CN115902517A - 基于行波波头折反射特性的电缆早期故障定位方法 - Google Patents

基于行波波头折反射特性的电缆早期故障定位方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115902517A
CN115902517A CN202211533097.3A CN202211533097A CN115902517A CN 115902517 A CN115902517 A CN 115902517A CN 202211533097 A CN202211533097 A CN 202211533097A CN 115902517 A CN115902517 A CN 115902517A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fault
head
traveling wave
cable
frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211533097.3A
Other languages
English (en)
Inventor
李勇
庞吉年
夏泰宝
杨晶
仲寅峰
郑志祥
孙尧
沈平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
State Grid Jiangsu Electric Power Co ltd Suqian Power Supply Branch
Original Assignee
State Grid Jiangsu Electric Power Co ltd Suqian Power Supply Branch
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by State Grid Jiangsu Electric Power Co ltd Suqian Power Supply Branch filed Critical State Grid Jiangsu Electric Power Co ltd Suqian Power Supply Branch
Priority to CN202211533097.3A priority Critical patent/CN115902517A/zh
Publication of CN115902517A publication Critical patent/CN115902517A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y04—INFORMATION OR COMMUNICATION TECHNOLOGIES HAVING AN IMPACT ON OTHER TECHNOLOGY AREAS
    • Y04S—SYSTEMS INTEGRATING TECHNOLOGIES RELATED TO POWER NETWORK OPERATION, COMMUNICATION OR INFORMATION TECHNOLOGIES FOR IMPROVING THE ELECTRICAL POWER GENERATION, TRANSMISSION, DISTRIBUTION, MANAGEMENT OR USAGE, i.e. SMART GRIDS
    • Y04S10/00—Systems supporting electrical power generation, transmission or distribution
    • Y04S10/50—Systems or methods supporting the power network operation or management, involving a certain degree of interaction with the load-side end user applications
    • Y04S10/52—Outage or fault management, e.g. fault detection or location

Landscapes

  • Locating Faults (AREA)

Abstract

本发明公开了基于行波波头折反射特性的电缆故障定位方法及算法。首先，利用安装于配电网各区段电缆首末端的零模电压采集装置获取各线路零模电压，利用快速傅里叶变换确定波头主频率；选取每个频率下与波头主频率相同频率的方波作为初始行波信号，计算该频率下初始行波信号经过折返射不同次数后首末端的衰减信号波形；若首末两端的波形对应数据间的相关性均满足要求，则认为假设故障点为实际故障点，若不足要求，则继续缩小故障区间，直至满足波形数据之间的相关性要求。本发明可同时适用于电缆早期故障和稳定性故障，有效性不受电缆长度、故障初相角及故障位置的影响。

