混合线路

2025-01-31

混合线路（共7篇）

混合线路篇1

摘要：文章提出一种识别混合线路故障区域及故障位置的方法。首先在混合线路接头处安装柔性光互感器,通过光缆将电流信息传递给安装在变电站内的保护装置,保护装置将接收到的各测点的电流信息进行同步,然后综合电流差动保护元件完成故障区域识别;识别出故障区域后,再根据各段电缆或架空线各自线路参数及测量到的电压及电流信息,设置合适的故障测距时间,完成故障位置的精确计算。文章基于不同电压等级的系统进行了RTDS仿真,模拟了各种不同故障位置及故障阻抗的情况,测试结果证明了本方法的有效性,能够可靠计算故障位置。

关键词：混合线路,故障区域,柔性光互感器,故障测距,综合电流差动保护

0 引言

随着电力系统及大中城市快速发展,电缆-架空线混合输电线路及多级串供电缆混合线路的应用越来越广泛。在电缆-架空混合线路发生故障后,检修人员需要找出故障点,确定故障点位于架空线还是电缆,确定为架空线路时,才下达手合故障线路命令;多级串供电缆线路由于其接线形式的特殊性,一旦串带线路发生故障,运行检修人员必须对该线路的所有串带段进行巡视检查,方能确定故障位置,而串带路数少则2路,多则8路甚至更多,巡检势必耗费大量人力和物力,也增加了恢复供电的时间。目前针对电缆-架空混合线路及多级串带电缆,尚未有行之有效的故障测距技术,依然采用传统的人员巡视的方法完成故障位置的诊断。

目前电缆-架空线混合线路均采用常规线路继电保护,文献[1-4]对电缆保护做了较为详细的说明,但无法诊断是电缆故障还是架空线故障,同时由于各段参数不均匀,无法精确定位故障位置;文献[5]提出了一种电抗继电器,能够较为可靠地识别故障是位于架空线还是电缆,但还存在死区,且不适用于短线路;行波法[6,7,8,9,10,11]根据行波理论实现输电线路故障测距,其优点是在理论上有较高的测距精度,缺点是当线路中存在分支或串有阻波器时,误判波头的可能性较大,行波法更适用于结构简单的输电线路,不适用于分支较多、线路较短、结构复杂的配电网络;文献[121 3 ] 总结了当前电缆故障位置判别方案,提出了光学互感器的实际应用。

本文基于柔性光互感器的数据采集,提出综合电流差动故障区段识别方法,通过选取合适的测距时刻,完成混合线路故障位置的精确判别。

1 方案实施

1.1 混合线路结构

混合线路包括电缆-架空线混合线路以及多级串带混合线路。图1为电缆-架空线混合线路,由一段电缆和一段架空线构成,也可能包括多段电缆与多段架空线;图2为多级串供电缆线路,由多段电缆构成,各段电缆参数可能不相等,在多段电缆中间设有负荷变电站,串带路数少则2路,多则8路。

为识别故障区域,可在电缆-架空线交接处增加1台电流互感器,将该处的电流信息传递到两侧,基于差动保护即可实现故障区段的判别,但是对于常规电流互感器,由于成本高且安装需要破坏一次设备,因此不太可行。随着光互感器的广泛应用,由于其成本低廉且安装简易,因此投入实际应用取代常规互感器成为可行。

1.2 柔性光学电流互感器

光学电流互感器是一种新型的光学计量技术,是基于Faraday(法拉第)磁光效应测量一次电流的互感器,柔性光学电流互感器的安装和维护更加方便,可任意弯曲的光缆可适应于任意形状的导体,特别适合于变电站改造、安装空间狭小、不停电安装检修等应用场合[14,15]。柔性光学电流互感器与普通光学电流互感器的区别是:柔性光学互感器的一次传感部分仅为一根带反射镜的光纤,该传感光纤采用特殊工艺处理后制成非铠装传感光缆,传感光缆没有固定形状,可以灵活盘绕在绝缘电缆外围形成光纤传感环。柔性光学电流互感器各主要器件如图3所示[16,17]。

柔性光学电流互感器现场安装时只需将传感光缆灵活缠绕在一次导体周围即可,安装方式灵活,其传感光缆能适应任意尺寸的导体,可以现场绕制和熔接,安装和维护方便。柔性光学互感器传感光缆可缠绕在绝缘电缆外围,处于低压侧,安装过程中对绝缘电缆没有损伤,因此安装过程无需停电。

1.3 故障区段判别

为了可靠识别故障区段,可采用在电缆-架空线接头处或者多级串供线路分段处设置光互感器的方式[12,13],如图1、2所示TA采用光互感器,图1为线路差动保护,其中M侧差动保护设置数据接收口,完成各段差动判别;图2单独设置集中判别装置,接收所有光互感器的数据,基于差动保护原理完成故障区段的判别。

常规差动保护基于分相电流差动保护原理,但是对于多级串供线路,由于两光互感器之间存在负荷变压器,在区外故障时变压器中性点会产生较大的零序电流,导致分相电流差动保护可能误动,如图4所示。

设区外F点发生接地故障,TA2与TA3测量到的故障电流分别为采集到的故障电流f M、f N,变压器各相流过电流为f T,则差流diff=f M+f N=f T,区外F点故障时差动保护可能误动。

为解决零序电流导致的分相差动保护误动问题,可在负荷站两侧各设一组光互感器,如图5所示,但这势必会大大增加成本。

为了降低成本,减少互感器使用数量,本文提出将常规分相电流差动保护改为综合电流差动保护,能较好的解决相差动误动的问题。综合电流差动元件由正序电流差动元件、负序电流差动元件以及分相电流差动元件组成,正序电流差动元件与负序电流差动元件作为区内故障判别元件,分相电流差动元件作为选相元件。差动判据包括如下几个方面:

1)正序电流差动继电器。

式中:I1CD是正序差动电流,IR1是正序制动电流,I1Set是正序差动电流保护起动定值,k1是正序差动比例制动系数。

2)负序电流差动继电器。

式中:I2CD是负序差动电流,I2R是负序制动电流,I2Set是负序差动电流保护起动定值,k2是负序差动比例制动系数。

3)相差动选相继电器。

式中:ICDφ是各相差动电流,IRφ是各相制动电流,ISet是分相差动电流起动定值,k是相差动选相元件比例制动系数,φ=A,B,C。

当正序电流差动元件动作,且三相电流差动元件选相结果为三相故障,无外部保护动作信号,则判为区内三相故障;当负序差动电流元件动作,且仅单相或者两相分相电流差动元件动作,无外部保护动作信号,则判为区内不对称故障。故障区段判别逻辑如图6所示。

图6中电缆段信号是用来识别该段是否为电缆段,若为电缆段,则闭锁重合闸,若为架空线段则根据要求启动重合闸。

为了避免正常情况下正序电流差动元件误动,差流动作门槛必须躲过本段负荷变压器所带最大负序及正序电流,由于负荷变压器支路正序及负序阻抗非常大,因此流过的变压器正序及负序故障电流非常小,且发生区内三相故障时故障电流非常大,因此正常情况下不会影响差动保护动作灵敏度。本段内负荷支路的变压器或者馈线发生故障时,若不需要本段判别元件动作,则外部保护动作信号可接本段负荷支路的保护动作信号,如变压器保护、馈线保护等动作信号。

1.4 故障位置计算

对于架空线路或电缆电路,阻抗法和行波法是最常见的故障测距方法。行波测距的优点是测距精度理论上不受线路类型、过渡电阻和两侧系统阻抗的影响;缺点是对硬件要求较高,投入成本很高,并且由于行波波形复杂多变,分析难度大,尤其是线路中存在分支或串有阻波器时,波头误判的可能性非常大,因此类似线路行波测距几乎无法使用。行波测距还有一个较大的特点是故障点在距离电缆两端很近的单相接地故障中,测距误差较大,所以行波法更适用于电压等级较高、线路结构简单、线路长度较长的输电线路,不适用于分支较多、线路较短、结构复杂的网络[12]。

对于电缆-架空线混合线路或者多级串供线路,由于线路参数的不均匀,常规的阻抗法无法适用,为使故障后能够迅速定位故障位置,本文提出了基于故障区域判断基础上的双端阻抗法,即在定位出故障区段的基础上再采用双端测距实现故障位置定位功能。

双端测距分为两端电流、一端电压法或者两端电流、两端电压法,为避免测距受互感等影响,采用了正序网络及负序网络故障测距技术。不对称故障采用负序测距,三相故障采用正序测距。

以图7架空混合电缆线路为例,若故障位于TA2与TA3之间,根据故障区段判别结果,得出如下方程:

式中:故障点F距TA2距离为lm;距TA3距离为ln;lc1为电缆1全长;Zc1为电缆1单位长度阻抗;Zc2为电缆2单位长度阻抗;Im为M侧流过TA1故障电流;If M为流过TA2故障电流;If N为流过TA3故障电流。

