CN103941151B - 一种利用电压、电流量配合不依赖双端同步的零、线模时差辐射网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种利用电压、电流量配合不依赖双端同步的零、线模时差辐射网故障定位方法，属电力系统继电保护技术领域。本发明在馈线两侧安装行波故障测距装置，利用两侧的信息分别进行故障测距。在配电网馈线发生接地故障后，由于故障点电压的骤变，产生在导线间传播的线模行波分量和导线与大地之间传播的零模行波分量。由于线、零模传播速度不同，致使量测端检测到的线、零模初始行波波到时刻不同。根据量测装置检测到的初始线、零模电压和电流行波数据，利用第五尺度下的小波模极大值进行波到时刻标定，再根据模量传输时间差的接地故障单端行波测距法计算公式计算故障距离。综合两侧单端模量传播时间差测距信息进行故障定位。

Description

一种利用电压、电流量配合不依赖双端同步的零、线模时差辐 射网故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种利用电压、电流量配合不依赖双端同步的零、线模时差辐射网故障定位方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

电网发生故障后进行故障测距可以减轻人工巡线工作量，缩短故障修复时间、提高供电可靠性、减少停电损失以及发现存在的隐患并尽早加以处理，防止故障的再一次发生。故障测距的方法按测距原理可分为故障分析法和行波法。行波法的核心是测量行波在母线与故障点之间的传播时间来计算线路故障距离。行波测距一般可分为单端行波测距和双端行波测距两类。单端行波测距不需要GPS实现数据的同步，也不需要进行两端数据通讯，其成本是双端行波测距成本的一半，按单端法进行行波测距，由于行波在故障点和母线端反复进行折反射，反映到测量端时间轴上的各种性质的行波波头交错排列，给故障点反射波到达时刻的标定带来了巨大困难，测距可靠性难以保证。而双端行波测距只要求两母线端精确检测第一个行波波头到达的时刻，因此该方法受过渡电阻电弧特性、线路分布电容以及负荷电流的影响较小，较单端法而言有更高的可靠性，但需要双端数据通信和GPS同步对时设备，投资成本大。

由于城市配电系统一般多采用辐射网，它具有闭环设计、开环运行特点，单相接地故障机率高，技术和经济因素综合决定了多分支辐射状配电网故障定位有其特殊性。对于典型的辐射状架空馈线配电系统，母线存在多回馈出线，同时沿馈线接有众多分支及负荷变等，馈出线路长短悬殊，配电线路发生单相接地故障后，波阻抗不连续节点及负荷端点多，故障点产生的行波在节点处发生透射，能量衰减较强，且行波在负荷端点及节点处发生反射，增加了量测端对故障点反射波的辨识难度，使得自然频率的提取更加困难，故寻求其他视角进行单相接地故障定位。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用电压、电流量配合不依赖双端同步的零、线模时差辐射网故障定位方法，克服对于多分支辐射网单端行波法故障点反射波波头到达时刻标定困难和双端行波法运行成本高的问题。

本发明的技术方案是：一种利用电压、电流量配合不依赖双端同步的零、线模时差辐射网故障定位方法，在多分支辐射状网络中，于馈线两侧安装行波故障测距装置，利用两侧的信息分别进行故障测距。在配电网馈线发生接地故障后，由于线、零模传播速度不同，致使量测端检测到的线、零模初始行波波到时刻不同，根据量测装置检测到的初始线、零模电压和电流行波数据，利用第五尺度下的小波模极大值标定时刻，再根据模量传输时间差的接地故障单端行波测距法计算公式计算故障距离。综合两侧单端模量传播时间差测距信息进行故障定位。具体步骤如下：

（1）根据架空线路直配系统实际馈线参数，沿线设置故障距离，仿真得出线、零模波速度与离散故障距离点的关系，再利用三次样条插值得出沿线路全长的线、零模波速曲线。

（2）分别利用第五尺度下的小波模极大值对M量测端检测到的线、零模电流行波分量、N量测端检测到的线、零模电压行波分量进行时刻标定，得出两者的时间差为△t_M0,1、△t_N0,1。

（3）选取馈线中点处的波速度作为初始波速迭代值，利用测距公式计算出初始故障距离x_f ⁽⁰⁾，将初始故障距离x_f ⁽⁰⁾代入线、零模插值曲线进行迭代，当相邻两点的线模波速v₁(n)-v₁(n-1)<0.0001且相邻两点的零模波速v₀(n)-v₀(n-1)<0.0001时，终止迭代结合求得的△t_M0,1、△t_N0,1，运用式分别求出两侧M、N与故障点之间的距离。若无法满足收敛条件，则改变故障位置迭代初值及其对应的初始波速度的选取直至收敛，最后得出收敛的故障距离。

