CN112782532A - 基于断路器合闸产生行波信号的配电网故障测距方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于断路器合闸时产生行波信号的配电网故障测距方法,通过配电网发生单相接地故障时,断路器断开后合闸试送电时产生行波信号的传输特性进行分析,发现断路器合闸时刻产生的行波扰动信号可作为注入信号,再利用行波测距方法对故障点的位置估计。该行波信号特征明显,作为单端法的测量信号具有较高的准确度。同时该方法不需要同步对时设备的投资,在常规的线路故障时的断路器开端操作中进行测距,不受中性点接地方式的影响。能够有效解决配电网故障定位问题,受过渡电阻的影响较小。
Description
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断路器合闸产生行波信号的配电网故障测距方法。
背景技术
配电网作为我国电力系统的主要组成部分,承担着输送和分配电能的重要任务,是输电环节中与用户密切接触的网络,我国各个行业的正常运转和发展与其安全稳定运行息息相关。因此,配电网的快速故障检测和排查尤为重要。配电网的短路故障情况多为单相接地故障,但在实际工程中配电网因馈线分支多网络结构复杂,负荷转移操作灵活和树线、异物隐患等因素,使得其运行环境较为复杂。此外,若设备质量水平不高,绝缘薄弱点更易因单相接地故障引发非故障相电压升高,进而导致故障升级导致更大用户区域的断电,降低系统运行的可靠性。因此,对于小电流接地系统既要实现故障定位的精度,又要提高抢修人员查找故障的速度。发生永久性故障时如果不尽快查找并切除故障,引发大面积停电进而影响广大用户的生产和生活劳动,不可避免会造成重大的经济损失。
我国目前较为成熟的测距技术根据原理不同主要可以分为两大类:一是阻抗法,二是行波法。且这两种方法都已广泛应用于输电网当中,技术成熟,而配电网实现故障测距的难点主要体现在以下三个方面:线路复杂,终端设备多,配置GPS对时设备投资较大;配网线路较短,测距精度要求高;线路型号众多,参数不准确,阻抗法测距有一定难度。而行波测距法因为受故障点过渡电阻影响较小、对线路参数准确度要求不高等优点得到越来越广泛的应用。利用故障产生的行波测距方法包括单端法、双端法及利用线模零模波速差测距的方法。单端法利用行波在故障点的多次反射进行测距,所需装置较少,且不需要同步对时。但实际配电线路中,线路上众多的阻抗不连续点都会产生反射,使测量到的行波波形十分复杂,识别难度较大。双端法只检测第一个到达的行波波头,克服了配电网多分枝线路上行波复杂的折反射问题。但要求所有装置同步对时,且每一个分支线路末端都要安装检测装置,成本较高。利用故障信号测距方法的一个共同问题是,如果在电压接近过零点时发生故障,则故障产生的行波信号微弱,易造成较大测距误差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷,提供一种基于断路器合闸时产生行波信号的配电网故障测距方法,该方法适用于我国目前所有配电网的中性点接地方式,并且单端测距方法不需要同步对时设备,节约设备成本同时又减少误差。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种基于断路器合闸时产生行波信号的配电网故障测距方法,包括如下步骤:
第一步,位于线路上的检测装置实时测量电压、电流、波形发生突变的时刻、波形变化极性、线路开关开闭状态数据,当检测到发生单相接地故障后,对跳开线路进行重合闸,并开始记录电压,如果故障依旧存在,则发生永久性单相接地故障,根据故障区段定位方法确定故障区段;
第二步,根据断路器重合闸后记录的电流波形计算电压、电流行波零模分量波头的到达时刻之差;断路器合闸的信号发射给线路上的检测装置,当断路器断口线路侧的检测装置感应到电压零模分量的突变时标记为零时刻,并同时记录故障点反射回来的零模分量的波头到达时刻;
第三步,根据所述到达时刻之差初步测算故障距离,判断故障点所在的故障区段域;
第四步,对所述初步测算故障距离进行修正得到最终测算故障距离,利用行波零模分量在架空线路上的波速乘以所述到达时刻之差的二分之一,得到故障点到母线的距离,再根据确定故障区段的检测装置所在位置来精确定位故障发生地点。
