新型10kV配電線路缺相故障定位方法

孫顯酉

摘要：文章利用PSCAD/EMTDC軟件來模擬實(shí)際線路的缺相故障情況，仿真的結(jié)果驗(yàn)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；故障定位；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(diǎn)，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，其中，10kV配電線路的缺相運(yùn)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(shí)對故障進(jìn)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(shí)現(xiàn)故障定位。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(shí)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(hào)在分支點(diǎn)之間來回折反射會(huì)造成信號(hào)的衰減和畸變。當(dāng)配電線路的分支較多的時(shí)候，故障點(diǎn)產(chǎn)生暫態(tài)信號(hào)返回監(jiān)測點(diǎn)時(shí)已經(jīng)十分微弱，難于被識(shí)別。C型行波法不利用故障發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的行波信號(hào)，而是在線路故障后，在線路始端注入一個(gè)行波信號(hào)，行波在線路中傳輸遇到波阻抗不連續(xù)點(diǎn)就會(huì)發(fā)生反射和折射。在檢測點(diǎn)接收并識(shí)別來自故障點(diǎn)的特征波，根據(jù)注入信號(hào)時(shí)刻和特征波返回時(shí)刻的時(shí)間差和波速來確定故障距離。

如圖1所示，A點(diǎn)發(fā)生缺相故障，在0 時(shí)刻由檢測點(diǎn)M 向線路注入一個(gè)行波信號(hào)，行波信號(hào)到達(dá)斷點(diǎn)A后發(fā)生反射，在T時(shí)刻返回到檢測點(diǎn)M。設(shè)檢測點(diǎn)M到斷點(diǎn)A的距離為S，v是波速，則故障距離計(jì)算公式為：

S=v*T/2 （1）

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(hào)進(jìn)行分析存在行波特征被噪聲掩蓋的可能，增加對特征波識(shí)別的難度。小波包是一種小波分析方法，其不僅對信號(hào)的低頻部分進(jìn)行分解，同時(shí)也對高頻部分進(jìn)行分解。利用小波包對行波信號(hào)進(jìn)行分解和重構(gòu)，可以從低頻部分和高頻部分更加精細(xì)地分析行波信號(hào)，從而找出行波信號(hào)中的奇異點(diǎn)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(diǎn)之外還可能存在同樣符

合故障距離的偽故障點(diǎn)。圖2是某10kV配電線路的簡化線路示意圖，

在C點(diǎn)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(diǎn)，還需要進(jìn)行故障區(qū)段的判斷。故障區(qū)段是指線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相鄰兩點(diǎn)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(jì)出各個(gè)波阻抗不連續(xù)點(diǎn)的反射波所到達(dá)檢測點(diǎn)的時(shí)間。正常運(yùn)行時(shí)，首端發(fā)射的行波，在T時(shí)刻經(jīng)E 節(jié)點(diǎn)返回到檢測點(diǎn)。線路C點(diǎn)發(fā)生斷線故障后，T時(shí)刻不再有特征波從E節(jié)點(diǎn)反射回檢測點(diǎn)。而故障前后，F(xiàn)和H節(jié)點(diǎn)的返回的特征波變化不大。因此，可以通過分析每一個(gè)可能故障區(qū)段的末端點(diǎn)對應(yīng)時(shí)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(diǎn)對應(yīng)時(shí)刻的特征波變化較大，而非故障區(qū)段的末端點(diǎn)對應(yīng)時(shí)刻的特征波變化很小[2]。

4 仿真實(shí)驗(yàn)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(diǎn)間線路使用頻率相關(guān)行波模型，線路波阻抗為400贅。在線路始端注入一個(gè)電壓脈沖信號(hào)，其幅值和寬度大小分別為10kV和1us。該線路在CD兩點(diǎn)間發(fā)生斷線故障[3]。

故障后，在首端注入脈沖信號(hào)，在母線首端A點(diǎn)進(jìn)行采樣，檢測反射行波信號(hào)，在行波信號(hào)中加入20dB的高斯白噪聲。圖3（a）是線路正常時(shí)的行波波形，圖3（b）是發(fā)生斷線故障時(shí)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(hào)如圖3（c）所示。

對波形差進(jìn)行小波包分解和重構(gòu)，選用coif5作小波函數(shù)，進(jìn)行三層小波包分解和重構(gòu)，分為八個(gè)頻帶，其中在第一頻帶上既能表現(xiàn)出節(jié)點(diǎn)的特征波體現(xiàn)出奇異點(diǎn)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(gè)明顯的信號(hào)突變時(shí)刻，即為故障特征時(shí)刻，測距精度滿足實(shí)際要求。

在完成故障距離之后，會(huì)發(fā)現(xiàn)在這個(gè)距離區(qū)段，有3 個(gè)分支AF、BH 和BE段。F、H和E節(jié)點(diǎn)對應(yīng)時(shí)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。可見，E節(jié)點(diǎn)的特征波能量最大，而其余兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的特征波能量就小得多，故判斷故障區(qū)段為BE，與實(shí)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(jì)算量很小，故障距離的測量誤差小，故障分支識(shí)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(xiàn)：

[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