基于混合直流交流系統的一體化故障測距儀設計

摘 要：為解決混合直流交流輸電系統中故障測距的問題，本文采用雙D型行波原理，通過捕獲混合直流交流輸電系統內部故障引發的初始行波，對行波在系統兩端到達的時間差進行測量，計算故障點到兩端測量點的距離。故障測距系統包括2臺故障行波采集裝置、行波故障分析主站和通信網絡。通過GPRS/CDMA網絡傳送故障行波數據至分析主站，生成雙端行波故障測距結果。仿真結果顯示，本文方法在發生大規模故障的情況下可識別出130個故障。在測距精度方面，本文方法的測距精度高于其他方法，為混合直流交流系統的故障定位提供了一種高效可靠的解決方案。

關鍵詞：輸電系統；故障測距儀；D型雙端行波；通信網絡；測距精度

中圖分類號：TH 73" " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

故障測距儀[1]是電力系統中一種重要的設備，用于快速、準確地檢測電力系統中的故障位置，以便及時采取措施進行修復。在電力系統中，混合直流交流系統[2]是一種集成了直流和交流元素的復雜系統，故障的檢測和定位[3]尤為關鍵，因為故障可能導致系統不穩定，所以影響了整個電力網絡[4]的運行。

高淑萍等[5]采用小波閾值去噪和互補集合經驗模態分解與希爾伯特變換相結合的混合三端直流輸電線路測距策略。侯偉等[6]研究混合輸電線路的故障行波傳播特性，包括反射和折射特性，并建立相應的故障測距模型，模擬線路上出現不同位置的直接金屬接地故障和過渡電阻接地故障的情況。

本文通過傳感器采集混合直流交流系統內部發生的故障引起的初始行波信號。記錄采集的行波信號數據，并儲存在測距儀內，利用GPRS/CDMA通信網絡，將從采集設備獲取的故障行波數據傳輸至行波故障分析主站。主站采用D型雙端行波原理，自動分析記錄的行波數據，以精確識別故障并進行測距計算。主站自動處理數據，生成準確的雙端行波故障測距結果。

1 混合直流交流系統原理

1.1 總體流程

混合直流交流系統總體流程如圖1所示，首先，啟動混合直流交流系統。首先，在初始階段系統以直流方式運行。獲取系統在運行過程中的遙控信號和遠程測量數據。對讀取的數據進行預處理，保證數據質量和適用性。通過分析數據，估計混合系統的收斂網絡拓撲。其次，判斷系統是否存在故障，如果有故障，則執行相應的處理。對系統的狀態和參數進行處理，為進一步判斷和估計提供準備。通過數據處理，判斷直流電流是否滿足條件。再次，檢查系統信息是否收斂，即系統各組件的狀態是否趨于穩定。如果系統信息收斂，則進入直流方式運行。系統以直流方式運行，供應直流負載和逆變器分別提供直流電力和將其轉換為交流電力，以供應交流負載。在以直流方式運行的同時，估計交流系統的狀態。最后，判斷交流系統是否滿足預定條件。如果滿足條件，則結束收斂，交流狀態估計完成。完成系統收斂，保證混合直流交流系統處于合適的運行狀態。系統完成直流方式運行后，通過估計交流狀態對混合直流交流系統進行全面監測和管理，保證混合直流交流系統正常運行。

1.2 雙端行波計算

混合直流交流輸電系統[7]故障測距，須結合D型雙端行波原理，通過捕捉系統內部故障引發的初始行波，測算當行波到達系統兩端時的時間差，以此計算故障點和兩端測量點的距離。在混合直流交流系統中，這種方法能夠有效地定位故障點，通過分析行波傳播的時間差異，實現了高精度的故障測距，為系統的可靠性和穩定性提供了重要支持。

假設接地極線路MN發生故障產生初始行波浪涌，該行波以特定傳播速V分別到達系統的一端M和另一端母線N。在測得的絕對時間tM和tN內，可以計算出行波到達故障點的時間差。基于這一信息，可以推算出故障點距離系統一端M和另一端母線N的距離，如公式（1）、公式（2）所示。

DMF=[v0（tM-tN）+l] （1）

DNF=[v0（tN-tM）+l] （2）

式中：DMF和DNF為M端和N端到故障點的距離；l為接地極線路MN的長度；V0為初始速度。

從公式（1）、公式（2）中可知，實現D型雙端行波需要獲取準確的行波浪涌數據，并確定適當的行波速度。同時采取措施提高行波信號tM的采集頻率，保證線路兩端數據采集的同步性，并解決極址處故障行波采集裝置的電源供應問題。

處理電纜反饋的故障波前，采用基于混合普羅尼分析的信號分解，提取可識別故障信號特征的參數。當電纜反饋的信號x（n）輸入時，指數分量的線性組合如公式（3）所示。

（3）

式中：M為命令或信號的分量數量；n為信號采樣的總數；Sm和Zmp的參數定義如公式（4）、公式（5）所示。

Sm=Vmeiθ （4）

Zm=egmj2πijt （5）

式中：、VmSm、gm和fm分別為信號x（n）的第m個指數成分的振幅、相位角、阻尼因子和頻率；Zm為指數成分的角頻率；j為虛數單位；i為復數中的虛部；f為周期性事件頻率；θ為信號在某一時刻相對于參考點的相位位置。每個指數成分的這4個參數可以按照采樣間隔的順序，在數據的狀態空間中依次生成。

