔霍夫电流定律(KCL)。相邻2个节点的频率波动量Δωi和Δωj之差Δωij=Δωi-Δωj,则某一回路的代数和Δω=(Δω1-Δω2)+(Δω2-Δω3)+…+(Δωn-Δω1)=0,等效于基尔霍夫电压定律(KVL)。强迫振荡过程中,发电机组的振荡能量转换可以用电路理论进行分析。
3 强迫振荡源的定位判据
根据以上分析,强迫振荡的扰动源相当于一个电源,向系统注入振荡能量,可以根据这一特性来判断扰动源所在的机组。
在系统发生强迫振荡过程中,发电机的机械功率偏差量由两部分组成,外施的机械功率扰动ΔPm0以及调速系统调节产生的机械功率扰动:
式中:K(jΩ)为调速器的传递函数;Ω为系统振荡的角频率。
(1)当扰动源位于发电机上时,ΔPm=ΔPm0+K(jΩ)Δω=K'(jΩ)Δω。根据式(3)可得:
根据式(9)可知,在单机无穷大系统中,机械扰动功率注入的振荡都在发电机阻尼上所消耗,没有传播到系统中。在实际多机系统中,发电机上扰动源注入的振荡能量除了被阻尼消耗,还有部分输出到系统,被网络和其他发电机阻尼所消耗。
因此K'(jΩ)的实部大于D,式(11)中,分母的实部为正,该式实部为正。此时Δω和ΔPe之间的初始相位差小于90°,发电机扰动源等效的电压源向外输出能量为正,即扰动源位于发电机上。
(2)当扰动源不在发电机时,ΔPm=K(jΩ)Δω。
由于K(jΩ)具有负实部[14],分母具有负实部,故式(12)具有负实部。此时Δω和ΔPe之间的初始相位差大于90°,发电机扰动源等效的电压源向外输出能量为负,即吸收振荡能量,扰动源不在发电机上。
根据以上分析,可以根据发电机的角频率偏差Δω以及输出电气功率偏差ΔPe之间的相角差的绝对值是否小于90°来判断发电机原动机是否为强迫扰动源。
4 强迫振荡的在线监测定位
4.1 基于TLS-ESPRIT获取波动相位
以上强迫振荡源的定位是对振荡的稳态阶段的波动相位关系进行分析的,而电力系统在发生强迫振荡的初始阶段,除了含有由扰动引起的稳态分量,还包含由初始条件引起的瞬态分量。在电力系统实际振荡过程中,判断振荡进入稳态阶段的时间点比较困难,而且如果系统的固有频率较低或阻尼较弱,振荡的过渡时间会比较长。因此需要尽快获取电气波动的稳态量。
TLS-ESPRIT算法是旋转不变技术的信号参数估计(ESPRIT)算法的扩展,是一种基于子空间的高分辨率信号分析方法。利用同步相量测量装置(PMU)监测获取的实时数据,TLS-ESPRIT算法能够计算出信号中各分量的频率大小、衰减系数以及阻尼比,通过最小二乘法求取信号幅值和初始相位。因此,可以提取出强迫振荡的主导频率,即共振频率,获取相应的波动相位。而且如果实测的数据中含有异常数据,经过预处理剔除之后,TLS-ESPRIT算法仍能够准确地进行模态分析。
4.2 振荡源定位步骤
Δf和Δω同相,因此可以通过PMU实测的机组频率进行分析。基于WAMS获得的实测数据,根据模态的辨识结果,得到扰动源的在线监测定位方法,步骤如下:(1)对实测的发电机电气功率Pe和频率f数据进行分析,判断机组是否正处于强迫振荡;(2)实测数据预处理,剔除异常数据;(3)利用TLS-ESPRIT算法确定振荡模态并获取波动相位;(4)判断发电机频率偏差的相位(φf)以及输出电气功率偏差的相位(φp)之差的绝对值是否小于90°,若成立,则扰动源位于发电机上,否则扰动源不在发电机上。
5 算例分析
在四机两区系统验证文中提出方法的可行性及有效性。四机两区的系统结构如图1所示。根据小干扰分析可知,该系统包含1个区间振荡模式,频率为0.64Hz。从0 s开始对该模式的强相关机组G1额外施加持续性的原动机功率扰动,扰动频率为0.64 Hz,扰动幅值为0.01 p.u.,仿真时间为20 s。此时,系统区域间发生强迫振荡。
