CN109557421B - 一种基于初始行波时差关系的多分支配电网故障测距方法 - Google Patents

一种基于初始行波时差关系的多分支配电网故障测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于初始行波时差关系的多分支配电网故障测距方法，属于配电网保护与控制领域，该方法在配电网主干线首末两端与各分支末端节点配置相关行波同步检测装置，首先根据变电站各主干线首末两端初始行波时差关系确定故障线路，然后对故障线路划分主‑分区段，根据线路参数构建主‑分区段特征时差矩阵，利用行波初始波头到达各检测装置时差构建主‑分区段真实矩阵，近而形成故障区段判别矩阵，确定故障区段，最后利用故障区段真实时差行波双端测距。该发明适用于多分支配电网故障测距，不受故障类型、故障位置、过渡电阻的影响，测距精度较高，具有较好的经济性和较强的实用价值。

Description

一种基于初始行波时差关系的多分支配电网故障测距方法
技术领域
本发明属于配电网保护与控制领域，具体涉及一种基于初始行波时差关系的多分支配电网故障测距方法。
背景技术
电力能源在当今以成为世界各国的经济命脉，配电网更是电力系统与用户联系最为紧密的环节，故障的发生会对用户、供电稳定性和电能质量造成重要影响。因此，通过故障测距技术快速找到故障位置对提高配电网故障处理效率、减少故障损失有重要意义。
行波法是一种高精度故障定位方法，且受线路拓扑结构、系统运行方式影响小，在输电网中得到广泛应用。行波法根据信息来源可分为单端法和双端法。单端法需要对行波初始波以及故障点反射波进行准确识别，在网络结构复杂的配电网中实现困难。双端法仅利用两侧故障初始行波到达时刻，识别容易，定位精度较高，更适用于配电网故障定位。《基于多端行波的配电网单相接地故障定位方法》提出了多组双端法综合的故障测距方法，该方法原理简单，但对行波到达时间测量精度要求较高，存在一定误差时，测距效果不理想。《A novel traveling wave fault location method based on distance proportionand time difference for distribution network》提出了利用各线路首末端初始行波时差进行故障选线的方法，但故障位置没有进一步确定，更无法对多分支配电网进行精确定位。《利用行波到达时差关系的配电网故障定位算法》提出了利用初始行波时差关系进行故障定位方法，但需对线路按一定的间距进行等分，过程较为复杂。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种多分支配电网故障下初始行波电压分量时差关系的故障测距方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于初始行波时差关系的多分支配电网故障测距算法，包括如下步骤：
步骤1：对于拓扑结构确定的电网，假设变压器母线有n条出线，分别标记为AM1,AM2,…AMn，根据拓扑结构和线路参数，计算行波从各条出线首端传播至末端分别所需的时间，并构成特征时差矩阵G＝[ΔT1…ΔTi…ΔTn]，其中1,2…n为各出线编号；
步骤2：假设各出线首末两端均安装行波同步检测装置，故障发生后，将各检测装置获取的线模电压行波分别进行小波变换，获得初始行波到达各检测装置的时刻，计算各线路首末两端初始行波到达时刻时差，构成真实时差矩阵H＝[Δt1…Δti…Δtn]；
步骤3：将特征时差矩阵与真实时差矩阵作差，得到故障线路判别矩阵α＝[α1…αi…αn]，其中，任一线路i的判别时差αi＝ΔTi-Δti；设判别时差裕度δ＝1.0us，若故障线路判别时差大于δ，非故障线路判别时差小于等于δ，则据此能够判断出故障线路；
步骤4：对故障线路进行主-分区段划分，主-分区段定义及划分规则为：
(1)与变压器母线直接相连且包含分支点最多的线路为主干线，连接在主干线上的线路为分支线路；
(2)假定某分支末端节点为i，此分支与主干线的连接点为Pi，定义分支pi-i及线路p(i-1)-pi为主-分区段i；
(3)假定主干线末端节点为L、最后一个分支连接点为pm，定义线路pm-L为末端区段L；
步骤5：定义主-分区段i特征时差，即行波从分支连接点pi分别传播至分支末端节点i与主干线首端节点A的计算时差，计算公式为：计算各主-分区段特征时差，并构建主-分区段特征时差矩阵T＝[ΔTL,1…ΔTL,i…ΔTL,m]；
