CN105137293B - 一种配电网混合线路中故障点的定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电网混合线路中故障点的定位方法,包括采用监测区外故障的方法,在线测量故障行波在电缆线路中的传播速度;设任一线路区间的一个端点处发生故障,计算初始故障行波到达混合线路两测量端的时间差;该时间差设为节点时间差,建立线路区间端点与节点时间差的一一对应关系,存储至数据库;在混合线路实际发生故障时,测量初始故障行波到达混合线路两测量端的实测时间差;该实测时间差依次与数据库中的节点时间差相比较,确定故障线路区间;根据实际故障点到故障线路区间一端点的距离等于实测时间差与故障线路区间的该端点所对应的节点时间差的差值乘以故障行波在故障线路区间中传播速度数值的一半,计算实际故障点的位置。
Description
技术领域
本发明属于电力领域,尤其涉及一种配电网混合线路中故障点的定位方法。
背景技术
随着电力系统的发展,架空-电缆混合线路在电网中尤其是配电网中获得越来越广泛的应用。配电网结构复杂,分支较多,故障电流小,利用电气量实现故障定位困难较大,同时混合线路对故障点定位要求较高,尤其对于地下电缆区段的高精度定位对于减小检修工作量具有重要意义。目前行波故障测距技术在输电网中已获得成功应用,研究在配电网中实现行波故障测距技术将是一个重要的研究方向。
目前国内外已有部分学者针对混合线路故障行波测距技术展开了研究。传统的方法包括单一化方法、基于时间中点或时间差进行搜索确定故障点的方法、利用小波分解理论对波速度进行提取分析以及利用脉冲电流的改进方法。
但是以上方法均利用固定的架空线路及电缆线路的波速度或利用信号处理方式提取波速度,但研究表明,架空线中波速相对稳定,随着电压等级的不同,故障行波的传播速度约在光速的97%-99%范围内变化,而故障行波在电缆线路中的波速为106m/us-220m/us,稳定性相对较差。电缆线路中故障行波波速度波动较大,波速度取值的准确度对测距结果具有重要影响,混合线路故障行波测距中电缆线路波速不稳定性是引入测距误差的主要因素之一。
发明内容
为了解决现有技术的缺点,本发明提供一种配电网混合线路中故障点的定位方法,该方法利用区外故障实现电缆线路波速在线测量,根据实测波速度与各及节点时间差的对应关系可准确判定线路故障区间,进一步根据实测时间差的变化量与波速的正比关系,可精确实现故障点定位。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种配电网混合线路中故障点的定位方法,所述混合线路包括架空线路和电缆线路这两种类型,按照线路类型将混合线路划分为若干个线路区间,两个相邻的同一类型线路为同一线路区间;测量每一线路区间的长度及故障行波在架空线路中传播的速度;混合线路两端均设有测量端;包括:
步骤(1):采用监测区外故障的方法,在线测量故障行波在电缆线路中的传播速度;
步骤(2):设任一线路区间的一个端点处发生故障,根据每一线路区间的长度及故障行波在线路区间的传播速度,计算初始故障行波到达混合线路两测量端的时间差;该时间差设为节点时间差,建立线路区间端点与节点时间差的一一对应关系,存储至数据库;
步骤(3):在混合线路实际发生故障时,测量初始故障行波到达混合线路两测量端的实测时间差;该实测时间差依次与数据库中的节点时间差相比较,获取与实测时间差最接近的两个相邻的节点时间差,确定这两个相邻的节点时间差对应的线路区间为故障线路区间;
步骤(4):根据实际故障点到故障线路区间一端点的距离等于实测时间差与故障线路区间的该端点所对应的节点时间差的差值乘以故障行波在故障线路区间中传播速度数值的一半,计算实际故障点的位置。
所述步骤(1)的具体过程为:
步骤(1.1):设发生区外故障,分别测量故障行波达到混合线路两测量端的时刻;
