一種T型線路行波故障測距方法

亓效生，高 云，李 巖，亓延峰，李傳兵，譚博學(xué)

（1.山東電力集團(tuán)公司 萊蕪供電公司，山東 萊蕪 271100；2.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255091）

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，T型接線得到了廣泛的應(yīng)用.這種接線方式節(jié)約設(shè)備投資并且接線簡單，占用的輸電走廊用地少；但其輸電功率大、負(fù)荷重，線路一旦發(fā)生故障，有可能造成大面積停電.行波測距原理定位精度高，在高壓輸電線路方面的應(yīng)用比較成熟.因此基于行波原理的T型線路故障測距受到越來越多的關(guān)注［1－8］.

文獻(xiàn)［1］利用單端行波原理分析T型線路，得出可能的故障分支和故障點(diǎn)并對其進(jìn)行優(yōu)化處理.但測距時行波可能由于折反射的衰減導(dǎo)致行波波頭不易識別.文獻(xiàn)［2］提出利用輸電線路長度和初始行波到達(dá)三個測量端的時間對T型線路進(jìn)行故障識別和故障點(diǎn)定位的方法.測距精度較高，但計算繁瑣.文獻(xiàn)［3］利用雙端行波原理得到一次測距結(jié)果，對其進(jìn)行推理判斷出故障分支，并計算出測距結(jié)果.測距表達(dá)式中消去了波速的影響，但對接點(diǎn)附近故障測距誤差較大.文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］利用T接線路三端的電壓和電流計算出的T接點(diǎn)的電壓來判斷故障分支，根據(jù)故障支路兩端的電壓和電流計算出的阻抗進(jìn)行故障定位.文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［8］分別對文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］的方法進(jìn)行了改進(jìn)，分別利用T接線路各端的正、負(fù)序電壓和電流計算T接點(diǎn)的電壓.以上方法雖然能夠比較準(zhǔn)確地判斷出故障分支，但其計算方法比較復(fù)雜，實(shí)時性受到很大限制.

本文充分利用T型線路三端測量數(shù)據(jù)，將初始行波到達(dá)各測量端的時間差與基準(zhǔn)值比較，不需要折反射故障行波，可以準(zhǔn)確地判斷故障區(qū)段，通過初步測距值計算測距結(jié)果.仿真驗(yàn)證表明該方法可行并具有較高精確度.

1 測距原理

如圖1所示，假設(shè)故障恰發(fā)生于接點(diǎn)O時，故障初始行波浪涌以相同的傳播速度從O點(diǎn)傳播到M、N、P三端的時間依次為t1、t2、t3；實(shí)際故障時行波從故障點(diǎn)傳播到M、N、P三端的時間依次為tM、tN、tP.另設(shè):

圖1 獨(dú)立T型故障示意圖

根據(jù)雙端行波測距原理，有初步測距值:

式中:v指行波在輸電線路中的傳播速度；LMN＝LM＋LN、LNP＝LN＋LP、LPM＝LP＋LM依次為MN、NP、PM兩端的距離.

1）若ΔtMN＝Δt1，ΔtNP＝Δt2，ΔtPM＝Δt3，則故障恰發(fā)生于O點(diǎn).

2）若ΔtMN＜Δt1，ΔtNP＝Δt2，ΔtPM＞Δt3，則故障發(fā)生于MO段.

3）若ΔtMN＞Δt1，ΔtNP＜Δt2，ΔtPM＝Δt3，則故障發(fā)生于NO段.

4）若ΔtMN＝Δt1，ΔtNP＞Δt2，ΔtPM＜Δt3，則故障發(fā)生于PO段.

故障區(qū)段確定后，進(jìn)一步對故障點(diǎn)進(jìn)行精確測距.故障點(diǎn)位于MO、NO、PO段的測距結(jié)果依次為

需要說明的是，得到的各時間均可能存在誤差.因此在判斷兩時間差是否相等時，應(yīng)考慮一定閾值α，即ΔtMN＝Δt1±α?xí)r，認(rèn)為兩者相等.α可根據(jù)實(shí)際情況決定，在高速精確采樣下，一般取α＝±1.

