基于混合直流交流系統(tǒng)的一體化故障測(cè)距儀設(shè)計(jì)

摘 要：為解決混合直流交流輸電系統(tǒng)中故障測(cè)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(tǒng)內(nèi)部故障引發(fā)的初始行波，對(duì)行波在系統(tǒng)兩端到達(dá)的時(shí)間差進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算故障點(diǎn)到兩端測(cè)量點(diǎn)的距離。故障測(cè)距系統(tǒng)包括2臺(tái)故障行波采集裝置、行波故障分析主站和通信網(wǎng)絡(luò)。通過GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)傳送故障行波數(shù)據(jù)至分析主站，生成雙端行波故障測(cè)距結(jié)果。仿真結(jié)果顯示，本文方法在發(fā)生大規(guī)模故障的情況下可識(shí)別出130個(gè)故障。在測(cè)距精度方面，本文方法的測(cè)距精度高于其他方法，為混合直流交流系統(tǒng)的故障定位提供了一種高效可靠的解決方案。

關(guān)鍵詞：輸電系統(tǒng)；故障測(cè)距儀；D型雙端行波；通信網(wǎng)絡(luò)；測(cè)距精度

中圖分類號(hào)：TH 73" " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

故障測(cè)距儀[1]是電力系統(tǒng)中一種重要的設(shè)備，用于快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)電力系統(tǒng)中的故障位置，以便及時(shí)采取措施進(jìn)行修復(fù)。在電力系統(tǒng)中，混合直流交流系統(tǒng)[2]是一種集成了直流和交流元素的復(fù)雜系統(tǒng)，故障的檢測(cè)和定位[3]尤為關(guān)鍵，因?yàn)楣收峡赡軐?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以影響了整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)[4]的運(yùn)行。

高淑萍等[5]采用小波閾值去噪和互補(bǔ)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與希爾伯特變換相結(jié)合的混合三端直流輸電線路測(cè)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(yīng)的故障測(cè)距模型，模擬線路上出現(xiàn)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(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的故障引起的初始行波信號(hào)。記錄采集的行波信號(hào)數(shù)據(jù)，并儲(chǔ)存在測(cè)距儀內(nèi)，利用GPRS/CDMA通信網(wǎng)絡(luò)，將從采集設(shè)備獲取的故障行波數(shù)據(jù)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(dòng)分析記錄的行波數(shù)據(jù)，以精確識(shí)別故障并進(jìn)行測(cè)距計(jì)算。主站自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，生成準(zhǔn)確的雙端行波故障測(cè)距結(jié)果。

1 混合直流交流系統(tǒng)原理

1.1 總體流程

混合直流交流系統(tǒng)總體流程如圖1所示，首先，啟動(dòng)混合直流交流系統(tǒng)。首先，在初始階段系統(tǒng)以直流方式運(yùn)行。獲取系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的遙控信號(hào)和遠(yuǎn)程測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和適用性。通過分析數(shù)據(jù)，估計(jì)混合系統(tǒng)的收斂網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。其次，判斷系統(tǒng)是否存在故障，如果有故障，則執(zhí)行相應(yīng)的處理。對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行處理，為進(jìn)一步判斷和估計(jì)提供準(zhǔn)備。通過數(shù)據(jù)處理，判斷直流電流是否滿足條件。再次，檢查系統(tǒng)信息是否收斂，即系統(tǒng)各組件的狀態(tài)是否趨于穩(wěn)定。如果系統(tǒng)信息收斂，則進(jìn)入直流方式運(yùn)行。系統(tǒng)以直流方式運(yùn)行，供應(yīng)直流負(fù)載和逆變器分別提供直流電力和將其轉(zhuǎn)換為交流電力，以供應(yīng)交流負(fù)載。在以直流方式運(yùn)行的同時(shí)，估計(jì)交流系統(tǒng)的狀態(tài)。最后，判斷交流系統(tǒng)是否滿足預(yù)定條件。如果滿足條件，則結(jié)束收斂，交流狀態(tài)估計(jì)完成。完成系統(tǒng)收斂，保證混合直流交流系統(tǒng)處于合適的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)完成直流方式運(yùn)行后，通過估計(jì)交流狀態(tài)對(duì)混合直流交流系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)和管理，保證混合直流交流系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1.2 雙端行波計(jì)算