1.5 故障测距时刻选取

对于电缆-架空线混合线路以及电力电缆线路,由于电缆较大的电容电流特性,在故障发生后的初始阶段,会产生较大的直流衰减分量以及非周期分量,由于高频分量、衰减直流分量、低频分量的影响,故障后的短时间内故障测量阻抗可能误差较大,但随着时间的推移,故障暂态分量含量会越来越小,从而对距离的测量产生的影响也越来越小。

对于基于阻抗测距的方案来说,基于全波傅氏的测距需要至少一个周波的稳态量进行测距,为了消除上述非工频分量对测距的影响,装置尽可能延时故障测距时刻,测量数据窗采用开关跳开前一个周波,此时故障分量中的衰减直流分量以及非周期分量含量最低,对测量的影响最小。

图8为RTDS模拟仿真220k V长线路三相故障电流电压波形,由图8 可见, 故障初始电压谐波很大,而电流衰减直流分量较大,经过约2~4周波基本衰减为0。

图9为测距误差曲线,以图8波形为例,测距误差在故障初始瞬间最大,约22%,随着时间推移,误差越来越小,最后接近实际故障距离。

采用开关跳开前的稳态电流用于测距,能够降低衰减直流分量以及非周期分量对测距的影响,提高测距精度。

2 RTDS仿真

为验证上述方案的可行性,利用RTDS建模测试该方案,仿真模型如图10所示,系统电压等级为220k V,由两段串供线路组成,线路长度分别为4 800m及2 586m,系统及线路参数如表1所示,两侧电源角度相差15°。

图中,F1、F2、F3、F4、F5、F6为故障点,其中F1,F2,F3与采集单元A1距离分别为段1的10%、50%及100%,F4、F5与采集单元A2距离分别为段2的10%及50%,F6为区外故障点。两负荷站所带负荷均为100MW。

针对单端电源与双端电源系统,分别模拟了如下类型故障:

1)区内金属性各种类型故障。

2)区内金属性经过渡电阻各种故障。

3)区外金属性各种类型故障。

4)区内转区外及区外转区内的各种类型故障。

最终测距结果显示,对于区内各段故障,故障区段能正确识别,测距误差低于6%;区外故障不误动;区内转区外故障,只报区内故障,故障相别只显示区内故障相别。

上述测距结果采用针对左侧各自线路的采集单元,测试过程模拟了不同故障点不同过渡电阻时的测距结果,根据误差分析,最大误差为6.86%。

3 结语

本文通过在混合线路或多级串供线路分段接口处安装光柔性互感器,通过光纤将电流信息传送给数据集中判别装置,采用综合差动保护元件判断故障区段,并在此基础上完成双端测距功能,该方案克服了传统阻抗测距在不均匀线路上的测距误差,综合差动元件能够应用于任何传输线路的保护,避免区内负荷分支可能带来的误判问题,减少了柔性光互感器的应用数量,合适的测距时刻选取降低了故障暂态分量以及衰减直流分量对测距结果的影响。

本方案还存在以下不足:

1)采集单元需要现场供电,限制了应用灵活性。

2)必须具备MU到保护装置的通信通道,导致投资增加。

3)实际系统中,由于线路三相结构的不对称性,其实测参数存在一定的误差,导致基于阻抗测量的测距精度有所下降。

综上所述,本文提出的方法具有广泛的适应性,能够可靠识别故区域,解决了混合线路不均匀参数对测距的影响。

混合线路故障测距新方法的研究篇2

目前,有关电缆 - 架空混合线路的故障测距的研究倍受关注。混合线路的测距方法多种多样,其中包括行波固有频率法[1,2,3],该方法通过提取故障行波的固有频率主成分,再利用频率和距离的关系式来实现故障测距。由于电缆和架空线的波阻抗不一致,因此行波在故障点和线路连接点均会发生复杂的折反射现象,从而引起固有频率的混叠[4]。若不进行混叠消除,提取到的频率就不够精确甚至会有很大的误差。因此,消除频谱混叠是提高测距精度的首要问题。

参考文献 [4] 提出利用经验模态分解 (EMD)来实现混合线路故障测距,但依然未能很好地解决模态混叠的问题。对此,本文提出将聚类经验模型分解 (EEMD) 方法运用到混合线路故障测距中,通过EEMD分解克服频谱混叠的问题,从而准确有效地提取行波固有频率主成分,实现精确的故障定位。

1 EEMD方法原理

1.1 EEMD方法介绍

根据参考文献 [5],利用EMD分解容易出现模态混叠现象,从而导致分解得到的本征模态函数(IMF) 分量缺乏物理意义。对此,参考文献 [6] 提出了一种噪声辅助数据分析方法EEMD。该方法利用高斯白噪声频率均匀分布的特性,在分解的过程中不断加入白噪声,根据白噪声均值为零的特性,将所有的IMF多次求取平均值以消除外加的噪声,经过这一系列的增加消除白噪声,模态混叠的现象能得以避免。EEMD的分解步骤如下 :(1) 将白噪声序列加在原始信号中 ;(2) 将 (1) 得到的信号进行EMD分解得到IMF ;(3) 每次加入不同的白噪声序列,反复重复步骤 (1)、步骤 (2) ;(4) 把分解得到的各个IMF的均值作为最终的结果。

1.2 EEMD的优势

为更加形象地说明EEMD在解决模态混叠现象中的效果,通过一个简单的仿真来比较EEMD和EMD方法。对信号a1=sin(2π×50t) 加上白噪声信号a =awgn(a1,10)(10为信噪比 ),得到如图1所示的模态混叠的典型信号,该信号为在单位幅值的低频正弦中添加了高频扰动信号。

分别对图1所示的原始信号进行EMD分解和EEMD分解,分解后得到一系列的IMF分量,为方便比较,只提取两种算法的前三个IMF分量进行对比,如图2、图3所示。

从图2可以看出,信号在经过EMD分解后,产生了严重的模态混叠现象,而图3中信号经过EEMD分解后,频率不相同的高频扰动信号和低频正弦实现了分离,从而避免了模态混叠现象。因此,故障信号经EEMD分解后,故障特征信息便能很好地聚集在首个IMF分量中,再对该分量进行频谱分析即可提取故障行波的固有频率主成分。

2 基于EEMD的混合线路测距

常见的电缆 - 架空混合线路有多种类型,以经典的双电源混合线路 ( 电缆 + 架空 ) 作为分析和仿真对象,如图4所示。

混合线路的测距步骤如下。

1) 预处理 :先对故障行波进行克拉克变换得到α模、β模和O模分量,然后选择待处理分量x。单相接地故障用O模和α模的测距结果的算术平均值,其余故障选用β模。

2) 提取固有频率主成分 :首先利用EEMD方法将待处理x分量进行分解,得到包含有故障特征信息的IMF1分量x1。然后用多信分类 (MUSIC) 方法提取x1的固有频率主成分频率f1。

3) 进行故障测距 :(1) 计算f1下电缆和架空线中的波速v1和v2。(2) 计算f1下电缆段形成的固有频率主成分频率fd1。(3) 若f1<fd1,则故障发生在电缆段,否则,发生在架空段。(4) 进行测距计算。

若故障发生在电缆段,则 :

式中,d为故障点距离,d1为电缆的长度,θ0和θf分别为测量点和故障点的反射角。

若发生在架空段,则 :

式中,d2为架空线的长度。

3 仿真算例

3.1 模型与参数

为使仿真效果更好,仿真中的线路模型采用PSCAD/EMTDC中的频率相关的FD模型。取采样频率为1 MHz[7],故障发生时刻为0.034 s。M端电压源电压为500∠50°k V ;N端电压源电压为500∠30°k V。电缆和架空线的长度分别为50、100 km,线路的具体参数见表1。

利用图4所示线路系统进行仿真分析,假设两端电源均为理想电源,即等效阻抗Z1=Z2=0,接地电阻为1Ω,线路在130 km处 ( 架空段 ) 发生ABC三相短路接地故障。根据故障信号的模量选取原则[8],提取故障电流行波的β模后利用EEMD算法对其进行分解,得到的首个IMF分量如图5所示。

由于反应故障特征的成分主要聚集在首个IMF分量上,因此只需对IMF1分量进行频谱分析,即利用MUSIC算法提取固有频率的主要成分,频谱图如图6所示。

在图6中可看出首个峰值点位于fdf=536.2 Hz处,即固有频率主成分为536.2 Hz。在此主成分频率下,架空线的β模波速为2.931 8×108m/s,电缆线的β模波速为7.143 9×107m/s,通过计算得到电缆区段的主频为714.39 Hz,由于714.39 >536.2,据此可判断出故障发生在架空段,利用式(2) 计算便得出故障距离为130.251 km,相对误差为0.167%。

3.2 EMD和EEMD的结果对比

从1.2小节可知,由于EEMD算法解决了EMD算法不能解决的频谱混叠问题,因此,理论上EEMD算法的测距精度要比EMD算法的精度高,为了更好地证明这一点,在3.1小节的工况下,分别设置不同的故障地点进行仿真,两种算法得到的结果如表2所示。

从表2中可以看出,基于EEMD算法的测距结果误差率普遍比EMD算法的误差率低,这进一步说明了通过EEMD算法能很好地解决EMD算法无法解决的频谱混叠问题,从而提高测距精度。

