龐興沛 徐欣慰 岑建福
摘 要:針對(duì)10kV配電線(xiàn)路常見(jiàn)的缺相故障,文章提出一種新型的缺相故障定位方法。該方法結(jié)合C型行波故障定位法和小波包分解方法可以迅速準(zhǔn)確地完成線(xiàn)路缺相故障的定位。該方法的步驟是:首先采用C型行波方法進(jìn)行故障距離的測(cè)量;然后應(yīng)用小波包方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行多頻帶分解,以便分離噪聲對(duì)特征波的影響;最后比較故障前后特征波的差異確定故障區(qū)段。文章利用PSCAD/EMTDC軟件來(lái)模擬實(shí)際線(xiàn)路的缺相故障情況,仿真的結(jié)果驗(yàn)證了該方法對(duì)缺相故障定位的有效性。
關(guān)鍵詞:10kV配電線(xiàn)路;缺相故障;故障定位;C型行波法;小波包
1 背景及意義
10kV配電線(xiàn)路具有線(xiàn)路長(zhǎng)、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(xiàn)路的缺相運(yùn)行是經(jīng)常發(fā)生的一類(lèi)故障,當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生缺相事故后,需及時(shí)對(duì)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[1]。針對(duì)10kV線(xiàn)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(duì)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(xiàn)路分支多,暫態(tài)信號(hào)在分支點(diǎn)之間來(lái)回折反射會(huì)造成信號(hào)的衰減和畸變。當(dāng)配電線(xiàn)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(cè)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(xiàn)路故障后,在線(xiàn)路始端注入一個(gè)行波信號(hào),行波在線(xiàn)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(cè)點(diǎn)接收并識(shí)別來(lái)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(lái)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(cè)點(diǎn)M向線(xiàn)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(cè)點(diǎn)M。設(shè)檢測(cè)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:
配電線(xiàn)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(duì)線(xiàn)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(duì)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(duì)信號(hào)的低頻部分進(jìn)行分解,同時(shí)也對(duì)高頻部分進(jìn)行分解。利用小波包對(duì)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(duì)于含有分支的線(xiàn)路,線(xiàn)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(xiàn)路的簡(jiǎn)化線(xiàn)路示意圖,在C點(diǎn)發(fā)生斷線(xiàn)故障。由C行波測(cè)距法測(cè)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(xiàn)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相鄰兩點(diǎn)之間的線(xiàn)路區(qū)段。
對(duì)于一條網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)固定的線(xiàn)路,行波的傳播速度也是一定的,所以根據(jù)線(xiàn)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(cè)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(cè)點(diǎn)。線(xiàn)路C點(diǎn)發(fā)生斷線(xiàn)故障后,T時(shí)刻不再有特征波從E節(jié)點(diǎn)反射回檢測(cè)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(guò)分析每一個(gè)可能故障區(qū)段的末端點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的故障前后特征波變化來(lái)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(duì)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(duì)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(xiàn)路模型。仿真線(xiàn)路使用分布參數(shù)的單相線(xiàn)路,節(jié)點(diǎn)間線(xiàn)路使用頻率相關(guān)行波模型,線(xiàn)路波阻抗為400Ω。在線(xiàn)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(xiàn)路在CD兩點(diǎn)間發(fā)生斷線(xiàn)故障[3]。
故障后,在首端注入脈沖信號(hào),在母線(xiàn)首端A點(diǎn)進(jìn)行采樣,檢測(cè)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(xiàn)路正常時(shí)的行波波形,圖3(b)是發(fā)生斷線(xiàn)故障時(shí)的行波波形,將正常線(xiàn)路與故障線(xiàn)路波形相減,得到波形差信號(hào)如圖3(c)所示。
對(duì)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(cè)距精度滿(mǎn)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(duì)應(yīng)時(shí)刻分別為242us、248.7us和268.8us。利用公式,取為20,可得對(duì)應(yīng)的波形差的特征波能量為0.11、0.13和6.46??梢?jiàn),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(yǔ)
文章提出了基于C型行波測(cè)距的10kV配電線(xiàn)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(guò)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(cè)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(xiàn)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(xiàn)路單相接地故障定位方法的研究[D].華北電力大學(xué),2011.
[3]嚴(yán)鳳,劉文軒,董維,等.新型10kV配電線(xiàn)路綜合故障定位方法[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2012,24(6):117-122.