步骤6：定义主-分区段i真实时差，即主-分区段i的分支末端节点i与主干线首端节点A检测到的初始行波到达时差，计算各主-分区段真实时差，并构建主-分区段真实时差矩阵T＝[ΔtL,1…ΔtL,i…ΔtL,m]；
步骤7：定义故障区段，即发生故障的主-分区段；
将主-分区段真实时差矩阵与主-分区段特征时差矩阵做差，得到故障区段判别矩阵β＝[β1…βi…βm]，其中任一主-分区段判别时差βi＝|ΔTL,i-ΔtL,i|；
步骤8：判别时差整定值δ＝1.0us，若故障发生在主-分区段i中，则主-分区段r(r<i)判别时差必小于或等于整定值；主-分区段j(j≥i)判别时差必大于整定值；
即：
步骤9：确定故障区段后，利用故障区段真实时差进行双端测距，计算公式为：
其中，dF表示故障点F与线路L首端节点s的距离；v表示行波传播速度；Ls,i表示节点s与节点i的最短距离。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明只需在主干线首末两端以及各分支末端安装行波同步检测装置，具有较强的实用性与经济性；本发明通过对故障行波进行小波变换，获取小波系数模极大值时刻作为表征行波波头到达时刻，具有较好的处理效果；仅需提取初始行波到达时刻，即小波系数第一个模极大值时刻，容易提取且误差较小，克服了传统故障定位暂态方法中由于波头辨识错误造成测距失误的问题，具有较高的测距精度；本发明适用于复杂多分支配电网络，能够对分支发生故障进行准确的故障测距，克服了传统方法分支故障无法准确测距的问题；不受故障类型、故障位置和过渡电阻的影响，具有较强的适用性。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为简单配电网络拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
一种基于初始行波时差关系的多分支配电网故障测距算法，包括如下步骤：
步骤1：对于拓扑结构确定的电网，假设变压器母线有n条出线，分别标记为AM1,AM2,…AMn，根据拓扑结构和线路参数，计算行波从各条出线首端传播至末端分别所需的时间，并构成特征时差矩阵G＝[ΔT1…ΔTi…ΔTn]，其中1,2…n为各出线编号；
步骤2：假设各出线首末两端均安装行波同步检测装置，故障发生后，将各检测装置获取的线模电压行波分别进行小波变换，获得初始行波到达各检测装置的时刻，计算各线路首末两端初始行波到达时刻时差，构成真实时差矩阵H＝[Δt1…Δti…Δtn]；
步骤3：将特征时差矩阵与真实时差矩阵作差，得到故障线路判别矩阵α＝[α1…αi…αn]，其中，任一线路i的判别时差αi＝ΔTi-Δti；设判别时差裕度δ＝1.0us，若故障线路判别时差大于δ，非故障线路判别时差小于等于δ，则据此能够判断出故障线路；
步骤4：对故障线路进行主-分区段划分，主-分区段定义及划分规则为：
(1)与变压器母线直接相连且包含分支点最多的线路为主干线，连接在主干线上的线路为分支线路；
(2)假定某分支末端节点为i，此分支与主干线的连接点为Pi，定义分支pi-i及线路p(i-1)-pi为主-分区段i；
(3)假定主干线末端节点为L、最后一个分支连接点为pm，定义线路pm-L为末端区段L；
步骤5：定义主-分区段i特征时差，即行波从分支连接点pi分别传播至分支末端节点i与主干线首端节点A的计算时差，计算公式为：计算各主-分区段特征时差，并构建主-分区段特征时差矩阵T＝[ΔTL,1…ΔTL,i…ΔTL,m]；
步骤6：定义主-分区段i真实时差，即主-分区段i的分支末端节点i与主干线首端节点A检测到的初始行波到达时差，计算各主-分区段真实时差，并构建主-分区段真实时差矩阵T＝[ΔtL,1…ΔtL,i…ΔtL,m]；
步骤7：定义故障区段，即发生故障的主-分区段；
将主-分区段真实时差矩阵与主-分区段特征时差矩阵做差，得到故障区段判别矩阵β＝[β1…βi…βm]，其中任一主-分区段判别时差βi＝|ΔTL,i-ΔtL,i|；
步骤8：判别时差整定值δ＝1.0us，若故障发生在主-分区段i中，则主-分区段r(r<i)判别时差必小于或等于整定值；主-分区段j(j≥i)判别时差必大于整定值；
即：
步骤9：确定故障区段后，利用故障区段真实时差进行双端测距，计算公式为：
其中，dF表示故障点F与线路L首端节点s的距离；v表示行波传播速度；Ls,i表示节点s与节点i的最短距离。
本发明仅需初始行波到达时刻，提高了该方法的可行性与精确性，具有较高的测距精度，能够对分支发生故障进行准确的故障测距，适用于复杂的多分支配电网络，现以一个模型为例：
