CN105182184B

CN105182184B - 一种基于沿线方向行波分解的配网线缆混合直配线路故障测距方法

Info

Publication number: CN105182184B
Application number: CN201510631902.XA
Authority: CN
Inventors: 束洪春; 余多; 田鑫萃; 高利
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2018-10-02
Anticipated expiration: 2035-09-29
Also published as: CN105182184A

Abstract

本发明涉及一种基于沿线方向行波分解的配网线缆混合直配线路故障测距方法，属于电力系统继电保护技术领域。本发明为配电网线缆混合直配线路发生单相接地故障时，首先采用PCA‑SVM识别线路混合线路故障区段；然后对量测端获取的故障行波数据求取线模行波，应用得到的线模行波并根据贝杰龙线路传递方程推算故障区段的沿线电压行波和电流行波分布，将沿线电压行波和沿线电流行波进行沿线方向行波分解，获取沿线分布的方向行波，再利用其正向行波乘以反向行波并于两个相继的时窗长度内进行积分来构造测距函数，最后根据测距函数沿故障区段线长范围内的行波突变分布进行故障测距。理论分析和仿真结果表明本方法效果良好。

Description

一种基于沿线方向行波分解的配网线缆混合直配线路故障测距方法

技术领域

本发明为一种基于沿线方向行波分解的配网线缆混合直配线路故障测距方法，属电力系统继电保护技术领域。

背景技术

随着城市配电网的不断发展，电缆馈线和线缆混合线路在配电网中所占的比重越来越大。电缆与架空线相比其特殊性表现在：一是电缆结构相对复杂，一般由电缆芯、屏蔽层、护套等组成的多导体系统组成；二是电缆多埋设于地下，与大地关系更为紧密，导致电缆中的电磁暂态过程与架空线相比差异较大，电缆电网长度的充电电容大，行波在电缆中传播的波速比架空线线模波速小。现有的对电缆或架空线路的故障定位方法很多，但对两种线路混合的配电系统研究较少。由于电缆线路和架空线路的参数差异较大，使得传统的基于线路参数均匀的配电网故障定位方法于线缆混合配电系统中应用时受到一定程度的影响。因此急需提出一种新的线缆混合线路故障测距方法，实现配电网的准确定位。

发明内容

本发明的目的是克服现有的基于线路参数均匀的故障定位方法在线缆混合线路故障测距应用中的局限性，提出一种基于沿线方向行波分解的配网线缆混合直配线路故障测距方法，配电网线缆混合直配线路发生单相接地故障时，首先采用PCA-SVM识别线路混合线路故障区段；然后对量测端获取的故障行波数据求取线模行波，应用得到的线模行波并根据贝杰龙线路传递方程推算故障区段的沿线电压行波和电流行波分布，将沿线电压行波和沿线电流行波进行沿线方向行波分解，获取沿线分布的方向行波，再利用其正向行波乘以反向行波并于两个相继的时窗长度内进行积分来构造测距函数，最后根据测距函数沿故障区段线长范围内的行波突变分布进行故障测距。

一种基于沿线方向行波分解的配网线缆混合直配线路故障测距方法的具体步骤是：

(1)线缆混合线路发生单相接地故障时，采用PCA-SVM线缆混合线路故障区段识别模型和算法，完成故障区段的判别。

(2)若根据步骤(1)判别出故障位于电缆线路MJ，则在采样率1MHz下，对量测端获得的电压、电流进行采样，得到相电流采样值序列i_M,a(k)、i_M,b(k)、i_M,c(k)，相电压采样值序列u_M,a(k)、u_M,b(k)、u_M,c(k)，其中k表示采样点，k＝1，2，…；M表示量测端。

根据式(1)和式(2)分别求出线模电流和线模电压的离散序列i_M,s(k)和u_M,s(k)：

i_M,s(k)＝i_M,a(k)-i_M,b(k) (1)

u_M,s(k)＝u_M,a(k)-u_M,b(k) (2)

(3)沿线分布的计算：利用式(3)和式(4)分别计算电缆线路MJ的沿线电压分布和沿线电流分布。

式中，s为线模分量；x为沿线任意一点到量测端的距离；v为线路的波速度；Z_c,s为线路的特征阻抗；r_s为线路单位长度电阻；u_M,s(k)为量测端的线模电压行波；i_M,s(k)为量测端的线模电流行波；u_M,x,s(x,k)为k时刻距量测端x处的电压；i_M,x,s(x,k)为k时刻距量测端x处的电流。

(4)计算沿线分布的正向行波和反向行波：根据式(5)和式(6)分别计算电缆线路MJ沿线分布的正向电压行波、沿线分布的反向电压行波，即

u⁺ _M,x,s＝(u_M,x,s+Z_c,si_M,x,s)/2 (5)

u^- _M,x,s＝(u_M,x,s-Z_c,si_M,x,s)/2 (6)