TLS-ESPRIT获取主导振荡频率下的波动相位并进行扰动源定位判断,其结果如表1所示。机组G1上频率波动相位与输出电气有功波动相位差的绝对值为32.8°,小于90°,满足扰动源定位判据,可以确定强迫扰动源位于该机组;同理,机组G2、G3、G4上频率波动相位与输出电气有功波动相位差的绝对值分别为254.3°,104.8°,109.5°,均大于90°,故可以判断这3台机组不是强迫振荡源,与实际情况一致。
6 结束语
在线定位论文 篇3
关键词：10k V配电网,故障,在线检测定位
一、10k V配电网线路特点
本文主要是对10k V配电网故障在线检测定位系统实施研究, 其主要特点为:
1拥有较多的线路分支, 网络结构十分复杂。由于10k V配电网拥有很多分支, 同时分支又形成了众多子分支, 有时达到了十几代, 信号衰减甚至达到了1万倍。即便是可以检测出故障反射波, 也仅提供至故障点的距离, 并且满足一定距离点可能存在多个点, 其中真正的故障点只有一个, 很难解决辨别真伪故障点问题。
2拥有较大的接地电阻, 石灰杆是很多10k V杆塔的材料, 一旦形成接地, 由于地质和环境电压等因素造成的影响不会得到零数值, 而是产生几千欧、几十千欧。配电网出现单相接地故障之后, 相对减弱了信号, 其他信号极易将其淹没、接地电阻大始终阻碍了研究, 对其影响积极克服也是配电网故障定位的难点。
3整体长度长、对地电容较大。10k V配电网拥有较长线路, 甚至达到了几十公里、上百公里。将交流信号注入对地电容中可以发挥分流功能, 线路越长, 线路也会产生越大的对地电容, 最终形成较大的分流, 因此需要电流信号越小, 对其进行定位也就越难。
二、故障在线检测定位方法
1阻抗法。按照发生故障时测量的电流与电压对故障回路阻抗进行计算, 进一步联系线路长度和阻抗的正比例关系, 对故障距离进行估测。根据算法可以将阻抗法划分为双端数据与单端数据。通过精确分布参数模型实施双端数据测距算法, 需要不断完善数据同步于伪根判断。由于模拟技术的不足和功能促使单端数据测距算法利用单侧电压信号与电流。
2行波法。行波法是指按照行波和故障距离自故障点传播所需时间以及检测点所需时间形成正比例, 通常划分为五种。
第一种采用的是现代行波故障测距原理, 具体利用故障暂态形成的行波获得双端测距的原理, 通过来自于线路内部的故障产生了行波初期浪涌, 当其达到线路两端测量点时, 可以获取它们绝对时间差值, 进而对故障点至故障点两端测量点距离实施计算。
第二种原理是故障线路上断路器合闸形成的暂态行波在测量点上永久性的故障点彼此的往返时间对故障距离进行计算, 通过这一点可知对于线路利用重合闸传输高压电来说是非常关键的, 其可以有效弥补小时导致测距的失败或者是由于故障形成的零初始角电压。
第三种原理是通过故障点形成的行波达到线路两端时间差进一步完成的, 采用第一个行波波头达到线路两端时间计算双端定位, 因此仅需捕捉到第一个行波波头, 而不需要对其折射与反射进行考虑, 同时行波产生了较大幅值, 容易辨别。
第四种行波定位是单端进行故障产生行波进而定位故障的方法。当线路出现故障时, 在故障点与母线之间电压和电流来回反射, 按照故障点与行波之间一次往返时间以及行波波速能够准确定位故障点。
第五种原理是根据注入端的信号和故障点与故障点之间, 一次往返的时间对故障距离进行计算, 也可以认为在故障之后, 人工对故障线路发送脉冲信号, 之后对脉冲信号发送时间与故障点反射达到检测点所需时间积极检测。
3配电网自动化方法。最近几年, 随着不断成熟的配电网自动化措施, 陆续出现了基于SCADA的判断系统故障区域方法。其中很多都是根据配网馈线继电保护, 联系断路器关系拓扑分解整个网络, 进一步产生了线路网络的矩阵关系, 由此形成判断算法。