步骤(1.2):根据每一线路区间的长度、故障行波在架空线路中传播的速度及故障行波达到混合线路两测量端的时刻,求取故障行波在电缆线路中的传播速度。
所述步骤(1.2)中,故障行波在电缆线路中的传播速度v缆为:
式中,l缆表示电缆线路的总长度;l空表示架空线路的总长度;v空为故障行波在架空线路中传播速度;t′M、t′N表示发生区外故障时,初始故障行波分别到达混合线路的M测量端和N测量端的时刻。
所述步骤(3)中,在混合线路两测量端分别安装行波故障测距装置,利用行波故障测距装置分别测量初始故障行波分别到达混合线路两测量端的时刻,进而测量出初始故障行波分别到达混合线路两测量端的实测时间差。
所述步骤(1.1)中,在混合线路两测量端分别安装行波故障测距装置,利用行波故障测距装置分别到达混合线路两测量端的时刻。
所述步骤(4)中,实际故障点到靠近M测量端的故障线路区间的端点的距离l′m为:
式中,tn为故障线路区间靠近M测量端的节点时间差,v为故障行波在故障线路区间中的传播速度;n表示靠近M测量端的故障线路区间的端点标号,n为自然数;tMN表示实际发生故障时,初始故障行波到达混合线路M测量端和N测量端的实测时间差。
所述步骤(4)中,当n=0时,实际故障点到混合线路M测量端的的距离lm为:
lm=l′m
当n≥1时,实际故障点到混合线路M测量端的的距离lm为:
式中,i表示线路区间的端点标号;与M测量端重合的线路区间的端点的标号为0,从M测量端到N测量端线路区间的端点标号依次增加1;li(i+1)表示线路区间端点标号为i到i+1的线路区间的长度。
所述步骤(3)中的故障线路区间为架空线路区间或电缆线路区间。
本发明的有益效果为:
(1)本发明根据混合线路的行波传播特征,采用实测初始行波到达测量端时间差与节点时间差相比较来确定故障线路区段,结合在线实测电缆波速误差情况下精确判定巡线点的位置,可通过该方法校正常规故障测距结果与实际巡线位置的误差,提高巡线及故障排除的高效性和精确性;
(2)本发明考虑混合线路故障行波测距中电缆线路波速不稳定性因素,利用区外故障实现测量区段电缆波速在线测量,在故障区段准确识别的基础上,利用波速在线计算模式可精确确定故障巡线点位置;
(3)本发明有效地消除了波速误差对故障测距及计算巡线点确定带来的影响,计算结果更加精确有效。
附图说明
图1是架空—电缆混合线路示意图;
图2a)是实施例一的M端电流行波;
图2b)是实施例一的M端电流行波对应的小波变换系数;
图2c)是实施例一的N端电流行波;
图2d)是实施例一的N端电流行波对应的小波变换系数;
图3a)是实施例二的M端电流行波;
图3b)是实施例二的M端电流行波对应的小波变换系数;
图3c)是实施例二的N端电流行波;
图3d)是实施例二的N端电流行波对应的小波变换系数;
图4a)是实施例三的M端电流行波;
图4b)是实施例三的M端电流行波对应的小波变换系数;
图4c)是实施例三的N端电流行波;
图4d)是实施例三的N端电流行波对应的小波变换系数。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明:
架空-电缆混合线路结构,如图1所示,以标号0-4将混合线路分为四个线路区间。一般而言,架空线路的波阻抗为300Ω-500Ω,而电缆线路波阻抗为10Ω-100Ω,故障行波将在混合线路的连接点处发生复杂的折反射现象。
当线路F点发生故障时,将有故障电流行波i产生并沿线路向两个母线测量端传播,如图1所示。设故障行波i到达2标号处时为τ1时刻,则测量端N处测得的反向电流行波iN为:
式中,τ2,τ3分别为故障行波经过2-3,3-4线路区间所用时间;γp,γq分别为故障电流行波由架空线路入射电缆电路和由电缆电路入射架空线路的折射系数;βp,βq架空线路入射电缆电路和由电缆电路入射架空线路的反射系数;βN为故障电流行波在测量端N处的反射系数。