混合直流交流輸電系統(tǒng)[7]故障測(cè)距，須結(jié)合D型雙端行波原理，通過捕捉系統(tǒng)內(nèi)部故障引發(fā)的初始行波，測(cè)算當(dāng)行波到達(dá)系統(tǒng)兩端時(shí)的時(shí)間差，以此計(jì)算故障點(diǎn)和兩端測(cè)量點(diǎn)的距離。在混合直流交流系統(tǒng)中，這種方法能夠有效地定位故障點(diǎn)，通過分析行波傳播的時(shí)間差異，實(shí)現(xiàn)了高精度的故障測(cè)距，為系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提供了重要支持。

假設(shè)接地極線路MN發(fā)生故障產(chǎn)生初始行波浪涌，該行波以特定傳播速V分別到達(dá)系統(tǒng)的一端M和另一端母線N。在測(cè)得的絕對(duì)時(shí)間tM和tN內(nèi)，可以計(jì)算出行波到達(dá)故障點(diǎn)的時(shí)間差?；谶@一信息，可以推算出故障點(diǎn)距離系統(tǒng)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(diǎn)的距離；l為接地極線路MN的長(zhǎng)度；V0為初始速度。

從公式（1）、公式（2）中可知，實(shí)現(xiàn)D型雙端行波需要獲取準(zhǔn)確的行波浪涌數(shù)據(jù)，并確定適當(dāng)?shù)男胁ㄋ俣取Ｍ瑫r(shí)采取措施提高行波信號(hào)tM的采集頻率，保證線路兩端數(shù)據(jù)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(yīng)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(hào)分解，提取可識(shí)別故障信號(hào)特征的參數(shù)。當(dāng)電纜反饋的信號(hào)x（n）輸入時(shí)，指數(shù)分量的線性組合如公式（3）所示。

（3）

式中：M為命令或信號(hào)的分量數(shù)量；n為信號(hào)采樣的總數(shù)；Sm和Zmp的參數(shù)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(hào)x（n）的第m個(gè)指數(shù)成分的振幅、相位角、阻尼因子和頻率；Zm為指數(shù)成分的角頻率；j為虛數(shù)單位；i為復(fù)數(shù)中的虛部；f為周期性事件頻率；θ為信號(hào)在某一時(shí)刻相對(duì)于參考點(diǎn)的相位位置。每個(gè)指數(shù)成分的這4個(gè)參數(shù)可以按照采樣間隔的順序，在數(shù)據(jù)的狀態(tài)空間中依次生成。

2 一體化故障測(cè)距儀總體架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于混合直流交流系統(tǒng)的一體化故障測(cè)距儀[8]的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)總體架構(gòu)如下。

2.1.1 故障行波采集裝置

安裝在混合直流交流系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，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(jī)箱，內(nèi)部配置專門設(shè)計(jì)的小型電流互感器。通過GPS進(jìn)行時(shí)鐘同步，以保證采集裝置之間的數(shù)據(jù)同步性。

2.1.2 行波故障分析主站

安裝在系統(tǒng)的關(guān)鍵位置，可以集中安裝在與換流站一側(cè)的采集裝置相連的站內(nèi)，也可以獨(dú)立安裝在其他位置。負(fù)責(zé)接收通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓收闲胁〝?shù)據(jù)。利用D型雙端行波原理自動(dòng)分析記錄行波數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別和測(cè)距計(jì)算。

2.1.3 通信網(wǎng)絡(luò)

使用GPRS/CDMA通信網(wǎng)絡(luò)，保證能夠數(shù)據(jù)高效傳輸。將故障行波數(shù)據(jù)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(tǒng)

采用太陽(yáng)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(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)行。在極址處的采集裝置使用防雨、防潮和防塵的機(jī)箱，保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

該一體化故障測(cè)距儀利用集成故障行波采集、數(shù)據(jù)傳輸、分析和測(cè)距計(jì)算等功能，對(duì)混合直流交流系統(tǒng)故障進(jìn)行高效、自動(dòng)化地檢測(cè)。

