結(jié)合FTU實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障診斷的行波定位方法

顧健 郭元萍 李波

摘? ?要：針對(duì)電力配電網(wǎng)系統(tǒng)的故障情況，提出了FTU采集單元與行波定位法相結(jié)合的配電網(wǎng)接地故障定位診斷方法。通過(guò)FTU采集單元對(duì)配電網(wǎng)線路中的故障信號(hào)進(jìn)行采集，實(shí)時(shí)獲取配電網(wǎng)系統(tǒng)中的不同監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的暫態(tài)電壓和暫態(tài)電流數(shù)據(jù)，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換單元將采集到的原始故障波電壓、電流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)利用行波定位方法對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，利用EMD算法分析出信號(hào)中的模態(tài)混疊現(xiàn)象和端點(diǎn)效應(yīng)，采用VMD算法對(duì)獲取的故障信號(hào)分解，通過(guò)該方法大大減少配電網(wǎng)故障信號(hào)中的偽分量，有效地去除信號(hào)噪音，再利用行波定位公式計(jì)算配電網(wǎng)故障位置，得出故障信息。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示，設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)故障診斷方法誤差較小。

關(guān)鍵詞：電力配電網(wǎng)系統(tǒng);FTU采集單元;A/D轉(zhuǎn)換單元;EMD算法;VMD算法

中圖分類號(hào)：TM63? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Traveling Wave Positioning Method for Fault Diagnosis

of Distribution Network Based on FTU

GU Jian1?，GUO Yan-ping1，LI Bo2

（1. Bijie Power Supply Bureau，Guizhou Power Grid Co.，Ltd.，Bijie，Guizhou 551700，China;

2. Bijie Suburban Power Supply Bureau，Guizhou Power Grid Co.，Ltd.，Bijie，Guizhou 551700，China）

Abstract：Aiming at the fault condition of the power distribution network system，a fault diagnosis method for the grounding fault of the distribution network based on the FTU acquisition unit and the traveling wave positioning method is proposed. The FTU acquisition unit collects the fault signals in the distribution network line，and obtains the transient voltage and transient current data of different monitoring nodes in the distribution network system in real time，and collects the original faults through the A/D conversion unit. The wave voltage and current analog signals are converted into digital signals，and the computer processing system analyzes and calculates the received digital signals by using the traveling wave positioning method. The EMD algorithm is used to analyze the modal aliasing phenomenon and the endpoint effect in the signal. The VMD algorithm is used to decompose the acquired fault signal. This method greatly reduces the pseudo component in the fault signal of the distribution network，effectively removes the signal noise，and reuses it. The traveling wave positioning formula calculates the fault location of the distribution network and obtains the fault information. The test data indicates that the error of the distribution network fault diagnosis method designed is small.? ? ? ?.

Key words：power distribution network system;FTU acquisition unit;A/D conversion unit;EMD algorithm;VMD algorithm

隨著配電網(wǎng)電力系統(tǒng)的應(yīng)用和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)中輸電線路的負(fù)荷量呈劇烈增加的趨勢(shì)[1-3]。其中電網(wǎng)配電網(wǎng)系統(tǒng)中線路故障測(cè)距技術(shù)對(duì)于配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮著極其重要的作用。由于電力配電用戶對(duì)電力電網(wǎng)的安全運(yùn)行要求比較嚴(yán)格，在運(yùn)行過(guò)程中，需要快速、準(zhǔn)確地查找輸電線路故障點(diǎn)位置[4-6]，保證故障的快速、及時(shí)隔離是實(shí)現(xiàn)電力、電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。在常規(guī)方法應(yīng)用中，當(dāng)電力配電網(wǎng)線路遇到故障時(shí)，通常由現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)豐富的工作人員綜合搜集電力系統(tǒng)用戶提供的信息[7-9]，對(duì)潛在事故發(fā)生的位置進(jìn)行綜合診斷，然后再派遣巡線工作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人工排查，以進(jìn)一步確認(rèn)故障位置，根據(jù)位置情況來(lái)排除故障。這種方法不僅效率低，還容易出錯(cuò)[10-12]。

