c型行波法在配電網(wǎng)故障定位中的應(yīng)用

c型行波法在配電網(wǎng)故障定位中的應(yīng)用

0目前我國(guó)植物配電網(wǎng)絡(luò)存在的一些基隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，供電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不斷復(fù)雜，用戶對(duì)供電穩(wěn)定性的要求越來越高。一方面,在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)要防止故障的發(fā)生;另一方面,在故障發(fā)生后盡快進(jìn)行故障定位,迅速排除故障,保證系統(tǒng)運(yùn)行安全,將損失最小化。然而,配電網(wǎng)的多分支結(jié)構(gòu)給故障巡線帶來諸多困難,這就迫切需要一種自動(dòng)進(jìn)行故障定位的方法出現(xiàn)?，F(xiàn)階段配電網(wǎng)故障定位的方法主要分為兩類:基于配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的方法和行波法。兩類方法各有其特點(diǎn)?；谂渚W(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的方法從理論上說是最簡(jiǎn)明的方法,通過各個(gè)FTU和RTU的返回信號(hào),利用各種數(shù)學(xué)算法進(jìn)行尋址判斷。但是這種方法有一個(gè)大前提是配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)大規(guī)模使用并且從其中獲得的故障信息準(zhǔn)確無誤,然而現(xiàn)在我國(guó)大部分城市電力配電網(wǎng)絡(luò)并沒有配備先進(jìn)的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng),所以這種方法的實(shí)用的現(xiàn)實(shí)性較差。行波法是基于故障距離與行波從故障點(diǎn)傳輸?shù)綑z測(cè)點(diǎn)的時(shí)間成正比的原理,其中又分為A、B、C、D、E、F六型方法。其中只有C型方法,也即單端注入行波法適用于多終端的配電網(wǎng)絡(luò)。C型行波法的基本原理是在線路始端注入檢測(cè)信號(hào),并通過注入信號(hào)時(shí)刻與故障點(diǎn)返回信號(hào)時(shí)刻的時(shí)差來確定故障位置,這種方法從理論上說在配電網(wǎng)中是可行的。由于配電網(wǎng)絡(luò)分支對(duì)信號(hào)的衰減和外界噪聲干擾的影響,C型行波法的數(shù)據(jù)處理存在很大困難,所以一直沒有得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用。但是,通過改進(jìn)信號(hào)源,使其發(fā)出高幅值窄脈沖,就可以很大程度彌補(bǔ)分支帶來的信號(hào)衰減;使用數(shù)字濾波等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,就可恢復(fù)信號(hào)的本來面目,進(jìn)行故障測(cè)距。同時(shí)從所錄波形中分析提取線路特殊點(diǎn)的特征波形,就可以分析出正常情況和故障情況下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從而判定故障分支。1帶分支機(jī)構(gòu)線路的個(gè)別信號(hào)傳播行波在線路中的傳輸特點(diǎn)是遇到阻抗不匹配(不連續(xù))點(diǎn)就會(huì)發(fā)生反射和折射。在傳播前方波阻抗大于傳播后方波阻抗時(shí),返回同向行波,反之返回負(fù)向行波。在配電網(wǎng)中,阻抗不匹配點(diǎn)主要表現(xiàn)為分支點(diǎn)、開路點(diǎn)和短路點(diǎn)三類,分別返回負(fù)向、同向和負(fù)向行波。圖1表示的是一條以點(diǎn)O為起點(diǎn),點(diǎn)B為終點(diǎn),并在OB中的點(diǎn)A處帶一條支路AC的線路。AB段內(nèi)點(diǎn)S處發(fā)生單相接地故障。從O點(diǎn)發(fā)出檢測(cè)信號(hào)W1,W1到達(dá)分支點(diǎn)A后沿三個(gè)路徑傳播:W11透過A點(diǎn)沿分支AC傳播;W12透過A點(diǎn)沿分支AB傳播,可以達(dá)到故障點(diǎn)S;W13在A點(diǎn)發(fā)生反射,直接返回始端O點(diǎn)。W11到達(dá)C點(diǎn)時(shí),遇到開路返回同向信號(hào)W2;W2返回A點(diǎn)時(shí)又有三個(gè)傳輸路徑,其中透過A點(diǎn)的W21直接返回O點(diǎn),另一個(gè)透射A點(diǎn)的W22沿分支AB傳播,可以達(dá)到故障點(diǎn)S。W12與W22先后到達(dá)S點(diǎn),遇到接地返回負(fù)向信號(hào),此信號(hào)分成W32和W31兩股,同時(shí)向A點(diǎn)和B點(diǎn)傳輸。