CN112505472A - 基于行波的三相混合供电网故障测距方法 - Google Patents

基于行波的三相混合供电网故障测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于行波的三相混合供电网故障测距方法，包括以下步骤：检测装置采集故障电压信息；判定配电网故障类型，若为C相接地故障，则计算三相线路和单相配电线路的零模分量；对零模分量进行HHT变换，得到达线路两端检测装置的时间差；通过零模分量计算故障距离。本发明方案在相模变换中不同模分量的传输速度不同，根据线路拓扑参数构建模分量传输时间差关系，进行故障支路判断，并以此构建多模量时间差的行波测距，利用双端法原理进行故障测距，解决了含单相配电支路配网中不对称故障测距困难的问题。

Description

基于行波的三相混合供电网故障测距方法
技术领域
本发明属于电网故障检测技术领域，尤其是涉及一种基于行波的三相混合供电网故障测距方法。
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80％，且单相故障如果不能及时排除，很有可能进一步发展为两相接地甚至三相接地故障。准确定位故障点，是学者们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。
行波法从原理上可以分为单端法和双端法。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。考虑到配电架空线、电缆混合线路连接处、线路分支处等均为波阻抗不连续点，行波在配电线路中运动的过程中会发生复杂的折射和反射，无法正确识别故障点反射波以及线路末端反射波，导致单端行波测距精度不高。现有技术中提出了一种采用基于零模-线模时间差的测距方法，利用不同模分量波速不同导致到达时刻不同，得到故障距离。该方法在三相配电线路中行之有效，然而，当前很多配电网在节约成本的情况下，在配电末端采用单相配电的方式，使得线路结构及行波传输过程更加复杂。所以应该利用双端行波故障测距原理测量故障距离。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，针对这个问题，现有技术还提出利用配电变压器传变行波，解决行波故障测距中线路末端信号不易获取的问题，也可以达到用双端法进行测距的目的。由于线路的不对称性，仅利用两相行波或者三相行波信息均不能准确测距。当前针对含单相配电支路的复杂配电网测距技术研究较少，因此，亟需寻找一种能够适应混合线路的测距方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种基于行波的三相混合供电网故障测距方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于行波的三相混合供电网故障测距方法，包括以下步骤：
检测装置采集故障电压信息；判定配电网故障类型，若为C相接地故障，则计算三相线路和单相配电线路的零模分量；对零模分量进行HHT变换，得到达线路两端检测装置的时间差；通过零模分量计算故障距离；若不是C相接地故障，则计算三相线路和单相配电线路的线模分量；对线模分量进行HHT变换，得到达线路两端检测装置的时间差；根据模量时间差来确定故障支路；根据线模分量计算得出故障距离。
所述判定配电网故障类型具体为：
检测装置检测装置获得A、B相线模分量和零模分量的故障到达时间差Δtm1、Δtm0；如果Δtm1K≤Δtm1≤Δtm1F，则故障发生在节点K和节点Q之间的单相配电线路上；如果Δtm1≤Δtm1K，则故障发生节点P和节点K之间的三相配电线路上，角标K和F分别表示假设故障发生在单相配电支路与三相线路分界点处和负荷处。
故障发生在三相配电线路时，利用零模分量计算故障距离的公式如下：
Figure RE-GDA0002926160150000021
而当故障发生在单相配电支路时，利用零模分量计算故障距离的公式如下：
Figure RE-GDA0002926160150000022
其中I＝I2+I3为整个单相配电模块的线路总长度，Δtm0＝tm0(3)P-tm0(2)Q整个线路首末两端检测装置检测到的零模分量时间差。
利用基于线模分量的双端法进行测距时，故障距离的计算可以不用判定故障支路类型，直接根据线路两端检测装置检测到时行波波头时间差，利用下述公式进行故障距离的计算。
Figure RE-GDA0002926160150000031
其中If为故障距离(距离A点)，I2为三相线路的长度，I3为单相配电支路的总长度，vl＝vm1(2)＝vm1(3)为线模分量的波速，Δtm1＝tm1(3)P-tm1(2)Q为整个线路首末两端检测装置检测到的线模分量时间差。