Description

基于行波波头折反射特性的电缆早期故障定位方法
技术领域
本发明属于电网故障定位技术领域，具体涉及基于行波波头折反射特性的电缆故障定位方法。
背景技术
随着城市化建设以及环境美化的要求不断提高，配电网电缆的占有率在逐渐上升，在北京、上海等一些大城市中，超过98％的配电线路都是地下电缆。地下电缆工作环境恶劣，可能会受到外力破坏、过电压、恶劣天气以及化学污染等多种因素的影响，导致电缆运行数据呈现多源、混杂的特性，再加上本身可能存在绝缘缺陷，长时间带电运行很容易发生故障。如不及时处理，容易发展为严重灾害，危害人身和财产安全。因此，准确、可靠定位电缆故障对于提高运维效率、降低维修成本以及保证供电的可靠性具有十分重要的意义。
发明内容
针对上述问题，本发明提出基于行波波头折反射特性的电缆故障定位方法，有效性不受电缆长度、故障初相角及故障位置的影响，仿真结果表明所得故障定位结果具有较高的准确度。
为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
本发明提供了基于行波波头折反射特性的电缆故障定位方法，包括：
利用安装于配电网各区段电缆首末端的零模电压采集装置获取各线路零模电压，根据零模电压突变量确定行波波头到达时刻，利用傅里叶级数法去除干扰，利用傅里叶变换的方法将零模电压不同频率分量分别提取出来，根据行波的衰减程度将零模电压不同频率分量分为低频分量及高频分量，首先选取波头到达时刻后一个工频周期时窗的波形，利用快速傅里叶变换确定波头主频率；在故障区段内根据二分法假设故障点位置，构建τ型故障等效电路，计算在该频率下故障点上、下游信号的传递函数以及线路首末端折反射系数；选取每个频率下与波头主频率相同频率的方波作为初始行波信号，根据故障点、首末端折反射系数和信号传递函数，计算该频率下初始行波信号经过折返射不同次数后的衰减信号波形；将折返不同次数后首末端的衰减信号波形幅值相比并对所有频率下的比值取均值，计算实测行波对应数据的相关性，若首末两端的波形对应数据间的相关性均满足要求，则认为假设故障点为实际故障点，若不足要求，则继续缩小故障区间，直至满足波形数据之间的相关性要求；改变时窗长度进行多次故障测距并与实际故障距离进行比较从而找到一个最为合适的时间窗。
本发明利用傅里叶级数法去除周期性窄带干扰，若本发明的行波信号经过一段10km电缆线路衰减为原来的95％及以上则认为是低频分量；否则认为是高频分量。
所述行波波头到达时刻通过对零模电压信号做差分运算确定，即差分绝对值大于所设定阈值则判定为行波波头到达时刻。
零模电压差分ΔU0(k)的计算公式为：
△U0(k)＝U0(k+1)-U0(k)(k＝0,1,K,n)
式中，U0(k)为故障电缆首末端测得零模电压信号，k为采样点数。
故障发生的判据为：
|△U0(k)|>U0N
式中，|ΔU0(k)|为计算的电流差分绝对值，U0N为设定的阈值。
阈值U0N的获取方法：
基于仿真系统扰动的情况，获得不同扰动下零模电压的最大差分绝对值，取最大差分绝对值中的最大值记为U0N。
每个频率下故障点上游和下游的信号传递函数为：
Figure BDA0003975200250000021
Figure BDA0003975200250000022
其中，HS(S)为故障点上游信号传递函数，HX(S)为故障点下游信号传递函数，S为传递函数自变量，r0为故障电缆单位长度零模等效电阻，l0为单位长度零模等效电感，C0为单位长度零模等效电容，x为故障点上游长度，
l为故障电缆全长。
故障点处折射系数α和反射系数β的计算公式为：
Figure BDA0003975200250000023
Figure BDA0003975200250000031
式中，Z1为电缆线路波阻抗，Z2为故障电阻。
电缆首末端的反射系数βT分别为：
Figure BDA0003975200250000032
式中，ZT为变压器等效阻抗。
每个频率下折返射后首末端的衰减信号波形幅值相比并取均值，计算公式为：
Figure BDA0003975200250000033
式中，US为首端行波叠加后的合成波形，UX为末端行波叠加后的合成波形。波形数据间相关性的计算公式为：
Figure BDA0003975200250000034
式中，Cov(UU,UUM)为合成波形与实测波形对应数据之间的协方差，Var[UU]
为合成波形的方差，Var[UUM]为实测波形的方差。
比较首末端合成行波幅值比的均值与实测行波对应数据之间的相关性，若两端的相关性同时大于0.7，则认为假设故障点位置为实际故障点位置；否则，利用二分法继续缩小故障区间，直至两端行波波头数据相关性同时大于0.7，若仍不满足则对下一个频率区段利用二分法进行搜索直至两端行波波头数据的相关性同时大于0.7。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
电缆早期故障通常持续时间较短，很难获取稳态信号，现有基于稳态信号的故障定位方法失效。行波波头故障特征明显，适合用于电缆早期故障定位。考虑行波波头折反射特性，利用电缆首末端实测行波波头与合成行波波头相应数据间的相关性实现故障精准定位，可同时适用于电缆早期故障和稳定性故障，有效性不受电缆长度、故障初相角及故障位置的影响。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为搭建的10kV配电网电缆仿真模型；
