CN103926511A - 一种基于零模行波差异的配电网接地故障的测距方法 - Google Patents

Abstract

一种基于零模行波差异的配电网接地故障的测距方法，包括以下步骤：（A）在配电网的首端故障相注入高压脉冲，并检测三相返回的电压行波，三相返回的电压行波通过相模变换获得第一个零模电压行波数据；（B）在配电网的首端某一非故障相注入与步骤（A）一致的高压脉冲，并检测三相返回的电压行波，三相返回的电压行波通过相模变换获得第二个零模电压行波数据；（C）对步骤（A）和步骤（B）得到的两个零模电压行波数据进行相减，得到差异数据；（D）将步骤（C）得到的差异数据进行差分求导，得到第一个非零突变点的时刻，进而得到行波的传播时间；（E）将步骤（D）得到的传播时间代入测距公式，求得故障距离。

Description

一种基于零模行波差异的配电网接地故障的测距方法

技术领域

本发明涉及一种行波测距方法，具体是指一种基于零模行波差异的配电网单相接地故障的注入行波测距方法。

背景技术

我国的6~35kV配电网一般采用中性点非直接接地方式运行，发生占总故障50%~80%的单相接地故障后，传统的处理方法通过人工巡线查找故障点，费时费力。研究准确有效的单相接地故障定位方法，对于提高配电网供电可靠性、减少停电损失有重要意义。

现阶段配电网故障定位方法的发展方向主要有两类：基于配网自动化系统的方法和行波法。基于配网自动化系统的方法从理论上说最简单，即利用线路负荷开关处装设的FTU实现故障分段定位。但这种方法的前提是实现配网自动化，而我国大部分地区都还没有配备先进的配网自动化系统。行波法是基于故障距离与行波从故障点传输到检测点的时间成正比的原理，又分为单端法和双端法。由于配电网络多终端多分支的特点，双端法并不适用，而利用故障产生行波的单端法也存在故障点第一次反射波难以识别的问题。C型行波法，也即单端注入行波法，通过在线路始端注入检测信号，并利用注入信号与故障点返回信号的时差来确定故障距离，这种方法从理论上说在配电网中是可行的。

对于结构复杂的配电网络，检测端接收到的信号为故障点、分支点和分支末端等的多重折反射波的叠加，难以仅利用故障相注入后得到的波形找到故障点的反射波，通常采用以下两种方式提取故障点反射波：一种是在系统未发生故障前分别向每相注入高压脉冲信号得到每相非故障的行波波形并存储，线路发生故障后向故障相注入相同的高压脉冲信号得到故障情况波形，将故障相故障情况和非故障情况得到的两组波形数据相减提取故障信息，但是由于配网系统不稳定性较高，线路拓扑结构及用户负载随时都有可能发生变化，因此存在误判的可能性；另一种是在故障后分别向故障相和非故障相注入高压脉冲，然后将得到的故障相和非故障相的波形数据直接相减，将第一个非零突变点作为故障点反射信息。但是配电网分支多，且分支上往往通过配电变压器接有三相不平衡负载。当不平衡负载到首端的长度小于故障距离时，第一个差异点就可能来自于不平衡负载，而非故障点信息，即出现伪故障点，导致测距错误。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于零模行波差异的配电网单相接地故障测距方法，从故障相和非故障相分别注入高压脉冲，从首端检测到两组三相电压数据，再分别转换到对应的两组零模电压行波数据，利用二者的差异构造测距判据进行故障定位，可消除线路结构多变性和不平衡负载对测距的影响。

本发明的目的通过下述技术方法实现：

一种基于零模行波差异的配电网接地故障的测距方法，包括以下步骤：

（A）在配电网的首端故障相注入高压脉冲，并检测三相返回的电压行波，三相返回的电压行波通过相模变换获得第一个零模电压行波数据；

（B）在配电网的首端某一非故障相注入与步骤（A）一致的高压脉冲，并检测三相返回的电压行波，三相返回的电压行波通过相模变换获得第二个零模电压行波数据；

（C）对步骤（A）和步骤（B）得到的两个零模电压行波数据进行相减，得到差异数据；

（D）将步骤（C）得到的差异数据进行差分求导，得到第一个非零突变点的时刻，进而得到行波的传播时间；

（E）将步骤（D）得到的传播时间代入测距公式，求得故障距离。

所述步骤（A）和步骤（B）中的零模电压行波均按照以下相模变换公式得到，相模变换公式：                                                ；式中：u ₀为零模电压行波；u _a，u _b，u _c为各相电压行波。