由W12產(chǎn)生的W32遇到A點(diǎn)后的透射部分W33的波頭成為第一個(gè)從S點(diǎn)返回始端的波頭。W31到達(dá)B點(diǎn)后遇開路反射,其最終透射部分W41返回檢測(cè)點(diǎn)。之后,信號(hào)繼續(xù)在線路中往復(fù)傳播,在A、B、C、S、O點(diǎn)發(fā)生反射和折射,直至衰減到零。從上述過程中,可以看出行波在帶分支線路中有以下傳播特點(diǎn):(1)在只有一個(gè)分支點(diǎn)的線路中,信號(hào)遇到帶有N個(gè)分支的節(jié)點(diǎn)會(huì)分成N+1股,當(dāng)只有一處發(fā)生接地故障時(shí),只有一股可以到達(dá)故障點(diǎn)。同時(shí)故障點(diǎn)返回的信號(hào)遇到該分支節(jié)點(diǎn)又要發(fā)生折反射,只有一股可以回到檢測(cè)點(diǎn),又經(jīng)歷了第二次衰減。(2)在帶有多個(gè)分支點(diǎn)的線路中,每經(jīng)過一個(gè)分支點(diǎn),信號(hào)就要按(1)所述衰減一次,故障點(diǎn)距線路始端越遠(yuǎn),其衰減就會(huì)更強(qiáng)烈,在經(jīng)過一定量的分支后,可能導(dǎo)致返回信號(hào)太小以致無法辨識(shí)。(3)由于在分支點(diǎn)返回的信號(hào)是與短路故障點(diǎn)返回信號(hào)同方向的負(fù)向信號(hào),所以必須加以識(shí)別,區(qū)分分支點(diǎn)和故障點(diǎn)。2自適應(yīng)濾波理論利用C型行波法進(jìn)行故障定位的第一步是故障測(cè)距。其原理是通過比較正常波形與故障波形找尋突變點(diǎn),根據(jù)突變點(diǎn)距脈沖發(fā)出的起始時(shí)刻的時(shí)間差來計(jì)算故障距離。由于行波在線路中的傳輸速度與光速相當(dāng),尋找的突變點(diǎn)只要有1μs的偏差就會(huì)使故障測(cè)距結(jié)果出現(xiàn)300m的誤差。而現(xiàn)場(chǎng)所錄波形雖然形態(tài)清晰,但卻包含了大量高頻噪聲,若不將這些噪聲濾除,就會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成很大的影響。自適應(yīng)濾波理論是由WidrowB.等人在1967年提出的,并在近幾十年內(nèi)得到迅速發(fā)展。基于自適應(yīng)濾波理論,在設(shè)計(jì)自適應(yīng)濾波系統(tǒng)時(shí)只需知道很少的或者根本不需要任何關(guān)于信號(hào)與噪聲的先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)知識(shí),其參數(shù)即可自動(dòng)調(diào)整至最優(yōu)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,并且濾波性能甚好。比較常用的自適應(yīng)濾波算法有最小均方(LMS)算法和遞歸最小二乘(RLS)算法兩種。經(jīng)過對(duì)多種算法在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理速度和精度的比較后,選用了LMS自適應(yīng)FIR濾波器。其原理如圖2所示。自適應(yīng)濾波器有兩個(gè)輸入端(主輸入和參考輸入)以及兩個(gè)輸出端(濾波器輸出和誤差輸出)。信號(hào)源S(n)中包含期望信號(hào)和噪聲信號(hào),經(jīng)過傳輸系統(tǒng)H(z)的頻率特性影響,信號(hào)x(n)將與主信號(hào)S(n)不同,利用自適應(yīng)濾波器可以從信號(hào)x(n)中提取原來的主信號(hào)S(n),而噪聲干擾被濾波作用抑制了。由于在注入行波到達(dá)故障點(diǎn)并返回之前時(shí)間內(nèi)的所有波形是一致的,所以利用在離線狀態(tài)下測(cè)得的濾波后的無故障時(shí)所錄波形減去故障時(shí)所錄波形,其中的第一個(gè)明顯突變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是注入行波到達(dá)故障點(diǎn)又返回線路始端的時(shí)刻點(diǎn),記為t,而故障距離也可以簡(jiǎn)單的通過公式(1)計(jì)算出來:其中:S表示故障距離,v表示波速。3故障在整體上出現(xiàn)特征計(jì)算出了故障距離,下一個(gè)問題就是確定故障分支。利用特征波就可以很好地解決這個(gè)問題。特征波是指線路中的特殊點(diǎn)返回的波形,這些特殊點(diǎn)包括線路始端、分支節(jié)點(diǎn)和各分支末端。首先利用ATP的仿真結(jié)果來說明。仿真中信號(hào)源采用脈寬為1μs,幅值1000V的高壓脈沖源,線路波阻抗設(shè)置為300?,信號(hào)源經(jīng)300?電阻接入線路。波速采用300m/μs。線路結(jié)構(gòu)如圖3。在檢測(cè)點(diǎn)采用100M的采樣率進(jìn)行采樣,分別得到開路波形(圖4a)和A點(diǎn)處發(fā)生單相接地故障時(shí)的故障波形(圖4b),以及開路波形與故障波形的相減波形(圖4c)。