三、故障在线检测定位系统优势
1在线取电。传统故障指示器通过电池进行取电, 并且不需要防水, 因此需要进行灌浇密封处理, 无法替换电池, 不足之处在于使用时间短暂, 大概是一年。而故障在线检测定位系统应用的是新型材料, 在10A状况下, 可以采取0.5W功率, 并且相当于原先重量的1/6。互感器可以对电网功率和自身消耗能量智能测量, 促使输入功率远大于使用功率。当电网缺乏功率时, 自行关闭设备上的辅助模块, 节省用电量。
2更新判断故障。我们通过小波变化对接地故障进行判断。接地故障拥有一个容性回路, 容易通过高频成分。所以, 通常接地故障量中包含了大量的暂态成分。对这类非平稳信号积极分析的重要工具为小波变换。同时按照电流突变发以及过流速断定值法, 接地暂态电流测量法等从服务端搜集的特点数据双判断短路和接地检测, 获得更加精准的故障判断。
3便于组网。目前我们应用的树型网络形式:后台、数据集中器、数字故障指示器后台和集中数据器利用GPRS联系通信, 利用短距离无线通信对集中数据器和数字故障指示器紧密联系。在服务器IP中输入集中数据器和附近数字故障指示器之后, 构建整个系统的自行组网。
4对负荷电流数值准确测量。将一个导磁金属安装在电缆上, 当其属于闭合状态时, 导磁金属就可以形成感应电流, 如将一层导线缠绕在金属上, 按照右手螺旋准则就能够形成电压, 称该导磁金属与导线为感应架。
5构建和升级线路监测运行环境。将温度传感器添加至故障指示器的节点中, 以便创造线路运作实时监测的环境;后台服务器把要求改正的动态参数利用集中数据器向数字故障指示器进行传输, 进一步实现参数修改和一键升级的目标。
结语
随着不断扩大的配电网规模, 用户也提高了对电能质量与可靠性要求, 自动化建设配电网获得了高度重视。在发展配电网自动化的各个领域中, 配电网故障在线检测和定位是一个关键的研究课题, 本文通过对10k V配电网故障在线检测定位系统进行研究, 最大程度上降低了配电网故障效率, 对建设智能电网和自动化配网发挥了巨大作用。
参考文献
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在线定位论文 篇4
本文结合套管典型缺陷类型进行了仿真计算和实体放电模型的验证, 获得了不同模型下的局放特高频信号, 提出了适合套管局放的时延分析方法, 通过天线阵列采集局放信号, 对套管产生的特高频信号进行检测及定位, 并在现场进行了实际测试和应用, 为保证变电站和电网的安全可靠运行提供了保障。
1 套管局部放电UHF信号传播特征
1.1 自由空间电磁波传播理论
局部放电通道由时间宽度为纳秒级别的脉冲电流产生, 并向外辐射电磁波。局部放电通道的直径和长度极小, 通常是毫米级别, 远小于UHF电磁波的波长 (λ) 。因此, 局部放电的电磁辐射可以用短电偶极子电磁辐射理论来解释。
短电偶极子是一根长度 (l) 极小的短线天线, 有l ≫λ, 如图1所示。
在图1球坐标系下, 假定流经短电偶极子的电流I=I0ejωt, 根据麦克斯韦方程可得出短电偶极子的电磁场共有3个分量Er、Eθ、HΦ, 而分量Er、Eθ、HΦ处处为零。3个分量的表达式为
可见, 电场强度和磁场强度均随着离开场源的距离r的增加而减小, 但是各项的减小程度不同。当kr ≫1时, 场点P组成的区域称为远区。在远区内, Er≈0, 只有2个有效的场分量Eθ和HΦ, 其表达式可简化为
变压器油单一介质中距离与频率的关系如表1所示。
对于特高频 (300~3000 MHz) 电磁信号的检测范围而言, 只要试品距传感器1.6 m之外均可认为试品处于电磁波传播的远场范围, 其传播规律遵循信号幅值随距离成反比的衰减规律。