2 小波理論及模極大值分析

行波測距，利用的是行波從故障點(diǎn)到達(dá)測量點(diǎn)所需的時間，因此時間的準(zhǔn)確判斷至關(guān)重要.當(dāng)故障行波波頭到達(dá)測量點(diǎn)時會對應(yīng)著出現(xiàn)突變點(diǎn)，準(zhǔn)確地檢測到突變點(diǎn)的位置，也就準(zhǔn)確地獲得了行波到達(dá)的時間.

無論單純地進(jìn)行時域分析還是單純地進(jìn)行頻域分析都不能準(zhǔn)確地描述故障暫態(tài)行波這種非平穩(wěn)變化信號.傅里葉變換可以對信號的奇異性進(jìn)行基本的研究，但只能判斷信號是否有奇異性以及奇異性的強(qiáng)弱，無法對突變點(diǎn)的分布和準(zhǔn)確位置進(jìn)行判斷.而小波變換是時域、頻域有機(jī)結(jié)合的分析工具，它的時頻分辨率可以改變，適合暫態(tài)信號的局部分析.它不僅能檢測信號奇異性的強(qiáng)弱，而且能把突變點(diǎn)的具體位置表示出來，因此選擇小波變換進(jìn)行暫態(tài)行波的突變點(diǎn)檢測，由此獲得所需的行波到達(dá)時間［9－11］.

實(shí)際中應(yīng)從緊支性、對稱性等方面來考慮，按要求選擇不同的小波函數(shù)，這樣有利于改善分析的效果.樣條函數(shù)有許多良好的性質(zhì)，B－樣條小波一般存在解析表達(dá)式，具有對稱性、線性相位，是具有最小緊支集的緊支小波.故本文選擇三次B－樣條小波作為暫態(tài)行波的分析工具.

平臺中層主要包括各類數(shù)據(jù)匯總形成的資源層以及根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行的模型設(shè)置、服務(wù)管理設(shè)置及大數(shù)據(jù)分析處理形成的要素層。

小波變換后的小波系數(shù)在突變點(diǎn)處具有模極大值，可以通過對模極大值點(diǎn)的檢測來確定故障行波到達(dá)各端的時間，進(jìn)而求出測距所需的時間差.突變的信號主要包含在高頻部分，因此選擇小波變換的第一尺度對突變點(diǎn)進(jìn)行時域定位.

3 仿真驗(yàn)證

利用PSCAD按照圖1所示建立110kV T型輸電線路仿真模型.分支MO、NO、PO的長度依次為150km、200km、120km；采樣頻率為1MHz；理論計算波速v＝2.928×105km／s.

故障點(diǎn)恰位于O點(diǎn)時行波到達(dá)三端的時間:t1＝512.295μs，t2＝683.06μs，t3＝409.836μs；則可計算出基準(zhǔn)時間差:Δt1＝t1－t2＝－170.765μs，Δt2＝t2－t3＝273.224μs，Δt3＝t3－t1＝－102.459μs.

3.1 分支故障

假設(shè)分支MO距測量端75km處t＝0s時刻發(fā)生AB兩相短路故障.利用小波變換對M端的故障電壓行波提取到達(dá)時間如圖2所示.由圖2可知此次故障行波傳播到M端的時間tM＝259μs.同理，可得到tN＝943μs，tp＝669μs.對應(yīng)時間差為:ΔtMN＝－684μs，ΔtNP＝274μs，ΔtPM＝410μs.

圖2 分支故障時M端電壓行波

本次仿真采樣步長為1μs，閾值取α＝1μs.根據(jù)公式（1），求得初步測距值:LF1＝74.862km，LF2＝200.114km，LF3＝195.024km；

因?yàn)棣MN＜Δt1，ΔtNP＝Δt2±α，ΔtPM＞Δt3，故可判斷故障發(fā)生于MO段；那么精確測距結(jié)果:LFM＝（LF1＋LPM－LF3）／2＝74.919km，誤差為0.081 km.

