新型10kV配電線路缺相故障定位方法

龐興沛 徐欣慰 岑建福

摘 要：針對10kV配電線路常見的缺相故障，文章提出一種新型的缺相故障定位方法。該方法結(jié)合C型行波故障定位法和小波包分解方法可以迅速準(zhǔn)確地完成線路缺相故障的定位。該方法的步驟是：首先采用C型行波方法進行故障距離的測量；然后應(yīng)用小波包方法對信號進行多頻帶分解，以便分離噪聲對特征波的影響；最后比較故障前后特征波的差異確定故障區(qū)段。文章利用PSCAD/EMTDC軟件來模擬實際線路的缺相故障情況，仿真的結(jié)果驗證了該方法對缺相故障定位的有效性。

關(guān)鍵詞：10kV配電線路；缺相故障；故障定位；C型行波法；小波包

1 背景及意義

10kV配電線路具有線路長、分支多、覆蓋面廣的特點，運行環(huán)境復(fù)雜多變，其中，10kV配電線路的缺相運行是經(jīng)常發(fā)生的一類故障，當(dāng)線路發(fā)生缺相事故后，需及時對故障進行定位，以便迅速清除故障恢復(fù)電路正常供電。主要有區(qū)阻抗法、行波法和智能法實現(xiàn)故障定位[1]。針對10kV線路缺相故障，提出一種新型定位方法。仿真結(jié)果表明該方法可實現(xiàn)對缺相故障快速準(zhǔn)確地定位。

2 C型行波法及小波包分析法

由于10kV配電線路分支多，暫態(tài)信號在分支點之間來回折反射會造成信號的衰減和畸變。當(dāng)配電線路的分支較多的時候，故障點產(chǎn)生暫態(tài)信號返回監(jiān)測點時已經(jīng)十分微弱，難于被識別。C型行波法不利用故障發(fā)生時產(chǎn)生的行波信號，而是在線路故障后，在線路始端注入一個行波信號，行波在線路中傳輸遇到波阻抗不連續(xù)點就會發(fā)生反射和折射。在檢測點接收并識別來自故障點的特征波，根據(jù)注入信號時刻和特征波返回時刻的時間差和波速來確定故障距離。

如圖1所示，A點發(fā)生缺相故障，在0時刻由檢測點M向線路注入一個行波信號，行波信號到達斷點A后發(fā)生反射，在T時刻返回到檢測點M。設(shè)檢測點M到斷點A的距離為S，v是波速，則故障距離計算公式為：

配電線路處在露天的工作環(huán)境，難免受到各種噪聲的干擾，直接對線路返回的行波信號進行分析存在行波特征被噪聲掩蓋的可能，增加對特征波識別的難度。小波包是一種小波分析方法，其不僅對信號的低頻部分進行分解，同時也對高頻部分進行分解。利用小波包對行波信號進行分解和重構(gòu)，可以從低頻部分和高頻部分更加精細地分析行波信號，從而找出行波信號中的奇異點和突變部分。

3 故障區(qū)段的判斷

對于含有分支的線路，線路上除了故障點之外還可能存在同樣符合故障距離的偽故障點。圖2是某10kV配電線路的簡化線路示意圖，在C點發(fā)生斷線故障。由C行波測距法測得故障距離為5km。單由故障距離作判斷，故障可能發(fā)生在AF、HB和BE段。為了確定具體的故障發(fā)生點，還需要進行故障區(qū)段的判斷。故障區(qū)段是指線路拓撲結(jié)構(gòu)相鄰兩點之間的線路區(qū)段。

對于一條網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)固定的線路，行波的傳播速度也是一定的，所以根據(jù)線路的距離和波速可以預(yù)計出各個波阻抗不連續(xù)點的反射波所到達檢測點的時間。正常運行時，首端發(fā)射的行波，在T時刻經(jīng)E節(jié)點返回到檢測點。線路C點發(fā)生斷線故障后，T時刻不再有特征波從E節(jié)點反射回檢測點。而故障前后，F(xiàn)和H節(jié)點的返回的特征波變化不大。因此，可以通過分析每一個可能故障區(qū)段的末端點對應(yīng)時刻的故障前后特征波變化來判斷是否為故障區(qū)段。判據(jù)是故障區(qū)段的末端點對應(yīng)時刻的特征波變化較大，而非故障區(qū)段的末端點對應(yīng)時刻的特征波變化很小[2]。

4 仿真實驗結(jié)果

依據(jù)圖2的模型，利用PSACD搭建的仿真線路模型。仿真線路使用分布參數(shù)的單相線路，節(jié)點間線路使用頻率相關(guān)行波模型，線路波阻抗為400Ω。在線路始端注入一個電壓脈沖信號，其幅值和寬度大小分別為10kV和1us。該線路在CD兩點間發(fā)生斷線故障[3]。

故障后，在首端注入脈沖信號，在母線首端A點進行采樣，檢測反射行波信號，在行波信號中加入20dB的高斯白噪聲。圖3（a）是線路正常時的行波波形，圖3（b）是發(fā)生斷線故障時的行波波形，將正常線路與故障線路波形相減，得到波形差信號如圖3（c）所示。

對波形差進行小波包分解和重構(gòu)，選用coif5作小波函數(shù)，進行三層小波包分解和重構(gòu)，分為八個頻帶，其中在第一頻帶上既能表現(xiàn)出節(jié)點的特征波體現(xiàn)出奇異點突變部分，又能很好的消除噪聲的影響，如圖3（d）所示。故障圖形第一個明顯的信號突變時刻，即為故障特征時刻，測距精度滿足實際要求。

在完成故障距離之后，會發(fā)現(xiàn)在這個距離區(qū)段，有3個分支AF、BH和BE段。F、H和E節(jié)點對應(yīng)時刻分別為242us、248.7us和268.8us。利用公式，取為20，可得對應(yīng)的波形差的特征波能量為0.11、0.13和6.46?？梢?，E節(jié)點的特征波能量最大，而其余兩個節(jié)點的特征波能量就小得多，故判斷故障區(qū)段為BE，與實際情況相符。

5 結(jié)束語

文章提出了基于C型行波測距的10kV配電線路缺相故障的定位方法。該方法結(jié)合特征波行波定位法和小波包分解方法，可以準(zhǔn)確定位缺相故障的位置。通過PSCAD/EMTDC軟件仿真的結(jié)果表明該方法計算量很小，故障距離的測量誤差小，故障分支識別的準(zhǔn)確率高。即使在復(fù)雜的多分支配電線路中，該方法也可以準(zhǔn)確快速的完成缺相故障的定位。

參考文獻

[1]彭玉華.小波變換與工程應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，1999.

[2]徐汝俊.10kV配電線路單相接地故障定位方法的研究[D].華北電力大學(xué)，2011.

[3]嚴(yán)鳳，劉文軒，董維，等.新型10kV配電線路綜合故障定位方法[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2012，24（6）：117-122.