基于单端行波信号分析的配电网故障测距算法

数字技术 与应用应用研究基于单端行波信号分析的配电网故障测距算法廖彬宇 舒勤(四川大学电气信息学院,四川成都 610065)摘要:对于辐射状配电网其三相线路上发生单相接地故障时,故障点反射的电压行波和线路末端反射的电压行波具有相同的极性,仅依靠极性特点无法准确识别出故障点反射波。针对这个问题,对配电网线路末端所连接的配电变压器进行了分析,发现电压行波在配电变压器处的反射具有幅值较大和极性翻转的特性,利用这一性质,可有效识别第二个行波波头是来自于故障点还是线路末端,再利用故障线路的电流行波的幅值比较大的特点准确选择出故障线路,最后利用小波变换模极大值检测行波波头到达测量端的准确时刻从而计算出故障距离,基于此可构造针对辐射状配电网的单端故障测距算法。大量仿真验证表明,此方法有效,准确,可靠。关键词:辐射状配电网；单相接地；线模行波；行波极性中图分类号:TM773文献标识码:A文章编号:1007-9416(2017)02-0123-04Abstract:When single-phase-to-ground fault occurs on three-phase power radial distribution network,the voltage traveling wave reflected bythe fault point and the voltage traveling wave reflected by the end of the line have the same polarity,it is impossible to accurately identify the reflectedwave of the fault point only through polarity. Aiming at this problem, by analyzing the distribution transformer connected to the end of distributionnetwork, it is found that the reflection of voltage traveling wave at the distribution transformer has the characteristics of large amplitude and polarityreversal, by using this property, which can be used to effectively identify the traveling wave from fault point and opposite terminal,and by using thecharacteristic of the current traveling wave of the fault line to selected the fault line. Finally, the wavelet transform modulus maxima is used to detect theaccurate time of the traveling wave arriving the measuring end head to calculate the fault distance, based on this proposed method,for radial distribution,robust and accurate single-ended fault location algorithms can be structured. A large number of EMTP simulation cases were carried out, verifying thevalidity ,accuracy and reliability of this method.Key Words:radial distribution network;single-phase-to-ground; identification of traveling wave; polarity of traveling wave目前,我国的中低压电压配电网一般采用中性点非直接接地的运行方式,其主要包括有不接地和经消弧线圈接地,又可以称为小电流接地系统。配电网的主要网架形式可以分为辐射状网、树状网以及环状网,其中辐射状网结构为多条线路连接到一条母线上,如果其中某一条线路发生单相接地故障,就会涉及到故障选线和故障测距等问题。因此对单相接地故障的研究是很有必要的,其中故障选线主要是通过故障线路电流行波的幅值比非故障线路电流行波幅值大的特点来实现的;而目前的故障测距算法主要有阻抗法和行波法,其中行波法又分为单端法和双端法,而单端测距算法具有成本低,不需要全球定位系统(GPS),不受时间同步等因素的影响等优点,也存在有波头性质识别困难的缺点[1-4]。单端行波测距主要是通过对前两个波头性质的识别来实现测距的,但是仅通过型波波头极性的特征有时无法准确识别第二个波头的性质。目前有很多文献对单端故障测距进行了研究。文献[3]利用零模分量和线模分量第二个波头的正负极性特点,实现对第二个波头的性质识别,但是因为零模分量在传播过程中的衰减非常严重,所以会降低此方法的可靠性。文献[4]利用初始反极性波实现对第二个波头性质的识别,但是如果考虑到非故障线路反射波的影响这种方法就将失效。本文在对故障行波折、反射过程分析的基础上,提出了针对配电网辐射状网络的单端故障测距算法,首先根据电流行波的幅值大小选出故障线路,再利用电压行波在故障线路末端配电变压器的反射特性识别出第二个行波波头是来自于故障点的反射还是线路末端的反射,从而实现单端故障测距。仿真验证了该方法的有效性和可靠性。1 单端故障测距法原理单端故障测距算法即A型现代行波故障测距原理。它是利用测量端检测的第一个行波波头与第一个故障点反射波之间的时间差来计算测量点到故障点的距离的,所以准确的识别出故障点反射波是单端故障测距的关键。辐射状配电网线路上发生故障时,第一个故障点反射行波到达测量端的传播路径如图1所示。