配電網(wǎng)故障測(cè)距方法的仿真分析

徐汝俊,張 偉,熊高林,鄒 文

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 071003)

配電網(wǎng)故障測(cè)距方法的仿真分析

徐汝俊,張 偉,熊高林,鄒 文

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 071003)

介紹了C型行波法的測(cè)距原理,利用 ATP仿真軟件對(duì)10 kV多分支配電線路單相接地故障進(jìn)行仿真,通過(guò) MATLAB對(duì)仿真數(shù)據(jù)和圖形進(jìn)行分析,比較正常線路和故障線路波形,找到了第一個(gè)波形畸變點(diǎn)并以此來(lái)確定故障距離。結(jié)果表明測(cè)距精度滿足實(shí)際要求,從而驗(yàn)證了 C型行波法在配電網(wǎng)故障測(cè)距中的可行性。

配電網(wǎng);C型行波法;測(cè)距;仿真

0 引 言

配電網(wǎng)故障定位是配電網(wǎng)運(yùn)行中的重要環(huán)節(jié),由于配電網(wǎng)接線復(fù)雜、故障模式多,故障時(shí)一般接地電阻大,因此,配電網(wǎng)故障定位是非常困難的。C型行波法[1～3]具有測(cè)距速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn),是目前配電網(wǎng)故障測(cè)距的主要研究方法。本文介紹了 C型行波法的測(cè)距原理,利用 ATP仿真軟件對(duì)配電線路單相接地故障建立仿真模型,得到仿真數(shù)據(jù)和圖形;利用 MATLAB對(duì)仿真數(shù)據(jù)和圖形進(jìn)行分析,研究計(jì)算結(jié)果,驗(yàn)證了 C型行波法在配電網(wǎng)故障測(cè)距中的可行性。

1 C型行波法測(cè)距原理

線路發(fā)生故障后,如果在信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)向線路發(fā)射行波信號(hào),那么在信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)和故障點(diǎn)之間就會(huì)有往返傳播的信號(hào)出現(xiàn),直到信號(hào)衰減為 0。在信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)往返的行波信號(hào)可以分為 2類：(1)由波阻抗不連續(xù)點(diǎn)產(chǎn)生的到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的第一個(gè)反射波;(2)在線路的節(jié)點(diǎn)之間經(jīng)多次折反射后的波。波阻抗不連續(xù)點(diǎn)包括線路上的分支點(diǎn)、分支末端點(diǎn)和接地故障點(diǎn)。

C型行波法是離線測(cè)距,在線路發(fā)生故障后,由人工向故障線路發(fā)射行波信號(hào),然后檢測(cè)并識(shí)別來(lái)自故障點(diǎn)的反射波。根據(jù)行波在測(cè)量點(diǎn)與故障點(diǎn)之間往返一次的時(shí)間和行波的波速來(lái)確定故障點(diǎn)的距離。

下面以線路發(fā)生金屬性接地為例,說(shuō)明 C型行波法測(cè)距原理 (見圖 1)。

圖1 C型行波法測(cè)距示意圖Fig.1 Schematic diagram of type C traveling w ave fault-location method

圖1中,線路上 F點(diǎn)發(fā)生金屬性接地故障。設(shè)在 t=0時(shí)刻,由人工在檢測(cè)端 M向故障線路發(fā)射行波信號(hào)。由于故障點(diǎn)為金屬性短路,當(dāng)行波到達(dá)故障點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生全反射,并改變極性,在 T時(shí)刻又返回檢測(cè)端 M。

設(shè)故障點(diǎn)到信號(hào)檢測(cè)點(diǎn) M的距離為 XL,則故障點(diǎn)的計(jì)算公式為：

式中：v是波速。

如果是經(jīng)電阻接地的故障,則在接地點(diǎn)還有一部分波透射到接地點(diǎn)的另一側(cè),但仍有反射波回到檢測(cè)點(diǎn),由于能量的分散,使反射波幅值比金屬性接地時(shí)要小。

2 C型行波法仿真分析

2.1 仿真實(shí)例

利用 C型行波法對(duì)10 kV多分支配電線路進(jìn)行測(cè)距,如圖 2所示,在線路分支 AD中間處發(fā)生單相接地故障,其接地電阻為1 000Ω。 MN=5 km,AD=1 km, MA=1 km,AB=1.5 km,BE=1 km,BC=1.5 km,CG=1 km。

圖2 仿真線路示意圖Fig.2 Schematic diagram of simu lation line

2.2 仿真分析

通過(guò) ATP軟件進(jìn)行仿真,仿真線路使用分布參數(shù)的單相線路,每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)之間的一段線路用 π型等值電路模擬,其中,設(shè)波阻抗為460Ω。信號(hào)源采用幅值為10 kV,寬度為2μs的高壓脈沖信號(hào)。實(shí)際10 kV線路分支或主干線末端都會(huì)有配電變壓器,其影響主要是變壓器繞組電感和變壓器入口電容會(huì)對(duì)行波產(chǎn)生反射和折射。當(dāng)很陡的沖擊波作用時(shí),一般在10μs內(nèi),流經(jīng)繞組電感中的電流很小,因此,變壓器繞組電感對(duì)行波的影響可以忽略,故變壓器對(duì)行波的影響主要是其入口電容反射影響。變壓器的入口電容的大小與其額定電壓及容量有關(guān),對(duì)于容量為100 kVA的10 kV配電變壓器,用 Al-6000自動(dòng)精密電橋測(cè)量,三相繞組總的入口電容1.268 nF,每相繞組入口電容為423 pF。