利用Matlab-Simulink软件工具建立35kV的三相电路仿真模型，如图2所示。在各出线首、末端点与分支线路末端节点分别安装行波同步检测装置。为了验证的方便性，设置线路均为同一参数，此时线路行波传播速度为固定值。各行波同步检测分别采集故障行波信号，采样频率设置为10MHz。
设置线路AL上处发生单相接地故障，故障点距离变压器A端为14km，过渡电阻为20Ω，故障后各检测装置提取行波电压分量并进行小波分解，得到初始行波波头到达时刻如表1所示：
表1初始行波到达各测距装置的时刻
根据各线路首末端初始行波到达时刻和线路参数，构建线路真实时差矩阵H＝[33.57 3.40 50.79]和线路特征时差矩阵G＝[34.13 98.98 51.19]，并得到故障线路判别矩阵α＝G-H＝[0.56 95.58 0.4]，据此可判断故障发生在线路AL上。
对故障线路AL划分主-分区段可划分为：
主-分区段1：线路A-P1-1；主-分区段2：线路P1-P2-2；主-分区段3：线路P2-P3-3；主-分区段4：线路P3-P4-4；末端区段L：P4-L；
根据初始行波到达时刻和线路参数，构建各主-分区段真实时差矩阵：
t＝[6.82 30.68 13.64 6.82]，构建各主-分区段特征时差矩：T＝[6.82 30.7247.48 68.26]，得到故障区段判别矩阵：β＝[0.01 0.04 34.14 61.44]，据此可判断主-分区段3为故障区段。
利用故障区段真实时差进行故障双端测距，测距结果如下：
测距结果显示与仿真设置的故障距离相差0.002km，误差仅为0.0143％。
雷击、鸟害、外力等各种因素也会对行波传播存在一定的干扰，使得行波波头识别困难，但本发明仅需识别初始行波波头，能够将各种因素干扰降到最低。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于初始行波时差关系的多分支配电网故障测距方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：对于拓扑结构确定的电网，假设变压器母线有n条出线，分别标记为AM1，AM2，…AMn，根据拓扑结构和线路参数，计算行波从各条出线首端传播至末端分别所需的时间，并构成特征时差矩阵G＝[ΔT1 … ΔTi … ΔTn]，其中1，2…n为各出线编号；
步骤2：假设各出线首末两端均安装行波同步检测装置，故障发生后，将各检测装置获取的线模电压行波分别进行小波变换，获得初始行波到达各检测装置的时刻，计算各线路首末两端初始行波到达时刻时差，构成真实时差矩阵H＝[Δt1 … Δti … Δtn]；
步骤3：将特征时差矩阵与真实时差矩阵作差，得到故障线路判别矩阵α＝[α1 … αi …αn]，其中，任一线路i的判别时差αi＝ΔTi-Δti；设判别时差整定值δ＝1.0us，若故障线路判别时差大于δ，非故障线路判别时差小于等于δ，则据此能够判断出故障线路；
步骤4：对故障线路进行主-分区段划分，主-分区段定义及划分规则为：
(1)与变压器母线直接相连且包含分支点最多的线路为主干线，连接在主干线上的线路为分支线路；
(2)假定某分支末端节点为i，此分支与主干线的连接点为Pi，定义分支pi-i及线路p(i-1)-pi为主-分区段i；
(3)假定主干线末端节点为L、最后一个分支连接点为pm，定义线路pm-L为末端区段L；
步骤5：定义主-分区段i特征时差，即行波从分支连接点pi分别传播至分支末端节点i与主干线首端节点A的计算时差，计算公式为：计算各主-分区段特征时差，并构建主-分区段特征时差矩阵T＝[ΔTL,1 … ΔTL，i … ΔTL,m]；
步骤6：定义主-分区段i真实时差，即主-分区段i的分支末端节点i与主干线首端节点A检测到的初始行波到达时差，计算各主-分区段真实时差，并构建主-分区段真实时差矩阵T＝[ΔtL，1 … ΔtL，i … ΔtL,m]；
步骤7：定义故障区段，即发生故障的主-分区段；
将主-分区段真实时差矩阵与主-分区段特征时差矩阵做差，得到故障区段判别矩阵β＝[β1 … βi … βm]，其中任一主-分区段判别时差βi＝|ΔTL，i-ΔtL，i|；
步骤8：判别时差整定值δ＝1.0us，若故障发生在主-分区段i中，则主-分区段r，r＜i，判别时差必小于或等于整定值；主-分区段j，j≥i，判别时差必大于整定值；
即：
步骤9：确定故障区段后，利用故障区段真实时差进行双端测距，计算公式为：
其中，dF表示故障点F与线路L首端节点s的距离；v表示行波传播速度；Ls，i表示节点s与节点i的最短距离。
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