一種不受波速影響的單端行波故障測距新算法

楊關春,彭 麗

(1.山東理工大學電氣與電子工程學院,山東淄博255091；2.山東省電力集團公司臨沂供電公司,山東臨沂276000)

一種不受波速影響的單端行波故障測距新算法

楊關春1,彭 麗2

(1.山東理工大學電氣與電子工程學院,山東淄博255091；2.山東省電力集團公司臨沂供電公司,山東臨沂276000)

采用提升小波變換和奇異性檢測原理對電流行波到達母線測量端的時刻進行檢測.首先利用初始行波、故障點反射波及對端母線反射波計算出行波波速,然后在常規單端行波故障測距算法的基礎上,通過消去行波波速參數,提出一種不受行波波速影響的單端行波故障測距新算法. PSCAD和MATLAB仿真驗證結果證明該方法具有很高的測距精度和實用性.

單端測距；行波；波速；提升小波；奇異性檢測

隨著我國經濟的發展,電力系統規模逐漸加大,網絡結構逐漸復雜,用戶對供電穩定的要求也越來越高.因此,如何確保配電網的安全可靠運行,快速準確地查出故障線路及故障點位置,具有非常重要的意義.目前,輸電線路測距方法主要有行波法和阻抗法.與阻抗法相比,行波法不受系統運行方式、接地故障電阻、線路參數和故障類型等因素的影響［1-2］.文獻［3］提出了利用阻抗和行波組合測距的算法,利用阻抗大小來確定故障區段,文獻［4］提出了一種利用地模分量和線模分量之間的延遲差來區分故障點反射波和對端母線反射波.

本文采提出了一種不受行波波速影響的單端行波測距新算法,本算法不需要計算行波波速,只需在單端檢測三個波頭的到達時間,就可以計算出故障點到測量端的距離,實現故障定位.

1 提升小波算法和奇異性檢測理論

1.1 提升小波算法

提升小波算法的基本思想是,將現有的小波濾波器分解成基本的構造模塊,通過一個預測算子來預測高頻分量,并初步預測低頻分量,然后通過更新算子,對初步預測的低頻分量進行更新和修正,從而獲得信號的低頻分量.其提升方案一般分為三步［5］.

其中：

(2)預測：預測是利用偶數序列和奇數序列之間的相關性,用其中一個序列來預測另一個序列,通常是用偶數序列來預測奇數序列.預測過程如下：

(3)更新：經過分裂步驟產生子集的某些整體特征(如均值)可能與原始數據并不一致,為了使原信號集的某些全局特征在其子集中繼續保持,必須進行更新.將更新過程用算子U來代替,其過程如下：

1.2 奇異性檢測原理

小波變換具有很好的空間局部性,因此,本文利用小波變換的奇異性檢測原理來確定信號突變的位置.

由上述奇異性檢測理論可知,小波變換結果反應信號對應位置的變化率,小波變換的模極大值對應該點具有最大的變化率［6］.因此,小波變換模極大值點與信號的突變點是一一對應的,所以可以用小波變換的模極大值來確定行波波頭達到的時刻.

2 單端行波故障測距的新算法

2.1 相模變換

由于三相輸電線路間具有耦合作用,為了消除三相間耦合的影響,需要首先對行波分量進行相模變換［7］,將三相耦合的相分量解耦為相互獨立的0、α、β模分量,本文采用凱倫貝爾變換將三相電流解耦,則有

由于線模分量不受傳播系數、特征阻抗和大地電導率等因素影響,而且在各個頻率下其傳播速度基本一樣,所以本文采用線模分量來測距.

2.2 故障點反射波與對端母線反射波的確定

通過檢測故障點電流反射波與對端母線電流反射波模極大值的極性,來區分故障點反射波與對端母線反射波.行波在傳播的過程中,經常會遇到結點(不同波阻抗的連接點稱為結點).當行波到達結點時就會在結點處發生折射和反射,若線路波阻抗一定,則在結點處的折、反射系數為：

由此可知,對于單一回路來說,母線處的反射系數ρ＜0,折射系數γ＞0,此時,故障點的反射波與初始行波極性相同,對端母線上的反射波與初始行波極性相反,因此,可以利用模極大值的極性來確定故障點反射波與對端母線反射波［8-9］.

2.3測距新算法

本文采用單端行波故障測距方法,只需在M端采集故障電流行波信號,行波傳輸過程如圖1所示.

圖1 行波傳輸網格圖

當線路發生故障時,故障點就會向M、N兩端發出故障行波,設故障初始電流行波到達M端的時刻為t1,對應的故障點反射波到達M端的時刻為t2,對端母線電流反射波到達M測量端的時刻為t3,L是線路的全長,首先利用到達M端這三個時刻計算出行波波速：

可以從上式得到

然后利用模極大值的極性來區分故障點反射波和對端母線反射波,若在M端檢測到是故障點反射波,則可以得到故障距離.若在M端檢測到是對端母線反射波,則可以得到故障距離d=.本文所提單端行波測距新算法流程圖如圖2所示.