3.3 算法在不同工况下对测距的影响

3.3.1 故障距离对测距的影响

为了验证不同故障距离对测距结果的影响,在图4所示系统条件下,对接地电阻为1Ω的三相接地故障进行了仿真,结果如表3所示。

3.3.2 故障类型对测距的影响

为验证故障类型对测距结果的影响,设故障过渡电阻为1Ω,故障距离为30 km和90 km,发生常见的故障类型的测距结果见表4。

AG表示A相接地故障 ;BC/BCG表示BC相短路故障 /BC相短路接地故障 ;ABC/ABCG表示ABC三相短路故障 /ABC三相短路接地故障。

3.3.3 接地电阻对故障测距的影响

表5列出了在图4所示系统条件下,故障距离为110 km,发生三相接地故障时不同过渡电阻对测距结果的影响。

从表5中可以看出过渡电阻在500Ω以内对测距方法的测距结果无明显影响,这是由于过渡电阻过大时,会影响线路参数的计算从而影响测距精度,同时,接地电阻的增大也会降低反射行波的能量,不利于固有频率的提取。

4 结语

针对混合线路行波的严重频谱混叠问题,提出采用EEMD分解的方法,通过EMD和EEMD两种算法的仿真对比表明,EEMD能更好地克服模态混叠现象,测距精度更高。

最后不同工况下的仿真结果表明,基于EEMD的混合线路测距新方法能有效地进行故障测距,测距误差在可接受范围内。

参考文献

[1]杨明玉,杨立红.基于固有频率的直流输电线路故障测距新算法[J].华东电力,2013,41(3):607-611.

[2]陈双,林圣,李小鹏,等.基于系统阻抗自适应的行波固有频率测距方法[J].电网技术,2013,37(6):1739-1745.

[3]徐高,龚庆武,关钦月,等.利用行波固有频率和原子能量熵的故障选相方法[J].电网技术,2014,38(6):1688-1693.

[4]夏璐璐,何正友,李小鹏,等.基于行波固有频率和经验模态分解的混合线路故障测距方法[J].电力系统自动化,2010,34(18):67-73.

[5]W u Z H,H u a n g N E.A s t u d y o f t h e characteristics of white noise using the empirical mode decomposition method[J].Proceedings of the Royal Society of London,2004,4(6):1597-1611.

[6]Wu Z H,Huang N E.Ensemble empirical mode decomposition:a noise assisted data analysis method[J].Advances in Adaptive Data Analysis,2009,1(1):1-41.

[7]董新洲,葛耀中,贺家李,等.输电线路行波保护的现状与展望[J].电力系统自动化,2000,24(10):56-61.

混合线路篇3

在目前阶段, 中性点非有效的方式是我国中压配电网主要采用的运行方式。这种运行方式线路复杂, 架空线和电缆混合线路混合起来是最常见的方式。在线路形成单相接地的故障的情况下, 电流就会变得十分微弱, 此时电弧也会变得不稳定, 这就给定位故障点造成了很大的困难。如果发生短路, 甚至会造成停电, 后果十分严重。所以, 快速精准地对线路的故障进行定位可以大幅提高供电的稳定性, 同时还能够有效减少停电损失。

1 通过双端测距法来实现故障距离的测量

1.1 行波传播特点

通常, 配点架空线与地下电缆波阻抗拥有着不同的大小和特性, 行波在混合的线路的连接处通常会发生一定的折射。首先会以某个架空线处为出发点, 将正向的电压入射波传输出去, 通过电缆的传输输送至另外的架空线, 把这个状态下的入射波到达A点的时刻记为t=0, 忽略掉某些因素的影响, 则另外一个点的正向电压行波可以通过量化的公式计算出来。通过分析笔者发现, 混合线路中, 行波的传播会产生极其复杂的折射和反射。而如果将远端行波的影响也考虑在内的话, 则会产生更加复杂的传播过程。

1.2 利用双端行波测距法

上文中已经提到, 行波运动的有机过程较为复杂, 所以仅仅取某一段的距离是无法测量出故障点的反射波的, 所以工作人员不能只是通过单端行波去测距法, 这时就有必要引入双端测距法对故障波进行检测。它只需要对故障刚刚发生时的行波到达两端线路的准确时间进行检测, 而不需要去考虑折射波和反射波, 因此它所得出的测距结果相对来说是非常可靠的。因此在故障测距当中, 应当适当增加双端行波测距法的比例。

2 以时间中点为基础的故障搜索算法

固有的双端行波测距有着严格的使用背景, 它适合应用于波速恒定的线路之中, 因此对于波速渐变的配电混合线路来说, 它的适用性就大大减弱。曾经有一种观点认为, 可以通过波速单一化的方式来尽量减小波速渐变的影响, 但是这种说法不具备量化的条件, 因此有时可能不被现场工作人员所理解。线路的介质能够很大程度上影响到行波的运动速度, 而且一定程度上也与线路的介质性质有着不可分割的联系。当运动的线路参数相对保持恒定的状态时, 则运动的波速也基本上保持恒定。因此对于架空线和混合线路来说, 只需得知其具体的结构, 同时掌握一定的行波的波速, 即可得出行波在混合线路当中经过时所花费的时间。同理, 也只需要得知具体结构, 能够知道行波在线路一段运动到另外一段A点所要花费的总时长, 这样一来通过距离的计算也就可以对A点进行精准定位。也正是因为前面所提到过的理论在做支撑, 所以笔者才能够提出以时间中点为基础的故障搜索新算法, 通过这种算法就能够改善波速的渐变问题。第一步, 应该首先定义架空线, 并确定出混合线路的时间中点。所谓时间中点, 也就是从该点出发, 行波的信号移动至两个端点所要花费的时间相等;与此相对应的概念是距离中点, 也就是距线路两端长度相等的点。在输电线路当中, 线路的结构对称, 行波信号到达两端时间相等, 则说明两个中点重合;对于混合线路来说, 线路结构不对称, 行波运动至两端时间不对等, 两点不重合。然后根据一系列复杂的运算和推测, 随州初步判断故障发生的地段, 最后计算出参量, 以及行波在架空线中运动既定时间之后所到达的位置, 那个位置就是故障点。

3 行波测距信号的选择

3.1 行波反射规律

通常情况下, 母线的出线回路数直接决定着行波是否会发生反射和折射。而笔者在分析时某种程度上忽略了线路末端分布电容的影响。有些配电系统采取单母线配置, 这样一来, 一旦某条线路上的某个点产生故障, 则从这条线路通往母线观察的波阻抗则会变成所有其他没有发生故障的线路的并联。行波发送至末端时, 通常情况下会产生一定程度上的折射或者是反射。当故障线路的末端不存在其他出线时, 电流波几乎无法被检测到, 而即使检测到了电压波, 其当量也相当于入射波的两倍;当故障的线路末端出线数较少的时候, 就能够同时检测到电流波和电压波, 且两者的幅值都较小;反之, 如果故障线路的末端出线数较多, 则检测到的电流波幅值就会很大, 相反电压波的幅值反而减小。

3.2 行波测距信号的选择

配电线路的末端结构通常情况下会发生很复杂的变化, 因此需要依照着行波的具体反射规律, 并依照这种规律来对测量信号进行选择, 以完成故障的检测。通常情况下配电系统的母线端的出线会比较多, 所以应该将电流行波作为测距的信号, 以形成一种综合利用的电流和电压行波的测距模式。

有些配电系统的母线端出线较多, 针对这种情况就应当充分地利用电流行波作为测距信号。通常情况下, 线路的末端往往不会产生其他出线, 所以就需要利用电压波, 并将其作为测距信号, 构成综合利用的电流、电压行波信号的测距模型;对于某些特殊的母线端出线较少的配电系统, 则其两端都应当利用电压行波作为测距信号, 构成新的测距模式;对于两端出线都较多的配电线路, 则应当在两端都放置电流行波, 以此为测距信号。构成电流对电流的行波测距模式。

4 思考和结论

在中性点应用行波测距法, 能够避免很多传统测距方法的不足, 可以更加直接、有效地寻找到故障点, 因此也具备非常高的研究价值。中性点非有效接地系统过程也会产生行波线模分量, 这样单相接地故障和相间短路故障都可以采用行波线模分量作为测距信号。在混合线路中, 行波的传播过程通常都会较为复杂, 因此在故障测距时, 应当充分利用双端测距法。此外, 配电混合线路的测距技术在实际运用当中还有很多关键性的技术需要解决, 因此还有很大的进步空间。

摘要：在本文中笔者认为, 可以对线路故障所引发的暂态行波加以利用, 从而进一步实现配电价架空线以及电缆混合线路单相接地。同时, 笔者也对故障刚刚发生时的行波模分量的暂态特征进行了研究和分析, 经过分析笔者发现, 即使中性点单相接地故障发生后, 线路的稳态线电压总体上没有发生变动, 但是它的故障暂态进程依然会形成行波线模分量。在这种情况下, 就可以采用一些参数较为稳定的分量来作为测量信号。

关键词：配电混合线路,双端行波,故障,测距技术

参考文献

[1]季涛, 孙同景, 徐丙垠等.配电混合线路双端行波故障测距技术[J].中国电机工程学报, 2006, 26 (12) :89-94.