2.2 設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖3所示。在一體化故障測(cè)距儀中，硬件和軟件都需要初始化，以保證系統(tǒng)處于可運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)正常開啟，準(zhǔn)備接受輸入信號(hào)并進(jìn)行處理。系統(tǒng)通過檢測(cè)輸入信號(hào)中的異?；驒z查系統(tǒng)自身的狀態(tài)進(jìn)行故障判斷。如果存在故障，系統(tǒng)就將進(jìn)入故障處理分支。之后，系統(tǒng)可能產(chǎn)生高頻脈沖信號(hào)，這是一種測(cè)距信號(hào)，用于對(duì)故障測(cè)距進(jìn)行特殊處理。系統(tǒng)中有1個(gè)計(jì)算器控制單元，用于對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算，這個(gè)階段可能涉及距離計(jì)算或其他相關(guān)的處理。系統(tǒng)判斷當(dāng)前任務(wù)是否結(jié)束，判斷是否完成距離測(cè)量或故障定位任務(wù)。如果判斷任務(wù)結(jié)束，系統(tǒng)就將進(jìn)入結(jié)束階段。任務(wù)結(jié)束后，系統(tǒng)可能還需要進(jìn)行反射波計(jì)算，以獲取更多關(guān)于故障位置或測(cè)距的信息。

在該流程中，關(guān)鍵步驟是故障判斷和高頻脈沖產(chǎn)生，用于引發(fā)并處理故障測(cè)距的相關(guān)計(jì)算和操作。計(jì)算器控制單元負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算，最終判斷是否完成任務(wù)。如果任務(wù)結(jié)束，系統(tǒng)就將進(jìn)行反射波計(jì)算，以獲取額外的信息。在一體化故障測(cè)距儀中，這個(gè)設(shè)計(jì)流程可以檢測(cè)電力系統(tǒng)中的故障。

3 測(cè)試結(jié)果分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)準(zhǔn)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(tǒng)模型。在仿真試驗(yàn)中，以單相接地故障為目標(biāo)進(jìn)行比較，電纜的電氣參數(shù)設(shè)置為20.5 mΩ/km，并假設(shè)故障發(fā)生在第一條10 km的電纜上。將本文所設(shè)計(jì)的方法與自適應(yīng)RLS濾波的電纜故障定位算法以及基于雙端故障參數(shù)測(cè)距方法的故障定位算法進(jìn)行了對(duì)比。

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

各種方法在不同故障距離下的測(cè)距精度如圖5所示，隨著故障距離增加，各方法的測(cè)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(cè)距精度由93.4%下降至73.2%，自適應(yīng)RLS濾波方法由87.5%下降至60.2%，基于雙端故障參數(shù)測(cè)距方法由88.2%降至56.7%。與自適應(yīng)RLS濾波方法相比，本文方法的平均測(cè)距精度提高了12.17%，與基于雙端故障參數(shù)測(cè)距方法相比，提高了15.25%。因此，本文所提出的方法與對(duì)比方法相比，具備更高的故障測(cè)距精度。這是由于本文的故障測(cè)距儀率先運(yùn)用D型雙端行波原理對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行分解，從而產(chǎn)生易于分析的信號(hào)形式，這有助于提升系統(tǒng)對(duì)故障信號(hào)的準(zhǔn)確定位精度。

4 結(jié)論

本文提出的混合直流交流系統(tǒng)的一體化故障測(cè)距儀設(shè)計(jì)，在10 kV配網(wǎng)電纜系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)中，驗(yàn)證了準(zhǔn)確性和優(yōu)越性。本文采用ATPEMTP和Matlab7.0仿真軟件建立了電纜系統(tǒng)的仿真模型，以模擬實(shí)際運(yùn)行中可能發(fā)生的單相接地故障。在故障個(gè)數(shù)較多的情況下，與對(duì)比方法相比，本文方法表現(xiàn)出更好的故障識(shí)別能力。當(dāng)故障數(shù)量為160個(gè)時(shí)，本文方法成功識(shí)別了130個(gè)故障，而對(duì)比算法則分別識(shí)別出120和124個(gè)故障。此外，隨著故障距離增加，各種方法的測(cè)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(duì)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(cè)距精度與自適應(yīng)RLS濾波方法相比，提高了12.17%，與基于雙端故障參數(shù)測(cè)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(tǒng)的一體化故障測(cè)距儀設(shè)計(jì)在故障識(shí)別和測(cè)距精度方面都表現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性，該設(shè)計(jì)為混合直流交流輸電系統(tǒng)的故障管理提供了可靠而高效的解決方案。

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