本发明通过配电网发生单相接地故障时,断路器断开后合闸试送电时产生行波信号的传输特性进行分析,发现断路器合闸时刻产生的行波扰动信号可作为注入信号,再利用行波测距方法对故障点的位置估计。该行波信号特征明显,作为单端法的测量信号具有较高的准确度。同时该方法不需要同步对时设备的投资,在常规的线路故障时的断路器开端操作中进行测距,不受中性点接地方式的影响。通过ATP仿真表明,本文提出的方法能够有效解决配电网故障定位问题,受过渡电阻的影响较小。
附图说明
图1为本发明实施提供的断路器线路侧放置检测装置线路模型示意图;
图2为本发明实施提供的ATP/EMTP平台搭建的配电网线路仿真模型示意图;
图3为本发明实施提供的仿真测试中案例一的三相电压数据波形图;
图4为本发明实施提供的仿真测试中案例一的三相电压零模分量波形图;
图5为本发明实施提供的仿真测试中案例一的零模分量的HHT变换结果及其波头到达时刻图;
图6为本发明实施提供的仿真测试中案例二的三相电压数据波形图;
图7为本发明实施提供的仿真测试中案例二的三相电压零模分量波形图;
图8为本发明实施提供的仿真测试中案例二的零模分量的HHT变换结果及其波头到达时刻图。
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。
当故障发生后,其暂态电压行波的传输波过程可以用二阶偏微分方程表示:
式中,U是n根导线对地电压的列向量,L和C是线路上单位长度的电感和电容参数矩阵,线路的耦合现象导致L和C都是n阶满阵。分析行波传输过程时,需要采用适当的矩阵变换,将LC转换为对角阵。以电压行波为例,采用Karenbauer变换矩阵S进行相似变换,得到
S-1LCS=Λu (2)
其中Λu为矩阵变换后LC的模量对角阵。将式(2)代入式(1)中的电压方程,可以得到变换后模电压方程为:
其中,Um为模量上的电压向量,可以得到:
Um=S-1U (4)
因此,三相配电支路的凯伦贝尔变换形式为:
其中ua、ub和uc为电压相分量,um1(3)和um2(3)为电压线模分量,um0(3)为电压零模分量。
假设线路电感参数矩阵L的对角元素为Lk,非对角元素为Lok,电容参数矩阵C 的对角元素为Ck,非对角元素为Cok,可得到三相线路的电压零模分量的波速为:
由于配电网线路较短,零模分量的色散现象不严重,本文假定零模分量的速度仅由线路参数决定。
如图1所示为一个断路器的线路侧放置检测装置线路模型示意图,A相发生单相接地故障后,三相行波都沿着线路传输,遇到波阻抗不连续的点(其中故障点也可视为波阻抗不连续点)会发生折反射。P点为检测装置所在位置,K点为故障点,故障点与检测装置的距离为lf。
当线路的断路器跳开后试送电在合闸时,会产生三相电压行波的突变,根据凯伦贝尔变换式(5)中零模分量与三个相分量的关系,可以得到电压零模分量也会在断路器跳开的时候产生一个突变波头,该突变量明显且易于检测。断路器线路侧检测装置检测到断路器合闸时为初始0时刻,再次检测到零模分量的突变时便是故障点反射回来的突变波头,标记此时的时刻得到零模分量在线路上往返的传输时间,根据零模分量的波速即可得到故障点的位置。
由上所述行波零模分量传输过程,可以得到如下等式关系:
Δt×vm0=2lf
将上述等式关系做变换得到故障距离的求解公式:
lf=Δt×vm0/2 (7)
根据以上分析本发明实施例提供一种基于断路器合闸时产生行波信号的配电网故障测距方法,包括如下步骤:
第一步,位于线路上的检测装置实时测量电压、电流、波形发生突变的时刻、波形变化极性、线路开关开闭状态数据,当检测到发生单相接地故障后,对跳开线路进行重合闸,并开始记录电压,如果故障依旧存在,则发生永久性单相接地故障,根据故障区段定位方法确定故障区段;
通过检测装置配电网络中的布置情况,将配电网划分为多个区段;利用现有技术中区段定位方法,并结合所述故障区域确定故障点所在的所述故障区段。
第二步,根据断路器重合闸后记录的电流波形计算电压、电流行波零模分量波头的到达时刻之差;