式(1)中第一项为测量端N初始反向行波波头分量,后续为测量端N正向行波在区间3-4,2-4间的折反射行波分量。由此可见,架空线-电缆混合线路里面折反射行波相当复杂,若逐个识别波头性质将相当困难。同时上式反向行波表达式中,忽略了透射过测量端M并经相邻线路折反射回故障线路的行波对测量端N的影响以及测量端N正向行波在0-4区间各区段及故障点处的折反射行波分量。因此,故障行波在混合线路中的折反射情况相当复杂,故障初始行波后的后续行波波头的性质不易识别,在混合线路中适合使用线路两端行波信号实现故障测距。
一般而言,按绝缘方式电力电缆分为油纸绝缘电缆,塑料绝缘电缆和橡胶绝缘电缆。
经测量可知,对浸渍纸绝缘电阻波速度在150-170m/us之间,塑料绝缘电缆波速度在170-200m/us之间,而橡胶绝缘电缆则为220m/us。电力系统配电网10-35kV电缆线路中多采用油纸绝缘和塑料绝缘电缆,橡胶绝缘电缆一般应用于0.5-3kV的低压线路中。
因此配电网混合线路中电缆区段波速度波动范围较大,行波测距过程中需要考虑电缆线路波速度数值选择问题。考虑线路参数的频变,建立频域的电磁暂态方程:
式中,R0,L0,G0,C0分别为线路单位长度的参数矩阵;U,I分别为电压电流矩阵;w为行波在电缆线路中传播的角频率。
由此可得传播系数:
式中,α(w)为衰减系数,使得不同频率的信号衰减不同;β(w)为相位系数。研究表明,行波信号频率越高,传播速度越快,同时衰减越快。因此α(w)是影响波速波动的重要因素。计算α(w)并忽略电导G0得:
同电压等级的电缆线路的分布电容要比架空线路大的多,如10kV电缆线路的分布电容约为0.200uF/km,而同等级架空线路中约为0.009uF/km,而同电压等级下电缆线路和架空线的阻抗相差相对较小,可得电缆线路中行波分量的衰减系数较大,即同频段的行波分量在电缆中衰减速度要比架空线路较快,这也是电缆线路中波速会比架空线路显示出较大波动性的原因。
一种配电网混合线路中故障点的定位方法,所述混合线路包括架空线路和电缆线路这两种类型,按照线路类型将混合线路划分为若干个线路区间,两个相邻的同一类型线路为同一线路区间;测量每一线路区间的长度及故障行波在架空线路中传播的速度;混合线路两端均设有测量端;包括:
步骤(1):采用监测区外故障的方法,在线测量故障行波在电缆线路中的传播速度;
步骤(2):设任一线路区间的一个端点处发生故障,根据每一线路区间的长度及故障行波在线路区间的传播速度,计算初始故障行波到达混合线路两测量端的时间差;该时间差设为节点时间差,建立线路区间端点与节点时间差的一一对应关系,存储至数据库;
步骤(3):在混合线路实际发生故障时,测量初始故障行波到达混合线路两测量端的实测时间差;该实测时间差依次与数据库中的节点时间差相比较,获取与实测时间差最接近的两个相邻的节点时间差,确定这两个相邻的节点时间差对应的线路区间为故障线路区间;
步骤(4):根据实际故障点到故障线路区间一端点的距离等于实测时间差与故障线路区间的该端点所对应的节点时间差的差值乘以故障行波在故障线路区间中传播速度数值的一半,计算实际故障点的位置。
进一步地,步骤(1)的具体过程为:
步骤(1.1):设发生区外故障,分别测量故障行波达到混合线路两测量端的时刻;
步骤(1.2):根据每一线路区间的长度、故障行波在架空线路中传播的速度及故障行波达到混合线路两测量端的时刻,求取故障行波在电缆线路中的传播速度。
更进一步地,步骤(1.1)中,在混合线路两测量端分别安装行波故障测距装置,利用行波故障测距装置分别到达混合线路两测量端的时刻。
更进一步地,步骤(1.2)中,故障行波在电缆线路中的传播速度v缆为:
式中,l缆表示电缆线路的总长度;l空表示架空线路的总长度;v空为故障行波在架空线路中传播速度;t′M、t′N表示发生区外故障时,初始故障行波分别到达混合线路的M测量端和N测量端的时刻。
进一步地,步骤(3)中,在混合线路两测量端分别安装行波故障测距装置,利用行波故障测距装置分别测量初始故障行波分别到达混合线路两测量端的时刻,进而测量出初始故障行波分别到达混合线路两测量端的实测时间差。
在已知线路结构的情况下可得到线路各分区间的线路长度,设混合线路n到n+1区间F点发生故障,距测量端M的距离lm,故障行波到达混合线路两测量端的实测时间差为tMN,可得n=1时:
当故障行波继续在该区段传播单位长度△σ时,故障行波到达混合线路两测量端的时间差为t’MN,可得:
联立式(6)(7)可得:
式中,△t=t’MN-tMN,为故障行波在该区段传播△σ时到达混合线路两测量端时间差的变化量。可见,该区段中故障行波传播距离与故障行波到达混合线路两测量端的实测时间差的变化量成正比。同理分析可得,当n=0,2,3时可得类似结论。
因此,可得出:当故障发生在架空线路区间,故障行波在该故障区间传播的距离等于到达混合线路两测量端时间差的变化量与故障行波在架空线路中传播的速度;
当故障发生在电缆线路区间,故障行波在该故障区间传播的距离等于到达混合线路两测量端时间差的变化量与故障行波在电缆线路中传播的速度。
由此可得,实际故障点距测量端M端的距离lm与故障行波到达混合线路两测量端的实测时间差成分段的线性关系,且各线路区段内故障行波传播距离与故障行波到达整条故障混合线路两测量端的实测时间差的变化量的比值等于故障行波在该线路上传播速度数值的一半。
因此,在已知线路各区间长度的情况下,由已知的架空线路波速度和在线测量的电缆波速度,可获得相邻区间连接点与节点时间差的对应关系,如表格1所示。
表格1波阻抗变化点与节点时间差对应关系
相邻区间连接点标号 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
节点时间差 | t0 | t1 | t2 | t3 | t4 |
其中,t0,t1,t2,t3,t4分别为其对应的相邻区间连接点处发生故障时,初始故障行波达到整条故障混合线路两测量端的节点时间差,且满足tj>tj-1(j=1,2,3,4)。
当故障发生时,根据故障行波到达整条故障混合线路两测量端的实测时间差tMN与表格1中节点时间差对应比较,即可得故障所发生的线路区间,同时所在线路区间的行波传播距离与故障行波到达整条故障混合线路两测量端的实测时间差的变化量成正比,且比例为v/2。
进一步地,步骤(4)中,实际故障点到靠近M测量端的故障线路区间的端点的距离l′m为:
式中,tn为故障线路区间靠近M测量端的节点时间差,v为故障行波在故障线路区间中的传播速度;n表示靠近M测量端的故障线路区间的端点标号,n为自然数;tMN表示当发生实际故障时,初始故障行波到达混合线路M测量端和N测量端的实测时间差。
进一步地,步骤(4)中,当n=0时,实际故障点到混合线路M测量端的的距离lm为:
lm=l′m
当n≥1时,实际故障点到混合线路M测量端的的距离lm为:
式中,i表示线路区间的端点标号;与M测量端重合的线路区间的端点的标号为0,从M测量端到N测量端线路区间的端点标号依次增加1;li(i+1)表示线路区间端点标号为i到i+1的线路区间的长度。
其中,步骤(3)中的故障线路区间为架空线路区间或电缆线路区间。故障行波在故障线路区间中传播的速度取决于故障线路区间的导线类型。在故障线路区段准确识别的基础上,利用波速在线计算模式可精确确定故障点位置。
为验证方法的有效性,利用ATP/EMTP仿真模型进行验证。
仿真模型如图1所示,混合线路为35kV电压等级,其中0-1,2-3区段电缆线路采用塑料绝缘电缆,现场所获得线路长度数据分别为3km,7km,1-2,3-4区段现场架空线路长度分别为12km,4km,仿真时采样步长为0.1us,架空线路波速度选为294.7m/us。