图2为基于行波波头折反射特性的电缆故障定位的流程图；
图3为故障点上游的τ型等效电路；
图4为故障点下游的τ型等效电路；
图5为行波折反射示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
实施例1
本发明实施例中提供了基于行波波头折反射特性的电缆故障定位方法，包括以下步骤：
(1)利用安装于配电网各区段电缆首末端的零模电压采集装置获取各线路零模电压，根据零模电压突变量确定行波波头到达时刻，利用傅里叶级数法去除干扰，利用傅里叶变换的方法将零模电压不同频率分量分别提取出来，根据行波的衰减程度将零模电压不同频率分量分为低频分量及高频分量，首先选取波头到达时刻后一个工频周期时窗的波形，利用快速傅里叶变换确定波头主频率；
(2)在故障区段内根据二分法假设故障点位置，构建τ型故障等效电路，计算在该频率下故障点上、下游信号的传递函数以及线路首末端折反射系数；
(3)选取每个频率下与波头主频率相同频率的方波作为初始行波信号，根据故障点、首末端折反射系数和信号传递函数，计算该频率下初始行波信号经过折返射不同次数后的衰减信号波形；
(4)将折返不同次数后首末端的衰减信号波形幅值相比并对所有频率下的比值取均值，计算实测行波对应数据的相关性，若首末两端的波形对应数据间的相关性均满足要求，则认为假设故障点为实际故障点，若不足要求，则继续缩小故障区间，直至满足波形数据之间的相关性要求；
(5)改变时窗长度进行多次故障测距并与实际故障距离进行比较从而找到一个最为合适的时间窗。
本发明利用傅里叶级数法去除周期性窄带干扰，若本发明的行波信号经过一段10km电缆线路衰减为原来的95％及以上则认为是低频分量；否则认为是高频分量。
本发明中，所述行波波头到达时刻通过对零模电压信号做差分运算确定，即差分绝对值大于所设定阈值则判定为行波波头到达时刻。
零模电压差分ΔU0(k)的计算公式为：
△U0(k)＝U0(k+1)-U0(k)(k＝0,1,K,n)
式中，U0(k)为故障电缆首末端测得零模电压信号，k为采样点数。
故障发生的判据为：
|△U0(k)|>U0N
式中，|ΔU0(k)|为计算的电流差分绝对值，U0N为设定的阈值。
阈值U0N的获取方法：
基于仿真系统扰动的情况，获得不同扰动下零模电压的最大差分绝对值，取最大差分绝对值中的最大值记为U0N。
每个频率下故障点上游和下游的信号传递函数为：
Figure BDA0003975200250000051
Figure BDA0003975200250000052
其中，HS为故障点上游信号传递函数，HX为故障点下游信号传递函数，r0为故障电缆单位长度零模等效电阻，l0为单位长度零模等效电感，C0为单位长度零模等效电容，x为故障点上游长度，l为故障电缆全长。
故障点处折射系数α和反射系数β的计算公式为：
Figure BDA0003975200250000053
Figure BDA0003975200250000054
式中，Z1为电缆线路波阻抗，Z2为故障电阻。
电缆首末端的反射系数βT分别为：
Figure BDA0003975200250000061
式中，ZT为变压器等效阻抗。
每个频率下折返射后首末端的衰减信号波形幅值相比并取均值，计算公式为：
Figure BDA0003975200250000062
式中，US为首端行波叠加后的合成波形，UX为末端行波叠加后的合成波形。波形数据间相关性的计算公式为：
Figure BDA0003975200250000063
式中，Cov(UU,UUM)为合成波形与实测波形对应数据之间的协方差，Var[UU]
为合成波形的方差，Var[UUM]为实测波形的方差。
比较首末端合成行波幅值比的均值与实测行波对应数据之间的相关性，若两端的相关性同时大于0.7，则认为假设故障点位置为实际故障点位置；否则，利用二分法继续缩小故障区间，直至两端行波波头数据相关性同时大于0.7，若仍不满足则对下一个频率区段利用二分法进行搜索直至两端行波波头数据的相关性同时大于0.7。
本发明中，初始行波信号U0在线路上传播，幅值会衰减，故障点折反射和首末端反射同样会使行波波形出现畸变，幅值衰减，行波的折、反射如图4所示。以初始行波第一次从故障点向首末端传播为例，初始行波传播到首末端的波形变为：
Figure BDA0003975200250000064
仿真验证
为了验证本发明的可靠性和有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建如图1所示的配电网电缆仿真模型，三芯电缆模型按照YJV22-8.7/10-3×70mm2型进行参数设置，采样频率为100kHz，故障点距离首端分别为0.5km、1km、1.5km等不同故障距离，故障初相角分别为60°、90°等不同角度情况下设置A相接地故障，不同故障条件下的定位结果见表1。
表1不同故障条件下的故障区段判定结果
Figure BDA0003975200250000071