混合线路篇4

随着城市建设的快速发展,配电网中的架空线路因影响城市发展而不得不进行电缆化和入地化改造。由于电缆的对地电容比较大,系统发生单相接地故障后,电缆线路的暂态量较纯架空线路更为丰富,因此,充分利用缆-线混合线路暂态特征进行选线,能极大提高选线的可靠性。

小电流接地系统发生单相接地故障时,线电压仍对称而且故障电流较小,为了提高供电可靠性,规程规定系统可以继续运行1~2 h,此亦为应用较复杂的算法实现选线提供了时间上的宽容条件[1]。我国许多学者在配电网故障选线方面做了大量研究。由于故障稳态量很小,再加上电网本身和负荷的复杂性,致使实际工程中难以提取出有效的故障信号。近年来,有学者着眼于利用故障行波实现选线的研究[2,3],此类方法需要1 MHz左右的采样频率,对硬件要求较高,且由于配电网线路较短,行波传播速度很快,加之配电网故障信号的干扰较多,导致行波波头不易捕捉,降低了基于行波波头分析的故障选线方法的可靠性。配电网故障暂态量的幅值比稳态量大十几倍到几十倍,因而,学者们更关注于对暂态特征的研究,提出了许多基于暂态量的选线方法[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13],其中应用于缆-线混合线路电网的暂态量的选线方法有相关分析法[12,13]、可拓融合法[14]等。在缆-线混合线路电网中,由于电缆线路单位长度对地电容较架空线路大很多倍,且依频特性不同,因此,在某些故障情况下,如过渡电阻很大时,流过健全电缆线路与流过健全架空线路的故障零序电流相似性变差。由于谐振接地系统消弧线圈的补偿作用,故障零序电流可能出现倒相现象,以及电流互感器(TA)饱和引起二次电流失真等多种因素的影响,现有方法尚未完善地解决配电网单相接地故障选线这一难题,仍需在降低噪声、避开TA饱和等方面进行改进,算法需要具有更高的可靠性和自适应性。

小波包分析在多分辨分析基础上提出了一种更为精细的暂态信号分析方法,能更精确有效地提取故障信号暂态分量[15,16]。配电网发生单相接地故障时,故障零序电流首半波暂态能量集中,且暂态能量最丰富的频带,即特征频带,能突出反映故障特征。利用暂态能量最丰富的高频带故障信息进行选线能大幅减弱消弧线圈的影响。本文采用形态滤波对故障零序电流进行预处理,提出了在特征频带上基于小波包分解的相对能量故障选线自适应方法。

1 相对能量选线原理

1.1 能量分布特性

谐振接地系统发生单相接地故障后,故障相电压降低,健全相电压升高,故障相电容通过故障线路向故障点放电,线路分布电容和电感使得电容电流具有衰减振荡性。暂态电容电流是由故障相电压突然降低而引起的放电电流和健全相电压突然升高而引起的充电电容电流之和。在故障点有衰减很快的暂态电容电流和衰减较慢的暂态电感电流流过,故障线路L1和健全线路L3、L4零序电流如图1所示。故障接地电流id的表达式为

其中,ICm为电容电流稳态幅值;ωf为暂态自由分量振荡分量的角频率;τC为电容回路的时间常数;ILm为电感电流的稳态值;τL为电感回路的时间常数。

由图1可见,故障暂态能量集中在故障零序电流首半波,故障后首半波的故障信息丰富。在故障发生瞬间,零序电流的暂态过程显著,但持续时间很短。电缆线路由于线路分布参数特性与架空线路不同,其暂态电容电流自由振荡的持续时间一般约为0.5个工频周期。

配电网单相接地故障多表现为电弧性接地故障,假设谐振接地系统于0.005 s发生电弧性接地故障,电弧熄弧后,于0.015 s重燃,故障线路的零序电流如图2所示。

由图2可见,电弧接地故障发生瞬间,故障相电压骤降,健全相电压骤升,其电压突变引起线路对地电容充放电,从而使得配电网中产生较大的暂态冲击电流,该暂态冲击电流的大小与故障合闸角、线路长度等因素有关。对于电弧接地故障,故障零序电流中还含有由弧光放电引起的高频暂态分量。相电压过零电弧熄灭,再重燃,重燃电流为弧光放电引起的电流,它没有接地故障发生瞬间的合闸冲击电流。因此,对于电弧接地故障,暂态能量最集中的时段仍是故障发生瞬间到电弧电流过零熄灭的短时间内。对于谐振接地系统,由于消弧线圈的熄弧作用,电弧重燃的能量将小于电弧接地故障的能量。

1.2 形态滤波

由于复杂的现场环境、故障电流小以及各种变频调速装置及工业用电弧炉等波动负荷的影响,小电流接地系统录波装置所采集到的信号不可避免地存在噪声,为提高故障选线的准确性,必须在选线前加以滤除。

基于数学形态学的消噪滤波方法,算法简便易行,物理意义明确,实用有效。形态学滤波可以用形态基本开、闭运算来理解,其开运算可用于过滤信号上方的峰值噪声,除去毛刺及小桥结构;而闭运算可用于平滑或抑制信号下方的波谷噪声,填平小沟结构。基于形态学开、闭运算可以构建3种滤波算法:交替滤波器、混合滤波器、交替混合滤波器。形态滤波方法是基于结构元素填充探测的思想,结构元素的形状是影响滤波性能的关键因素。采用形态数字滤波器,通过选取合适的结构元素,可有效去除电力信号中的各种宽带或窄带干扰。考虑到小电流接地系统故障信号特点以及简化程序资源的需要,选取直线形的结构元素对含噪故障零序电流进行滤波。

1.3 TA饱和的影响

正常情况下,TA铁心的磁通密度较低,流入励磁回路的电流很小,能够线性传变一次电流。在故障情况下,由于小电流接地系统故障零序电流在故障角较小时,含有较大的衰减直流分量,该分量极易使得TA铁心饱和,二次电流的波形出现缺损。由于故障电流中存在周期性工频分量,TA铁心的磁密呈现周期性变化的特点,一次电流反向过零时,TA铁心磁密下降,退出饱和,因此TA进入饱和及退出饱和也存在周期性规律。TA饱和与不饱和相间,一次电流到二次电流的传变也随之呈现饱和缺损和线性传变相间,即出现间断角。如何避开TA饱和引起的间断角对选线准确性的影响,是实现完善选线不可回避的问题。TA饱和情况下二次电流的典型曲线如图3所示。

图3中,T为二次电流的工频周期。由图3可见,TA铁心饱和,其饱和传变特性对故障后一个周期内首个T/4和最后T/4的波形影响不大,T/4到3 T/4的波形发生畸变。由此,利用故障后的一个周期内首个T/4和最后T/4的故障零序电流来构造选线判据,能有效地降低TA铁心饱和造成的一次电流传变至二次电流发生失真对选线结果的影响。

1.4 特征频带的确定

谐振接地系统故障零序电流的暂态特征在其特征频带表现得尤为突出,提取出故障特征最明显的频带将提高故障选线裕度。根据能量最大原则,利用小波包分解可以确定零序电流的特征频带。

对各线路零序电流进行小波包分解,剔除工频所在的最低频带后,能量最大的频带包含了暂态电容电流的主要特征。因此,按频带将所有线路暂态零序电流的能量求和,能量和最大的频带必然综合反映了各线路之间的本质关系。在缆-线混合配电网中,不同的馈线能量集中的频带有可能不同,但故障线路的能量起着主导作用。由此,按式(2)计算各线路暂态零序电流在除最低频带外各频带上的能量ε,并按频带计算各频带上所有线路暂态零序电流的能量和值,选择能量和最大值所在的频带为特征频带。

式中ωk(j)(n)为小波包分解第(j,k)子频带下的系数(本文中频带(j,k)均指小波包分解得到的第j层第k个频带),每个子频带下共有n个系数。

1.5 相对能量的求取

小电流接地系统发生单相接地故障后,根据叠加原理,故障配网可分解为由三相电压源和馈线及负载组成的正常运行系统和由发生故障后故障点故障附加电压源与馈线组成的故障分量系统。由此,可定义线路的零序能量函数为