（4）利用两侧的故障测距信息进行综合故障定位。

本发明的原理是：在配电网馈线发生接地故障后，由于故障点电压的骤变，产生在导线间传播的线模行波分量和导线与大地之间传播的零模行波分量。由于配电线路短且不会沿线架设避雷线，线模行波在导线间传播损耗小，零模行波在大地与导线间传播，馈出线路依频特性大，导致零模各个频率分量呈现差异性，但其初始行波易于检测，在配网单相测距困难的情况下寻求利用零、线模时差的测距方法。

由于线、零模传播速度不同，致使量测端检测到的线、零模初始行波波到时刻不同，因此基于模量传输时间差的接地故障单端行波测距法计算公式为

(1)

其中，Δt_0,1为零、线模波到时间差，v₁、v₀分别为线、零模波速，Δv_1,0为线、零模波速差。当系统母线侧有多条馈出线路时，此时M端检测到的电流行波较为明显，可利用线、零模初始行波到达时间差进行故障定位。而N侧由于配电网末端为变压器，对于零模分量而言可将其等效为开路，故此行波在配电线路末端发生全反射，因此N侧检测不到零模电流，故只能利用电压量进行测距。M侧利用线、零模电流初始行波到达时间差△t_M，N侧利用线、零模电压初始行波到达时间差△t_N。

以图1所示多分支辐射网拓扑结构为例，为了提高测距精度此处采样频率选取为10MHz。已知在不同故障距离下，系统发生单相金属性接地故障，提取故障后0.5ms的线、零模电压、电流数据，利用第五尺度下的小波模极大值进行时刻标定，计算出的线、零模离散距离点上的波速，尔后进行三次样条插值得到沿线路全长范围内的线、零模波速曲线如图2所示。从图2可以看出，近端故障时线、零模波速变换剧烈，而在除了近端以外其他故障距离下其总体变化趋势呈现单调，线、零模波速度与距离不再呈现函数关系，利用三次样条插值很好的解决了因波速度函数拟合所导致测距误差过大的问题，并能很好的反映故障距离与波速度两者之间的关系。选取馈线中点处的波速度作为初始波速迭代值，利用测距公式计算出初始故障距离x_f ⁽⁰⁾，将初始故障距离x_f ⁽⁰⁾代入线、零模插值曲线进行迭代，当相邻两点的线模波速v₁(n)-v₁(n-1)<0.0001且相邻两点的零模波速v₀(n)-v₀(n-1)<0.0001时，终止迭代结合求得的线、零模波到时差Δt_0,1，运用式(1)求出M侧与故障点之间的距离。若无法满足收敛条件，则改变故障位置迭代初值及其对应的初始波速度的选取直至收敛，最后得出收敛的故障距离。

由于配电线路较短，分支多且呈现树形结构，一般采用单端线零模波速差定位方法不能识别分支线路，只能计算出故障距离，而双端测距一般投资较大，现场通讯对时不易实现。因此本方法采用在配电线路主干线两端分别进行单端故障定位，从而能减小近端测距死区并能进一步识别分支。

本发明的有益效果是：仅需要单端初始波头，无需GPS精确时间同步和反射波头的识别且其基本不受故障过渡电阻、故障初始相角及分支点的影响。

附图说明

图1为多分支辐射网拓扑结构；

图2为利用三次样条插值得到的线、零模波速；

图3为本发明实施例多出线多分支辐射网拓扑结构；

图4为M侧线模电流及其模极大值；

图5为M侧零模电流及其模极大值；

图6为N侧线模电压及其模极大值；

图7为N侧零模电压及其模极大值。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

一种利用电压、电流量配合不依赖双端同步的零、线模时差辐射网故障定位方法，在多分支辐射状网络中，于馈线两侧安装行波故障测距装置，利用两侧的信息分别进行故障测距。在配电网馈线发生接地故障后，由于线、零模传播速度不同，致使量测端检测到的线、零模初始行波波到时刻不同，根据量测装置检测到的初始线、零模电压和电流行波数据，利用第五尺度下的小波模极大值标定时刻，再根据模量传输时间差的接地故障单端行波测距法计算公式计算故障距离。综合两侧单端模量传播时间差测距信息进行故障定位。具体步骤如下：

（1）根据架空线路直配系统实际馈线参数，沿线设置故障距离，仿真得出线、零模波速度与离散故障距离点的关系，再利用三次样条插值得出沿线路全长的线、零模波速曲线。

（2）分别利用第五尺度下的小波模极大值对M量测端检测到的线、零模电流行波分量、N量测端检测到的线、零模电压行波分量进行时刻标定，得出两者的时间差为△t_M0,1、△t_N0,1。

（3）选取馈线中点处的波速度作为初始波速迭代值，利用测距公式计算出初始故障距离x_f ⁽⁰⁾，将初始故障距离x_f ⁽⁰⁾代入线、零模插值曲线进行迭代，当相邻两点的线模波速v₁(n)-v₁(n-1)<0.0001且相邻两点的零模波速v₀(n)-v₀(n-1)<0.0001时，终止迭代结合求得的△t_M0,1、△t_N0,1，运用式分别求出两侧M、N与故障点之间的距离。若无法满足收敛条件，则改变故障位置迭代初值及其对应的初始波速度的选取直至收敛，最后得出收敛的故障距离。

