基于行波法的低壓臺區低壓故障停電報警系統設計

趙 琳

(國網黑龍江省電力有限公司 伊春供電公司，黑龍江 伊春 153000)

電力系統運行的可靠性對于人們的正常生活工作產生重要影響，低壓臺區低壓電網通常具有較長線路[1]，由此導致其負荷性質繁雜，極易受外界外力因素破壞等因素導致不同短路、斷線、過載、接地等故障造成停電[2]。因此，研究一種有效機制實現低壓臺區低壓故障停電報警具有重要意義。阿遼沙·葉等[3]通過對比電網數據終端與電能表停上電數據判斷停電原因并報警；徐銘銘等[4]利用停電發生概率以及停電嚴重程度的重復多發性等指標實現停電報警；李澤文等[5]提出基于隨機共振—固有時間尺度分解的行波信號檢測方法實現停電報警。本文以提升停電報警效率，縮短故障報修時間，保障低壓臺區電網穩定為目的，設計基于行波法的低壓臺區低壓故障停電報警系統。

1 低壓臺區低壓故障停電報警系統

1.1 硬件設計

基于行波法的低壓臺區低壓故障停電報警系統的拓撲如圖1所示。

圖1 低壓臺區低壓故障停電報警系統的拓撲Fig.1 Topology diagram of low voltage fault power failure alarm system in low voltage station area

圖1中，PSTN為公用電話交換網[6]，屬于一類具備模擬技術的電路轉換網絡。PSTN的通信成本小，電路轉換的網絡帶寬使用率較小；斷電報警器能夠在低壓臺區低壓故障停電時，自動觸發呼出報警信息；CTI服務器屬于系統的調度部門[7]，管理系統報警信息的呼入與呼出；用戶能夠在Web服務器登錄本文系統；短信貓能夠發出報警信息。基于行波法的低壓臺區低壓故障停電報警系統的層次結構如圖2所示。

圖2 系統的層次結構Fig.2 Hierarchical structure of the system

圖2中，接入層的功能是低壓臺區低壓故障信號的檢測、報警電話的呼叫接入；流程控制層能夠設置停電報警的流程，可管理報警器的響應條件與報警后的相關電網保護措施[8]；業務邏輯層主要服務于用戶，響應用戶的呼叫指令。流程控制層中自動報警模塊結構如圖3所示。

圖3 自動報警模塊結構Fig.3 Structure diagram of automatic alarm module

(1)零序電流檢測器。低壓臺區低壓故障停電時，電流零序分量電流進入自動報警模塊，通過自動報警模塊中二次電流互感器TA傳輸至過流檢測器，通過過流檢測器分辨零序電流是否大于閾值。

(2)主控制器。主控制器獲取過流檢測器傳輸的信號后，執行延時操作，主控制器使用調制解調器Modem往流程控制層發送報警信號[9]。

1.2 基于多點電流測量的輸電線路行波故障定位

故障信息監測模塊采用基于多點電流測量的輸電線路行波故障定位方法實現故障信息定位。使用羅氏電流互感器獲取低壓臺區低壓下的電流行波數據源[10]，使用無線網絡把獲取的故障電流行波數據傳輸至監控中心主機。監控中心故障定位模塊需要分辨相鄰測點中每項電流的相位關聯性，完成故障點定位。然后將每個測點存在的故障初始行波到達時間實施時序有效性檢驗。根據中間故障范圍選取標準，設置用來定位故障的兩端測點，通過不存在故障線路和兩端測點獲取有效行波到達時間在線運算獲取故障行波波速，最終使用雙端行波定位原理定位故障點。

1.2.1 故障范圍定位

根據基于電流故障分量的分相電流相位差動方法，對比近鄰TA中電流故障分類的相位關聯性，以此定位故障范圍。

電力故障分量ΔJ的計算方法是：

ΔJ=Jg-JL

(1)

式中，Jg、JL分別為存在故障的電流與正常電流。

運算電流故障分量前，使用突變量檢測算法分辨故障出現的時間，使用一定周期的電流采樣值通過式(1)運算獲取電流故障分量、電流故障分量的基波相位。若近鄰測點中運算獲取的某相電流故障分量的相位值依次是Δq1與Δq2，使用式(2)分辨故障相別與故障出現在近鄰測點區域內的概率。

|Δq1-Δq2|≤Δqth

(2)

若相位差|Δq1-Δq2|≤閾值Δqth，則此相故障，故障點處于兩個測點范圍中。

1.2.2 波速在線檢測

將最相近故障點兩側的測點設成首級測點，往線路兩側延伸和首級測點近鄰的測點設成第2級測點，同理能夠獲取第m級測點。

定位故障點后，使用首級與第2級測點間線路段運算波速，前提是使用的測點檢測結果存在有效性。第2級測點設為NK-1，首級測點設為NK，兩個測點檢測獲取的故障初始行波抵達測點的時間差設為ΔhK。NK-1與NK間線路長度設為cK。故障行波波速u的運算方法為：

(3)

1.2.3 故障距離運算

故障距離是故障點至用來定位的線路段始端測點的距離。若近鄰測點間線路長度差異不大，使用第2級測點實現故障定位。

鄰近測點間線路長度通常情況下是存在差異的，且此差異不屬于未知數，所以，能夠使用持續延伸值后級測點的形式，選取用來定位的線路段的兩端測點。多測點輸電線路詳情如圖4所示。