电缆波速在线测量:
设区外F’点处t=0.02s发生故障,此时安装与M、N端的故障行波测距装置启动并检测到初始故障电流行波的到达时刻分别为0.0200814s,0.0201948s,已知线路结构及各区段的长度及架空线路波速度,由式(6)可得电缆区段波速度为168.8m/us。该波速度数值符合已知电缆线路波速度范围,可见该波速数值有效并将其作为故障行波测距中电缆区段的波速度数值。在线取得电缆线路段波速数值后,计算节点时间差如表格2所示。
表格2各标号连接点与时间节点
相邻区间连接点标号 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
节点时间差tn(us) | -113.5 | -78.0 | 3.4 | 86.4 | 113.5 |
(1)仿真实施例一:
架空线路区段3-4距离标号3处2.500km处发生单相接地故障。故障后测量端M、N处行波测距装置分别启动并记录初始故障行波达到时刻分别为0.0201079s,0.0200046s,行波测距装置记录的测量端M、N处初始故障行波的波形以及其对应的小波变换系统,如图2a)-图2d)所示。
经计算△t=103.3us,对应表格2可得,故障区间位于区段3-4之间,故障点与2号节点距离为2.482km,误差0.018km。
(2)仿真实施例二:
电缆线路2-3区段距标号2节点1.500km处发生单相接地故障。若ε取值为1.002,△l取为10m,则故障点与测量端M间线路实际物理长度应为16.554km。测量端M、N端分别检测到故障行波到达时刻为0.0200669s,0.0200457s,行波测距装置记录的测量端M、N处初始故障行波的波形以及其对应的小波变换系统,如图3a)-图3d)所示。
经计算可得△t=21.2us,对应表格2可得,故障区间位于区段2-3之间。
与常规测距方法相比,常规FLT模式可得故障点距M端16.401km,误差0.099km。采用精确计算得故障距离为16.557km,该数值更接近故障点与M测量端间的线路物理实际长度,但同时由于线路长度误差影响,计算巡线点将偏移0.057km。
本发明的该方法明显提高了故障点的定位精度,消除线路长度误差对故障测距及故障点确定带来的干扰,尤其对于电缆区段定位,其精度的提高对于故障巡线时减少人力物力投入、及时恢复供电的意义更大。
(3)仿真实施例三:
架空线路区段1-2距离标号1处0.040km处发生单相接地故障。测量端M、N端分别检测到故障行波到达时刻为0.0200840s,0.0201621s,行波测距装置记录的测量端M、N处初始故障行波的波形以及其对应的小波变换系统,如图4a)-图4d)所示。
经计算△t=-78.1us,对应表格2可得,故障区间位于区段1-2之间,故障点与2号节点距离为0.023km,误差0.017km。相比于未校正时间节点,则将错误判断故障点为与区段0-1之间。常规模式测得故障点距M端2.978km,误差0.062km。可见本发明确定的节点时间差提高故障区段判断的准确性,尤其对于相邻线路区间连接点处附近故障,更有利于区段准确识别。
以上仿真结果表明,本发明的该方法对混合线路的故障测距具有可靠准确的效果,可准确获得故障点所在区段,并由所提计算模式可准确获得故障巡线点的位置,消除了波速度误差的干扰。该测距方法物理概念清晰,测距结果准确有效。