1.2 套管末屏接触不良放电电磁波传播仿真
采用有限时域差分法 (FDTD) 计算电磁波在套管本体中的传播路径和规律。不同缺陷情况电磁波传播路径不同, 最终都会被特高频天线检测到。以套管末屏接触不良典型缺陷为例, 得到的局部放电电磁波传播仿真结果如图2所示。
从图2仿真过程可以看出, 不同时刻末屏处的放电无法通过防护罩直接传播到外部空间, 而是通过末屏接线柱小套管进入套管油道, 进而向两端传播;末屏处的电磁波信号沿油道向上传播时, 会从末屏上方的瓷套处泄漏出去, 进而向周围空间传播;电磁波传播至电容芯子两端时, 分别会绕射进入电容芯子内部继续传播。总之, 油箱中电磁波的传播速度较慢, 传播距离会落后于外部空间。
1.3 典型缺陷位置的传播试验
以套管末屏接触不良电磁波传播过程试验验证为例, 通过考察到不同位置传感器的时延来判别信号辐射位置。将3个传感器以套管为中心水平等间距放置, 测得仿真结果如图3所示。
从图3可以看到, 中间传感器 (2号传感器) 分别领先两侧传感器 (1、3号传感器) 1.5 ns和2.0 ns左右, 说明信号辐射位置在3个传感器中垂线略偏1号传感器上, 即套管中垂线偏末屏位置。同理, 调整传感器高度位置, 可以在垂直方向上确定放电位置。
2 套管典型缺陷局部放电特高频信号分析
不同缺陷类型的放电特征不同, 因此为识别放电类型及部位提供了依据。现以套管顶部接触不良缺陷为例, 进行局部放电特高频信号时域分析、频域分析和相位谱图分析, 其波形如图4所示。
通过图4可以发现:在时域方面, 波形等效时长16 ns, 首波上升时间0.1 ns, 波形上升时间0.6 ns, 波形下降时间0.2 ns, 峰值0.04 V;频域方面, 套管顶部接触不良的频谱比较平均, 主要集中在0.6~1.8 GHz左右, 平均等效频宽为1.53 GHz, 信号频域比较丰富, 高频成分较多;相位谱图分析方面, 局部放电量约为800 p C, 主要分布在90°和270°附近, 一、三象限, 谱图基本符合空气中悬浮放电的特征。
对套管典型的局部放电缺陷模型进行检测、分析, 根据计算得到的等效时长和等效频宽信息, 绘制出顶部悬浮放电、末屛放电、油中悬浮放电和下瓷套沿面放电4个典型放电模型的TF谱图, 如图5所示。
从图5可以看到, 4种放电信号具有不同的时频特征, 在TF谱图中有着显著的区别, 因此可以作为信号聚类和分离的依据。
3 现场测试结果
以庆北变电站现场实测为例验证实际定位效果。为屏蔽现场通信的干扰, 检测频带选择1~1.5 GHz。
现场实测时, 在变压器附近架设多通道特高频测量设备, 反复调整示波器触发阈值, 寻找疑似局部放电阵列信号。在确定局放信号基本特征后, 根据特高频信号到达时间先后进行特高频信号源测向, 确定主变附近特高频信号的来源方向及进行定位。
在2号主变正前方定位天线阵列接收到的一组特高频信号波形, 如图6所示, 疑似放电信号, 而天线阵列的中垂线正对2号主变110 k V中性点接地刀闸。
将四通道定位阵列布置在接地刀闸附近, 定位结果如表2所示。
由表2可知, 放电位置位于接地刀闸支柱顶部。
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4 结论
1) 针对套管典型缺陷开展了特高频信号传播过程仿真, 验证了与理论衰减特性的一致性。
2) 分析研究了套管不同部位局部放电特高频信号的传播特征, 套管不同部位的局放, 特高频信号因传播路径不同, 其波形有不同的形态特征。
3) 通过变电站的现场实测, 发现了多处不同程度不同设备的局放信号, 并进行了精确地定位, 不仅验证方法有效性还累积了大量现场实测定位经验。