MF图1 故障点反射波MF图2 线路末端反射波收稿日期:2017-01-18作者简介:廖彬宇(1992—),男,汉族,四川广安人,硕士研究生,研究方向:配电网故障定位;舒勤(1958—),男,汉族,四川成都人,教授,硕士研 究生导师,研究方向:电力系统故障检测、现代信号处理等。123Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.应用研究线路末端反射波到达测量端的传播路径如图2所示。由以上分析可知,第二个行波波头可能来自于故障点的反射波,也可能是来自于线路末端变压器的反射波。所以识别第二个行波波头是来自于故障点还是线路末端是单端故障测距算法的关键,以下通过分析行波在故障线路上的折、反射过程和特点,提出了一种第二个行波波头的识别方法[5]。数字技术 与应用2 行波在母线和变压器处的反射故障发生后,故障点产生的电压行波、电流行波将会沿电力线路进行运动,如果遇到了线路的参数或者阻抗突然改变的点即阻抗不连续点,就会发生折、反射现象。行波沿波阻抗为Z1的线路传播,经过某一点(阻抗不连续点)后线路波阻抗变为Z2,则电压行波和电流行波在该点的反射系数为:Z2Z1Z2Z1ZZ2 (1)ai1Z2Z1au而电压行波和电流行波在该点的折射系数分别为:2Z2bubi (2)Z2Z1(1)在M端母线处的反射。如图1所示,对于辐射状配电网,M端母线一般都连有三条及以上的线路并称为三类母线,所以由(1)式可u1qu1fLu2q(a)1段线路电流行波小波变换Z1(a)行波通过串联电感示意图Z1LZ2(b)2段线路电流行波小波变换u2q2u1qi2qZ2(b)等值电路图3 行波在串联电感处的传播特性M1F23图4 辐射状配电网(c)3段线路电流行波小波变换图5 各段线路电流行波数据处理结果124Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.数字技术 与应用应用研究u2qt2z2u1q(1e) (5)z1z2得,行波在M端的反射系数aM为负数[6]。(2)在线路末端配电变压器处的反射。当高频电压行波传播到变压器高压侧绕组时,变压器的磁化电感远远大于漏感,因此其分布电容的分流作用可以忽略。所以可以认为高频电压行波传播到变压器时,变压器的高压侧可以等效为串联电感,其模型如图3所示,行波在变压器高压侧的反射分析过程如下。设一无限长直角波u1q入射到线路末端,Z1故障线路波阻抗,Z2为线路末端等值波阻抗,L为线路等值电感,可以得到反射波为Lz1z2为时间常数。又因为u1qu1fu2q,所以:其中:t2z2zzu1fu1qe12u1q (6)z1z2z1z2u1f,折射波为u2q,如图3(a)所示。再根据彼得逊法则可作出等效电路如图3(b)所示。图3中:式(9)表明,当 t0时,u1fu1q,可以理解为电感电流不能突变, t0时刻相当于开路(z2)。随后反射电压行波根据时间常数按指数规律变化,当时t,u1f z1z2u1q。z1z2u1qi2qz1Ldi2qu2qdti2qz2 (4)u2q (3)由以上分析可知,故障发生瞬间因为电感上的电流不能突变,此时的电感相当于开路其反射系数a11,而当故障发生一段时间后反射行波开始根据时间常数按指数规律变化,使得反射系数的值逐渐减小最后可能变为负数。而表现在行波波形上就是故障线路对端反射波刚开始时与故障初始行波极性相同且幅值较大(反射系数由(6)、(7)式可得:(a)M端检测到的行波波形(a)M端检测到的行波波形(b) 小波变换模极大值图6 距离M端3km处数据处理结果(b)小波变换模极大值图7 距离M端7km处数据处理结果125Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.应用研究为1),而后开始以指数形式衰减,使波头的极性发生明显的翻转[7-8]。数字技术 与应用4.1 故障发生在2段线路上距离M端3km处首先通过比较各段线路所检测到的电流行波的幅值大小来选择出故障线路[10],各段线路检测到的电流行波经小波处理后的结果如图5所示。由以上仿真结果可知,2段线路初始电流行波小波系数幅值为0.003046,而1、3段线路初始电流行波小波系数幅值都为0.001542。所以可以判定2段线路为故障线路。M端检测到的电压行波波形以及其小波变换模极大值如图6所示。由仿真得到的图6分析可知,第二个行波波头幅值较小且没有发生翻转,因此可以判定第二个行波波头为故障点反射波。再根据小波变换结果,第一个行波波头到达时刻为t10.0102ms,第二个行波波头到达时刻为t20.0302ms。则故障点到测量端的距离为:3 第二个行波波头识别方法3.1 行波的小波分析小波变换可以反应行波信号中的突变点,表现为小波中的模极大值,且小波信号系数的正负对应于行波信号的突变上升和下降。因此,可以利用小波变换对行波信号进行处理,以小波系数的幅值大小来表示行波信号的幅值大小,以小波系数的正负来表示行波极性的正负,所以可以利用故障线路的电流行波比较大的特点有效选择出故障线路,再利用线路末端变压器对电压行波的反射特性有效识别出第二个行波波头的性质,而且小波变换还具有一定的排除噪声干扰的作用。本文采用DB1小波进行分析。3.2 行波折、反射过程分析单相接地故障发生后,故障点产生的行波经过复杂的折、反射后到达测量端,所以测量端检测到的行波信号是入射行波信号和测量端反射的行波信号的叠加。设故障点附加电源电势为U(t),经过时间t1到达M测量端,M端反射系数为aM,故障点反射系数为af,对端反射系数为af,故障点折射系数为bf。当初始行波到达测量端时,测量端反射信号为aMU(tt1),所以初始行波信号为:1v(t2t1)3km24.2 故障发生在1段线路距离M端7km处L同第一种情况通过各段电流行波初始行波小波系数幅值的大小判定出故障线路为1段线路。M端检测到的电压行波波形以及其小波变换模极大值如图7所示。由仿真得到的图7分析可知,第二个行波波头幅值较大且发生了明显的翻转,因此可以判定第二个行波波头为故障线路末端反射波。再根据小波变换结果,第一个行波波头到达时刻为则故障t10.0234ms,第二个行波波头到达时刻为t20.0568ms。点到测量端的距离为:em(t1)(1aM)U(tt1) (7)由于M测量端母线为三类母线,其反射系数-1

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