CN109387743B - 利用中性点切换及由此产生行波注入信号的单端测距方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用中性点切换及由此产生行波注入信号的单端测距方法，目的在于解决10‑66kV配电网单相接地故障定位问题，1)导通连接在变压器中性点上的晶闸管，在线路上产生匀速传播的高频行波分量，从而使线模分量系统的行波传播为零；2)记录晶闸管状态切换的时刻t1；3)当行波到达故障点时，仅在故障相位上产生反射，从而产生可检测的线模α行波分量的波头；4)记录线模α行波分量到达变电站的时刻t2；5)计算两个记录时刻t1和t2之间的时间差t，t为中性点的晶闸管开关动作后，行波波头传播到故障不连续点并返回到变电站母线的时间，进而利用下式确定故障距离。
Description
技术领域
本发明涉及电力自动化技术领域，涉及10-66kV配电网自动化领域，特别涉及一种利用中性点切换及由此产生行波注入信号的单端测距方法。
背景技术
我国配电网多为中性点非有效接地系统，单相接地故障约占所有故障的80％。准确定位故障点，是长久以来一直研究的热点。行波法作为一种行之有效的方法，已经逐渐运用在配电网中。架空线和电缆线路混合送电改变了配电网的行波传播波速以及折返射情况，使得一些行波定位方法不再有效，需要进行更加深入的分析。
行波法从原理上可以分为单端法和双端法。由于配电网分支众多，使用双端行波测距成本较高，工程上难以实现全网覆盖，因此对单端行波测距进行深入分析成为必要。传统单端法是利用故障初始行波首波头到达时刻和对端母线或者故障点反射波到达时刻的时间差进行定位。然而配电网折反射现象较多，反射行波的识别困难，电压互感器传变特性不高，导致单端行波测距精度不高。有文献提出采用零模-线模波速差进行定位的原理，但是由于零模和线模的波速差较小，对波头的识别程度要求较高，因此一般的小波变换、EMD等分析手段准确性不足，产生的误差较大。
发明内容
本发明提供一种利用中性点切换及由此产生行波注入信号的单端测距方法，目的在于解决10-66kV配电网单相接地故障定位问题，是利用中性点切换以及由此从故障点反射的线模行波到达检测点的时刻，来精确地确定接地故障距离的方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种利用中性点切换及由此产生行波注入信号的单端测距方法，所述的方法是在线路发生接地故障并且故障检测之后，故障馈线断路器还没有将其隔离的情况下进行的测距方法，所述的方法具体包括如下步骤：
1)导通连接在变压器中性点上的晶闸管，在线路上产生匀速传播的高频三相行波分量，因此线模行波传输的突变量为零；
2)记录晶闸管状态切换的时刻t1；
3)当三相行波到达故障点时，仅在故障相位上产生反射，从而产生可检测的线模α行波分量的波头；
4)记录线模α行波分量到达变电站的时刻t2；
5)计算两个记录时刻t1和t2之间的时间差t，t为中性点的晶闸管开关动作后，线模α行波波头传播到故障不连续点并返回到变电站母线的时间，进而利用下式确定故障距离d：
其中c是行波的传播速度。
所述的传播速度c是架空线的速度，为294.2km/ms，或者为了计算故障距离，使用转换因子k将电缆部分长度转换成相应的架空线路长度之后，与架空线路的行波波速一致，计算故障距离简单明确。
Clarke变换方法用于分析时域中的电力系统暂态量，其对于两相分量相对于第三相对称的情况特别适用，能用在单相接地故障中的情况，电压相量ua、ub、uc和Clarke分量：α，β和0模分量uα、uβ、u0之间的关系如下：
其中，A相作为单相接地故障发生时的参考相，当相分量已知的情况下，Clarke分量可以由(2)式计算得到：
线路发生接地故障期间，线路故障电流由A相流向故障点，在B、C两相流回母线，并且B、C两相的电流分别是A相电流的一半；由于接地故障发生时，B相和C相的电流和电压与线路在正常运行时的状态相似，因此β线模分量为零。0模分量为对称分量系统中的零序分量，而α线模分量在故障相流向故障点并通过另外两个相返回。
