徐汝俊,張 偉,熊高林,鄒 文

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 071003)

配電網(wǎng)故障測距方法的仿真分析

徐汝俊,張 偉,熊高林,鄒 文

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 071003)

介紹了C型行波法的測距原理,利用 ATP仿真軟件對10 kV多分支配電線路單相接地故障進(jìn)行仿真,通過 MATLAB對仿真數(shù)據(jù)和圖形進(jìn)行分析,比較正常線路和故障線路波形,找到了第一個波形畸變點并以此來確定故障距離。結(jié)果表明測距精度滿足實際要求,從而驗證了 C型行波法在配電網(wǎng)故障測距中的可行性。

配電網(wǎng);C型行波法;測距;仿真

0 引 言

配電網(wǎng)故障定位是配電網(wǎng)運行中的重要環(huán)節(jié),由于配電網(wǎng)接線復(fù)雜、故障模式多,故障時一般接地電阻大,因此,配電網(wǎng)故障定位是非常困難的。C型行波法[1～3]具有測距速度快、精度高的優(yōu)點,是目前配電網(wǎng)故障測距的主要研究方法。本文介紹了 C型行波法的測距原理,利用 ATP仿真軟件對配電線路單相接地故障建立仿真模型,得到仿真數(shù)據(jù)和圖形;利用 MATLAB對仿真數(shù)據(jù)和圖形進(jìn)行分析,研究計算結(jié)果,驗證了 C型行波法在配電網(wǎng)故障測距中的可行性。

1 C型行波法測距原理

線路發(fā)生故障后,如果在信號檢測點向線路發(fā)射行波信號,那么在信號檢測點和故障點之間就會有往返傳播的信號出現(xiàn),直到信號衰減為 0。在信號檢測點往返的行波信號可以分為 2類：(1)由波阻抗不連續(xù)點產(chǎn)生的到達(dá)檢測點的第一個反射波;(2)在線路的節(jié)點之間經(jīng)多次折反射后的波。波阻抗不連續(xù)點包括線路上的分支點、分支末端點和接地故障點。

C型行波法是離線測距,在線路發(fā)生故障后,由人工向故障線路發(fā)射行波信號,然后檢測并識別來自故障點的反射波。根據(jù)行波在測量點與故障點之間往返一次的時間和行波的波速來確定故障點的距離。

下面以線路發(fā)生金屬性接地為例,說明 C型行波法測距原理 (見圖 1)。

圖1 C型行波法測距示意圖Fig.1 Schematic diagram of type C traveling w ave fault-location method

圖1中,線路上 F點發(fā)生金屬性接地故障。設(shè)在 t=0時刻,由人工在檢測端 M向故障線路發(fā)射行波信號。由于故障點為金屬性短路,當(dāng)行波到達(dá)故障點時會發(fā)生全反射,并改變極性,在 T時刻又返回檢測端 M。

設(shè)故障點到信號檢測點 M的距離為 XL,則故障點的計算公式為：

式中：v是波速。

如果是經(jīng)電阻接地的故障,則在接地點還有一部分波透射到接地點的另一側(cè),但仍有反射波回到檢測點,由于能量的分散,使反射波幅值比金屬性接地時要小。

2 C型行波法仿真分析

2.1 仿真實例

利用 C型行波法對10 kV多分支配電線路進(jìn)行測距,如圖 2所示,在線路分支 AD中間處發(fā)生單相接地故障,其接地電阻為1 000Ω。 MN=5 km,AD=1 km, MA=1 km,AB=1.5 km,BE=1 km,BC=1.5 km,CG=1 km。