式中Wi(t)为故障后第i条线路的零序能量函数,u0(t)为母线零序电压;i0i(t)为第i条线路的零序电流。

由于利用故障后一个周期内首个T/4和最后T/4的零序电流,能有效地避开TA饱和间断角。根据公式(3)定义故障后T/4的暂态能量为

忽略公共零序电压的影响,联合式(2)和式(4)可得故障后首个T/4特征频带的暂态能量为

式中Wi_first为第i条线路故障后T/4特征频带的暂态能量;ωi_first为第i条线路故障后首个T/4特征频带小波包分解系数。

同理可得故障后一个周期内最后T/4特征频带的暂态能量Wi_last。则各线路特征频带内故障后的一个周期首个T/4和最后T/4的相对能量Ei为

2 故障选线算法

基于上述分析,小电流接地系统发生单相接地故障时,利用特征频带的相对能量可实现完善的选线算法,下面介绍实现步骤(如图4所示)。

a.采用形态滤波对各线路故障零序电流进行消噪预处理。

b.对各线路消噪零序电流进行小波包分解,按式(5)计算各线路暂态零序电流在剔除工频所在最低频带外各频带上的能量,并按频带计算各频带上所有线路的能量和,确定特征频带。

c.依次计算各条线路故障后一个周期特征频带内首个T/4和最后T/4的暂态能量Wi_first和Wi_last,若Wi_last≠0对于所有线路均成立,则接步骤d和步骤e;否则,选出各条线路首个T/4暂态能量中前3个最大值,并按大小顺序排列为Wj_first、Wk_first、Wm_first,当成立时,判定系统发生母线接地故障;否则,暂态能量最大的线路j即为故障线路。

d.依次计算各条线路故障后一个周期特征频带内首个T/4和最后T/4的相对暂态能量Ei。

e.选出各条线路相对能量中前3个最大值,并按大小顺序排列为Ej、Ek、Em,当|Ej≤Ek+Em|成立时,判定系统发生母线接地故障;否则,相对能量最大的线路j即为故障线路。

3 数字仿真验证

3.1 仿真模型

系统模型如图5所示。该系统为一个有6条出线的110 k V/35 k V变电所,Z字型变压器中性点通过消弧线圈串联电阻接地,采用LSJC-35型TA。

3.2 仿真算例分析

架空馈线L1在故障合闸角30°、距母线5 km处经20Ω过渡电阻发生单相接地故障时,采用14位A/D以10 k Hz采样频率记录图5所示系统各线路零序电流。采用形态滤波器对各线路零序电流滤波。考虑到分解层数、小波基的选取等因素对选线效果的影响,通过大量的理论计算和仿真试验验证表明,利用db10小波包对各线路零序电流进行4层分解能准确地确定特征频带。利用db10小波包对各线路故障后首个T/4的零序电流进行4层分解,并采用零延拓消除小波包分解的边界效应。根据小波包的频率二分特性,各频带宽度为312.5 Hz。按式(2)计算各线路零序电流在各频带下的能量,并按频带将所有线路零序电流的能量求和,得到低频段的16个频带所有线路零序电流的能量和分布如图6所示。

由图6可见,剔除基频所在频带(4,0)后,能量和的最大值所在的频带(4,1)即为特征频带。

利用db10小波包对各线路故障后的第1个周期中最后1/4个周期的零序电流进行4层分解,用式(6)求取各线路零序电流在特征频带(4,1)下的相对能量E为

可见,相对能量较大的3条线路依次是线路1、6、5,且|E1>E6+E5|，由此可判定相对能量最大的线路L1为故障线路。

3.3 算法适应性分析

发生单相接地故障时,零序电流的暂态过程随故障合闸角、电弧电阻、故障距离和消弧线圈补偿度的变化而变化。在研究中,采用相对能量法对不同故障情况下的单相接地故障进行选线,仿真结果如表1所示。

注:Rf为过渡电阻;θ为故障合闸角;lf为故障点距母线的距离;K为补偿度;N/S为噪信比。

由表1可见,在不同线路、不同故障合闸角、不同过渡电阻等情况下,该方法均能准确选线,对于大电阻接地有很强的适应性。

实际系统中,单相接地故障多表现为间歇性电弧故障,电弧过程非常复杂。本文采用“控制论”模型,即用压控开关作为实际电弧接地的理想数学化模型。仿真时,用开关的开、合来表征电弧的重燃和熄灭,1 s内燃熄弧100次。馈线L4在距母线5 km处发生电弧故障的选线结果如表2所示。

4 结论

本文通过比较特征频带的相对能量大小自适应地实现选线。理论分析和仿真验证表明:

a.该方法采用形态滤波对信号进行预处理,不会出现因干扰和测量误差而导致故障特征被湮没的情况,可以提高故障选线的灵敏性和可靠性,与采用传统的数字滤波器相比,使用廉价的微处理器芯片便可实现;

b.该方法不仅排除了工频量和其他非特征频带的影响,而且更加有效地利用故障暂态信息;

c.该方法放大了故障暂态特征,有效减小了电流互感器饱和对选线准确性的影响;

混合线路篇5

现代电力系统中为减少用地和美化环境,埋地电缆发展迅速。在原有输电线路的基础上,架空线路—高压电缆混合线路的应用越来越广泛。架空线路受外部环境影响会发生短路故障;电缆输电线相对架空线故障发生率大大降低,但由于绝缘老化、制造工艺等问题,也会引起接地故障。准确的故障测距能减轻巡线工作,加快恢复供电,减少停电损失和负面影响,提高供电可靠性[1]。

国内外关于单独架空线路或电缆的故障测距的研究较多,主要分为行波法和阻抗法两大类;阻抗法又分为单端法和双端法。而关于混合线路的研究较少,架空线-电缆混合线路对阻抗分析法而言不再是均匀传输线,对行波法而言波阻抗差异导致波速不一致。文献[2]提出了一种基于分布参数模型的混合线路测距方法,通过推算结合点电压判定故障在架空线路还是在电缆,简化为单独线路的测距。但该方法在出现伪根时,将出现误判。文献[3]提出了一种基于双端故障录波信息的混合线路测距方法,分段递推算出电气量分布,通过全局搜索测出故障位置,用最小值法排除伪根。该方法存在的问题是计算量大、时间慢、无法为混合线路提供在线的快速决策。文献[4]提出了一种基于分布参数模型的区段故障定位法,实现简单,但忽略了伪根问题,有一定局限性。

本研究提出一种基于双端不同步数据的架空线-高压电缆混合线路故障测距算法。采用分布参数模型,分析故障时沿线电气量规律及伪根产生原因,用改进二分搜寻法避开伪根,快速地计算出故障点,并应用于自动重合闸。

1 沿线电气量与伪根分析

分布参数模型线路上1、2两点的均匀长线方程[5]为:

$[\begin{array}{l} \dot{U}_{2} \\ \dot{Ι}_{2} \end{array}] = [\begin{array}{l} \cosh γ x - Ζ_{c} \sinh γ x \\ - \sinh (γ x) / Ζ_{c} \cosh γ x \end{array}] = [\begin{array}{l} \dot{U}_{1} \\ \dot{Ι}_{1} \end{array}] (1)$

运用式(1),可根据任一端电压和电流数据计算出沿线路任意点的电压和电流。如果存在不同步角δ,则须在公式的左侧乘上ejδ。

双端电源系统故障正序网如图1所示。由图1,并按分布参数模型的均匀输电线路方程得:

$\dot{U}_{X Μ} = \dot{U}_{Μ} \cosh γ x - \dot{Ι}_{Μ} Ζ_{c} \sinh γ x (2)$

$\dot{U}_{X Ν} = [\dot{U}_{Ν} \cosh γ (l - x) + \dot{Ι}_{Ν} Ζ_{c} \sinh γ (l - x)] e^{j δ} (3)$

式 (2,3) 中: $\dot{U}$ XM、 $\dot{U}$ XN—根据M、N端电气量计算的沿线任意X点电压,x—计算点到M端的距离,Zc—线路的特性阻抗,γ—传播常数,δ—不同步角。

由该两式可得均匀长线路电压趋势如图2所示,图中超出线路长度部分为虚拟的沿线电压趋势。

本研究进一步考虑伪根存在的情况,并考虑架空线-电缆混合线路为非均匀长输电线。电缆正序阻抗通常比架空线小,斜率发生变化,混合线路双端电源故障时沿线电压分布如图3所示。

图3中:J为混合线路的结合点处。沿线电压有两个交点,F1为故障点,F2则是求电压模解时,负平面镜像产生的伪根。该情况下,文献[2]判定结合点J电压大小的方法会误判;直接用二分搜寻法查找故障时存在死区和伪根。

2 故障测距算法

本研究通过上述方法分析分布参数模型混合线路故障时沿线电气量及伪根产生原因,提出了一种用改进二分搜寻法避开伪根、快速准确地实现混合线路故障测距的算法。

故障后两端数据除了基波外,还含有大量的谐波和衰减直流分量。本研究采用文献[6]提出的差分傅氏改进滤波算法(快速且有较高精度),滤出基波分量;再通过三相对称分量法进行相模变化得到正序分量。

本研究使用故障前1个周期的采用数据,利用双端推算J点的电压模相等原理,计算出不同步角度。

本研究将故障后第2个周期采用数据的正序分量应用于混合线路测距算法,得电压推算过程:由M端推算距离小于等于J的电压直接根据式(2)推算沿线电压;超出距离J时,先根据式(2)推算J点电压,再根据式(4)和电缆线路参数推算。N端根据式(3,5)类似推算。

$\dot{U}_{X Μ} = \dot{U}_{J Μ} \cosh γ_{2} (x - J) - \dot{Ι}_{J Μ} Ζ_{c 2} \sinh γ_{2} (x - J) (4)$