電力配電網(wǎng)系統(tǒng)的故障診斷方法具有實(shí)時(shí)性不足、精確度低等問(wèn)題，如何能夠快速、準(zhǔn)確地定位單相接地故障發(fā)生位置，對(duì)于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[13-14]。

1? ?整體方案設(shè)計(jì)

在本技術(shù)方案中，采用FTU采集單元采集配電網(wǎng)電路中的故障電流、電壓數(shù)據(jù)，對(duì)故障行波傳播時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。如圖1所示，在本設(shè)計(jì)中，通過(guò)配電網(wǎng)電路采集信號(hào)，然后將采集到的信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換單元將檢測(cè)到的原始故障波電壓、電流信號(hào)進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，最終轉(zhuǎn)換成單片機(jī)、計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。然后根據(jù)行波傳輸?shù)幕纠碚撚?jì)算故障位置。當(dāng)配電網(wǎng)系統(tǒng)中的單相接地發(fā)生故障時(shí)，則接地點(diǎn)的電壓呈現(xiàn)為零的狀態(tài)，這將等效為配電網(wǎng)故障信號(hào)瞬間在接地點(diǎn)附加與原電壓值相等、相位相反的附加電壓源，附加電源在故障瞬間瞬時(shí)接入，在故障點(diǎn)產(chǎn)生行波電壓和電流信號(hào)。

計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)能夠?qū)@取到的暫態(tài)電壓、電流數(shù)據(jù)形成檢測(cè)點(diǎn)波形，其中在配電網(wǎng)電路中，故障檢測(cè)點(diǎn)波形包括位于同一線路上的所有檢測(cè)點(diǎn)形成的波形和同一檢測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間形成的波形，通過(guò)行波故障定位分析模型來(lái)分析配電網(wǎng)系統(tǒng)中的故障信息。配電網(wǎng)故障診斷方法在下文中將詳細(xì)介紹。分析出的數(shù)據(jù)可以通過(guò)本地?cái)?shù)據(jù)共享，也可以上傳到遠(yuǎn)端進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，用戶通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心監(jiān)控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2? ?配電網(wǎng)故障診斷方法

根據(jù)行波定位原理的不同，可將行波定位法分為單端行波法和雙端行波法，現(xiàn)以單端行波法作為配電網(wǎng)故障診斷的方法進(jìn)行說(shuō)明。在采用行波定位方法進(jìn)行診斷配電網(wǎng)故障診斷時(shí)，首先對(duì)行波定位方法的原理進(jìn)行以下說(shuō)明，如圖2所示。圖2為配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。假設(shè)其由3條配電線路L1、L2、L3組成，在配電網(wǎng)線路上設(shè)置行波測(cè)量裝置，在設(shè)置該裝置時(shí)，將其設(shè)置在線路L1上靠近配電網(wǎng)電源的位置處。

當(dāng)檢測(cè)到配電網(wǎng)上的故障時(shí)，由于故障點(diǎn)的存在，其將由于電壓的突然增加向外部發(fā)出故障行波，在行波傳播過(guò)程中，由于受到各種因素的阻力而將行波發(fā)出反射和折射，如圖3所示。

行波在傳輸過(guò)程中，通常在母線、電源、故障點(diǎn)等位置發(fā)生折射、反射。采用行波定位的方法檢測(cè)故障點(diǎn)位置時(shí)間，通常在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)來(lái)測(cè)試，假設(shè)第1次檢測(cè)的故障行波的時(shí)間點(diǎn)為t1，第2次檢測(cè)的故障行波的時(shí)間點(diǎn)是t2，那么故障行波在2個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間先后在母線l和不同的故障點(diǎn)上發(fā)生了2次發(fā)射。則利用以下公式計(jì)算故障點(diǎn)的位置：