從圖可以很容易判斷出相減波形的突變時(shí)刻為13.3μs,即故障距離為13.3×300/2=2000m,與該線路故障情況一致。接下來分析故障所在分支。首先觀察開路波形。第一個(gè)特征向上為信號(hào)源,第二個(gè)特征向下為第一個(gè)分支點(diǎn)返回特征,第三個(gè)特征向上為第一個(gè)分支末端返回特征,第四個(gè)特征向下為第一個(gè)分支點(diǎn)特征來回反射的結(jié)果,第五個(gè)特征向下為第二個(gè)分支點(diǎn)的返回特征,第六個(gè)特征向上為第二個(gè)分支點(diǎn)后較短分支的返回特征,第七個(gè)特征向上為第二個(gè)分支點(diǎn)后較長(zhǎng)分支的返回特征。再看故障波形。很明顯,第六個(gè)特征變?yōu)橄蛳?且第二個(gè)分支點(diǎn)后較長(zhǎng)分支的返回特征雖減弱但仍然存在,所以故障位置在第二個(gè)分支點(diǎn)后的較短分支上。4波速取及其特征波提取經(jīng)過上述理論分析,得到C型行波法在配電網(wǎng)故障定位中是可行的這一結(jié)論。此結(jié)論在北京市大興區(qū)與當(dāng)?shù)毓╇姽竞献鬟M(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件為一條35kV線路,主線延伸至5291m處連接3條分支,其中較短的一條2349m,較長(zhǎng)的兩條長(zhǎng)度相等,為5900m。分別設(shè)置了主線近、主線遠(yuǎn)、分支點(diǎn)、短分支中、短分支末端、長(zhǎng)分支中和長(zhǎng)分支末端共計(jì)7個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)在該線路停電狀態(tài)下進(jìn)行(該變電站的其余線路正常運(yùn)行)。由脈沖信號(hào)源發(fā)出4kV的高幅值類三角波脈沖,脈寬10μs,由線路始端注入。同時(shí)在始端使用采樣率為100M的型號(hào)為Tek3014B的高速示波器接收已分壓衰減20倍的返回波形,通過RS-232串口將示波器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入電腦程序,并輸出故障定位結(jié)果。限于篇幅,下面僅以第6點(diǎn)的情況作為典型進(jìn)行說明。圖5的左側(cè)三副圖分別為開路錄波、第6點(diǎn)處直接接地的故障錄波以及二者的相減波形。其中縱坐標(biāo)代表電壓幅值(單位:V),橫坐標(biāo)代表時(shí)間(單位:s)。右側(cè)三副圖分別為對(duì)應(yīng)左側(cè)波形經(jīng)自適應(yīng)濾波的結(jié)果。自適應(yīng)濾波器采用的是凱塞窗的FIR型LMS自適應(yīng)數(shù)字濾波。經(jīng)濾波后,原始波形中的噪聲干擾基本消除,且波形形狀沒有改變。計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差僅為+1.4%。但是,僅僅使用這樣的波形希望程序輸出故障分支是比較困難的,所以采用了峰值法提取特征波。首先根據(jù)線路總長(zhǎng)確定有用波形的時(shí)間范圍,丟棄冗余信息。接著抽取波形中所有的峰值和谷值點(diǎn),并記錄下來。最后比較這些保存點(diǎn),除去對(duì)判別分支沒有作用的點(diǎn)。最終計(jì)算提取的開路波形和第6點(diǎn)故障波形的特征波如圖6。其中圖6上為開路波形特征波,第一個(gè)特征向上為信號(hào)源發(fā)出特征,第二個(gè)特征向下為分支點(diǎn)特征波,第三個(gè)特征向上為短分支特征波,第四個(gè)特征向上為長(zhǎng)分支特征波。且由于該線路有兩條長(zhǎng)度相等的長(zhǎng)分支,所以第四個(gè)特征的幅值高于第三個(gè)特征。圖6下為第6點(diǎn)故障波形的特征波,與圖6上相比,它缺少了短分支的特征波,從而判斷故障發(fā)生在短分支上,這與實(shí)際情況是完全一致的。當(dāng)波速取284m/μs時(shí),將實(shí)驗(yàn)中其余實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的故障定位結(jié)果匯總?cè)绫??？梢?通過“C型行波法——自適應(yīng)濾波故障測(cè)距——特征波故障定位”的流程進(jìn)行離線故障定位,測(cè)距相對(duì)誤差不超過±1.5%,故障定位結(jié)果準(zhǔn)確可靠。5故障所在支設(shè)置通過理論分析、ATP仿真及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),并對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析,最大誤差不超過±1.5%,證明了C型行波法的正確性,也說明該方法在配電網(wǎng)故障定位中是實(shí)際可行的?，F(xiàn)場(chǎng)噪聲是對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)的最大干擾,精確定位需要有效的數(shù)據(jù)處理方式。通過將離線狀態(tài)下的