(5)沿线分布的正向行波梯度和反向行波梯度的计算：利用沿线分布的正向电压行波相邻两个采样值之差构造沿线分布的正向电压梯度，即

c⁺ _{M,dif_u}(k)＝u⁺ _k,x,s(k)-u⁺ _k,x,s(k-1) (7)

利用沿线分布的反向电压行波相邻两个采样值之差构造沿线分布的反向电压梯度，即

c^- _{M,dif_u}(k)＝u^- _k,x,s(k)-u^- _k,x,s(k-1) (8)

(6)计算沿线分布的正向行波突变和反向行波突变：根据式(9)提取电缆线路MJ沿线分布的正向电压行波突变，即

根据式(10)提取电缆线路MJ沿线分布的反向电压行波突变，即

式中，R取为3。

(7)测距函数的构造：采用式(11)和式(12)，将步骤(6)得到的正向行波突变和反向行波突变相乘并分别于行波观测时窗[k₀,k₀+L_MJ/(2v)]和[k₀+L_MJ/(2v),k₀+L_MJ/v]内进行积分，得到测距函数f_uI(x)和f_uII(x)的沿线行波突变。

式中，k₀表示量测端M检测到的故障初始行波到达时刻；L_MJ为主干1的线长。

于[k₀,k₀+L_MJ/(2v)]和[k₀+L_MJ/(2v),k₀+L_MJ/v]两个相继时窗内，测距函数f_uI(x)和f_uII(x)沿线长L_MJ范围内的行波突变分布点对应距离分别为[x_I1,x_I2,……]和[x_II1,x_II2,……]。

同样，若根据步骤(1)判别出故障位于架空线路JN，则首先根据步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)计算得到电缆MJ沿全长L_MJ的电压分布和电流分布；然后按照电缆MJ未故障的条件，计算出电缆末端电压和电流，并记为u_MJ(l_1-0,t)和i_MJ(l_1-0,t)；根据线缆接头J处的折射系数α_J，求得架空线起端电压u_MJ(l₁₊₀,t)＝α_Ju_MJ(l_1-0,t)，i_MJ(l₁₊₀,t)＝α_Ji_MJ(l_1-0,t)，并记为u_J+0和i_J+0。然后利用J₊₀节点电压u_J+0和电流i_J+0，由式(13)和式(14)计算架空线路沿线电压和电流为

上式中，波阻抗Z_c和r均取架空线路波阻抗和电阻。

然后，根据式(5)～式(10)对架空线路JN沿全线长L_JN的电压分布和电流分布进行沿线方向行波分解，获取沿线分布的方向行波，并提取沿线分布的正向行波突变和反向行波突变，最后将二者相乘再分别于观测时窗[t₀,t₀+L_JN/(2v)]和[t₀+L_JN/2v,t₀+L_JN/v]内进行积分得到测距函数f′_uI(x)和f′_uII(x)，其沿线长L_JN范围内的行波突变分布点对应距离分别为[x′_I1,x′_I2,……]和[x′_II1,x′_II2,……]。

(8)故障定位判据的构造：

在电缆线路MJ故障下，若[x_I1,x_I2,……]中的突变距离x^* _I和[x_II1,x_II2,……]中的突变距离x^* _II满足

x^* _I+x^* _II＝L_MJ (15)

且当x^* _I的突变点极性为负，x^* _II的突变点极性为正，x^* _I>x^* _II时，判断故障位于电缆线路MJ内并距量测端M的距离为x^* _I。式(15)中，L_MJ为电缆线路MJ的线长。

在架空线路JN故障下，若[x′_I1,x′_I2,……]中的突变距离x_I″和和[x′_II1,x′_II2,……]中的突变距离x″_II满足

x_I″+x″_II＝L_JN (16)

且当x_I″和x″_II的突变点极性均为负，x_I″>x″_II时，判断故障位于架空线路JN内并距节点J的距离为x_I″。式(16)中，L_JN为架空线路JN的线长。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本方法针对线缆混合线路进行故障定位，其原理简单，毋需标定故障行波波波头，且不受故障瞬时性、故障过渡电阻变化等因素的影响，测距结果准确可靠。

附图说明

图1为实施例1、实施例2的线缆混合线路结构图；

图2为实施例1电缆线路故障下，[k₀,k₀+L_MJ/(2v)]时窗内测距函数的突变分布结果；

图3为实施例1电缆线路故障下，[k₀+L_MJ/(2v),k₀+L_MJ/v]时窗内测距函数的突变分布结果；

图4为实施例2架空线路故障下，[k₀,k₀+L_JN/(2v)]时窗内测距函数的突变分布结果；

图5为实施例2架空线路故障下，[k₀+L_JN/(2v),k₀+L_JN/v]时窗内测距函数的突变分布结果。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