在上述公式中，其中L為故障點(diǎn)與母線l之間的距離， v表示行波的傳播速度，t1和t1是不同時(shí)間點(diǎn)檢測(cè)的行波。根據(jù)公式（1）可得，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障距離進(jìn)行測(cè)量的方法是基于對(duì)故障行波在故障點(diǎn)與任意一端母線之間的傳播速度和傳播時(shí)間進(jìn)行測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該方法取決于行波速度和行波傳播時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確性?；谏鲜鼋榻B，下面對(duì)配電網(wǎng)故障診斷方法進(jìn)行介紹。如圖4所示。

（1）首先，通過(guò)FTU采集單元采集配電網(wǎng)線路中的故障信號(hào)，實(shí)時(shí)獲取配電網(wǎng)的輸電線路上的各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的暫態(tài)電壓和暫態(tài)電流數(shù)據(jù)。在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，為其中的每條線路設(shè)置不同的線路編號(hào)，每個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)均設(shè)置有檢測(cè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)。通過(guò)FTU采集單元實(shí)時(shí)獲取配電網(wǎng)的輸電線路上的各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的暫態(tài)電壓和暫態(tài)電流數(shù)據(jù)。

（2）對(duì)線路中的故障信號(hào)進(jìn)行解耦變換，分離出故障行波的分量信號(hào)。利用EMD算法中的模態(tài)混疊現(xiàn)象和端點(diǎn)效應(yīng)，能夠有效提高了行波信號(hào)的信噪比。EMD經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，簡(jiǎn)稱EMD） 依據(jù)配電網(wǎng)故障數(shù)據(jù)自身的時(shí)間尺度特征而進(jìn)行信號(hào)分解[15]，使用時(shí)，無(wú)須預(yù)先設(shè)定任何基函數(shù)。在進(jìn)行EMD計(jì)算時(shí)，同時(shí)將獲取到的暫態(tài)電壓以及暫態(tài)電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)闄z測(cè)點(diǎn)波形，檢測(cè)點(diǎn)波形包括位于同一線路上的所有檢測(cè)點(diǎn)形成的波形和同一檢測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間形成的波形。

（3）對(duì)獲取的故障信號(hào)進(jìn)行VMD分解，輸出分解后的模態(tài)分量信息，再通過(guò)VMD算法進(jìn)行自適應(yīng)維納濾波組，能夠減少配電網(wǎng)故障信號(hào)中的偽分量，使得模態(tài)混疊現(xiàn)象不明顯，有效地去除信號(hào)噪音，如圖5所示。然后在同一檢測(cè)點(diǎn)將不同的時(shí)間階段形成的波形通過(guò)調(diào)整時(shí)間來(lái)確定各條線路故障波形出現(xiàn)的時(shí)間順序，并確定最早檢測(cè)到故障波形的線路。

（4）利用Hilbert變換函數(shù)處理得到配電網(wǎng)故障信號(hào)的模態(tài)分量的瞬時(shí)頻率，如圖6所示，根據(jù)Hilbert變換函數(shù)所提取的模態(tài)分量信號(hào)的瞬時(shí)頻率，實(shí)現(xiàn)初始波頭的到達(dá)時(shí)間標(biāo)定，然后再結(jié)合VMD 變換、Hilbert變換實(shí)現(xiàn)行波波頭的檢測(cè)，繼而有效地提高行波波頭的檢測(cè)精度，由檢測(cè)到的配電網(wǎng)故障初始行波信號(hào)即可定位到故障點(diǎn)的位置，然后基于提取的瞬時(shí)頻率來(lái)確定配電網(wǎng)故障信號(hào)的初始行波的分量信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻，在根據(jù)不同時(shí)間檢測(cè)到故障波形的線路，比較同一線路上的所有檢測(cè)點(diǎn)形成的波形與預(yù)存的標(biāo)準(zhǔn)波形，確定最早檢測(cè)到故障的兩個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，從而可以提高故障點(diǎn)的定位精度、可靠性。