一种利用中性点切换及由此产生行波注入信号的单端测距方法所采用的装置，包括连接在变压器中性点与地之间的中性点接地装置以及连接在电源相线与地之间的电容-电阻分压采集装置，所述的电容-电阻分压采集装置中的电容为高压耦合电容器，所述的中性点接地装置由晶闸管和消弧线圈并联构成。
所述的中性点接地装置的晶闸管以及电容-电阻分压采集装置均连接控制装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提出的方法在网络具有多个分支的馈线时，克服了反射行波波头突变不明显而不易检测的问题。在工程上具有较高的实用价值。有益效果在于：
(1)波头到达时刻计算准确，提高了定位精度；
(2)方法原理揭示了单端行波故障距离估计的潜力，使用晶闸管来形成较易检测的行波波头；
(3)不需要GPS同步对时。
2、通过控制晶闸管使中性点接地来产生注入行波信号，用该晶闸管提供短时间的高故障电流并产生行波来确定故障距离。中性点通过反向充电电容器接地可以获得更高的瞬态行波信号。
3、本发明中，电容-电阻分压器用于测量复杂馈线(架空线-电缆混合线路)上的反射电压行波，并且提出了一种用于捕捉行波波头的自适应方法。
附图说明
图1是配电网模型示意图；
图2是故障发生在BD段时电压信号原始数据；
图3是故障发生在BD段时电压信号的线模α行波分量；
图4是图3放大细节图；
图5a是故障发生在EK段时电压信号的线模α行波分量；
图5b是图5a放大细节图；
图6a是是故障发生在EK段时电压信号的线模α行波分量(仿真模拟时间增加)；
图6b是图6a放大细节图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
本发明的目的在于解决10-66kV配电网单相接地故障定位问题，提出一种利用中性点切换以及由此从故障点反射的线模行波到达检测点的时刻，来精确地确定接地故障距离的方法。
该方法包括以下步骤：
1)导通连接在变压器中性点上的晶闸管，在线路上产生匀速传播的高频三相行波分量，因此线模行波传输的突变量为零；
2)记录晶闸管状态切换的时刻t1；
3)当三相行波到达故障点时，仅在故障相位上产生反射，从而产生可检测的线模α行波分量的波头；
4)记录线模α行波分量到达变电站的时刻t2；
5)计算两个记录时刻t1和t2之间的时间差t，t为中性点的晶闸管开关动作后，线模α行波波头传播到故障不连续点并返回到变电站母线的时间，进而利用下式确定故障距离d：
其中c是行波的传播速度。
用于实现上述步骤的具体技术方案如下：
(1)上述的传播速度c是架空线的速度，为294.2km/ms。然而，图1中所示的网络包含一些郊区的典型馈线示例，包括架空线路和地下电缆的复合线路。为了计算故障距离，可以在使用转换因子k将电缆部分长度转换成相应的架空线路长度之后，与架空线路的行波波速一致，由此计算故障距离更为简明。
(2)Clarke变换是用于分析时域中的电力系统暂态量的方法，其对于两相分量相对于第三相对称的情况特别适用，如在单相接地故障中的情况。相量和Clarke分量(α，β和0模分量)之间的关系如下：
其中，A相作为单相接地故障发生时的参考相，当相分量已知的情况下，Clarke分量可以由(2)式计算得到：
线路发生接地故障期间，线路故障电流由A相流向故障点，在B、C两相流回母线，并且B、C两相的电流分别是A相电流的一半。由于接地故障发生时，B相和C相的电流和电压与线路在正常运行时的状态相似，因此β线模分量为零。0模分量类似于对称分量系统中的零序分量，而α线模分量在故障相流向故障点并通过另外两个相返回。
(3)对于上述故障距离确定，所提出的算法无论其准确性如何都无法帮助估计故障区段。例如，作为图1中23km处的故障情况，该故障距离可以是EK，EF或DJ部分。自动故障管理系统可以用于确定故障区段，借助分布式故障指示器可以实现此功能。因此，将故障距离确定结合在自动故障管理系统中，以便于和增强系统的自愈能力，并提到测距的准确性。