所述步骤（C）按照以下公式进行：Δu(t)=u ₁₀(t)-u ₂₀(t)；式中：u ₁₀，u ₂₀分别为第一个零模电压行波数据和第二个零模电压行波数据；Δu(t)为两次零模电压行波数据的差异数据。

所述步骤（D）包括以下步骤：

（D1）对Δu(t)进行差分求导处理，计算公式如下：

；

式中：Δu ^’ (t)为Δu(t)的差分求导结果，Δt为采样时间间隔；

（D2）以Δu ^’ (t)的绝对值大于某正数P作为非零突变点的判定依据，记录第一个非零突变点的时刻t1。其中，阈值P的选取与采样间隔及线模电压是在一次侧取值还是二次侧取值有关；

（D3）计算行波传播时间：

T=t₁－t₀；

式中：t₀为首端脉冲注入时刻。

所述步骤（E）按照以下公式进行计算：

；

式中：l为故障距离；v ₀，v ₁分别为零模和线模的波速度，T为行波传播时间。

上述步骤需要在故障相已知的情况下进行，即在实施本发明前，需要采用其他手段判断得出故障相。

通过将两组零模电压行波数据相减，由于零模成分不能通过配电变压器传变到负载端，消除了不平衡负载对测距的影响，使得两次数据相减的首个差异点来源于故障点的反射，保证了测距的准确性。

零模：按相模变换公式 得到的u ₀即为零模电压行波；式中： u _a ，u _b，u _c为各相电压行波。

在故障后，分别向故障相和非故障相注入相同高压脉冲，如果将得到的故障相和非故障相的波形数据直接相减，将第一个非零突变点作为故障点反射信息。但是配电网分支多，且分支上往往通过配电变压器接有三相不平衡负载。当不平衡负载到首端的长度小于故障距离时，第一个差异点就可能来自于不平衡负载，而非故障点信息，即出现伪故障点，导致测距错误。因此，为了克服测距错误的问题，本发明将得到的故障相和非故障相的三相返回电压行波通过相模变换处理后获得零模电压行波数据，然后利用故障相和非故障相的零模电压行波数据差异来差分求导，得到第一个非零突变点的时刻，从而计算出该故障距离，该方式可以提高故障测定精度，避免三相不平衡负载的影响。

当波作用于变压器的高压绕组时，与它有静电(电容)及电磁(电感)连系的低压绕组及所接设备亦将受到电容性和电感性传递过电压的作用。当零模行波经过一段线路的传播到达变压器时，波形变得平缓，波前部分等值频率较低，可略去起始的电容性传递过电压，而只考虑变压器绕组间的电磁感应作用。我国的配电网变压器主要采用Yyn或Dyn联结组别。以Yyn为例，对于高压侧Y接线的三相绕组，三相进入相同行波，三相波同时到达不接地的中性点后将无其他出路，三个绕组为等电位体，故低压侧将不会出现感应电压。对于高压侧三角形接线的绕组，也有相同结论。

对于非零突变点的判定依据，可以根据不同的具体情况设置不同的阈值，检测设备精度越高，阈值可以设置得越低。

非零突变点：由于故障点前线路的对称性，从故障相注入和非故障相注入所得到的两组首端零模行波在故障点反射波到达之前均相等，故障点打破了线路的对称性，两次注入波在故障点处反射的零模行波不再相等，反映到两组零模行波的差值即为非零突变点。由于检测装置的灵敏度有限及噪音的存在，所以需要设置一个阈值以判断非零。