（5）通過(guò)使用故障初始行波的分量信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻確定得到故障點(diǎn)的位置，再根據(jù)最早檢測(cè)到故障的兩個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)時(shí)間和故障波形的線路情況計(jì)算故障發(fā)生的具體位置。在本方案設(shè)計(jì)中，利用故障行波反射波的傳輸路程來(lái)消除行波傳播速度對(duì)故障點(diǎn)定位結(jié)果的影響，在一定程度上提高了配電網(wǎng)故障信號(hào)故障定位精度，使用該類方法需要檢測(cè)故障點(diǎn)產(chǎn)生故障信號(hào)所發(fā)生的前后三個(gè)故障行波到達(dá)線路各端的時(shí)間。

3? ?仿真實(shí)驗(yàn)與分析

配電網(wǎng)故障信號(hào)暫態(tài)行波從低頻到高頻都具有連續(xù)、不同的頻譜，各種不同頻段的頻率分量的行波傳播速度各不相同，下面基于MATLAB 仿真軟件建立仿真模型，其中實(shí)施硬件模型為110 kV高壓配電線路的JMarti頻變參數(shù)模型。在試驗(yàn)時(shí)，選擇配電線路的長(zhǎng)度L為500 km。假設(shè)t = 0.02 s時(shí)刻在故障點(diǎn)A處發(fā)現(xiàn)A相接地短路故障，則在故障點(diǎn)A處測(cè)量線路檢測(cè)端M端距離故障點(diǎn)分別為50 km，100 km，200 km 和 250 km。據(jù)此分別對(duì)不同距離的故障點(diǎn)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。在下文中，M端為測(cè)試位置處。

在距離M端50 km的位置處發(fā)生的 A 相接地故障，通過(guò)MATLAB 仿真，結(jié)果如圖7所示，t1 = 0.352 ms，t2 = 0.684 ms。由式（1）可以計(jì)算出故障距離為49.912 km。

在距離M端100 km的位置處發(fā)生的 A 相接地故障，通過(guò)MATLAB 仿真，結(jié)果如圖8所示，t1 = 0.435 ms，t2 = 1.375 ms。由式（1）可以計(jì)算出故障距離為99.873 km。

在距離M端200 km的位置處發(fā)生的 A 相接地故障，通過(guò)MATLAB 仿真，結(jié)果如圖8所示，t1 = 0.597 ms，t2 = 1.397 ms。由式（1）可以計(jì)算出故障距離為200.095 km。

通過(guò)上述試驗(yàn)，將上述數(shù)據(jù)組成表格進(jìn)行對(duì)比起誤差率。

[故障測(cè)試點(diǎn)/km 測(cè)量距離/km 誤差率/% 49.912 50 0.176% 99.873 100 0.127% 200.095 200 0.048% ]

通過(guò)上述分析，采用本設(shè)計(jì)的方案誤差率較低，具有很好應(yīng)用價(jià)值。

4? ?結(jié) 論

基于配電網(wǎng)故障診斷問(wèn)題，采用FTU采集單元對(duì)配電網(wǎng)故障電路的故障信息采集，并提供的配電網(wǎng)行波故障定位方法，能夠?qū)崟r(shí)獲取電力配電網(wǎng)的運(yùn)行情況。本設(shè)計(jì)的方案能夠根據(jù)獲取到的電力配電網(wǎng)記錄波形，進(jìn)而快速、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)故障信號(hào)產(chǎn)生的位置，并且根據(jù)信號(hào)算法、信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、保存故障波形。最后通過(guò)試驗(yàn)分析，本設(shè)計(jì)的方案誤差率較小，對(duì)電力配電網(wǎng)的故障原因分析提供技術(shù)支持和理論依據(jù)，大大提高了電力系統(tǒng)供電的可靠性，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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