(4)可以重复切换晶闸管状态以产生行波突变波头，并重新计算故障距离。此操作增强了安全故障距离估计。使用接地晶闸管并使用适当的中性电压峰值检测方法易于重复该过程。
一种利用中性点切换及由此产生行波注入信号的单端测距方法所采用的装置，包括连接在变压器中性点与地之间的中性点接地装置以及连接在电源相线与地之间的电容-电阻分压采集装置，所述的电容-电阻分压采集装置中的电容为高压耦合电容器，所述的中性点接地装置由晶闸管和消弧线圈并联构成。所述的中性点接地装置的晶闸管以及电容-电阻分压采集装置均连接控制装置。
对于传统的电压互感器，其带宽大部分都限制在小于1kHz的频率。因此，互感器应用对于行波故障定位是不实用的。本发明借助瞬态捕获设备的高压耦合电容器监测和记录行波分量。由于行波突变分量叠加在基波波形上，因此难以使用时域波形直接提取反射波头的时刻，而且其在数字实现中的简单性，本发明关注变化率(斜率检测器)。一阶导数足以确定用于短路故障距离计算的时间差。
电容-电阻分压器有助于直接监控电压变化率，无需进一步的数字处理。因此，可以避免由于噪声求导引起的误差。如图1所示，图中使用参数0.01F和100Ω的电容-电阻分压器，由于电容器是控制传感器电流的主要因素，因此以A相电阻端子的输出电压为例：
根据上式，测量计算所得的uaR、ubR、ucR结合式(3a)可以得到线模α分量。系统稳态运行时，
在10KV的配电网中，其最大值为RCωVmax＝2.6。
为了验证上述切换中性点晶闸管状态产生突变行波，进而进行单端测距的方法的准确性，使用EMTP/ATP电磁仿真软件搭建仿真模型如图1所示。该模型中变电站系统中性点接地方式为经消弧线圈补偿或者不接地方式。变电站母线有5处出线，为了分析简便，仅以其中一条出线(线路1)来验证本文所提算法准确性。在该出线中，线路AB和B段为电缆线路，设置故障发生在BD段线路，距离母线6.9km，晶闸管在故障发生后1ms导通，此时刻接近于中性点电压峰值时刻。故障类型设置为常见的A相接地故障，ATP/EMTP仿真软件采用1MHz的采样频率，在架空线路上的理论定位精度为150m。
仿真设置接地电阻为10Ω，故障发生后，借助区段定位技术检测故障发生在BD段线路。提取FTU3的三相电压行波数据如图2所示，故障发生后1ms投入晶闸管时刻，电压出现突变情况，但三相电压此时存在空间上的电磁联系，相电压行波无法用波速度表示。在图2所示的相电压中，触发瞬间1时的斩波对于三相是相同的。因此，网络中的不连续点在每个阶段都会产生反射。而在故障点的反射行波便是用来测距的关键行波数据，例如在瞬间1(中性切换瞬间)和在瞬间2(由于三相对称的不连续点引起的反射)。因此，由(3a)计算的线模α分量不受在瞬时1和2观察到的这些行波突变量的影响。然而，从在时刻3到达的浪涌，在三相故障行波存在显着的突变，且变化趋势不同。如图3所示，在具有较大可检测值的线模α分量中，从故障点反射的行波突变波头是明显的。由图4所示，线模α行波分量到达母线侧的时间标记为1.095ms，行进时间为0.095ms，代入(1)，故障距离为
而在前一节讨论的补偿延迟误差之后，电缆线路等效为架空线路的故障距离为12.33km。该距离相当于图1中BD部分的6.78-km电缆距离，相应的先后对误差为1.6％，计算出估计的故障距离与实际故障距离之间的相对误差采用
而实际的故障距离为地下电缆等效为架空线路，并且考虑了补偿后的延迟误差之后的结果，为12.33km。考虑等效架空线路的计算出的故障距离与实际故障距离之间的相对误差为1.6％。
图5显示了EK部分故障距离为26.9km处的故障情况。该故障距离包含地下电缆和架空线的混合线路部分，相当于30.91公里的架空线距离。由图6可以看出，反射行波波头到达母线时刻为1.23ms，如图6所示。相应的行波传输到故障点再返回的时间t为0.23ms，达到33.83km的架空距离。在考虑校正过程后，等效为架空线距离为29.87km，因此，由式(4)误差为3.35％。上述过程阐述了本发明在架空线和电缆混合线路上也同样可以有相当高的准确性。