本发明方案在相模变换中不同模分量的传输速度不同，根据线路拓扑参数构建模分量传输时间差关系，进行故障支路判断，并以此构建多模量时间差的行波测距，利用双端法原理进行故障测距，解决了含单相配电支路配网中不对称故障测距困难的问题。该方法的测距误差与传统方法相比精度更高。未来随着芯片价格降低，行波检测装置成本将进一步下降，以及利用配电变压器截取故障行波的技术的提高，双端法行波测距将被更加广泛的运用于配电网中，特别是含单相配电支路这一特殊类型的混合线路当中。
附图说明
图1为本发明实施提供的一种基于行波的三相混合供电网故障测距方法的流程示意图；
图2为本发明实施提供的混合线路配电网模型图。
具体实施方式
以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明实施例提供一种基于行波的三相混合供电网故障测距方法，如图1所示，包括以下步骤：
检测装置(FTU)采集故障电压信息；判定配电网故障类型，根据故障类型及其首次浪涌的时间标志，对故障产生的行波信号进行分析；若故障类型为C相接地故障，则计算三相线路和单相配电线路的零模分量；对零模分量进行HHT变换，得到达线路两端检测装置的时间差；通过零模分量计算故障距离；若不是C相接地故障，则计算三相线路和单相配电线路的线模分量；对线模分量进行HHT变换，得到达线路两端检测装置的时间差；根据模量时间差来确定故障支路；根据线模分量计算得出故障距离。
如图1所示，为一个简单的混合线路配电网，其中三相线路供电相A、B相与单相配电支路相连，单相支路末端为配电变压器，假设单相配电线路发生A相接地故障，故障距离混合线路边界点距离为I1。
根据叠加定理，故障后的等值电路可以等效为故障前正常的网络以及故障后的附加电源作用的网络之和。故障暂态行波为附加电源作用在线路故障点处产生的行波。由行波基本理论可知，行波u(x，t)是时间t和距离x的函数。设故障点处x＝0，t＝0，则故障发生时，暂态行波相电压分别为ua(0，0)，ub(0，0)。采用Karenbauer变换矩阵，令 n＝2，对故障电压分量进行相模变换，可得单相配电线路的模分量为：
Figure RE-GDA0002926160150000041
根据叠加定理，首先先分析线路上线模分量的传输过程：
um1(2)(0，0)为线模分量在故障初始时刻的值。采用相模变换后，线路空间上的电磁联系解除，模量上的电压行波沿着线路传输。设单相配电支路线模分量的传输速度为Vm1(2)，则线模模分量到达线路边界点的时间为：
Figure RE-GDA0002926160150000051
单相配电支路的零模分量和线模分量的传输速度存在差异，线模分量先到达边界点。当线模分量到达分界处时，分界点处A、B相暂态电压行波可由Karenbauer逆变换矩阵得到：
Figure RE-GDA0002926160150000052
由式(3)可以看出，边界点处A相和B相的暂态电压行波幅值相等，符号相反。假设三相线路参数对称，导线间的耦合系数为k，则边界点处C相暂态电压的值为：
uc(I1，tm1(2))＝k·ua(I1，tm1(2))+k·ub(I1，tm1(2))
＝0 (4)
即经过边界点后，故障线模分量在三相线路的传输过程就为如上所述。
分析单相配电支路零模分量传输过程：
单相配电线路零模分量滞后线模分量到达边界点，设um0(2)(0，0)为零模分量故障初始时刻的值，vm0(2)为单相配电线路的零模分量波速，则零模分量到达边界点的时刻和滞后线模分量的时间差分别为：
Figure RE-GDA0002926160150000053
经过Δt(2)后，单相配电支路零模分量到达边界点，同理由Karenbauer逆变换，可以求得tm0(2)时刻，边界点C相暂态电压的值为：
Figure RE-GDA0002926160150000054
故障暂态行波到达边界点前，三相配电线路上的零模分量还是零，故障暂态行波越过边界点，在三相线路继续传输，线路行波检测装置获得三相线路的电压数据。令Karenbauer变换矩阵中n＝3，得到三相线路在检测点处的Karenbauer变换矩阵：
Figure RE-GDA0002926160150000061
式中I＝I1+I2。设三相线路的零模分量和线模分量的传输速度分别为vm0(3)和vm1(3)，则检测装置获得暂态行波的初始时刻为
Figure RE-GDA0002926160150000062
因此式(6)中t∈(t1(3)P，∞)。 um1(3)(I，t)为A、B相的线模分量，um2(3)(I，t)为A、C相的线模分量，线模分量到达 P点时刻tm1(3)＝tm2(3)＝t1(3)P；um0(3)(I，t)是三相线路的零模分量，零模分量到达P点FTU 的时刻为