2 一體化故障測距儀總體架構

2.1 系統結構

基于混合直流交流系統的一體化故障測距儀[8]的整體結構如圖2所示。系統總體架構如下。

2.1.1 故障行波采集裝置

安裝在混合直流交流系統的關鍵節點，例如接地極線路的換流站和極址處。采用防雨、防潮、防塵的耐腐蝕材料制成機箱，內部配置專門設計的小型電流互感器。通過GPS進行時鐘同步，以保證采集裝置之間的數據同步性。

2.1.2 行波故障分析主站

安裝在系統的關鍵位置，可以集中安裝在與換流站一側的采集裝置相連的站內，也可以獨立安裝在其他位置。負責接收通過通信網絡傳輸的故障行波數據。利用D型雙端行波原理自動分析記錄行波數據，實現故障識別和測距計算。

2.1.3 通信網絡

使用GPRS/CDMA通信網絡，保證能夠數據高效傳輸。將故障行波數據從故障行波采集裝置傳送至行波故障分析主站。

2.1.4 電源系統

采用太陽能光伏電池模塊為故障行波采集裝置提供工作電源，保證系統的可持續運行。在極址處的采集裝置使用防雨、防潮和防塵的機箱，保證電源系統的穩定性。

該一體化故障測距儀利用集成故障行波采集、數據傳輸、分析和測距計算等功能，對混合直流交流系統故障進行高效、自動化地檢測。

2.2 設計流程

系統的設計流程如圖3所示。在一體化故障測距儀中，硬件和軟件都需要初始化，以保證系統處于可運行狀態。系統正常開啟，準備接受輸入信號并進行處理。系統通過檢測輸入信號中的異常或檢查系統自身的狀態進行故障判斷。如果存在故障，系統就將進入故障處理分支。之后，系統可能產生高頻脈沖信號，這是一種測距信號，用于對故障測距進行特殊處理。系統中有1個計算器控制單元，用于對接收到的信號進行處理和計算，這個階段可能涉及距離計算或其他相關的處理。系統判斷當前任務是否結束，判斷是否完成距離測量或故障定位任務。如果判斷任務結束，系統就將進入結束階段。任務結束后，系統可能還需要進行反射波計算，以獲取更多關于故障位置或測距的信息。

在該流程中，關鍵步驟是故障判斷和高頻脈沖產生，用于引發并處理故障測距的相關計算和操作。計算器控制單元負責對信號進行處理和計算，最終判斷是否完成任務。如果任務結束，系統就將進行反射波計算，以獲取額外的信息。在一體化故障測距儀中，這個設計流程可以檢測電力系統中的故障。

3 測試結果分析

為驗證系統準確性，本文使用ATPEMTP和Matlab7.0仿真軟件建立了10 kV配電電纜系統模型。在仿真試驗中，以單相接地故障為目標進行比較，電纜的電氣參數設置為20.5 mΩ/km，并假設故障發生在第一條10 km的電纜上。將本文所設計的方法與自適應RLS濾波的電纜故障定位算法以及基于雙端故障參數測距方法的故障定位算法進行了對比。

隨著電纜故障數量增加，3種方法在故障準確識別方面的性能如圖4所示。在故障數量較低的情況下，3種方法表現出相似的故障識別能力。例如，當故障數量為20個時，3種算法都能夠準確識別相同數量的故障。然而，當故障數量增加到30個時，本文方法、自適應RLS濾波方法和電纜故障定位分別識別出30個、25個和26個故障。在故障數量較多的情況下，本文方法展現出更好的故障識別能力。以故障數量160個為例，本文方法、自適應RLS濾波方法和電纜故障定位分別識別出130、120和124個故障。這表明在發生大規模故障的情況下，本文方法在故障識別方面具有更高的準確性。

各種方法在不同故障距離下的測距精度如圖5所示，隨著故障距離增加，各方法的測距精度逐漸降低。以故障距離從10 km～80 km為例，本文方法的測距精度由93.4%下降至73.2%，自適應RLS濾波方法由87.5%下降至60.2%，基于雙端故障參數測距方法由88.2%降至56.7%。與自適應RLS濾波方法相比，本文方法的平均測距精度提高了12.17%，與基于雙端故障參數測距方法相比，提高了15.25%。因此，本文所提出的方法與對比方法相比，具備更高的故障測距精度。這是由于本文的故障測距儀率先運用D型雙端行波原理對故障信號進行分解，從而產生易于分析的信號形式，這有助于提升系統對故障信號的準確定位精度。

4 結論

本文提出的混合直流交流系統的一體化故障測距儀設計，在10 kV配網電纜系統的仿真試驗中，驗證了準確性和優越性。本文采用ATPEMTP和Matlab7.0仿真軟件建立了電纜系統的仿真模型，以模擬實際運行中可能發生的單相接地故障。在故障個數較多的情況下，與對比方法相比，本文方法表現出更好的故障識別能力。當故障數量為160個時，本文方法成功識別了130個故障，而對比算法則分別識別出120和124個故障。此外，隨著故障距離增加，各種方法的測距精度逐漸降低，但是本文方法在大范圍故障距離下依然保持相對較高的精度。以故障距離從10 km增加到80 km為例，本文方法的平均測距精度與自適應RLS濾波方法相比，提高了12.17%，與基于雙端故障參數測距方法相比，提高了15.25%。綜上所述，本文提出的混合直流交流系統的一體化故障測距儀設計在故障識別和測距精度方面都表現出顯著的優越性，該設計為混合直流交流輸電系統的故障管理提供了可靠而高效的解決方案。

參考文獻

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