在图5所示的故障案例中，仿真开始时刻在网络出现故障的时候，因此模拟时间长很短。然而，图6显示了故障瞬间为0.1ms，晶闸管触发瞬间为81ms且处于中性点峰值电压时刻的波形。从图中可以看出，线模α行波传分量传输时间为0.23ms。由此可见仿真时常并不影响晶闸管投入时产生的行波突变量在线路上的传播与反射。
综上所述，本方法具有广泛的适用性。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
Claims (4)
1.一种利用中性点切换及由此产生行波注入信号的单端测距方法，所述的方法是在线路发生接地故障并且故障检测之后，故障馈线断路器还没有将其隔离的情况下进行的测距方法，其特征在于，所述的方法具体包括如下步骤：
1)设置如下装置并导通连接在变压器中性点上的晶闸管，在线路上均产生匀速传播的高频三相行波分量，因此线模行波传输的突变量为零；
所述的装置包括连接在变压器中性点与地之间的中性点接地装置以及连接在电源相线与地之间的电容-电阻分压采集装置，所述的电容-电阻分压采集装置中的电容为高压耦合电容器，所述的中性点接地装置由晶闸管和消弧线圈并联构成；
借助瞬态捕获设备的高压耦合电容器监测和记录行波分量，由于行波突变分量叠加在基波波形上，难以使用时域波形直接提取反射波头的时刻，而且其在数字实现中的简单性，我们关注变化率即斜率检测器，一阶导数足以确定用于短路故障距离计算的时间差；
电容-电阻分压器有助于直接监控电压变化率，无需进一步的数字处理，使用参数0.01F和100Ω的电容-电阻分压器，由于电容器是控制传感器电流的主要因素，因此以A相电阻端子的输出电压为例：
根据上式，测量计算所得的uaR、ubR、ucR结合式(3a)可以得到线模α分量，系统稳态运行时，
2)记录晶闸管状态切换的时刻t1；
3)当三相行波到达故障点时，仅在故障相位上产生反射，从而产生可检测的线模α行波分量的波头；
4)记录线模α行波分量到达变电站的时刻t2；
5)计算两个记录时刻t1和t2之间的时间差t，t为中性点的晶闸管开关动作后，线模α行波波头传播到故障不连续点并返回到变电站母线的时间，进而利用下式确定故障距离d：
其中c是行波的传播速度。
2.根据权利要求1所述的一种利用中性点切换及由此产生行波注入信号的单端测距方法，其特征在于，所述的传播速度c是架空线的速度，为294.2km/ms，或者为了计算故障距离，使用转换因子k将电缆部分长度转换成相应的架空线路长度之后，与架空线路的行波波速一致，计算故障距离简单明确。
3.根据权利要求1所述的一种利用中性点切换及由此产生行波注入信号的单端测距方法，其特征在于：
Clarke变换方法用于分析时域中的电力系统暂态量，其对于两相分量相对于第三相对称的情况特别适用，能用在单相接地故障中的情况，电压相量ua、ub、uc和Clarke分量：α，β和0模分量uα、uβ、u0之间的关系如下：
其中，A相作为单相接地故障发生时的参考相，当相分量已知的情况下，Clarke分量可以由(2)式计算得到：
线路发生接地故障期间，线路故障电流由A相流向故障点，在B、C两相流回母线，并且B、C两相的电流分别是A相电流的一半；由于接地故障发生时，B相和C相的电流和电压与线路在正常运行时的状态相似，因此β线模分量为零，0模分量为对称分量系统中的零序分量，而α线模分量在故障相流向故障点并通过另外两个相返回。
4.根据权利要求1所述的一种利用中性点切换及由此产生行波注入信号的单端测距方法，其特征在于，所述的中性点接地装置中的晶闸管以及电容-电阻分压采集装置均连接控制装置。
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