Figure RE-GDA0002926160150000063
同理，在Q端检测到的A、B两相线模分量到达时刻为
Figure RE-GDA0002926160150000064
零模分量到达时刻为
Figure RE-GDA0002926160150000065
如果故障发生在三相线路，且为A相接地，可以根据同样的分析方法，来确定线路的零模和线模分量分别到达P、Q两端FTU的时刻。
设故障点处x＝0，t＝0，则故障发生时，暂态行波相电压分别为 ua(0，0)、ub(0，0)、uc(0，0)。采用Karenbauer变换矩阵，令n＝3，对故障电压分量进行相模变换，可得三相配电线路的模分量为：
Figure RE-GDA0002926160150000066
根据叠加定理，首先先分析线路上线模分量的传输过程：
um1(3)(0，0)，um2(3)(0，0)分别为A-B和A-C线模分量在故障初始时刻的值。设三相配电支路线模分量的传输速度为vm1(3)，则线模模分量到达线路边界点的时间为：
Figure RE-GDA0002926160150000067
三相配电支路的零模分量和线模分量的传输速度也存在差异，线模分量先到达边界点。当线模分量到达分界处时，分界点处A、B、C相暂态电压行波可由Karenbauer 逆变换矩阵得到：
Figure RE-GDA0002926160150000071
即经过边界点后，故障线模分量在三相线路的传输过程就为如上所述。
分析三相配电支路零模分量传输过程：
三相配电线路零模分量滞后线模分量到达边界点，设um0(3)(0，0)为零模分量故障初始时刻的值，vm0(3)为单相配电线路的零模分量波速，则零模分量到达边界点的时刻和滞后线模分量的时间差分别为：
Figure RE-GDA0002926160150000072
经过Δt(3)后，三相配电支路零模分量到达边界点，同理由Karenbauer逆变换，可以求得tm0(3)时刻，边界点A、B、C相暂态电压的值为：
Figure RE-GDA0002926160150000073
故障暂态行波到达边界点前，单相配电线路上的零模分量还是正常运行时的零模分量，故障暂态行波越过边界点，在单相线路继续传输，线路行波检测装置获得单相线路的电压数据。令Karenbauer变换矩阵中n＝2，得到单相线路在检测点处的 Karenbauer变换矩阵：
Figure RE-GDA0002926160150000074
式中I＝I1+I3，则检测装置获得暂态行波的初始时刻为
Figure RE-GDA0002926160150000075
因此式(13)中t∈(t1(2)Q，∞)。
um1(2)(I，t)为A、B相的线模分量，线模分量到达Q点时刻tm1(2)＝t1(2)Q；um0(2)(I，t)是三相线路的零模分量，零模分量到达Q点FTU的时刻为
Figure RE-GDA0002926160150000081
同理，在P端检测到的A、B两相线模分量到达时刻为
Figure RE-GDA0002926160150000082
零模分量到达时刻为
Figure RE-GDA0002926160150000083
而如果故障类型为三相线路的C相接地，分析过程与A相接地相同。但由于三相配电支路时完全对称的，所以C相对A、B两相的耦合情况是相同的，即故障相电压行波对非故障相的影响是相同的，所以在分界点处得到的三相电压行波分量，在单相配电支路进行Karenbauer变换的时候，A-B相间的线模分量就会将C相对A、B两相的影响消除，导致在单相配电线路进行线模分量分析的时候，就无法在Q端FTU检测到线模分量的突变波头到达时刻，导致测距失败。而单相配电支路的零模分量为A、 B两相的相加取一半，这种情况下C相的影响没有被消除，反而被增强了。所以当三相配电线路在发生C相接地故障时，可以用零模分量进行分析，计算得到故障距离。
由上文所述，故障发生在单相配电支路时，其行波线模分量与发生在三相线路时相比包含的暂态信息不同，因此，在故障发生后，需要判定故障支路。
仍以图1所示系统为例，假设故障点距离分界点距离为I1，且发生在单相配电支路，设P端检测装置获得的线模分量到达时刻为tm1(3)A，Q端检测装置获得的线模分量到达时刻为tm1(2)C，P端检测装置获得的零模分量到达时刻为tm0(3)A，Q端检测装置获得的线模分量到达时刻为tm0(2)C，当系统发生故障时，可以得到：
Figure RE-GDA0002926160150000084
其中Δtm1为A、C两端线模分量的时间差，Δtm0为P、Q两端零模分量的时间差。
在已知线路拓扑及参数的情况下，混合线路的模分量传输速度没有变化，行波从线路固定节点处传输到已知FTU的时间是固定的。分别假设接地故障发生在K点和末端负荷，可以得到模量行波传输时间差关系如下表所示：