4) 采用特高频方法对套管局部放电现象进行检测与定位, 解决了高压套管在线监测面临的安全可靠性低、抗干扰能力差等问题, 实现了对放电源进行简单、快速、准确的定位。
摘要：为解决依靠例行和诊断性试验来评估变压器套管的绝缘状态, 难以及时发现运行中套管的潜在故障和现有的套管局部放电测量通过末屏引出信号安全性差, 且易受干扰的问题, 提出了基于特高频信号的套管局部放电带电检测与时间差定位方法。阐明了特高频定位方法的基本原理, 并进行了仿真计算及套管实体缺陷模型局放特性比对与定位, 且通过现场对在运变压器套管进行测试, 结果表明, 该方法可以辨识出套管局部放电缺陷类型及放电部位。
在线定位论文 篇5
配电系统故障频繁,尤其是单相接地故障发生概率最大[1],因此研究配电系统单相接地故障定位问题很有必要。
目前,配电系统离线定位已经取得重大进展,其中“直流定位法”能够克服配电系统故障定位存在的难题,具有良好的故障路径辨识性能,但是离线定位需要先停止故障线路的供电再进行定位操作,降低了供电可靠性,与电网发展方向相悖。国外配电自动化系统的一个重要内容就是故障区域的自动指示,即在配电系统中装设电流互感器,故障时根据各互感器的输出信息判断故障区域,但该系统只能将故障锁定在一定区域,具体故障点也需要人工巡线查找,且该系统投资大,国内较少采用。
本文通过分析中性点不接地系统零序电流、电压,利用零序功率角度判断故障路径,解决了零序电压、电流相角同步检测以及数据通信问题,从而实现了故障定位。
1 基于零序功角检测在线故障定位的可行性分析
1.1 零序功角分析
首先定义从变电站指向线路末端的方向为电流参考正方向,如图1中的方向。三相电源电动势分别为,中性点电压为,故障接地电阻为R。在故障点前后分别任取一点观测其三相电流相量。
设线路单相对地电容C=C10+C11+C20+C21,C1=C11+C20+C21。因为
而由基尔霍夫电流定律有:
结合式(1)、式(2)得:
故障点前观测点的三相电流为:
零序电流为:
将式(4)带入式(5)得:
同理可得故障点后观测点的零序电流为:
由式(6)和式(7)知,故障点前零序电流滞后零序电压90°而故障点后超前90°,两者相角相差180°;零序电流大小取决于零序电压以及检测点距离线路首端或者末端的距离(距离决定电容大小)。由此可知,利用零序功角对单线进行故障定位是可行的。下面对采用该方法辨识故障分支与非故障分支的可行性进行分析。
定义故障路径为从变电站故障线路出口到故障点的最短路径,如图2中o—a—b—故障点。
采用与单线配电系统相同的分析方法,并且取与之相同的电流正方向,对故障线路第一个分支点a下游两分支的零序功率方向进行分析。设B相接地电阻为R,a点左侧系统单相电容为C1,观测点1右侧系统单相电容为C2,观测点2右侧系统单相电容C3。系统零序电压为:
观测点1三相电流为:
零序电流为:
同理得观测点2零序电流为:
对比式(8)、式(9)可知,故障分支零序电流滞后零序电压90°,非故障分支超前90°,并且由于正常线路的存在,电容电流较大(C1远大于(C2和C3),因此理论上故障路径上的零序电流远大于非故障路径的。
1.2 负荷对零序功角的影响
图3是带负荷配电系统,其中C代表各相对地电容,Z为负荷集中等效参数,R为故障接地电阻,负荷中性点电压为。
对负荷中性点应用基尔霍夫电流定律有:
整理式(10)可得:
对变压器中性点应用基尔霍夫电流定律有:
整理式(11)得:
对比式(3)和式(12)知,无论有无负荷都不影响零序电压大小。又因为有负荷和无负荷情况下的零序网络完全相同,所以负荷不影响零序电流相角。
以上分析表明,对于中性点不接地配电系统,通过检测零序功角可以辨识故障路径。
2 零序功率方向检测