配电网线缆混合直配线路发生单相接地故障时，首先采用PCA-SVM识别线路混合线路故障区段；然后对量测端获取的故障行波数据求取线模行波，应用得到的线模行波并根据贝杰龙线路传递方程推算故障区段的沿线电压行波和电流行波分布，将沿线电压行波和沿线电流行波进行沿线方向行波分解，获取沿线分布的方向行波，再利用其正向行波乘以反向行波并于两个相继的时窗长度内进行积分来构造测距函数，最后根据测距函数沿故障区段线长范围内的行波突变分布进行故障测距。

实施例1：

采用如图1所示缆-线混合直配线系统，其中，线缆混合线路中电缆馈线长10km，架空馈线长10km，量测端位于电缆的始端，其它两条健全线为电缆馈线，长度分别为8km和15km。假设电缆MJ半线长之内距离M端3km处发生AG故障，故障初始相角为90°，过渡电阻为0.01Ω，采样率为1MHz。

首先利用PCA-SVM辨识故障位于电缆，然后分别于[k₀,k₀+L_MJ/(2v)]和[k₀+L_MJ/(2v),k₀+L_MJ/v]时窗内，利用量测端的线模电流行波和线模电压行波，沿线计算步长取0.1km，根据贝杰龙线路传输方程计算量测端M的测距函数沿线长L_MJ的行波突变分布如图2和图3所示。由图2可知，[k₀,k₀+L_MJ/(2v)]时窗内，f_uI(x)的突变点A(x)＝3km，且极性为负；由图3可知，[k₀+L_MJ/(2v),k₀+L_MJ/v]时窗内，f_uII(x)的突变点B(x)＝7km，且极性为正。因为A(x)+B(x)＝3+7＝10km＝L_MJ，满足式(15)所示的线长约束条件，且A(x)的幅值大于B(x)的幅值，所以故障位于电缆线路MJ内距离量测端M的距离为3km。

实施例2：

采用如图1所示缆-线混合直配线系统，其中，线缆混合线路中电缆馈线长10km，架空馈线长10km，量测端位于电缆的始端，其它两条健全线为电缆馈线，长度分别为8km和15km。假设架空线路JN半线长之内距离J节点3km处，也即距离M端13km处发生AG故障，A相故障初始相角为90°，过渡电阻为0.01Ω，采样率为1MHz。

首先利用PCA-SVM辨识故障位于架空线路，然后分别于[k₀,k₀+L_JN/(2v)]和[k₀+L_JN/(2v),k₀+L_JN/v]时窗内，利用架空线路起端的线模电流行波和线模电压行波，沿线计算步长取0.1km，根据贝杰龙线路传输方程计算量测端M的测距函数沿线长L_JN的行波突变分布如图4和图3所示。由图4可知，[k₀,k₀+L_JN/(2v)]时窗内，f_uI(x)的突变点A(x)＝3km，且极性为负；由图5可知，[k₀+L_JN/(2v),k₀+L_JN/v]时窗内，f_uII(x)的突变点B(x)＝7km，且极性为负。因为A(x)+B(x)＝3+7＝10km＝L_JN，满足式(16)所示的线长约束条件，且A(x)的幅值大于B(x)的幅值，所以故障位于架空线路JN内距离节点J的距离为3km。

Claims

1.一种基于沿线方向行波分解的配网线缆混合直配线路故障测距方法，其特征在于：当配电网线缆混合直配线路发生单相接地故障时，首先采用PCA-SVM识别线路混合线路故障区段；然后对量测端获取的故障行波数据求取线模行波，应用得到的线模行波并根据贝杰龙线路传递方程推算故障区段的沿线电压行波和电流行波分布，将沿线电压行波和沿线电流行波进行沿线方向行波分解，获取沿线分布的方向行波，再利用其正向行波乘以反向行波并于两个相继的时窗长度内进行积分来构造测距函数，最后根据测距函数沿故障区段线长范围内的行波突变分布进行故障测距。

2.按照权利要求1所述的基于沿线方向行波分解的配网线缆混合直配线路故障测距方法，其特征在于具体步骤为：

(1)线缆混合线路发生单相接地故障时，采用PCA-SVM线缆混合线路故障区段识别模型和算法，完成故障区段的判别；

(2)若根据步骤(1)判别出故障位于电缆线路MJ，则在采样率1MHz下，对量测端获得的电压、电流进行采样，得到相电流采样值序列i_M,a(k)、i_M,b(k)、i_M,c(k)，相电压采样值序列u_M,a(k)、u_M,b(k)、u_M,c(k)，其中k表示采样点，k＝1，2，…；M表示量测端；

i_M,s(k)＝i_M,a(k)-i_M,b(k) (1)

u_M,s(k)＝u_M,a(k)-u_M,b(k) (2)