由于空线-电缆混合线路中故障行波折反射情况相当复杂,且折反射系数的存在使得故障行波信号衰减较大,故障初始行波后的后续行波波头的性质不易识别,因此混合线路中适合使用线路始末两端行波信号进行故障测距。此外,混合线路中电缆线路区段由于波速度波动相对较大,对测距结果引入一定误差,结合配电网结构的特征,母线分支线路较多,本发明的该方法为利用区外线路故障实现所测线路电缆波速度在线测量提供了条件。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种配电网混合线路中故障点的定位方法,所述混合线路包括架空线路和电缆线路这两种类型,按照线路类型将混合线路划分为若干个线路区间,两个相邻的同一类型线路为同一线路区间;测量每一线路区间的长度及故障行波在架空线路中传播的速度;混合线路两端均设有测量端;其特征在于,包括:
步骤(1):采用监测区外故障的方法,在线测量故障行波在电缆线路中的传播速度;
步骤(2):设任一线路区间的一个端点处发生故障,根据每一线路区间的长度及故障行波在线路区间的传播速度,计算初始故障行波到达混合线路两测量端的时间差;该时间差设为节点时间差,建立线路区间端点与节点时间差的一一对应关系,存储至数据库;
步骤(3):在混合线路实际发生故障时,测量初始故障行波到达混合线路两测量端的实测时间差;该实测时间差依次与数据库中的节点时间差相比较,获取与实测时间差最接近的两个相邻的节点时间差,确定这两个相邻的节点时间差对应的线路区间为故障线路区间;
步骤(4):根据实际故障点到故障线路区间一端点的距离等于实测时间差与故障线路区间的该端点所对应的节点时间差的差值乘以故障行波在故障线路区间中传播速度数值的一半,计算实际故障点的位置;
所述步骤(1)的具体过程为:
步骤(1.1):设发生区外故障,分别测量故障行波达到混合线路两测量端的时刻;
步骤(1.2):根据每一线路区间的长度、故障行波在架空线路中传播的速度及故障行波达到混合线路两测量端的时刻,求取故障行波在电缆线路中的传播速度。
2.如权利要求1所述的一种配电网混合线路中故障点的定位方法,其特征在于,所述步骤(1.2)中,故障行波在电缆线路中的传播速度v缆为:
式中,l缆表示电缆线路的总长度;l空表示架空线路的总长度;v空为故障行波在架空线路中传播速度;t′M、t′N表示发生区外故障时,初始故障行波分别到达混合线路的M测量端和N测量端的时刻。
3.如权利要求1所述的一种配电网混合线路中故障点的定位方法,其特征在于,所述步骤(3)中,在混合线路两测量端分别安装行波故障测距装置,利用行波故障测距装置分别测量初始故障行波分别到达混合线路两测量端的时刻,进而测量出初始故障行波分别到达混合线路两测量端的实测时间差。
4.如权利要求1所述的一种配电网混合线路中故障点的定位方法,其特征在于,所述步骤(1.1)中,在混合线路两测量端分别安装行波故障测距装置,利用行波故障测距装置分别到达混合线路两测量端的时刻。
5.如权利要求1所述的一种配电网混合线路中故障点的定位方法,其特征在于,所述步骤(4)中,实际故障点到靠近M测量端的故障线路区间的端点的距离l′m为:
式中,tn为故障线路区间靠近M测量端的节点时间差,v为故障行波在故障线路区间中的传播速度;n表示靠近M测量端的故障线路区间的端点标号,n为自然数;tMN表示实际发生故障时,初始故障行波到达混合线路M测量端和N测量端的实测时间差。
6.如权利要求5所述的一种配电网混合线路中故障点的定位方法,其特征在于,所述步骤(4)中,当n=0时,实际故障点到混合线路M测量端的的距离lm为:
lm=l′m
当n≥1时,实际故障点到混合线路M测量端的的距离lm为:
式中,i表示线路区间的端点标号;与M测量端重合的线路区间的端点的标号为0,从M测量端到N测量端线路区间的端点标号依次增加1;li(i+1)表示线路区间端点标号为i到i+1的线路区间的长度。
7.如权利要求1所述的一种配电网混合线路中故障点的定位方法,其特征在于,所述步骤(3)中的故障线路区间为架空线路区间或电缆线路区间。
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