圖4中，線路長度cK、cK+2、cK+3、cK+4已知，線路長度cK=cK+2+cK+3，將第2級測點延伸到第3級測點NK+3，把第2級測點NK-1與第3級測點NK+3依次設成始端與末端測點，實現故障點定位。NK+4、NM分別為第4級測點與末端測點。

運算獲取故障行波波速u，設置用來故障點位的線路范圍后，使用雙端行波運算獲取故障距離。若定位獲取的故障范圍不大，也能夠直接獲取定位結果。

圖4 多測點輸電線路詳情Fig.4 Details of transmission line with multiple measuring points

2 實驗結果與分析

為驗證本文所設計基于行波法的低壓臺區低壓故障停電報警系統的應用性能，利用Matlab/Simulink仿真平臺仿真低壓臺區電網運行，采用本文系統對仿真對象低壓故障停電現象進行報警測試。

2.1 實驗環境

實驗過程中仿真的低壓臺區電網結構如圖5所示。

圖5 低壓臺區電網Fig.5 Power grid diagram of low voltage platform area

低壓臺區電網運行參數如下：電網為220 kV雙端輸電線路，總長200 km。故障點設定在側25、50、100、200 km位置。測點設定距離故障點1.5～2.0 m區域，測點間距設定為4 km，用于仿真實際電流測點，在0.5 s時出現停電現象，設定的采樣周期為10×10-6s。故障類型為A相接地、AB兩相短路、高次諧波電流過載和三相短路。設定該電網低壓故障定位誤差閾值為88 m，當本文系統定位誤差小于閾值時，則說明本文系統滿足實際應用需求。

圖3中：Qe1、Qw分別為熱交換前煙氣熱量、濕垃圾熱量；Qe2、Qd、Qg分別為熱交換后煙氣熱量、干垃圾熱量、水蒸氣熱量；Qt為干燥過程中損失的熱量；Ve為煙氣體積；Ww、Wd、Wg分別為濕垃圾質量、干垃圾質量、水蒸氣質量；Te1、Tm1分別為熱交換前煙氣溫度、濕垃圾溫度；Te2、Tm2、Tg分別為熱交換后煙氣溫度、干垃圾溫度、水蒸氣溫度；ce1、ce2分別為熱交換前后煙氣的比熱容；cw、cd分別為濕垃圾、干垃圾的比熱容；cg為水蒸氣比熱容。

2.2 實驗結果

2.2.1 電流行波數據含噪量

本文系統采集的低壓臺區低壓下電流行波數據中噪聲如圖6所示。

圖6 電流行波數據中噪聲Fig.6 Noise content in current traveling wave data

電流行波數據內含有大量噪聲將造成電流行波數據失穩，提升數據分析誤差，對系統低壓故障停電報警的準確性造成顯著影響。分析圖6得到，本文系統采集的電流行波數據中噪聲在前0.6 s中較為穩定，控制在1.5 dB以下；在0.6 s后電流行波數據中噪聲有所提升，但始終低于2 dB。實驗結果顯示本文系統采集到的電流行波數據噪聲較低，利于提升低壓臺區低壓故障停電報警精度。

2.2.2 故障定位精度

(1)不同故障類型條件下定位精度。低壓臺區電網25 km處和200 km處不同低壓故障條件下，本文系統對故障區域的定位結果如圖7所示。

分析圖7能夠得到，當故障點出現在25 km處時，本文系統對不同低壓故障類型定位誤差控制在15 m以內；當故障點出現在200 km處時，本文系統對不同低壓故障類型定位誤差控制在27 m以內。實驗結果說明，隨著故障點距離的延長，本文系統對于故障類型定位誤差有所提升，但定位誤差均顯著低于設定閾值。由此說明，本文系統對不同低壓故障類型具有較高定位精度。

(2)不同故障點條件下定位精度。壓臺區電網不同故障點發生高次諧波電流過載故障條件下，本文系統對故障點的定位結果如圖8所示。

圖7 不同低壓故障下系統故障定位結果Fig.7 Fault location results of the system under different low voltage faults

圖8 不同故障位置下系統故障定位結果Fig.8 Fault location results of the system under different fault locations

分析圖8得到，當不同故障點發生高次諧波電流過載故障時，本文系統故障定位誤差均控制在15 m以內，由此進一步證明本文系統具有較高的定位精度。

2.2.3 報警時間測試

為驗證本文系統對于低壓故障停電報警的效率，對比不同故障點發生AB兩相短路故障條件下本文系統的報警時間，結果如圖9所示。

圖9 報警時間測試結果Fig.9 Alarm time test results

由圖9可知，本文系統針對不同故障點發生AB兩相短路故障條件下的停電報警時間隨著故障點距離的延長呈逐漸提升的趨勢，當故障發生在25 km處時本文系統停電報警時間約為0.5 s；當故障發生在200 km處時本文系統停電報警時間約為0.1 s。由此說明，本文系統具有較高的停電報警效率。

2.2.4 資源占用率

本文系統停電報警過程中的資源占用情況如圖10所示。

圖10 系統運行資源占用率Fig.10 Occupancy rate of system operation resources

由圖10可知，使用本文系統進行停電報警過程中各主要功能CPU占用率低于10%，內存占用率低于6%，說明本文系統運行過程中資源占用率較低，具有節約資源的優勢。

3 結論

本文設計基于行波法的低壓臺區低壓故障停電報警系統，對于不同故障情況進行仿真驗證，結果顯示本文系統能夠準確定位故障點，快速實現停電報警。在其后的研究中，將主要針對本文系統的定位精度進行持續優化，以期提升本文系統的應用性能。