(3)沿线分布的计算：利用式(3)和式(4)分别计算电缆线路MJ的沿线电压分布和沿线电流分布：

式中，s为线模分量；x为沿线任意一点到量测端的距离；v_s为线路的波速度；Z_c,s为线路的特征阻抗；r_s为线路单位长度电阻；u_M,s(k)为量测端的线模电压行波；i_M,s(k)为量测端的线模电流行波；u_M,x,s(x,k)为k时刻距量测端x处的电压；i_M,x,s(x,k)为k时刻距量测端x处的电流；

(4)计算沿线分布的正向行波和反向行波：根据式(5)和式(6)分别计算电缆线路MJ沿线分布的正向电压行波、沿线分布的反向电压行波，即：

u⁺ _M,x,s＝(u_M,x,s+Z_c,si_M,x,s)/2 (5)

u^- _M,x,s＝(u_M,x,s-Z_c,si_M,x,s)/2 (6)

(5)沿线分布的正向行波梯度和反向行波梯度的计算：利用沿线分布的正向电压行波相邻两个采样值之差构造沿线分布的正向电压梯度，即：

c⁺ _{M,dif_u}(k)＝u⁺ _k,x,s(k)-u⁺ _k,x,s(k-1) (7)

利用沿线分布的反向电压行波相邻两个采样值之差构造沿线分布的反向电压梯度，即：

c^- _{M,dif_u}(k)＝u^- _k,x,s(k)-u^- _k,x,s(k-1) (8)

(6)计算沿线分布的正向行波突变和反向行波突变：根据式(9)提取电缆线路MJ沿线分布的正向电压行波突变，即：

根据式(10)提取电缆线路MJ沿线分布的反向电压行波突变，即

式中，R取为3；

(7)测距函数的构造：采用式(11)和式(12)，将步骤(6)得到的正向行波突变和反向行波突变相乘并分别于行波观测时窗[k₀,k₀+L_MJ/(2v)]和[k₀+L_MJ/(2v),k₀+L_MJ/v]内进行积分，得到测距函数f_uI(x)和f_uII(x)的沿线行波突变；

式中，k₀表示量测端M检测到的故障初始行波到达时刻；L_MJ为线长；

于[k₀,k₀+L_MJ/(2v)]和[k₀+L_MJ/(2v),k₀+L_MJ/v]两个相继时窗内，测距函数f_uI(x)和f_uII(x)沿线长L_MJ范围内的行波突变分布点对应距离分别为[x_I1,x_I2,……]和[x_II1,x_II2,……]；

同样，若根据步骤(1)判别出故障位于架空线路JN，则首先根据步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)计算得到电缆MJ沿全长L_MJ的电压分布和电流分布；然后按照电缆MJ未故障的条件，计算出电缆末端电压和电流，并记为u_MJ(l_1-0,t)和i_MJ(l_1-0,t)；根据线缆接头J处的折射系数α_J，求得架空线起端电压u_MJ(l₁₊₀,t)＝α_Ju_MJ(l_1-0,t)，i_MJ(l₁₊₀,t)＝α_Ji_MJ(l_1-0,t)，并记为u_J+0和i_J+0，然后利用J₊₀节点电压u_J+0和电流i_J+0，由式(13)和式(14)计算架空线路沿线电压和电流为：

上式中，波阻抗Z_c和r均取架空线路波阻抗和电阻；

然后，根据式(5)～式(10)对架空线路JN沿全线长L_JN的电压分布和电流分布进行沿线方向行波分解，获取沿线分布的方向行波，并提取沿线分布的正向行波突变和反向行波突变，最后将二者相乘再分别于观测时窗[t₀,t₀+L_JN/(2v)]和[t₀+L_JN/2v,t₀+L_JN/v]内进行积分得到测距函数f′_uI(x)和f′_uII(x)，其沿线长L_JN范围内的行波突变分布点对应距离分别为[x′_I1,x′_I2,……]和[x′_II1,x′_II2,……]；

(8)故障定位判据的构造：

在电缆线路MJ故障下，若[x_I1,x_I2,……]中的突变距离x^* _I和[x_II1,x_II2,……]中的突变距离x^* _II满足：

x^* _I+x^* _II＝L_MJ (15)

且当x^* _I的突变点极性为负，x^* _II的突变点极性为正，x^* _I>x^* _II时，判断故障位于电缆线路MJ内并距量测端M的距离为x^* _I，式(15)中，L_MJ为电缆线路MJ的线长；

在架空线路JN故障下，若[x′_I1,x′_I2,……]中的突变距离x″_I和和[x′_II1,x′_II2,……]中的突变距离x″_II满足：

x″_I+x″_II＝L_JN (16)

且当x″_I和x″_II的突变点极性均为负，x″_I>x″_II时，判断故障位于架空线路JN内并距节点J的距离为x″_I，式(16)中，L_JN为架空线路JN的线长。