設(shè)參數(shù) L為 1.66 mH,C為 0.0066μF。對(duì)圖2所示線路進(jìn)行采樣仿真時(shí),采樣間隔為 Δt=0.01μs,仿真時(shí)間為200μs,采樣數(shù)據(jù)為20 000個(gè),線路仿真模型如圖 3所示。

在線路正常時(shí)與接地故障后分別注入脈沖信號(hào),通過(guò)檢測(cè)反射波,可以發(fā)現(xiàn)：在故障點(diǎn)第一個(gè)反射波到達(dá)之前,故障線路的反射過(guò)程與正常時(shí)一致,而之后則不同。由此可知,兩個(gè)波形的第一個(gè)差異點(diǎn)必然來(lái)自故障點(diǎn)的反射波,通過(guò)測(cè)距公式即可求出故障距離。在檢測(cè)點(diǎn)采用100 MHz的采樣率進(jìn)行采樣,得到正常線路波形如圖 4所示,當(dāng) F點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí),故障波形如圖 5所示。因?yàn)槊?100個(gè)點(diǎn)相當(dāng)于 1μs,故橫坐標(biāo)標(biāo)值為時(shí)間/0.01μs。(注：圖 4～6是經(jīng) MATLAB處理后的信號(hào)波形)。

圖3 線路仿真模型Fig.3 Line simulation m odel

利用 MATLAB對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析,故障線路與正常線路波形相減,得到的波形差如圖 6所示,其中,第一個(gè)波形畸變點(diǎn)是來(lái)自故障點(diǎn)的反射波。利用 MATLAB小波包對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解和重構(gòu),在 MATLAB小波分析工具箱中,提供了一些常用的小波基函數(shù),coifN小波系列具有較好的對(duì)稱性,選取 coif5作為小波函數(shù),對(duì)圖 6波形差信號(hào)進(jìn)行三層小波包分解,可得到故障時(shí)刻 T=10.04μs,根據(jù)上述測(cè)距公式,取波速 v=300m/μs,則

與實(shí)際距離相差6m,測(cè)距精度滿足實(shí)際要求。

圖6 故障線路與正常線路波形差Fig.6 Subtraction betw een the fault line w aveform and the normalone

3 結(jié) 論

C型行波法具有測(cè)距速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn),不受信號(hào)故障時(shí)刻行波信號(hào)強(qiáng)弱的影響,在進(jìn)行故障測(cè)距時(shí)可以重復(fù)進(jìn)行判斷。當(dāng)一次接收到的信號(hào)不能清楚分析故障點(diǎn)位置時(shí),可以重新發(fā)一個(gè)行波信號(hào)進(jìn)行再次測(cè)距,從很大程度上保證了測(cè)量精度,在配電網(wǎng)故障測(cè)距中有較大的優(yōu)勢(shì)。

小波包能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行精細(xì)的分析,它可以將頻帶進(jìn)行多層次劃分,對(duì)多分辨率分析中沒(méi)有細(xì)分的高頻部分作進(jìn)一步分解,從而提高了時(shí)—頻分辨率,這種優(yōu)點(diǎn)使得小波包分析方法在高頻暫態(tài)信號(hào)的處理中得到重要應(yīng)用。

[1]嚴(yán)鳳,楊奇遜,齊鄭,等.基于行波理論的配電網(wǎng)故障定位方法的研究 [J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,24(9)：37-42.

Yan Feng,Yang Qixun,Qi Zheng,et al.Study on the fault-location methods for power distribution network based on the traveling wave theory[J].Proceedings of CSEE,2004,24(9)：37-42.

[2]徐丙垠,李京,陳平.現(xiàn)代行波測(cè)距技術(shù)及其應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2001,25(23)：62-65.

Xu Bingyin,Li Jing,Chen Ping. Modern traveling wave fault-location technology and its application[J].Automation of Electric Power Systems,2001,25(23)：62-65.

[3]季濤,孫同景,薛永端,等.配電網(wǎng)故障定位技術(shù)現(xiàn)狀與展望 [J].繼電器,2005,33(24)：32-37.

Ji Tao,Sun Tongjing,Xue Yongduan,et al.Current status and developmentof fault-location technique for distribution network[J].Relay,2005,33(24)：32-37.

[4]楊棟.基于行波法的10 kV電力電纜故障測(cè)距算法的改進(jìn)研究 [J].電力科學(xué)與工程,2009,25(2)：16-18.

Yang Dong.Research on fau lt location algorithm of 10 kV power cable based on traveling wave[J].Electric Power Science and Engineering,2009,25(2)：16-18.

Sim ulation Analysis on Distribution Network Fau lt-location Method

Xu Ru jun,Zhang Wei,Xiong Gao lin,Zou Wen
(School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

The principle of type C traveling wave fault-location method was introduced. Many simu lations were taken by ATP software for single-phase earth fault in a 10 kV power distribution line with many branches.Simulation data and figureswere analyzed by MATLAB,comparing the normal line waveform and the fault one,the fault distance was determ ined by the first distortion point.As a result,the simulations indicated that the fault-location precisionmeet theactual requirement,type C travelingwave fau lt-locationmethod was feasib le for the fault location in distribution network.

distribution network;type C traveling wave;fault-location method;simulation

T M726;T M935

A

2009-12-24。

徐汝俊 (1986-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)橹悄芑瘷z測(cè)與控制技術(shù),E-mail：285295124@qq.com。