配电网线路长度较短，因此行波在传播中的衰减也较小，在首端检测到的两组零模行波首个差异点对应最高频率分量行波，所以此处可将零模和线模波速度均取为光速v=3.0*10⁸m/s。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种基于零模行波差异的配电网单相接地故障测距方法，从首端故障相和非故障相分别注入高压脉冲，得到两组零模电压行波数据，零模行波无法通过配电变压器，而故障点三相不对称，故障点两次反射的零模行波不相等，使得零模行波首个差异点即来源于故障点，消除了不平衡负载对测距的影响；

2、本发明一种基于线模行波突变的配电网单相接地故障测距方法，注入行波可以根据需要进行多次注入操作，减小噪声对有用信号的随机干扰，提高测距的精确度。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

图2为实施例配电网实验线路结构图。

图3为实施例首端故障相注入高压脉冲后检测到的三相电压行波信号及对应的零模电压行波信号。

图4为实施例首端非故障相注入高压脉冲后检测到的三相电压行波信号及对应的零模电压行波信号。

图5为实施例两组零模电压行波信号的差值。

图6为实施例差值信号差分求导得到的曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

一种基于零模行波差异的配电网接地故障的测距方法，包括以下步骤：

（A）在配电网的首端故障相注入高压脉冲，并检测三相返回的电压行波，三相返回的电压行波通过相模变换获得第一个零模电压行波数据；注入的高压脉冲为脉宽Xμs 、幅值ＹkV的高电压脉冲，如图3，检测到三相返回的电压行波并得到相应的零模电压行波；

（B）在配电网的首端某一非故障相注入与步骤（A）一致的高压脉冲，并检测三相返回的电压行波，三相返回的电压行波通过相模变换获得第二个零模电压行波数据；注入的高压脉冲为脉宽Xμs 、幅值ＹkV的高电压脉冲，如图4，检测到三相返回的电压行波并得到相应的零模电压行波；

（C）对步骤（A）和步骤（B）得到的两个零模电压行波数据进行相减，得到差异数据；

（D）将步骤（C）得到的差异数据进行差分求导，得到第一个非零突变点的时刻，进而得到行波的传播时间；

（E）将步骤（D）得到的传播时间代入测距公式，求得故障距离。

所述步骤（A）和步骤（B）中的零模电压行波均按照以下相模变换公式得到，相模变换公式：；式中：u ₀为零模电压行波；u _a，u _b，u _c为各相电压行波。

所述步骤（C）按照以下公式进行：Δu(t)=u ₁₀(t)-u ₂₀(t)；式中：u ₁₀，u ₂₀分别为第一个零模电压行波数据和第二个零模电压行波数据；Δu(t)为两次零模电压行波数据的差。

所述步骤（D）包括以下步骤：

（D1）对Δu(t)进行差分求导处理，计算公式如下：

；

式中：Δu ^’ (t)为Δu(t)的差分求导结果，Δt为采样时间间隔；

（D2）以Δu ^’ (t)的绝对值大于某正数P作为非零突变点的判定依据，记录第一个非零突变点的时刻t1。其中，阈值P的选取与采样间隔及线模电压是在一次侧取值还是二次侧取值有关；

（D3）计算行波传播时间：

T=t₁－t₀；

式中：t₀为首端脉冲注入时刻。

所述步骤（E）按照以下公式进行计算：

；

式中：l为故障距离；v ₀，v ₁分别为零模和线模的波速度，T为行波传播时间。

实施例2：

如图1所示，本实施例是配电网单相接地故障测距的实验，采用PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)中的频率相关线路模型（Frequency Dependent Models）；图2为实验线路结构图，A为线路的首端（即检测点），各分支末端都接有10kV/0.4kV的配电变压器（Dyn或Yyn联结）和三相不平衡负载，采样频率为10MHz，设置故障发生在图2中E点至I点的EI段线路，接地电阻100Ω，离首端距离17km，以上为要素设置。