由表1看出在不同电缆长度、不同故障初相角和不同故障位置下，本发明所提的基于行波波头折反射特性的电缆故障定位方法具有较高的定位精度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.基于行波波头折反射特性的电缆故障定位方法及算法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用安装于配电网各区段电缆首末端的零模电压采集装置获取各线路零模电压，根据零模电压突变量确定行波波头到达时刻，利用傅里叶级数法去除干扰，利用傅里叶变换的方法将零模电压不同频率分量分别提取出来，根据行波的衰减程度将零模电压不同频率分量分为低频分量及高频分量，首先选取波头到达时刻后一个工频周期时窗的波形，利用快速傅里叶变换确定波头主频率；
2)在故障区段内根据二分法假设故障点位置，构建τ型故障等效电路，计算在该频率下故障点上、下游信号的传递函数以及线路首末端折反射系数；选取每个频率下与波头主频率相同频率的方波作为初始行波信号，根据故障点、首末端折反射系数和信号传递函数，计算该频率下初始行波信号经过折返射不同次数后的衰减信号波形；
3)将折返不同次数后首末端的衰减信号波形幅值相比并对所有频率下的比值取均值，计算实测行波对应数据的相关性，若首末两端的波形对应数据间的相关性均满足要求，则认为假设故障点为实际故障点，若不足要求，则继续缩小故障区间，直至满足波形数据之间的相关性要求。
2.根据权利要求1所述的基于行波波头折反射特性的电缆故障定位方法，其特征在于：所述的利用傅里叶级数法去除的干扰为周期性窄带干扰。
3.根据权利要求1所述的基于行波波头折反射特性的电缆故障定位方法，其特征在于：若行波信号经过一段10km电缆线路衰减为原来的95％及以上则认为是低频分量；否则认为是高频分量。
4.根据权利要求1所述的基于行波波头折反射特性的电缆故障定位方法，其特征在于：所述行波波头到达时刻通过对零模电压信号做差分运算确定，即差分绝对值大于所设定阈值则判定为行波波头到达时刻。
零模电压差分ΔU0(k)的计算公式为：
△U0(k)＝U0(k+1)-U0(k) (k＝0,1,K,n)
式中，U0(k)为故障电缆首末端测得零模电压信号，k为采样点数。
故障发生的判据为：
|△U0(k)|>U0N
式中，|ΔU0(k)|为计算的电流差分绝对值，U0N为设定的阈值。
阈值U0N的获取方法：
基于仿真系统扰动的情况，获得不同扰动下零模电压的最大差分绝对值，取最大差分绝对值中的最大值记为U0N。
5.根据权利要求1所述的基于行波波头折反射特性的电缆故障定位方法，其特征在于：每个频率下故障点上游和下游的信号传递函数为：
Figure FDA0003975200240000021
Figure FDA0003975200240000022
其中，HS(S)为故障点上游信号传递函数，HX(S)为故障点下游信号传递函数，S为传递函数自变量，r0为故障电缆单位长度零模等效电阻，l0为单位长度零模等效电感，C0为单位长度零模等效电容，x为故障点上游长度，l为故障电缆全长。
6.根据权利要求1所述的基于行波波头折反射特性的电缆故障定位方法，其特征在于：故障点处折射系数α和反射系数β的计算公式为：
Figure FDA0003975200240000023
Figure FDA0003975200240000024
式中，Z1为电缆线路波阻抗，Z2为故障电阻。
电缆首末端的反射系数βT分别为：
Figure FDA0003975200240000025
式中，ZT为变压器等效阻抗。
7.根据权利要求1所述的基于行波波头折反射特性的电缆故障定位方法，其特征在于：每个频率下折返射后首末端的衰减信号波形幅值相比并取均值，计算公式为：
Figure FDA0003975200240000031
式中，US为首端行波叠加后的合成波形，UX为末端行波叠加后的合成波形，k为提取得到的不同频率信号的数量。
8.根据权利要求1所述的基于行波波头折反射特性的电缆故障定位方法，其特征在于：波形数据间相关性的计算公式为：
Figure FDA0003975200240000032
式中，Cov(UU,UUM)为合成波形与实测波形对应数据之间的协方差，Var[UU]为合成波形的方差，Var[UUM]为实测波形的方差。
9.根据权利要求1所述的基于行波波头折反射特性的电缆故障定位方法，其特征在于：比较首末端合成行波幅值比的均值与实测行波对应数据之间的相关性，若两端的相关性同时大于0.7，则认为假设故障点位置为实际故障点位置；否则，利用二分法继续缩小故障区间，直至两端行波波头数据相关性同时大于0.7，若仍不满足则对下一个频率区段利用二分法进行搜索直至两端行波波头数据的相关性同时大于0.7。
CN202211533097.3A 2022-12-01 2022-12-01 基于行波波头折反射特性的电缆早期故障定位方法 Pending CN115902517A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211533097.3A CN115902517A (zh) 2022-12-01 2022-12-01 基于行波波头折反射特性的电缆早期故障定位方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211533097.3A CN115902517A (zh) 2022-12-01 2022-12-01 基于行波波头折反射特性的电缆早期故障定位方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115902517A true CN115902517A (zh) 2023-04-04