圖2 仿真線路示意圖Fig.2 Schematic diagram of simu lation line

2.2 仿真分析

通過 ATP軟件進(jìn)行仿真,仿真線路使用分布參數(shù)的單相線路,每兩個點之間的一段線路用 π型等值電路模擬,其中,設(shè)波阻抗為460Ω。信號源采用幅值為10 kV,寬度為2μs的高壓脈沖信號。實際10 kV線路分支或主干線末端都會有配電變壓器,其影響主要是變壓器繞組電感和變壓器入口電容會對行波產(chǎn)生反射和折射。當(dāng)很陡的沖擊波作用時,一般在10μs內(nèi),流經(jīng)繞組電感中的電流很小,因此,變壓器繞組電感對行波的影響可以忽略,故變壓器對行波的影響主要是其入口電容反射影響。變壓器的入口電容的大小與其額定電壓及容量有關(guān),對于容量為100 kVA的10 kV配電變壓器,用 Al-6000自動精密電橋測量,三相繞組總的入口電容1.268 nF,每相繞組入口電容為423 pF。

設(shè)參數(shù) L為 1.66 mH,C為 0.0066μF。對圖2所示線路進(jìn)行采樣仿真時,采樣間隔為 Δt=0.01μs,仿真時間為200μs,采樣數(shù)據(jù)為20 000個,線路仿真模型如圖 3所示。

在線路正常時與接地故障后分別注入脈沖信號,通過檢測反射波,可以發(fā)現(xiàn)：在故障點第一個反射波到達(dá)之前,故障線路的反射過程與正常時一致,而之后則不同。由此可知,兩個波形的第一個差異點必然來自故障點的反射波,通過測距公式即可求出故障距離。在檢測點采用100 MHz的采樣率進(jìn)行采樣,得到正常線路波形如圖 4所示,當(dāng) F點發(fā)生單相接地故障時,故障波形如圖 5所示。因為每 100個點相當(dāng)于 1μs,故橫坐標(biāo)標(biāo)值為時間/0.01μs。(注：圖 4～6是經(jīng) MATLAB處理后的信號波形)。

圖3 線路仿真模型Fig.3 Line simulation m odel

利用 MATLAB對信號進(jìn)行分析,故障線路與正常線路波形相減,得到的波形差如圖 6所示,其中,第一個波形畸變點是來自故障點的反射波。利用 MATLAB小波包對信號進(jìn)行分解和重構(gòu),在 MATLAB小波分析工具箱中,提供了一些常用的小波基函數(shù),coifN小波系列具有較好的對稱性,選取 coif5作為小波函數(shù),對圖 6波形差信號進(jìn)行三層小波包分解,可得到故障時刻 T=10.04μs,根據(jù)上述測距公式,取波速 v=300m/μs,則

與實際距離相差6m,測距精度滿足實際要求。

圖6 故障線路與正常線路波形差Fig.6 Subtraction betw een the fault line w aveform and the normalone

3 結(jié) 論

C型行波法具有測距速度快、精度高的優(yōu)點,不受信號故障時刻行波信號強弱的影響,在進(jìn)行故障測距時可以重復(fù)進(jìn)行判斷。當(dāng)一次接收到的信號不能清楚分析故障點位置時,可以重新發(fā)一個行波信號進(jìn)行再次測距,從很大程度上保證了測量精度,在配電網(wǎng)故障測距中有較大的優(yōu)勢。

小波包能夠?qū)π盘栠M(jìn)行精細(xì)的分析,它可以將頻帶進(jìn)行多層次劃分,對多分辨率分析中沒有細(xì)分的高頻部分作進(jìn)一步分解,從而提高了時—頻分辨率,這種優(yōu)點使得小波包分析方法在高頻暫態(tài)信號的處理中得到重要應(yīng)用。

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Sim ulation Analysis on Distribution Network Fau lt-location Method

Xu Ru jun,Zhang Wei,Xiong Gao lin,Zou Wen
(School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

The principle of type C traveling wave fault-location method was introduced. Many simu lations were taken by ATP software for single-phase earth fault in a 10 kV power distribution line with many branches.Simulation data and figureswere analyzed by MATLAB,comparing the normal line waveform and the fault one,the fault distance was determ ined by the first distortion point.As a result,the simulations indicated that the fault-location precisionmeet theactual requirement,type C travelingwave fau lt-locationmethod was feasib le for the fault location in distribution network.

distribution network;type C traveling wave;fault-location method;simulation

T M726;T M935

A

2009-12-24。

徐汝俊 (1986-),男,碩士研究生,研究方向為智能化檢測與控制技術(shù),E-mail：285295124@qq.com。