首先在线路首端（点A处）对故障相注入脉宽4μs 、幅值10kV的高电压脉冲，检测三相返回的电压行波，并利用得到第一个零模电压行波数据，如图3所示；然后在线路首端（点A处）对非故障相注入脉宽4μs 、幅值10kV的高电压脉冲，检测三相返回的电压行波，并利用得到第二个零模电压行波数据，如图4所示；将图3和图4中的两个零模电压行波数据相减，得到零模差异数据，如图5所示；利用公式，将图5中的差异数据做差分求导处理，得到导数曲线；公式中，Δu ^’ (t)为Δu(t)的差分求导结果，Δu(t)为t时刻的零模行波差异幅值，Δt为采样时间间隔，如图6所示。从图6中可以看到导数曲线在113μs附近开始发生突变，不再等于零，将1000V/s作为突变点的判断阈值，则得到线模行波到达首端的第一个非零突变点的时刻t₁为113.3μs，即行波传播时间T=t₁-t₀=113.3μs -0μs=113.3μs，根据距离测算公式，进而求得故障距离l=16.995km，与实际距离相差5m，相对误差为0.03%，具有较高的测距精度。

实施例3：

一种基于零模行波差异的配电网接地故障的测距方法，包括以下步骤：其中A相为故障相，B相和C相为非故障相；

（A）在配电网的首端A相（故障相）注入高压脉冲，并检测三相返回的电压行波，三相返回的电压行波通过相模变换获得第一个零模电压行波数据；注入的高压脉冲为脉宽Xμs 、幅值ＹkV的高电压脉冲，如图3，检测到三相返回的电压行波并得到相应的零模电压行波；

（B）在配电网的首端对B相（非故障相）或C相（非故障相）注入与步骤（A）一致的高压脉冲，并检测三相返回的电压行波，三相返回的电压行波通过相模变换获得第二个零模电压行波数据；注入的高压脉冲为脉宽Xμs 、幅值ＹkV的高电压脉冲，如图4，检测到三相返回的电压行波并得到相应的零模电压行波；

（C）对步骤（A）和步骤（B）得到的两个零模电压行波数据进行相减，得到差异数据；

（D）将步骤（C）得到的差异数据进行差分求导，得到第一个非零突变点的时刻，进而得到行波的传播时间；

（E）将步骤（D）得到的传播时间代入测距公式，求得故障距离。

所述步骤（A）和步骤（B）中的零模电压行波均按照以下相模变换公式得到，相模变换公式：；式中：u ₀为零模电压行波；u _a，u _b，u _c为各相电压行波。

所述步骤（C）按照以下公式进行：Δu(t)=u ₁₀(t)-u ₂₀(t)；式中：u ₁₀，u ₂₀分别为第一个零模电压行波数据和第二个零模电压行波数据；Δu(t)为两次零模电压行波数据的差。

所述步骤（D）包括以下步骤：

（D1）对Δu(t)进行差分求导处理，计算公式如下：

；

式中：Δu ^’ (t)为Δu(t)的差分求导结果，Δt为采样时间间隔；

（D2）以Δu ^’ (t)的绝对值大于某正数P作为非零突变点的判定依据，记录第一个非零突变点的时刻t1。其中，阈值P的选取与采样间隔及线模电压是在一次侧取值还是二次侧取值有关；

（D3）计算行波传播时间：

T=t₁－t₀；

式中：t₀为首端脉冲注入时刻。

所述步骤（E）按照以下公式进行计算：

；

式中：l为故障距离；v ₀，v ₁分别为零模和线模的波速度，T为行波传播时间。

实施例4：

一种基于零模行波差异的配电网接地故障的测距方法，包括以下步骤：其中A相和B相为故障相，C相为非故障相；

（A）在配电网的首端A相（故障相）或B相（故障相）注入高压脉冲，并检测三相返回的电压行波，三相返回的电压行波通过相模变换获得第一个零模电压行波数据；注入的高压脉冲为脉宽Xμs 、幅值ＹkV的高电压脉冲，如图3，检测到三相返回的电压行波并得到相应的零模电压行波；

（B）在配电网的首端对C相（非故障相）注入与步骤（A）一致的高压脉冲，并检测三相返回的电压行波，三相返回的电压行波通过相模变换获得第二个零模电压行波数据；注入的高压脉冲为脉宽Xμs 、幅值ＹkV的高电压脉冲，如图4，检测到三相返回的电压行波并得到相应的零模电压行波；

