經驗包絡法在小電流接地電力電纜在線故障測距中的應用

葛志成,許 寧,付 林,李 鶴,張 聰

(1.東北電力大學 吉林 吉林 132012；2.國網新疆電力公司經濟技術研究院,烏魯木齊 830000)

經驗包絡法在小電流接地電力電纜在線故障測距中的應用

葛志成1,許 寧1,付 林2,李 鶴1,張 聰1

(1.東北電力大學 吉林 吉林 132012；2.國網新疆電力公司經濟技術研究院,烏魯木齊 830000)

針對小電流接地系統發生單相接地故障,并要求在不斷電的情況下,檢測出故障位置的情況,提出一種基于經驗包絡法小電流接地電力電纜在線故障測距方法。在電纜參數未知的情況下,采用合閘時產生的操作過電壓行波在線測量行波波速;單相接地故障發生后,利用經驗包絡法尋找行波瞬時頻率突變的時刻,并運用單端測距法實現電力電纜故障測距。最后,通過對算例進行數值仿真來驗證該方法的可行性和實用性。

經驗包絡法(EE);小電流接地系統;電力電纜;在線故障測距

由于電纜具有占地少、可靠性高的優點,110 kV以下配電系統開始逐漸推廣使用電纜進行電力傳輸,但由于電纜本身的質量問題、系統增容、運行時間久等因素,電纜故障的發生也變得頻繁[1]。而且電纜一般都埋于地下,當發生故障時,不像架空線便于觀察巡檢,如何快速查找電纜故障位置,對排除故障、恢復供電具有重要意義。

目前,在線測距方法主要有小波分析法[2-3]和希爾伯特-黃變換(HHT)法[4]。小波分析法不具有自適應性[5],其結果受小波基的種類及分解尺度等因素的影響,一旦小波基函數選擇的不恰當,就難以獲得滿意的效果;HHT法會出現明顯的端點效應和沒有實際意義的負頻率,這會對測量結果產生一定的影響。而經驗包絡法(EE)是一種求取非平穩信號瞬時頻率的新方法,它克服了HHT的端點效應與出現負頻率的缺點。因此,本文提出采用經驗包絡法實現小電流接地電力電纜在線故障測距。

1 經驗包絡法

1.1 經驗調幅調頻(AM-FM)分解

經驗(AM-FM)分解是諾頓-黃等[6]提出的一種把一般單分量信號特別是經驗模態函數分解成為調幅調頻形式的方法,經驗AM-FM分解是經驗包絡法的核心。

經驗AM-FM分解實現的流程如圖1所示。

圖1 經驗AM-FM分解流程圖

這里需要注意的是:

1)x1(t)一般為經過經驗模態分解(EMD)后的固有模態函數(IMF)。

2) 選取|x(t)|包絡代替x(t)包絡的目的是保證AM信號a(t)大于0,且標準化的信號關于時間軸對稱。

3) 迭代終止的標志為ain(t)≤1,保證xin(t)為純FM函數,即F(t)=xin(t)=cosφ(t)。

1.2 經驗包絡法(EE)

一般的說來,任意單分量信號x(t)都可以通過經驗AM-FM分解成為x(t)=a(t)cosφ(t)的形式,而F(t)=cosφ(t)的瞬時頻率即為原始信號的瞬時頻率。

經驗包絡法的實現步驟如圖2所示。

圖2 經驗包絡法流程圖

2 基于HHT故障測距

2.1 相模變換

電力系統各相導線間存在復雜的電磁耦合關系,為了簡化分析計算,需要用相模變換方法實現解耦。

[u]m=[T]-1[u]φ

(1)

[i]m=[T]-1[i]φ

(2)

式中:[u]m和[i]m分別稱為模電壓向量和模電流向量;[u]m=[u0uαuβ]T、[i]m=[i0iαiβ]T,u0、uα和uβ稱為0模電壓、α模電壓和β模電壓,i0、iα和iβ稱為0模電流、α模電流和β模電流。

式(1)和式(2)說明了相電壓向量[u]Φ和模電壓向量[u]m、相電流向量[i]Φ和模電流向量[i]m之間的關系,稱為相模變換。T為相模變換矩陣,其值不是單一的,這里選用的變換矩陣[7]為

(3)

(4)

2.2 電纜行波波速的測量

電纜中行波波速對故障測距精度影響很大,如何準確測量波速是故障測距一個重要環節。式(5)給出了通過電纜參數計算行波波速的公式。

(5)

式中,L和C分別為每單位長度電纜的電感及電容。

在現場中,如果僅僅靠電纜參數計算行波的波速,勢必會產生一定的誤差,而且大多情況難以獲得準確的電纜參數。為了解決這一問題,采用合閘時產生的操作過電壓行波在線測量行波波速,如圖3所示。

圖3 行波波速測量示意圖

在圖3中,設已知MN之間的電纜長度為l,以母線M端為測量點,從合閘瞬間產生過電壓開始計時tM1。當合閘過電壓行波傳輸到末端N時會發生反射,記下合閘過電壓行波在線路末端的反射波到達母線M時刻tM2。即有此過電壓行波在此段輸電線路中單程傳播的時間為