3 仿真驗證

為了驗證本算法的正確性,采用PSCAD和MATLAB進行線路仿真,仿真模型如圖3所示,采用簡單的雙電源系統,其中電壓為220k V,輸電線路長度為L=200km,采樣頻率f=1MHz.

設在輸電線路上距M端50km處發生單相接地短路故障,過渡電阻選為50Ω,通過對M端測得的電流行波經相模變換后,再用小波變換求得突變量對應的模極大值,從而可以準確地確定初始電流行波、故障點反射波和對端母線反射波到達M端的時刻,如圖4所示,其對應的時刻分別為t1=170μs, t2=505μs,t3=1173μs,由此可以得到波速

圖2 單端行波測距新算法流程圖

圖3 仿真模型圖

υ=298.954 km/ms,以及計算故障距離d1= 50.075km,實際測距誤差為75m,遠小于理論測距誤差150m,仿真結果表明本文所提的單端行波故障測距算法是比較精確的.

圖4 電流線模分量和故障行波到的時刻示意圖（d=5O km）

對輸電線路上不同的故障距離進行仿真,然后根據本文所提的算法進行計算,計算結果見表1.可以看出,當不同的距離處發生故障時,經本文的單端測距新算法計算所得到的故障距離,其最大誤差為105m,一般在75m左右,PSCAD和MATLAB仿真表明本文所提測距方法是可行的.表2為常規單端行波測距的仿真結果,取波速度υ=297.54km/ms,若在M測量端檢測到是故障點反射波,則利用公式來計算故障點到測量端的距離,若在M測量端檢測到是對端母線反射波,則利用公式d計算故障點測量端的距離,利用上述公式計算所得的結果,其誤差大約為200m左右,遠遠大于本文單端測距新算法計算結果誤差.

表1 常規單端行波測距的仿真計算表

表2 單端行波測距新算法的仿真計算表

從表1、表2可以看出常規單端行波測距需行波波速度來計算故障距離,容易受行波波速的影響,精確度不高,而本文的單端行波測距新算法將波速這個參數消去了,從而避免了行波波速的影響,使測距的精度有了明顯的提高.

4 結束語

本文提出了一種不受行波波速影響的新型單端行波故障測距算法,采用小波模極大值確定出行波波頭到達母線測量端的準確時刻,并根據本文所提的單端行波測距新算法計算故障點到測量端得距離.該算法消除了行波波速的影響,減小了測距誤差,提高了測距的精確度.

［1］覃劍,彭麗萍,王和春.基于小波變換技術的輸電線路單端行波故障測距［J］.電力系統自動化,2005,29(19)：62-65.

［2］徐丙垠,李京,陳平.現代行波測距技術及其應用［J］.電力系統自動化,2001,25(23)：62-65.

［3］鄭秀玉,丁堅勇,黃娜.輸電線路單端故障定位的阻抗行波組合算法［J］.電力系統保護與控制,2010,38(6)：18-21.

［4］Abur A,Mangnago F H.Use of delays time between model components in wavelet based fault location［J］.Electrical Power and Energy Systems,2000,22(6)：397-403.

［5］周陳斌.基于提升小波的電力系統單端行波測距仿真［J］.江蘇電機工程,2007,26(5)：28-30.

［6］馬丹丹,王曉茹.基于小波模極大值的單端行波故障測距［J］.電力系統保護與控制,2009,37(03)：55-59.

［7］齊爽,翟玉成,等.單端行波測距新算法的研究［J］.東北電力大學學報,2011,31(1)：48-51.

［8］艾斌,呂艷萍.基于小波模極大值極性的行波信號識別［J］.電網技術,2003,27(5)：55-57.

［9］蔣濤,陸于平.不受波速影響的輸電線路的單端行波故障測距研究［J］.電力自動化設備,2004,24(12)：29-32.

(編輯:劉寶江)

A new single termianal fault locating algorithm unaffeated by the traveling wave velocity

YANG Guan-chun1,PENG Li2
(1.School of Electrical and Electronic Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255091,China；2.Linyi Power Supply Company,Shandong Provincial Electric Power Company,Linyi 276000,China)

The traditional single terminal traveling wave fault location algorithm needs to consider the wave velocity,and is prone to large range error.Traditional single terminal fault location methods consider the wave velocity and tend to be inaccurate.In this paper,lifting wavelet transform and singularity detection are used to detect the moment that current wave reaches the measuring terminals.Firstly,initial current wave,fault reflected wave as well as peer bus reflected wave are utilized to calculate wave velocity.Then,based on the traditional single terminal fault location algorithm,a new single terminal fault location algorithm unaffected by traveling wave velocity is put forward by eliminating wave velocity parameters.Finally,the high accuracy and practicality are proved by the results of PSCAD and MATLAB simulation.

single terminal fault location；travelling wave；wave velocity；lifting wavelet；singularity detection

1672―6197(2013)01―0059―04

TM773

A

2012- 11- 06

楊關春,男,yangguanchun1888@163.com