對不同分支故障依據(jù)本文方法進(jìn)行測距，得到結(jié)果見表1.

由仿真數(shù)據(jù)可以看出，本方法可對各段分支上的故障點(diǎn)準(zhǔn)確測距，且測距誤差多數(shù)在100m左右，足以滿足實(shí)際需要.

3.2 接點(diǎn)故障

T型接點(diǎn)O處t＝0s時刻發(fā)生AB兩相短路故障.利用小波變換對M端的故障電壓行波提取到達(dá)時間如圖3所示.故障行波傳播到三端的時間:tM＝515μs，tN＝686μs，tP＝412μs；

表1 分支故障仿真數(shù)據(jù)

圖3 接點(diǎn)故障時M端電壓行波

對發(fā)生于T型接點(diǎn)附近的故障進(jìn)行測距，得到結(jié)果見表2.

由表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)故障點(diǎn)在接點(diǎn)周圍300m以外時，測距結(jié)果準(zhǔn)確，誤差多數(shù)小于100m，有一個誤差比較大，其原因是測得的故障初始行波到達(dá)N端的時間偏大；300m以內(nèi)時，可能被誤判斷為接點(diǎn)故障，此時誤差不大.

上述仿真驗(yàn)證了所提出方法的可行性，并證明該方法可正確判斷故障區(qū)段，得到的測距結(jié)果精確度較高，適用于實(shí)際工程應(yīng)用.

4 結(jié)束語

本文針對T型輸電線路提出基于行波原理的故障測距方法.該方法利用T型輸電線路參數(shù)及其三端測量電氣量，首先進(jìn)行初測，然后判斷故障分支，再進(jìn)一步確定故障的具體位置.PSCAD仿真結(jié)果表明本文方法可實(shí)現(xiàn)T型輸電線路故障分支的準(zhǔn)確判別和故障點(diǎn)的精確測距，對接點(diǎn)附近的故障也可準(zhǔn)確判斷，測距誤差能夠滿足實(shí)際工程中的需要.

表2 接點(diǎn)附近故障仿真數(shù)據(jù)

［1］張利，張峰，梁軍，等.帶T型分支輸電線路的單端行波故障測距［J］.電力自動化設(shè)備，2010，30（4）:46－50.

［2］郭亮，呂飛鵬.T型線路的行波測距原理與算法［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（23）:64－67.

［3］張峰，梁軍，杜濤，等.T型線路的行波精確故障測距新方法［J］.高電壓技術(shù)，2009，35（3）:527－532.

［4］盧繼平，黎穎，李健，等.行波法與阻抗法結(jié)合的綜合單端故障測距新方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31（23）:65－69.

［5］龔慶武，王志梅，雷慶生，等.T型接線的一種新型精確故障定位算法的研究［J］.繼電器，1999，27（3）:20－22.

［6］Kang S H，Lee S J，Kwon Y J，et al.A fault location algorithm for parallel transmission line with a teed circuit［C］／／Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Summer Meeting.Vancouver，Canada:IEEE，2001:921－926.

［7］高厚磊，安艷秋，江世芳.超高壓T接線路高精度故障測距算法研究［J］.電力系統(tǒng)自動化，2001，25（20）:51－54.

［8］田羽，范春菊，龔震東，等.同桿雙回線反序電流特點(diǎn)及其在T形線路測距中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31（3）:67－71.

［9］張正團(tuán).利用小波變換的電力電纜故障精確測距方法研究［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2002.

［10］Mallat S，Hwang W L.Singularity detection and processing with wavelets［J］.IEEE Trans on Information Theory，1992，38（2），617－643.

［11］陳平.輸電線路現(xiàn)代行波故障測距及其應(yīng)用研究［D］.西安:西安交通大學(xué)，2003.