Figure RE-GDA0002926160150000091
Figure RE-GDA0002926160150000092
其中，角标K和F分别表示故障发生在K分界点处和F负荷处。故障发生后，检测装置FTU获得A、B相线模分量和零模分量的故障到达时间差Δtm1、Δtm0。如果Δtm1k≤Δtm1≤Δtm1F，则故障发生在节点K和节点Q之间的单相配电线路上；如果Δtm1≤Δtm1K，则故障发生节点P和节点K之间的三相配电线路上。同理，零模分量的判定方法也是如此。
当线路发生故障时，需要同时利用零模分量和线模分量进行故障支路的判定，来防止故障类型的不同导致线模分量或零模分量无突变的情况所带来的误差。
本发明实施例提供一种基于行波的三相混合供电网故障测距方法，如图2所示，包括以下步骤：
检测装置采集故障电压信息；判定配电网故障类型，若为C相接地故障，则计算三相线路和单相配电线路的零模分量；对零模分量进行HHT变换，得到达线路两端检测装置的时间差；通过零模分量计算故障距离；若不是C相接地故障，则计算三相线路和单相配电线路的线模分量；对线模分量进行HHT变换，得到达线路两端检测装置的时间差；根据模量时间差来确定故障支路；根据线模分量计算得出故障距离。
故障发生在三相配电线路时，利用零模分量计算故障距离的公式如下：
Figure RE-GDA0002926160150000101
而当故障发生在单相配电支路时，利用零模分量计算故障距离的公式如下：
Figure RE-GDA0002926160150000102
其中I＝I2+I3为整个单相配电模块的线路总长度，Δtm0＝tm0(3)P-tm0(2)Q整个线路首末两端检测装置检测到的零模分量时间差。
利用基于线模分量的双端法进行测距时，故障距离的计算可以不用判定故障支路类型，直接根据线路两端检测装置检测到时行波波头时间差，利用下述公式进行故障距离的计算。
Figure RE-GDA0002926160150000103
其中If为故障距离(距离A点)，I2为三相线路的长度，I3为单相配电支路的总长度，v1＝vm1(2)＝Vm1(3)为线模分量的波速，Δtm1＝tm1(3)P-tm1(2)Q为整个线路首末两端检测装置检测到的线模分量时间差。
上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种基于行波的三相混合供电网故障测距方法，包括以下步骤：
在一次变电站和二次变电站中检测装置采集故障电压信息；
判定配电网故障类型，若为C相接地故障，则计算三相线路和单相配电线路的零模分量；对零模分量进行HHT变换，得到达线路两端检测装置的时间差；通过零模分量计算故障距离；
若不是C相接地故障，则计算三相线路和单相配电线路的线模分量；对线模分量进行HHT变换，得到达线路两端检测装置的时间差；根据模量时间差来确定故障支路；根据线模分量计算得出故障距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述判定配电网故障类型具体为：检测装置获得A、B相线模分量和零模分量的故障到达时间差Δtm1、Δtm0；如果Δtm1K≤Δtm1≤Δtm1F，则故障发生在单相配电线路上；如果Δtm1≤Δtm1K，则故障发生在三相配电线路上，角标K和F分别表示假设故障发生在单相配电支路与三相线路分界点处和负荷处。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，故障发生在三相配电线路时，利用零模分量计算故障距离的公式如下：
Figure RE-FDA0002926160140000011
而当故障发生在单相配电支路时，利用零模分量计算故障距离的公式如下：
Figure RE-FDA0002926160140000012
其中I＝I2+I3为整个单相配电模块的线路总长度，Δtm0＝tm0(3)P-tm0(2)Q整个线路首末两端检测装置检测到的零模分量时间差。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，利用基于线模分量的双端法进行测距时，故障距离的计算可以不用判定故障支路类型，直接根据线路两端检测装置检测到时行波波头时间差，利用下述公式进行故障距离的计算：
Figure RE-FDA0002926160140000021
其中lf为故障距离，l2为三相线路的长度，l3为单相配电支路的总长度，vl＝vm1(2)＝vm1(3)为线模分量的波速，Δtm1＝tm1(3)P-tm1(2)Q为整个线路首末两端检测装置检测到的线模分量时间差。
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