（4）利用两侧的故障测距信息进行综合故障定位。

现设图1所示拓扑结构中，母线处增加两条20km长的架空馈线，形成如图3所示的多出线多分支辐射网，该电网中的G为无限大电源；T为主变压器，变比为110 kV /35kV，联结组别为YN/d11，测量端为M端，其中主干线路MB=20km、BC=15 km、CN=15 km、分支BF=10km、CE=10km，在M及N端分别装设一组行波故障测距装置。

实施例1：现假设距离M端40km分支2线路发生A相金属性接地故障，故障初始相角为90°，仿真采样频率为10MHz，分别利用第五尺度下的小波模极大值对量测端检测到的线、零模行波分量进行时刻标定，其M侧线、零模电流如图4、图5所示，N侧线、零模电压如图6、图7所示。得出M侧线、零模波到时间差为△t_M=0.0156ms，N侧线、零模波到时间差为△t_N=0.0062ms，选取馈线中点处的波速度作为初始波速迭代值，利用测距公式计算出初始故障距离x_f ⁽⁰⁾，将初始故障距离x_f ⁽⁰⁾代入线、零模插值曲线进行迭代，当相邻两点的线模波速v₁(n)-v₁(n-1)<0.0001且相邻两点的零模波速v₀(n)-v₀(n-1)<0.0001时，终止迭代结合求得的△t_M0,1、△t_N0,1，M侧利用线、零模电流时差迭代计算所得故障距离M-f为38.45km，N侧利用线、零模电压时差迭代计算所得故障距离N-f为19.72km，综合两侧故障距离信息，给出故障位置为分支2处距离M端39km。

实施例2：现假设距离M端25km主干线路发生A相金属性接地故障，故障初始相角为90°，故障过渡电阻为300Ω，仿真采样频率为10MHz，分别利用第五尺度下的小波模极大值对量测端检测到的线、零模行波分量进行时刻标定，得到M量测端线、零模电流行波、N量测端线、零模电压行波及其模极大值标定。得出M侧和N侧线、零模波到时间差为△t_M和△t_N，选取馈线中点处的波速度作为初始波速迭代值，利用测距公式计算出初始故障距离x_f ⁽⁰⁾，将初始故障距离x_f ⁽⁰⁾代入线、零模插值曲线进行迭代，当相邻两点的线模波速v₁(n)-v₁(n-1)<0.0001且相邻两点的零模波速v₀(n)-v₀(n-1)<0.0001时，终止迭代结合求得的△t_M0,1、△t_N0,1，运用测距公式分计算故障距离M-f为25.02km，N-f为24.55km，综合两侧故障距离信息，给出故障位置为主干线处距离M端24.8km。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种利用电压、电流量配合不依赖双端同步的零、线模时差辐射网故障定位方法，其特征在于：在多分支辐射状网络中，于馈线两侧安装行波故障测距装置，利用两侧的信息分别进行故障测距；在配电网馈线发生接地故障后，由于线、零模传播速度不同，致使测量端检测到的线、零模初始行波抵达时刻不同，根据行波故障测距装置检测到的初始线、零模电压和电流行波数据，利用第五尺度下的小波模极大值标定时刻，再根据模量传输时间差的接地故障单端行波测距法计算公式计算故障距离；综合两侧单端模量传播时间差测距信息进行故障定位；

步骤为：

(1)根据架空线路直配系统实际馈线参数，沿线设置故障距离，仿真得出线、零模波速度与离散故障距离点的关系，再利用三次样条插值得出沿线路全长的线、零模波速曲线；

(2)分别利用第五尺度下的小波模极大值对M侧测量端检测到的线、零模电流行波分量和N测量端检测到的线、零模电压行波分量进行时刻标定，得出两者的时间差为△t_M0,1、△t_N0,1；

(3)选取馈线中点处的波速度作为初始波速迭代值，利用测距公式计算出初始故障距离x_f ⁽⁰⁾，将初始故障距离x_f ⁽⁰⁾代入线、零模波速曲线进行迭代，当相邻两点的线模波速v₁(n)-v₁(n-1)<0.0001且相邻两点的零模波速v₀(n)-v₀(n-1)<0.0001时，终止迭代结合求得的△t_M0,1、△t_N0,1，运用式分别求出两侧M、N与故障点之间的距离，其中，Δt_0,1为零、线模波到时间差，v₁、v₀分别为线、零模波速，Δv_1,0为线、零模波速差；若无法满足收敛条件，则改变故障位置迭代初值及其对应的初始波速度的选取直至收敛，最后得出收敛的故障距离；

(4)利用两侧的故障测距信息进行综合故障定位。