Family

ID=86478511

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211533097.3A Pending CN115902517A (zh) 2022-12-01 2022-12-01 基于行波波头折反射特性的电缆早期故障定位方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115902517A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bahmanyar et al. A comparison framework for distribution system outage and fault location methods
Suonan et al. A novel fault-location method for HVDC transmission lines
CN108508320B (zh) 基于谐波能量和波形畸变特征的弧光接地故障辨识方法
CN106841913B (zh) 配电线路故障测距方法
CN103293449B (zh) 一种消除煤矿高压电网单端行波故障定位死区的方法
Rui et al. Fault location for power grid based on transient travelling wave data fusion via asynchronous voltage measurements
CN110247420B (zh) 一种hvdc输电线路故障智能识别方法
Peng et al. Single-phase-to-earth faulty feeder detection in power distribution network based on amplitude ratio of zero-mode transients
Xie et al. A novel fault location method for hybrid lines based on traveling wave
CN111308272A (zh) 一种小电流接地故障区段定位方法
CN107621591A (zh) 一种基于零模行波波速变化特性的输电线路迭代测距方法
CN111766470B (zh) 高压直流输电线路的故障定位方法、系统及直流输电线路
CN113253052A (zh) 一种基于改进smmg的高压直流输电线路故障测距方法
CN114113890A (zh) 基于行波模量传输时差的多端融合配电网故障定位方法
CN110736900A (zh) 一种基于方向行波的配电线路单相接地故障选线方法
CN112540260B (zh) 基于行波能量变化特性的高压输电网混联线路故障测距方法、装置及系统
CN110927539B (zh) 一种单端暂态能量谱相似性的配电网故障区段定位方法
CN111323681B (zh) 基于高压工频与低压超低频的电缆绝缘监测方法和系统
Zhang et al. Two terminals protection method for HVDC transmission lines based on maximal overlap discrete wavelet transform and cross-correlation coefficient of traveling wave
CN115356593A (zh) 基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法及系统
CN115902517A (zh) 基于行波波头折反射特性的电缆早期故障定位方法
CN113567810B (zh) 一种配电网电弧接地故障区段定位方法、装置及系统
CN114487698A (zh) 双端接地线电流幅值比的配电网电缆故障定位方法及系统
CN114113894A (zh) 一种基于固有频率特征的重复性故障识别方法
CN113109668A (zh) 基于重合闸零模行波突变的配电网不对称故障定位方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination