基于突變量波形互異性的故障定位新方法

曹 穎，劉建華，彭云倩，劉詩涵

(長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 湖南長沙410114)

基于突變量波形互異性的故障定位新方法

曹 穎，劉建華，彭云倩，劉詩涵

(長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 湖南長沙410114)

在諧振接地系統(tǒng)中，利用波形相關(guān)性選線定位存在判據(jù)裕度不足，易引起誤判的問題。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，故障上游三相電流突變量波形間差異性與故障下游三相電流突變量波形間差異性的不同，提出了基于突變量波形互異性的故障定位新方法。首先定義了各相互異參數(shù)與各相鄰兩檢測測點之間的故障測度，通過提取線路上各檢測點的三相電流突變量，算取每檢測點三相電流突變量之間的互異參數(shù)，然后計算各檢測點之間的故障測度。仿真結(jié)果顯示純線路或混合線路故障時故障區(qū)段相鄰兩檢測點之間的故障測度最大，而非故障區(qū)段相鄰兩檢測點之間的故障測度均接近于1。因此可知此方法判據(jù)裕度裕度較高，不易發(fā)生誤判，也能適用于混合線路故障區(qū)段檢測。

諧振接地系統(tǒng)；單相接地故障；相電流突變量；波形互異性；互異參數(shù)；故障測度

0 引言

對于小電流接地系統(tǒng)，由于存在故障電流弱的特點，很難定位故障區(qū)段。因此許多學(xué)者對此類問題進行了大量研究，但一些方法還是存在一些局限性，不易運用在結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的配電網(wǎng)中。其中基于行波故障定位方法[1-2]對采樣設(shè)備要求過高，因此投資成本較大，且此方法運用在高壓輸電線路上時效果較好，但運用于配電網(wǎng)故障定位時則效果較差。基于小波變換選線定位方法[3]由于把故障特征比較明顯的電氣量作為特征量，因此判別正確率較高，但若小波基選取不當(dāng)，則會使判別結(jié)果差。基于聚類選線定位[4]等數(shù)學(xué)融合方法如今研究較多，可以適用于多種故障類型判別，但若訓(xùn)練樣本選取不合理，也會造成判別結(jié)果較差?；诹阈螂娏鞑ㄐ蜗嚓P(guān)性[5-6]或零序功率波形相關(guān)性[7]定位方法運用在純架空線路上時效果較好，但運用在混合線路中時其判據(jù)裕度較低，易引起誤判。

因此本文提出了基于突變量波形互異性的故障定位新方法，通過利用各檢測點各相電流突變量波形之間的差異性進行故障區(qū)段定位。仿真結(jié)果表明本方法判據(jù)裕度較高，且具有適用于混合線路故障區(qū)段定位的優(yōu)點。

1 互異參數(shù)理論

根據(jù)文獻[8]可知故障上游各檢測點具有兩非故障相電流突變量幅值小、波形大致相同，而故障相電流突變量幅值較大，且與其所在檢測點的非故障相電流突變量波形不一致的特點；對于故障下游，各檢測點則具有三相電流突變量幅值、波形大致相同的特點。因此本文定義了互異參數(shù)α如公式(1)所示，以此刻畫故障上游與故障下游各相電流突變量波形的差異性。

(1)

式中：ikx、iky、ikz分別為檢測點k的x、y、z三相電流突變量，由故障后一個周期的信號數(shù)據(jù)減去故障前一個周期信號數(shù)據(jù)所得到；N為一個周期的數(shù)據(jù)長度；n為采樣點序列，當(dāng)n=1時此刻為故障發(fā)生時刻，即系統(tǒng)零序電壓大于15%額定電壓的時刻，也表示提取突變量起始時刻，當(dāng)n=N時此刻為提取突變量截止時刻；αkx為檢測點k的x相互異參數(shù)。

通過公式(1)可知當(dāng)檢測點三相電流突變量幅值、波形大致相同時，則各相互異參數(shù)均較小，接近于1，而當(dāng)檢測點一相電流突變量比其余兩相電流突變量幅值較大時，則該相互異參數(shù)較大，相對而言其余兩相互異參數(shù)較小。而通過文獻[8]也可知突變量波形僅在故障區(qū)段相鄰兩檢測點之間發(fā)生了較大突變，因此再結(jié)合上述分析可知故障上游各檢測點三相最大互異參數(shù)大致相同，且數(shù)值較大，而故障下游各檢測點三相最大互異參數(shù)大致相同，且數(shù)值較小，均接近于1。

2 故障測度判據(jù)

故障區(qū)段相鄰兩檢測點的三相最大互異參數(shù)相差較大，且兩檢測點中故障上游檢測點互異參數(shù)較大，而故障下游檢測點互異參數(shù)較小。因此通過定義故障測度β刻畫相鄰兩檢測點三相最大互異參數(shù)的差異：

(2)

式中：βjk為兩相鄰檢測點j、k之間的故障測度，且檢測點j更靠近母線側(cè)。

因此可知非故障區(qū)段相鄰兩檢測點之間的故障測度為1，而故障區(qū)段相鄰兩檢測點之間的故障測度遠(yuǎn)大于1。那么可設(shè)取一閥值βset判斷故障區(qū)段，當(dāng)相鄰兩檢測點的故障測度大于此閥值，則為故障區(qū)段，否則為非故障區(qū)段。通過仿真可知βset設(shè)為4時故障判據(jù)有很好的判據(jù)裕度，具體故障區(qū)段定位流程圖如圖1所示，其中U0、Um分別為系統(tǒng)零序電壓和額定電壓。

圖1 故障定位流程圖

3 仿真驗證分析

本文利用ATP搭建某10kV配電網(wǎng)諧振接地系統(tǒng)模型如圖2所示，在此基礎(chǔ)上進行仿真驗證分析，其線路參數(shù)[9-10]如表1～2所示。

圖2 仿真模型

圖2中a、b、c、d4個檢測點分別位于線路1的3 km、4 km、5 km、6 km處，e、f、g、h4個檢測點分別位于混合線路2的8 km、9 km、10 km、11 km處。消弧線圈采用過補償方式運行，補償度為8%，消弧線圈電感值為0.947 H，根據(jù)文獻[11]要求設(shè)置；每條線路負(fù)荷用一個(400+j20)Ω的阻抗代替；采樣頻率為100 kHz,仿真時間設(shè)為0.045 s。

表1 架空線路參數(shù)

表2 電纜線路參數(shù)

現(xiàn)模擬bc區(qū)段發(fā)生了合閘角0°、過渡電阻500 Ω、故障相為A相的單相接地故障。線路1各檢測點的相電流突變量如圖3～6所示。

圖3 檢測點a處各相突變量

圖4 檢測點b處各相突變量

圖5 檢測點c處各相突變量

圖6 檢測點d處各相突變量

現(xiàn)根據(jù)公式(1)可到得到相應(yīng)的各檢測點三相互異參數(shù)矩陣D1如下所示。其中D1kx表示檢測點k的x相互異參數(shù)。通過各檢測點三相互異參數(shù)可知，對于故障上游a、b兩檢測點，故障相互異參數(shù)較大且大致相等，而其剩余兩相互異參數(shù)均較小；對于故障下游c、d兩檢測點，兩者三相互異參數(shù)均較小且大致相等，與上述理論分析相符?，F(xiàn)通過公式(2)可得到ab、bc、cd相鄰檢測點的故障測度分別為{1.01，138.30，1.09}，可知故障區(qū)段bc段故障測度遠(yuǎn)大于閥值4，而故障區(qū)段ab、cd故障測距均接近于1，因此此方法能準(zhǔn)確地判別出bc段為故障區(qū)段。

4 適應(yīng)性分析

為了較好地驗證此方法在架空線路上的適用性，現(xiàn)模擬架空線路1上不同檢測點區(qū)段在不同故障條件下發(fā)生了單相接地故障，其各檢測點區(qū)段故障測度及判別結(jié)果如表3所示。結(jié)果可知故障區(qū)段的故障測度值遠(yuǎn)大于閥值，尤其是在合閘角為90°時其值達(dá)到上千，而非故障區(qū)段的故障測度值則均接近于1，故障判別效果非常好，因此此方法能較好地應(yīng)用在架空線路。

表3 架空線路1區(qū)段故障時線路1各區(qū)段故障測度與判別結(jié)果

為了進一步研究此方法在結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的配電網(wǎng)的適用性，現(xiàn)模擬混合線路2上不同檢測點區(qū)段在不同故障條件下發(fā)生了單相接地故障，其各檢測點區(qū)段故障測度及判別結(jié)果如表4所示。通過表中結(jié)果可知此方法運用在混合線路上時其故障判據(jù)裕度也較好，不易發(fā)生誤判，因此可知此方法適用于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的配電網(wǎng)系統(tǒng)。

表4 混合線路2區(qū)段故障時線路2各區(qū)段故障測度與判別結(jié)果

5 結(jié)論

本文所提出的基于基于突變量波形互異性的故障定位新方法能很好地應(yīng)用在架空、混合線路故障區(qū)段定位中，沒有傳統(tǒng)方法適用對象單一的弊端，且非故障區(qū)段的故障測度值均接近于1，而故障區(qū)段的故障測度值較大，遠(yuǎn)大于閥值，其故障判別裕度較高，不易發(fā)生誤判，適合于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的配電網(wǎng)故障區(qū)段定位。

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A New Method of Fault Location Based on the Dissimilarity of Waveform of Sudden Variable

CAO Ying, LIU Jianhua, PENG Yunqian, LIU Shihan

(College of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China )

In the resonant grounding system, the problem of the insufficient criterion margin for the line selection by the waveform correlation exists, which could cause the problem of false detection. According to the principle that the variability between the sudden variables of three phase currents in the upstream is different with in downstream when the single-phase grounding fault occurs in the system, a new method for fault location based on the dissimilarity of waveform of a sudden variable is proposed. Firstly, this paper defines the dissimilarity parameters and the fault measure between the two adjacent points. Then the dissimilarity parameters between the sudden variables of three phase currents of each detection point are obtained after the sudden variables of three phase currents are extracted from every detection point. Finally, the fault measure between the two adjacent points is calculated. The simulation results show that fault measure between the two adjacent detection points in the fault section is the largest under the situation of the fault pure lines or hybrid lines, and the fault measure between the adjacent two detection points in the non-fault section is close to one. Therefore, this method has the higher criterion margin, and it is not easy to cause the problem of false detection. What’s more, it can be applied to the fault section detection for hybrid lines.

resonant grounding system；single phase to grounding fault；the sudden variable of phase current；dissimilarity of waveform；dissimilarity parameter；fault measure

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.03.006

2016-10-28。

TM73

A

1672-0792(2017)03-0031-05

曹穎(1992-)，女，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制。