(6)

由此可得,此段輸電線路中行波傳播速度為

(7)

2.3 電纜故障測距

行波法故障測距根據檢測信號方式的不同,分為單端法、雙端法等。實際應用中,雙端法測量存在諸多問題,如雙端時間同步難、經濟性差等,因此選用單端法進行電纜故障測距,如圖4所示。

圖4 單端測距法

單端法行波測距是利用故障初始行波和故障點反射波到達檢測端的時間計算故障點的位置,這里使用的行波為故障行波的線模分量。

Δt=t1-t0

(8)

x=v1Δt

(9)

3 算例分析

為了驗證上述方法的有效性,采用MATLAB/Simulink對電纜故障進行數值仿真。所選擇的電纜線路長度為10 km和20 km,其他電氣參數為:R1=2.415×10-5Ω/m,L1=8.8936×10-5mH/m,C1=2.811×10-4μF/m,R0=4.121×10-4Ω/m,L0=1.5347×10-4mH/m,C0=1.529×10-4μF/m。10 km電纜分別在距離首端4 km和6 km發生單相接地故障(接地電阻分別為100 Ω和5000 Ω),20 km電纜分別在距離首端5 km和13 km發生單相接地故障。

3. 1 電纜行波波速測量仿真

仿真頻率設為1 MHz,合閘發生在0.14 s,將合閘時刻設為相對零時刻。采用合閘時產生的操作過電壓行波測量行波波速,將首端接收的電壓模量進行經驗模態分解,如圖5所示。合閘后,經過1×10-4s,電壓行波經過反射傳到首端,如圖6所示。由此,根據式(6)和式(7)即可得出電纜中行波的波速,并與式(5)計算出的行波波速進行對比,如表1所示。

圖5 首端電壓模量EMD結果

圖6 Imf1分量瞬時頻率

表1 電纜行波波速公式計算與測量結果

3.2 電纜故障測距仿真

設置故障發生在0.1 s,將故障時刻設為相對零時刻。電纜長度為10 km,在距離首端4 km發生單相接地故障,且接地電阻為100 Ω時,首端接收的電壓模量經過經驗模態分解的結果,如圖7所示。故障發生后,經過2×10-5s,故障行波傳到首端,如圖8所示。由此,根據式(8)和式(9)即可得出電纜故障位置。其他情況的故障測距結果,如表2所示。

圖7 首端電壓模量EMD結果

圖8 Imf1分量瞬時頻率

表2 故障測距仿真結果

從表2中的數據可以看出,本文提出的方法對于不同長度的電纜均可準確的測量出故障位置,并且接地電阻的大小基本不影響測距的結果。

4 結 論

本文在現有文獻的基礎上,提出了一種基于經驗包絡法小電流接地電力電纜在線故障測距的方法,該方法具有以下優點:

1) 采用經驗包絡法處理非平穩信號,與小波分析相比,方法簡單,不需要選取小波基函數;與希爾伯特-黃變換(HHT)相比,該方法不存在端點效應,由于對信號的絕對值進行包絡,也不會出現負頻率的現象。

2) 在電纜參數未知的情況下,采用合閘時產生的操作過電壓行波在線測量行波波速的方法具有很好的實用性。

3) 小電流接地系統發生單相接地故障時,系統仍可運行1～2 h,要求在不斷電的情況下找到故障位置,本文提出的單端在線故障測距方法,是對故障行波信號進行提取并處理,與雙端法相比,具有更好的經濟性和實用性。

4) 對于不同長度的電纜均可準確的測量出故障位置,并且接地電阻的大小基本不影響測距的結果。

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[7] 宋國兵,李森,康小寧.一種新相模變換矩陣[J].電力系統自動化,2007,31(14):57-60. SONG Guobing, LI Sen, KANG Xiaoning. A novel phase-mode transformation matrix [J]. Automation of Electric Power Systems, 2007,31(14):57-60.

(責任編輯 郭金光)

Application of empirical envelope method in power cable online fault location in neutral point ineffectively grounded power system

GE Zhicheng1, XU Ning1, FU Lin2, LI He1, ZHANG Cong1

(1. Northeast Dianli University, Jilin 132012, China; 2. Research Institute of Economic and Technology of Electric Power Company In Xinjiang, Wulumuqi 830000, China)

The location of the fault is required to be detected in the case of UPS when single-phase-to-earth fault occurs. Aiming at the requirement, a method of online power cable fault location in neutral point ineffectively grounded power system based on EE was proposed. Under the condition that the parameters of cable were unknown, the velocity of traveling wave in cable was measured by the use of switching overvoltage wave which was generated when the closing occurred. When single-phase-to-earth fault happened, EE was used to find the mutations moments of instantaneous frequency. Then the location of power cable fault was determined by one-terminal fault location method. Finally, the digital simulation of an example was made to verify the effectiveness and practicability of this method.

empirical envelope method; neutral point ineffectively grounded power system; power cable; online fault location

2015-03-21。

葛志成(1988—),男,碩士研究生,研究方向為電力系統分析與控制。

TM726

A

2095-6843(2015)05-0467-04