虽然已经证明基于零序功角检测进行故障定位的可行性,但是如何实时得到检测点的零序功角却是个难题,因为在检测点只能够检测零序电流,而无法通过在检测点安装零序电压互感器来检测零序电压(零序电压只能够在变电站内部进行检测)。零序电流、零序电压异地检测存在两个问题:一是同步检测问题,只有同步检测的数据才能进行相角比较;二是通信问题,需要将一端检测到的数据传送到另一端进行相角比较从而得知零序功角。
2.1 基于GPS的同步相角检测
对于同步相角检测问题,本文采用基于GPS秒脉冲的同步方法。目前,GPS卫星接收模块的授时精度已经到达微秒级,相对于电力系统50Hz的频率,角度误差大约是0.018°,完全满足定位要求。
如图4所示,两个采样点分别装设同样的GPS接收模块,给异地采样单片机提供同步信号。当GPS秒脉冲到来时,记录下此时的UTC时间(即通用协调时,同一时刻全球各地的UTC时间相同)并启动两地单片机采样,采样完成后分别求出相对于UTC时刻的绝对角度,即零序电压绝对角和零序电流绝对角。
2.2 数据通信
由于配电系统结构复杂,零序电压和零序电流检测点相差可能几千米甚至几十千米,因此将一端的检测数据传送到另一端从而求取零序功角就显得比较困难。
基于有线网络和自组无线网络的方法需要增加设备,成本高,为此本文采用基于GPRS的无线数据通信平台进行数据传输。首先将测得的绝对相角打上UTC时标,而该时标就是其采样时刻,其数据格式为:起始字符angle_u0(i0)UTC结束字符。
然后将该数据送到GPRS发送模块,通过GPRS网络传送到另一端GPRS接收模块并解码,最后与本地同一UTC时刻的绝对角度进行比较即可得到该时刻零序功角。
3 配电系统模型实验
现场进行在线定位研究非常困难,为此搭建了配电系统模型,如图5所示。模拟线路不带负荷,线路按π型参数等值,单相接地电阻为3kΩl,变压器中性点采集零序电压,线路分支点装有3个零序电流互感器输出零序电流信号。
因为只有电压信号才能被采样,所以零序电流互感器出口接电流电压转换器。图6为采样波形图(为了能够将零序电压和零序电流波形进行直观的比较,已将零序电压采样数据除以2 000)。
由图6可知,#5、#6互感器都在故障路径上,波形图上其零序电流滞后零序电压约90°;#7互感器在非故障路径上,其零序电流超前零序电压约90°;另外#5、#6互感器采集的零序电流大小基本相等,且大于#7互感器。由此可知实验结果与理论分析一致。
4 结束语
理论分析和模拟实验证明:对于中性点不接地配电系统,利用零序功角的差异可以有效实现故障路径辨识,而解决了异地同步采样和数据传输问题后可以很容易得到零序功角。
虽然理论推导以及配电系统物理模型实验都证实该方法的可行性和有效性,但还需要通过现场实验进行改进。另外,在线路上装设零序电流互感器以及采样单元将增加现场的维护工作量,因此还应解决如何在不改变配电系统现状的条件下实现在线定位的问题。
基于零序功角检测进行在线定位的方法仅适用于中性点不接地配电系统,而目前国内配电系统中性点多接有消弧线圈,消弧线圈会补偿线路的容性电流,使得该方法失效。对于含有消弧线圈的配电系统如何有效进行在线定位将是以后研究的方向。
参考文献
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[2]严凤,杨奇逊,齐郑,等.基于行波理论的配电系统故障定位方法的研究[J].中国电机工程学报,2004,24(9):37-43
[3]桑在中,潘贞存,丁磊,等.“S注入法”选线定位原理及应用[J].中国电力,1997,30(6):44,45,62
[4]张慧芬,潘贞存,桑在中.基于注入法的小电流接地系统故障定位新方法[J].电力系统自动化,2004,28(3):64-66