$\dot{U}_{X Ν} = [\dot{U}_{J Ν} \cosh γ_{1} (J - x) + \dot{Ι}_{J Ν} Ζ_{c 1} \sinh γ_{1} (J - x)] e^{j δ} (5)$

然后本研究给二分法查找过程中加上小范围ε区间内单调性判定,快速逼近V形交点(真实故障点),使搜索避开伪根。

改进二分查找过程和判据:

(1)设置初始值x1=0,x2=L,x3=( x1+x2)/2。

(2)比较x3、(x3 +ε)与J的大小。

(3)由M、N分别按上述电压推算过程计算出混合线路上x3点和x3 +ε点的电压模量,并判断小范围的单调性。

(4)向V形交点方向查找的判定如下:

$| \dot{U}_{X Μ} | \geq | \dot{U}_{X Ν} |$ ,且 $| \dot{U}_{X Μ} |$ 递减,或者 $| \dot{U}_{X Μ} | < | \dot{U}_{X Ν} |$ ,且 $| \dot{U}_{X Ν} |$ 递减,则令下一查找点向N端方向二分;

$| \dot{U}_{X Μ} | \geq | \dot{U}_{X Ν} |$ ,且 $| \dot{U}_{X Μ} |$ 递增,或者 $| \dot{U}_{X Μ} | < | \dot{U}_{X Ν} |$ ,且 $| \dot{U}_{X Ν} |$ 递增,则令下一查找点向M端方向二分。

(5)循环迭代,直到搜索单位达到设定的精度。输出测距结果,并判定故障点的传输介质,用于重合闸配合。

测距算法流程如图4所示。

该测距算法能适用于架空线-混合线路全线范围内故障的测距,以及从查找原理上排除伪根,快速收敛于正确的唯一解。

3 故障测距与重合闸的配合

自动重合闸装置的作用是在线路故障时尽可能减少停电范围,在瞬时性故障时能重合闸以成功恢复供电,在永久性故障时不多次重合闸,防止冲击电流的危害。针对在具有断路器条件下的架空线-高压电缆线路,如果用电设备允许且没有备用电源自动投入时,一般都应装设自动重合闸装置。

根据本研究提出的测距算法,可以快速、准确地计算出混合输电线路故障点的位置,并判定出传输介质。将测距结果应用于重合闸的策略包括:

(1)如果测距结果表明故障发生在架空线部分,瞬时性故障的可能性较大,在保护动作跳闸后,故障点的电弧可能熄灭并恢复了绝缘强度,此时进行重合闸能成功恢复供电。

(2)如果测距结果表明故障发生在电缆部分,永久性故障的可能性很大。电缆线路由于制造工艺、绝缘老化等造成接地故障时,即使在跳闸后,故障点绝缘强度仍无法恢复,此时重合闸不但不能恢复供电,而且将再次产生短路冲击电流,引起系统振荡。此时采用不进行重合闸的策略。

4 仿真验证

双端供电混合线路系统如图5所示,M、N为双端母线,F为故障点,l为线路总长,x为故障点距离,Rg为过渡电阻,J为混合线路结合位置。

参照图5,本研究采用Matlab仿真程序建立分布参数混合输电线路模型系统,模型图如图6所示。

仿真系统图中4段线路采用分布参数,设置了两个故障单元(仿真时仅令其中一个有效),可仿真混合输电线路上的4种故障类型,通过修改线路长度可以调节故障位置。

当50 km处单相短路故障时M端电压、电流波形如图7所示。

仿真系统参数设置:线电压为220 kV,50 Hz工频, N端初始相角超前M端15°,系统阻抗为:

Zm1=0.85+j32.50 Ω,Zn1=1.25+j50.80 Ω

Zm0=j25.25 Ω ,Zn0=j78.85 Ω。

架空线路总长100 km,分布参数:

r1=0.08 Ω/km,l1=0.95 mH/km,c1=0.014 μF/km;

r0=0.115 Ω/km,l0=2.35 mH/km,c0=0.006 μF/km。

电缆线路总长50 km,分布参数:

r1=0.024 Ω/km,l1=0.428 mH/km,c1=0.283 μF/km;

r0=0.195 Ω/km,l0=1.53 mH/km,c0=0.152 μF/km。

本研究设置采样频率2 kHz,用差分傅氏改进滤波算法进行数据处理,结果如图8所示,即滤波后的M端A相数据。

为了验证混合线路伪根存在的情况,本研究根据25 km处两相短路故障时仿真数据推算的沿线电压模值趋势,如图9所示,验证了伪根的存在。

本研究根据测距算法编程,循环次数设置为17次,则搜索最小单位近似为0.001 1 km,计算量相对全局搜索法大大减少。加载不同故障位置、故障类型、不同步角度时仿真双端数据,测距结果如表1所示。

表1的仿真数据验证了测距算法在不同故障位置及不同过渡电阻的情况下,都具有较高精度,能迅速有效地测出故障距离,并根据测距结果准确地判断出故障处的传输介质,用于自动重合闸策略。

仿真数据如表2所示,验证了测距算法对混合输电线路的4种故障类型的精度都很高;用故障前数据计算不同步角度,能有效解决故障录波的不同步问题。

仿真结果的相对误差在1%以内,没有出现较大失误测距点,验证了测距算法,能避开伪根,快速收敛于唯一正确的解,验证了测距算法不受过渡电阻、故障位置、不同步角度和故障类型的影响。

5 结束语

本研究分析了架空线-电缆混合输电线路的故障测距的沿线电压分布和伪根产生原因,提出了一种基于双端不同步数据的架空线-高压电缆混合线路故障测距算法,采用了能提高故障测距精度的分布参数模型,通过分析故障时沿线电压分布和伪根,提出了改进二分搜寻法避开伪根,快速地计算出故障点,并应用于自动重合闸策略。Matlab仿真表明,本研究提出的测距算法不受伪根、过渡电阻、故障类型和位置、不同步角度等条件的影响,测距算法计算量少且精度较高。

研究结果表明,该研究能实现快速、精确地故障测距,从而减轻巡线工作,加快恢复供电,提高电力系统供电可靠性,具有一定的研究意义和实用价值。

摘要：为了提高架空线-高压电缆混合线路故障测距的精度,并解决测距的伪根问题,提出了一种混合线路的双端不同步数据故障测距改进算法。基于分布参数混合线路模型,分析了测距中伪根的产生原因,通过对二分搜寻法改进来避开伪根,通过改进算法测出故障位置,并将测距结果与自动重合闸技术配合,从而提高了电力系统的安全可靠性。Matlab仿真结果表明,该测距算法不受伪根、过渡电阻、故障类型和位置以及不同步采样角等条件的影响,能够快速、精确地实现故障测距。

关键词：故障测距,混合线路,伪根,重合闸

参考文献

[1]陈明军,尤中璞,黄飞腾.故障测距中的参数误差归算修正算法[J].机电工程,20102,7(4):104-107.

[2]陈宾,陈皓,刘伟.基于分布参数模型的混合线路故障测距和重合闸的研究[J].四川电力技术,2010,33(2):42-44,63.

[3]杨军,伍咏红,江文波.基于双端故障信息的高压电缆-架空线混合线路故障测距方法[J].电网技术,2010,34(1):208-212.

[4]吴承恩,邰能灵,郁惟铺.超高压电缆-架空线混合线路故障测寻方法[J].电力系统自动化2,0052,9(10):26-30.

[5]葛耀中.新型继电保护和故障测距的原理与技术[M].西安:西安交通大学出版社,2007.

混合线路篇6

长期以来，针对输电线路故障定位的研究一直受到国内外学术界和电力部门的重视。现有的故障测距算法按测量端可分为单端法和双端法;按在线与否可分为在线测距法和离线测距法[1];按其工作原理分类是一种更为常见的分类法，即可以分为行波法、阻抗法、故障分析法、智能化测距法[2,3,4]。

本文给出了一种基于分布参数模型的连接点电压比较分段故障定位算法，可准确地实现电缆—架空线混合线路故障测距。基于分布参数模型的故障测距方法，克服了基于集中参数模型时忽略分布电容影响的弊端，可提高测距精度;而双端测距从原理上消除了过渡电阻和对侧系统阻抗对测距的影响。

1 混合输电线路故障测距算法

传统基于分布参数模型的测距原理是利用线路两端的电压、电流值分别估算出线路各点电压值，通过由两端推算的故障点电压幅值相等来计算故障距离，仅适用于单一传输线路，对混合线路电缆线和架空线电气参数不一致的情况不能直接使用。在传统架空线路测距方法的基础上，针对混合输电线路电气参数不一致的问题，现给出一种基于连接点电压比较分段故障定位的双端测距方法。

图1所示为电缆-架空线混合输电线路，设首端为M，末端为N，连接点为J，在F点发生故障。

设M、N两端电压电流分别为。当线路发生故障时，由M端和N端线路分别向对侧推得沿线的正序、负序、零序电压如图2所示。图中虚线段表示由M端和N端沿线路推得对侧电压时，在越过故障点F后，得出来的并不是线路上的真实电压，在电缆和架空线的接头处，由于两者电气参数的不同，电压幅值曲线在接头处的斜率会发生变化，但依据线路方程推得的线路电压的变化趋势依旧不变(实际的电压变化曲线并非直线，文中只是为了便于说明进行简化)。