（C）对步骤（A）和步骤（B）得到的两个零模电压行波数据进行相减，得到差异数据；

（D）将步骤（C）得到的差异数据进行差分求导，得到第一个非零突变点的时刻，进而得到行波的传播时间；

（E）将步骤（D）得到的传播时间代入测距公式，求得故障距离。

所述步骤（A）和步骤（B）中的零模电压行波均按照以下相模变换公式得到，相模变换公式：；式中：u ₀为零模电压行波；u _a，u _b，u _c为各相电压行波。

所述步骤（C）按照以下公式进行：Δu(t)=u ₁₀(t)-u ₂₀(t)；式中：u ₁₀，u ₂₀分别为第一个零模电压行波数据和第二个零模电压行波数据；Δu(t)为两次零模电压行波数据的差。

所述步骤（D）包括以下步骤：

（D1）对Δu(t)进行差分求导处理，计算公式如下：

；

式中：Δu ^’ (t)为Δu(t)的差分求导结果，Δt为采样时间间隔；

（D2）以Δu ^’ (t)的绝对值大于某正数P作为非零突变点的判定依据，记录第一个非零突变点的时刻t1。其中，阈值P的选取与采样间隔及线模电压是在一次侧取值还是二次侧取值有关；

（D3）计算行波传播时间：

T=t₁－t₀；

式中：t₀为首端脉冲注入时刻。

所述步骤（E）按照以下公式进行计算：

；

式中：l为故障距离；v ₀，v ₁分别为零模和线模的波速度，T为行波传播时间。

上述实施例中，只能解决电网中一相或2相同时故障时的情况，即本发明不能解决三相同时故障的测距问题。实施例2和3为单一故障相出现时的解决方案，实施例4为2相为故障相的解决方案。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于零模行波差异的配电网接地故障的测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

（A）在配电网的首端故障相注入高压脉冲，并检测三相返回的电压行波，三相返回的电压行波通过相模变换获得第一个零模电压行波数据；

（B）在配电网的首端某一非故障相注入与步骤（A）一致的高压脉冲，并检测三相返回的电压行波，三相返回的电压行波通过相模变换获得第二个零模电压行波数据；

（C）对步骤（A）和步骤（B）得到的两个零模电压行波数据进行相减，得到差异数据；

（D）将步骤（C）得到的差异数据进行差分求导，得到第一个非零突变点的时刻，进而得到行波的传播时间；

（E）将步骤（D）得到的传播时间代入测距公式，求得故障距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于零模行波差异的配电网接地故障的测距方法，其特征在于，所述步骤（A）和步骤（B）中的零模电压行波均按照相模变换公式得到，相模变换公式：                                                ，

式中：u ₀为零模电压行波；u _a，u _b，u _c为各相电压行波。

3.根据权利要求1所述的一种基于零模行波差异的配电网接地故障的测距方法，其特征在于，所述步骤（C）按照以下公式进行：

Δu(t)=u ₁₀(t)-u ₂₀(t)，

式中：u ₁₀，u ₂₀分别为第一个零模电压行波数据和第二个零模电压行波数据；Δu(t)为两次零模电压行波数据的差异数据。

4.根据权利要求1所述的一种基于零模行波差异的配电网接地故障的测距方法，其特征在于，所述步骤（D）包括以下步骤：

（D1）对Δu(t)进行差分求导处理，计算公式如下：

；

式中：Δu ^’ (t)为Δu(t)的差分求导结果，Δt为采样时间间隔，Δu(t)为两次零模电压行波数据的差异数据；

（D2）以Δu ^’ (t)的绝对值大于某正数P作为非零突变点的判定依据，记录第一个非零突变点的时刻t1；

其中，阈值P的选取与采样间隔及线模电压是在一次侧取值还是二次侧取值有关；

（D3）计算行波传播时间：

T=t₁－t₀；

式中：t₀为首端脉冲注入时刻。

5.根据权利要求1所述的一种基于零模行波差异的配电网接地故障的测距方法，其特征在于，所述步骤（E）按照以下公式进行计算：

；

式中：l为故障距离；v ₀，v ₁分别为零模和线模的波速度，T为行波传播时间。