断路器合闸的信号发射给线路上的检测装置,当断路器断口线路侧的检测装置感应到电压零模分量的突变时标记为零时刻,并同时记录故障点反射回来的零模分量的波头到达时刻;
所述根据断路器重合后记录的电流波形计算电压、电流行波零模分量波头的到达时刻之差包括:配电网断路器断口线路侧的检测装置根据零序电流超过定值启动记录电压、电流波形及其变化极性;记录投入所述断路器重合后的若干个电压、电流波形;根据所述电压、电流波形识别电压、电流行波零模分量波头到达断路器断口线路侧检测装置的时刻;计算所述零模分量波头到达时刻和所述重合闸时刻的差值。
第三步,根据所述到达时刻之差初步测算故障距离,判断故障点所在的故障区段域;
假设所述故障点发生于线路两端点处,分别计算两端点处的零模分量波头到达时刻和重合闸时刻的差值,分别得到第一差值和第二差值;获取实际故障点产生的所述零模分量波头和重合闸时刻之差作为第三差值;判断所述第三差值是否在所述第一差值和所述第二差值构成的区间范围内;如果在,则判断出所述实际故障点所在的所述故障区域;
第四步,对所述初步测算故障距离进行修正得到最终测算故障距离,利用行波零模分量在架空线路上的波速乘以所述到达时刻之差的二分之一,得到故障点到母线的距离,再根据确定故障区段的检测装置所在位置来精确定位故障发生地点。
本发明实施例还提供了上述方法的仿真验证过程:本文所述定位技术的检测装置采样频率为1MHz。本文通过EMTP仿真软件搭建了与实际配电网匹配的模型进行仿真,如图2所示。图中配网系统的中性点接地方式是灵活的,节点xx0022到节点xx0025 之间的开关闭合时为中性点经消弧线圈接地系统;开关断开时为中性点不接地系统。本文所提出的方法不受中性点接地方式的限制,故以中性点不接地系统为例进行仿真。线路4为故障线路,线路总长度为6.7km,检测装置在设置在线路4出口断路器断口的线路侧。
模型中导线型号为LGJ-120,可得三相配电支路和单相配电支路电感和电容参数如下表所示:
表1配电网线路电感和电容参数
由表1的线路参数可以计算得到三相配电支路和单相配电支路的电压行波线模波速为
vm1=2.9752×105km/s
三相配电支路的电压行波零模波速分别为
vm0=2.6348×105km/s
本文通过如下不同案例对故障测距方法进行测试。
案例一:金属性接地
单相接地故障发生在线路4上,故障点距离检测装置2.34km,故障类型为A相接地故障,故障发生时刻为0.0884s,断路器切断线路时刻为0.2s,合闸时刻为0.3s。在检测装置P点处测量三相电压行波如图3所示,三相电压零模分量,结果如图4所示。可以明显看出电压行波零模分量在断路器合闸时刻有较大的突变量,而紧随其后的突变波头便是零模分量在故障点处发生反射后到达检测装置的时刻。对电压零模分量进行希尔伯特-黄变换,得到变换后的波形如图5所示。
由图5计算出电压行波零模分量反射波到达时间差为Δt=71μs,由公式(7)和零模波速vm0可以计算出故障点与检测装置的距离为:
lf=Δt×vm0/2=2306.89m
绝对误差为33.11m,在可接受的范围内。
案例二:经过渡电阻接地
为了进一步验证本文所提算法的适用性,模拟经高阻接地故障进行分析。单相接地故障发生在线路4上,故障点距离检测装置2.34km,故障类型为A相接地故障,故障类型为A相经3kΩ电阻接地故障。故障发生时刻为0.0884s,断路器切断线路时刻为0.2s,合闸时刻为0.3s。
在检测装置P点处测量三相电压行波如图6所示,三相电压零模分量,结果如图 7所示。可以明显看出电压行波零模分量在断路器合闸时刻有较大的突变量,而紧随其后的突变波头便是零模分量在故障点处发生反射后到达检测装置的时刻。对电压零模分量进行希尔伯特-黄变换,得到变换后的波形如图8所示。
虽然暂态行波受过渡电阻影响特征而削弱,但是经过希尔伯特-黄变换后零模分量的初始波头和反射波头的突变点依然容易辨识。计算出零模分量传播的时间差为Δt=68μs,由公式(7)和零模波速vm0可以计算出故障点与P点的距离为:
lf=Δt×vm0/2=2209.42m
绝对误差为130.58m,相对误差为5.58%,根据配电网的故障测距精度的要求,本文提出的算法所测得的故障距离误差是在可接受的范围之内的。