混合线路系统中发生任何故障时都会产生正序电压分量，因此本文利用正序网递推计算故障点的位置。

图3所示为故障点分别出现在如图3所示的电缆架空线混合线路的不同区段时的正序电压沿线分布情况。设分别为由线路M、N两端推得的连接点正序电压，考虑到存在的测量误差，给定误差限ε。由图3可对混合线路故障区段进行初步判定，即：

(1)当故障发生在电力电缆段时

(2)当故障发生在电力电缆与架空线的连接点处时

(3)当故障发生在架空线路段时

通过连接点电压幅值比较可知故障发生区段，接着可按传统单一线路故障测距原理得出准确的故障距离。

2 基于Matlab的混合线路故障测距仿真

通过搭建混合线路故障测距仿真模型，编写计算程序，结合仿真模型和计算程序，对各种不同参数及故障类型下的测距结果进行计算分析，以验证混合线路测距算法的正确性及可行性。

对图4所示的电缆-架空线混合输电线路，设置参数如下：电缆线路长度LMJ=10km,R1=0.0242Ωkm,R0=0.4121Ωkm,L1=42.8mH/km,L0=1.53mH/km,C1=0.2811uF/km,C0=0.1529uF/km;架空线长度LNJ=200km,R1=0.0240Ωkm,R0=0.2230Ωkm,L1=86mH/km,L0=2.77mH/km,C1=0.0131μF/km,C0=0.0080uF/km。M侧系统电气参数为RM=6.139Ω，LM=1.0664H;N侧系统电气参数为RN=17.56Ω，LN=318.47mH。

按本文所述方法对500kV单回线系统进行MATLAB故障仿真验证。

设置采样频率为50kHz，仿真时间为0.5秒，故障时间为0.1-0.4秒。为了较小衰减直流分量的影响，取0.28-0.30秒这一周期的采样值进行离散傅里叶变换，以求取两端电流电压的基波值。

表1为过渡电阻Rf=50Ω，A相接地故障时两端电源不同相角差对测距结果的影响。δ由-180°到180°涵盖了最严重的不同步情况，由表可以看出，测距最大相对误差为-2.57%，最小为0，且同样具有故障距离越长测距精度越高的趋势，可见不同步相角对测距结果的影响很小，尤其适用于长距离的输电线路。

表2为相角差δ=-30°，A相接地故障时不同过渡电阻对测距结果的影响。由表可以看出，不同过渡电阻时的测距结果最小相对误差为0，最大相对误差为2.38%，且同样具有故障距离越长测距精度越高的趋势，可见基于分布参数模型的双端测距算法几乎不受过渡电阻的影响，并且适用于长距离的输电线路。

由此可见，本文提出的基于分布参数模型的混合线路故障测距算法是正确的，几乎不受不同步相角差和过渡电阻的影响，且故障距离越长精度越高。

3 结论

本文针对混合线路电气参数不一致的问题，提出了一种基于连接点正序电压比较的分段故障定位算法。该算法基于混合输电线路的分布参数模型，采用双端法提取线路两端的电压、电流值并计算正序分量，再按电缆、架空线各自的电气参数推算各连接点处正序电压，通过比较其幅值大小来确定故障发生区段，然后将混合线路故障测距问题转化为单一输电线路模型，按传统单一输电线路双端电气量测距原理计算故障距离。仿真结果表明，该方法能够准确确定混合输电线路故障位置，且几乎不受不同步相角差和过渡电阻的影响，并可以应用于更为复杂的多段混合输电线路。

参考文献

[1]陈玥云,覃剑,王欣,等.配电网故障测距综述.电网技术[J],2006,30(18):89-93.

[2]施世鸿,何奔腾.高压输电线路故障测距研究.电网技术[J],2008,32(9):84-88.

[3]刘伟,陈皓.基于分布参数模型的混合线路故障测距新算法.电力系统保护与控制[J],2009,37(24):76-80.

混合线路篇7

随着城市建设的快速发展,配电网中电缆线路的比例上升,缆-线混合线路越来越多。配电网发生单相接地故障时,由于电缆的对地电容较架空线路大,会引起较大的暂态对地电容电流,使得健全线路之间的相似性变差,基于相关分析的选线方法会失效。但同时电缆线路的暂态量较纯架空线路更为丰富,充分分析缆-线混合线路的暂态特征,能大大提高选线的可靠性。

小电流接地系统发生单相接地故障时,线电压仍对称且故障电流较小,不影响对负荷的连续供电,规程规定系统可以继续运行1～2 h,此亦为选线提供了时间上的宽容条件[1]。许多学者在配电网故障选线方面做出了大量的研究,但由于故障稳态量很小,再加上电网本身和负荷的复杂性,致使实际工程中难以提取出有效的故障信号。与稳态量相比而言,配电网故障的暂态量幅值要大十几倍到几十倍,因而,学者们更关注于对暂态特征的研究,提出了许多基于暂态量的选线方法,但这些方法尚未完善地解决配电网单相接地故障选线这一难题[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。数学形态学计算简单,对实时信号和图像处理的速度快、时延小,因此逐渐应用于电力系统的各个领域。文献[12,13,14,15]将形态学用于暂态信号滤波,形态滤波方法能够在保留信号暂态特性的前提下,有效地去除信号中混杂的尖峰脉冲、白噪声和高频噪声等干扰[6],提高故障选线的准确性。

希尔伯特变换(HHT)[17,18,19,20,21]方法是一种全新的信号处理方法,对于处理非线性、非平稳信号有清晰的物理意义,能够得到信号的时间-频率-能量分布特征,且是一种自适应性信号处理方法。经验模态分解(EMD)既能使信号分解具有唯一性又能在时域和频域同时具有良好的局部化性质,克服了小波变换不能同时体现信号在时域和频域特性的缺陷。当信号分解完毕,还可根据工程问题的要求灵活实现重构。同时,相对于近年来利用故障行波进行选线所要求的采样率较低,更利于硬件实现。

本文采用形态滤波对故障零序电流进行预处理,提出了基于 HHT 检测的故障零序电流突变点极性比较的故障选线方法。

1 HHT 检测选线原理

1.1 暂态特性分析

谐振接地系统发生单相接地故障时,零序电流分布如图1所示。

故障相电容放电及非故障相电容充电,产生幅值比稳态值大几倍到几十倍的暂态电流。故障馈线的零序暂态电流是由全部非故障馈线的容性暂态电流(实际是容性稳态、容性衰减高频和容性衰减直流的总称)和消弧线圈的暂态电感电流(实际是感性稳态工频、感性衰减直流的总称)所组成。当接地故障发生在相电压过零值附近时,系统中出现较大的感性衰减直流分量,该感性衰减直流分量流经故障线路和消弧线圈对地形成的回路,而不流过健全线路。此时,系统中高频暂态分量很小,这种故障情况下,极易引起电流互感器(TA)饱和。此外,谐振接地系统由于消弧线圈的补偿作用,故障线路零序电流有可能出现倒相现象。大量仿真表明,倒相现象均出现在故障发生1/4周期以后。

配电网单相接地故障特征受补偿度、过渡电阻以及故障合闸角等因素的影响。过渡电阻和故障合闸角一定时,随着消弧线圈补偿度增大,故障线路与健全线路的零序电流波形如图2所示。

可以看出,小电流接地系统采用过补偿方式时,补偿度在10%～20% 之间变化对各线路零序电流的影响不大;而当消弧线圈补偿度为零即不补偿时,故障线路的零序电流的大小和相位与消弧线圈过补偿时明显不同,健全线路不受到消弧线圈的补偿作用,因此基本不受补偿度的影响。

当补偿度和故障合闸角一定时,随着过渡电阻增大,故障线路零序电流波形如图3所示。可见随着过渡电阻的增加,故障线路首半波的零序电流的冲击值明显减小,在过渡电阻较大时,零序电流暂态分量不明显。

当补偿度和过渡电阻一定时,随着故障合闸角增大,故障线路零序电流波形如图4所示。可见,在相电压过零附近发生接地故障时,高频暂态分量较小;而故障合闸角较大时,故障高频暂态量很明显。

1.2 倒相与TA饱和的影响

故障线路的倒相过程如图5所示。由图5可见,倒相现象发生在故障1/4周期之后。大量仿真表明,在谐振接地系统发生单相接地故障后的1/4周期内,故障线路零序电流均未出现倒相现象。

TA 饱和二次侧电流波形如图6所示。图6中,T 为二次电流的工频周期。由图6可见,TA 铁心饱和,其饱和传变特性对故障后一个周期内前T/4和最后 T/4的波形影响不大,T/4～3T/4的波形发生畸变。

由此,通过检测故障后1/4周期的零序电流实现选线,能有效地降低倒相和 TA 铁心饱和对选线准确性的影响。因此,通过比较故障后1/4周期内暂态零序电流极性可以实现故障选线。

1.3 形态滤波

由于复杂的现场环境、故障电流小以及各种变频调速装置和工业用电弧炉等波动负荷的影响,小电流接地系统录波装置所采集到的信号不可避免地存在噪声,为提高故障选线的准确性,必须在选线前加以滤除。

基于数学形态学的消噪滤波方法,算法简便易行、物理意义明确、实用有效,在数字图像处理与识别领域应用很广。形态学滤波可以用形态基本开、闭运算来理解,其开运算可以用于过滤信号上方的峰值噪声,除去毛刺及小桥结构;而闭运算可用于平滑或抑制信号下方的波谷噪声,填平小沟结构。基于形态学开、闭运算可以构建3种滤波算法:交替滤波器、混合滤波器、交替混合滤波器。

交替滤波器:

[(f)co(g)](n)=(f·g。g)(n) (2)

混合滤波器:

[(f)mix(g)](n)=(f·g+f。g)(n)/2 (3)

交替混合滤波器:

[(f)altmix(g)](n)=[(f)co(g)+

(f)mix(g)](n)/2 (4)

形态滤波方法是基于结构元素填充探测的思想,结构元素的形状是影响滤波性能的关键因素。采用形态数字滤波器,通过选取合适的结构元素,可有效去除电力信号中的各种宽带或窄带干扰。最优结构元素的选取与干扰的类型和频率、待处理数据序列和采样率等因素密切相关,常用的结构元素有直线形、斜线形、三角形、圆形等。在信号消噪方面,结构元素形状越复杂,宽度越长,其提取信号的能力就越强,所耗费的时间也越长。圆形结构元素具有较强的平滑能力,去噪效果最明显,但对暂态信息部分进行了过渡平滑,削弱了信号暂态特征;直线形结构元素在滤除脉冲的同时,能有效降低白噪声等其他噪声,且具有较好的自适应性。考虑到小电流接地系统故障信号特点以及简化程序资源的需要,选取直线形的结构元素对含噪故障零序电流进行滤波如图7所示。

1.4 HHT 检测

发生单相接地故障时,故障信号的急剧变化之处,即故障时刻是分析故障信号特性的最关键处,因此对故障时刻的标定,以及在标定的故障时刻对信号特征进行分析就显得尤为重要。

HHT 方法可非常细腻地刻画各振荡模式之间的非线性作用,能够很好表现信号的局部特性及其变化规律,突出信号的瞬时频率变化,具有比小波变换更高的时频分辨,同时克服了小波变换中小波基选取困难的缺点。与小波变换相比,EMD 过程采用加、减法对信号进行处理,具有比小波变换更快的计算速度,提高了计算效率。基于 HHT 的奇异性检测方法主要利用了信号中相邻点之间的差分关系,能够准确地对谐振接地系统发生单相接地故障时的突变信号进行定位。由 EMD 对暂态零序电流在故障前后1/4周期内进行分解,得到最高频固有模态函数 IMF(Intrinsic Mode Function)分量反映了故障暂态过程主要的信息,进而对其做在突变时刻附近的差分,可以良好地体现故障线路与健全线路之间零序电流的极性关系。

HHT 中的 EMD 是依据信号本身信息进行的自适应分解,其分解过程依赖于信号本身包含的变化信息,能敏感地反映信号的突变,在高频处有很高的时-频分辨率,可以用来提取信号的奇异性信息。HHT 分析方法具有很好的时频聚集性,通过 EMD 方法从信号的局部特征时间尺度入手,将信号分解成不同特征尺度的有限个 IMF分量,各 IMF 分量的局部特征时间尺度按分解出的顺序逐次增大,越是先分解出的 IMF 分量的局部特征时间尺度越小,即极值时间间隔越小。另外,分解出的 IMF 分量具有实际的物理意义,是一种调幅调频信号,能从幅度和频率上敏感地反映信号的信息,而信号中突变点反映的局部特征尺度都很小,即突变点处的两相邻极值点间隔很小,且其相邻的两极大值点和极小值点的幅值差也相对正常信号点要大很多。

同小波变换的模极大值检测突变点类似,可以得出 EMD 检测突变点的准则:对分解后的高频 IMF 分量求极值点,计算相邻极大值点与极小值点的幅值差的绝对值,以及相邻极大值点与极小值点的间隔。极值差的绝对值最大且极值间隔最小处即为信号的奇异值的位置。

EMD 法奇异值检测步骤如下:

a. 对信号进行 EMD 分解,求取高频 IMF 分量,通常使用的是最高频 IMF1分量;

b. 求最高频 IMF1分量的极值点;

c. 计算相邻极大值点与极小值点的幅值差,取绝对值,并计算其间隔;

d. 对极值差绝对值最大及极值间隔最小处进行时刻标定,由于通常奇异性都是瞬间的,因此奇异值点处的极值间隔一般情况下都只有一个采样间隔,因此取极值间隔最小处的极大值点的位置为奇异值点的位置。

2 故障选线算法

基于以上分析,小电流接地系统发生单相接地故障时,在故障时刻,故障线路与健全线路之间的零序电流极性相反,利用这一特征实现完善的选线算法(故障选线流程图如图8所示)如下:

a. 当系统零序电压大于15% 的母线额定电压时,启动采样频率500 kHz 的录波装置并记录故障前后各1/4个周期的零序电流信号;

b. 利用形态滤波技术对得到的零序电流进行滤波处理;

c. 利用 HHT 对线路零序电流进行奇异性检测,确定零序电流信号的行波初始波头到达的时刻;

d. 比较各线路零序电流最高频 IMF 分量在线路零序电流行波初始波头到达时刻的一阶差分极性,若存在一线路零序电流最高频 IMF 分量一阶差分极性与其他线路相反,则判别为该线路故障,否则,判为母线故障。

3 数字仿真验证

3.1 仿真模型

系统模型如图9所示。该系统为一个有6条出线的110 kV/35 kV 变电所,Z 字型变压器中性点通过消弧线圈串联电阻接地,消弧线圈采用过补偿15%,采用 LSJC-35型电流互感器。出线采用架空线路、缆-线混合线路和电缆线路,其中,架空线路采用 JS1杆型,LGJ-70型导线,档距为80 m,电缆线路采用 YJLW03型电缆。线路具体参数见表1。

3.2 仿真算例分析

线路L1距离母线5 km 处发生单相接地故障,过渡电阻为20 Ω,故障合闸角为0° 时,由采样频率为500 kHz 的录波装置记录到的线路 L1零序电流波形如图10所示。

利用 EMD 方法得到的奇异性检测波形如图11所示(纵轴表示幅值),可知行波初始波头位于5.026 ms。

由录波装置采集到的线路零序电流经形态滤波后的波形如图12所示。其中,实线表示故障线路零序电流,虚线表示健全线路零序电流。

最高频 IMF 分量在线路零序电流行波初始波头到达时刻附近的一阶差分如图13所示。其中,实线表示故障线路零序电流最高频 IMF 分量的一阶差分结果,虚线表示健全线路零序电流最高频 IMF 分量的一阶差分结果。

由图13可见,在线路零序电流行波初始波头到达时刻,故障线路零序电流最高频 IMF 分量的一阶差分极性与健全线路相反,其具体数值如下:

dif(IMF)=

由此,可实现对故障线路的鉴别。

3.3 算法适应性分析

本文采用上述方法对不同的故障线路、不同故障合闸角、不同过渡电阻等多种故障类型进行了仿真验证,得到的选线结果如表2所示。

通过仿真验证的故障选线结果表2可见,在对各线路零序电流在故障电流行波初始波头时刻做最高频 IMF 分量一阶差分后,若线路故障,则故障线路零序电流最高频 IMF 分量一阶差分极性与其他线路相反,健全线路之间突变极性相同;若为母线故障,各线路零序电流的最高频 IMF 分量一阶差分极性相同。结果证明该方法可行、有效。

4 结论

针对配电网谐振接地系统发生单相接地故障时,暂态量在故障发生后1/4周期内的特征,本文利用形态滤波和 HHT 检测的故障选线方法,根据在故障发生后1/4周期内,故障线路与健全线路之间零序电流极性相反的特点,实现故障选线。该方法特点如下:

a. 所使用的形态滤波和 HHT 方法均使用加、减法运算,相比小波变换具有更高的计算速度,提高了计算效率;

b. 利用 HHT 检测的方法选线,对硬件的要求较低,节约了选线成本,具有一定的经济性;

c. 利用故障前后各1/4周期的数据进行 HHT 分析,不受到故障线路零序电流倒相和 TA 饱和的影响,能够提高故障选线的精度;

d. 对各种不同的故障类型进行了仿真验证,能够实现对不同的故障,包括小故障角时的准确选线,可以良好地实现对电弧故障的识别;

e. 不依赖线路结构参数,在短线路故障时,不受长线电容电流的影响,能准确识别故障线路。

【混合线路】推荐阅读：

架空混合输电线路02-01

混合输配电线路06-19

混合输送10-14

混合作用10-14