改变不同接地电阻的数值,故障距离仍为2.34km,对故障距离进行计算,可以得到如表2所示的测距结果和误差范围。
表2不同接地电阻的仿真结果
本发明实施例通过配电网发生单相接地故障时,断路器断开后合闸试送电时产生行波信号的传输特性进行分析,发现断路器合闸时刻产生的行波扰动信号可作为注入信号,再利用行波测距方法对故障点的位置估计。该行波信号特征明显,作为单端法的测量信号具有较高的准确度。同时该方法不需要同步对时设备的投资,在常规的线路故障时的断路器开端操作中进行测距,不受中性点接地方式的影响。通过ATP仿真表明,本文提出的方法能够有效解决配电网故障定位问题,受过渡电阻的影响较小。
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 (6)
1.一种基于断路器合闸时产生行波信号的配电网故障测距方法,包括如下步骤:
第一步,位于线路上的检测装置实时测量电压、电流、波形发生突变的时刻、波形变化极性、线路开关开闭状态数据,当检测到发生单相接地故障后,对跳开线路进行重合闸,并开始记录电压,如果故障依旧存在,则发生永久性单相接地故障,根据故障区段定位方法确定故障区段;
第二步,根据断路器重合闸后记录的电流波形计算电压、电流行波零模分量波头的到达时刻之差;断路器合闸的信号发射给线路上的检测装置,当断路器断口线路侧的检测装置感应到电压零模分量的突变时标记为零时刻,并同时记录故障点反射回来的零模分量的波头到达时刻;
第三步,根据所述到达时刻之差初步测算故障距离,判断故障点所在的故障区段域;
第四步,对所述初步测算故障距离进行修正得到最终测算故障距离,利用行波零模分量在架空线路上的波速乘以所述到达时刻之差的二分之一,得到故障点到母线的距离,再根据确定故障区段的检测装置所在位置来精确定位故障发生地点。
2.根据权利要求1所述的一种基于断路器合闸时产生行波信号的配电网故障测距方法,其特征在于,所述对跳开线路进行重合闸的情况应包括:
变电站的线路保护配置了三相重合闸功能,并且相应线路出口的断路器能够实现可靠重合闸操作;
变电站控制器在判断发生所述单相接地故障后断路器跳闸断开线路,再根据配置的重合闸延时进行断路器的合闸操作。
3.根据权利要求1所述的一种基于断路器合闸时产生行波信号的配电网故障测距方法,其特征在于,所述根据断路器重合后记录的电流波形计算电压、电流行波零模分量波头的到达时刻之差包括:
配电网断路器断口线路侧的检测装置根据零序电流超过定值启动记录电压、电流波形及其变化极性;
记录投入所述断路器重合后的若干个电压、电流波形;
根据所述电压、电流波形识别电压、电流行波零模分量波头到达断路器断口线路侧检测装置的时刻;
计算所述零模分量波头到达时刻和所述重合闸时刻的差值。
4.根据权利要求1所述的一种基于断路器合闸时产生行波信号的配电网故障测距方法,其特征在于,根据所述到达时刻之差判断故障点所在的故障区段域包括:
假设所述故障点发生于线路两端点处,分别计算两端点处的零模分量波头到达时刻和重合闸时刻的差值,分别得到第一差值和第二差值;
获取实际故障点产生的所述零模分量波头和重合闸时刻之差作为第三差值;
判断所述第三差值是否在所述第一差值和所述第二差值构成的区间范围内;
如果在,则判断出所述实际故障点所在的所述故障区域。
5.根据权利要求1所述的一种基于断路器合闸时产生行波信号的配电网故障测距方法,其特征在于,所述根据故障区段定位方法确定故障区段包括:
通过检测装置配电网络中的布置情况,将配电网划分为多个区段;
利用现有技术中区段定位方法,并结合所述故障区域确定故障点所在的所述故障区段。
6.一种基于断路器合闸时产生行波信号的配电网故障测距系统,其特征在于,包括:
故障信息判断单元,用于获取故障信息,并根据所述故障信息判断故障类型;
波形记录单元,用于根据所述断路器合闸后的电流波形计算电压、电流行波零模分量时刻,并根据所述到达时刻之差判断故障点所在的故障区域;
故障区段确定单元,用于结合所述故障点所在的故障区域,根据故障区段定位方法确定故障区段;
最终距离测算单元,用于对所述初步测算故障距离进行修正得到最终测算故障距离。
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