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        基于動態(tài)時間彎曲距離接地故障區(qū)段定位研究

        2024-12-04 00:00:00?柯淼潤
        中國新技術新產(chǎn)品 2024年11期
        關鍵詞:接地故障配電網(wǎng)

        摘 要:為了探究動態(tài)時間彎曲距離算法在配電網(wǎng)單相接地故障選線與定位中的應用方法,本文分析了該算法的實現(xiàn)原理。針對無分支故障線路和有分支故障線路,分別建立可量化的故障判據(jù),通過采集零序暫態(tài)電流,計算不同區(qū)段前、后端測點的動態(tài)時間彎曲距離,并根據(jù)判據(jù)確定相應的故障區(qū)段。再利用電磁暫態(tài)仿真軟件構建配電網(wǎng)模型,檢驗定位技術的實際效果。結果顯示,本文建立的算法模型能夠有效定位故障區(qū)段。

        關鍵詞:配電網(wǎng);接地故障;區(qū)段定位技術;動態(tài)時間彎曲距離

        中圖分類號:TM 862" " " " " " 文獻標志碼:A

        配電網(wǎng)的結構較復雜,當線路發(fā)生單相接地故障時,通??衫秒娏骰ジ衅鞑杉瘮?shù)據(jù),并判斷發(fā)生故障的線路區(qū)段,但是該方法的可靠性和精確性相對較低,有可能出現(xiàn)互感器極性反接的問題,進而影響采樣精度。動態(tài)時間彎曲距離能夠體現(xiàn)出不同測點電流波形的相似程度,為配電網(wǎng)線路故障區(qū)段定位提供量化依據(jù)。

        1 人工接地前后零序電流特征分析

        1.1 配電網(wǎng)接地故障模型

        本文采用的配電網(wǎng)模型如圖1所示。電壓等級為10kV,L1~L3為3條線路,L1線路無故障,L3為A相接地故障線路,L2線路為L3線路的分支。在交流電路中,電容對電流的阻礙作用明顯大于電阻對電流的阻礙作用,因此在配電網(wǎng)故障模型中僅保留線路的對地電容。將3條線路劃分為5段,C01~C05為各段線路的對地等效電容。

        1.2 人工接地前零序電流分析

        當線路發(fā)生單相接地故障后,并假設未接入人工接地消弧裝置,對于故障點的上游區(qū)段,電流從線路流向母線端;對于故障點的下游區(qū)段,電流從母線端流向線路[1]。將單相接地故障點的等效電壓記為U0,該電壓的表達如公式(1)所示。

        (1)

        式中:EA為A相電源的電動勢;j為復數(shù)單位;ω為角頻率;jω為線路電抗;Rd為過渡電阻的阻值;C0Σ為系統(tǒng)對地等效電容之和。

        測點1和測點3的電流分別記為I01、I03,根據(jù)電流回路的特點,I01=-I03,相應的電流計算方法如公式(2)所示。

        (2)

        式中:C01為測點1對應線路的對地等效電容。

        測點4的電流為I04,計算方法如公式(3)所示。

        (3)

        式中:C02、C03分別為測點2、3對應線路的對地等效電容。

        測點2和測點5的電流的計算方法如公式(4)所示。

        (4)

        式中:C0i為第i個測點的對地等效電容,其中i的取值為2或者5。

        1.3 人工接地后零序電流分析

        在圖1所示模型中接入人工接地消弧裝置后,單相接地故障消失。在這一情況下,系統(tǒng)接地僅為變電站的金屬性接地,電壓源轉移至母線端,因此電流從母線端流向線路。此時,將零序電壓記為U'0=-EA。測點1、2、5的電流計算方法為I'0i=-jωC0iEA;測點3的電流計算方法為I'03=-jω(C02+C03+C04+C05)EA;測點4的零序電流計算方法為I'04=-jω(C04+C05)EA。

        2 動態(tài)時間彎曲距離算法應用原理

        動態(tài)時間彎曲(Dynamic Time Warping,DTW)是一種基于時間序列度量的算法,可用于構建最優(yōu)路徑,其應用原理如下:假設D和E為2個不同的時間序列,D中的元素為d1、d2、...、dm,E中的元素為e1、e2、...、en,其中m為時間序列D的長度,n為時間序列E的長度[2]。在以上2個序列中,元素可進行一一配對。DTW算法通過時間彎曲獲得最優(yōu)路徑,降低了2個序列的總距離度量值,使其達到最小化程度。

        2.1 約束條件

        在尋找最優(yōu)路徑的過程中,需要設定約束條件,以確定邊界、連續(xù)性和單調性,具體約束條件如下:最優(yōu)路徑的起點和終點分別為(d1,e1)、(dm,en);規(guī)劃路徑時,要求其保持連續(xù)性,并且單調不減;路徑可彎曲。

        2.2 路徑規(guī)劃方法

        將約束條件下得到的最優(yōu)路徑時間序列記為P,則有P={p1,p2,...,ps,...,pk},k為最優(yōu)路徑中元素的總數(shù)量。規(guī)劃路徑時,任意元素ps的坐標記為(i,j),其中i為序列D中的di,j為序列E中的ej,2個元素為配對關系。選定元素ps后,其對應的下一個元素為ps+1,根據(jù)約束條件,元素ps+1僅能出現(xiàn)在元素ps的右側、上方或者右上方[3]。在2個時間序列中,元素間的關系為“多對一”或者“一對多”,因此可形成不止一條路徑,所有符合要求的路徑記為集合Q。

        規(guī)劃路徑時,要求2個序列的總距離最小,因此需要計算元素對間的距離。路徑P中元素ps對應的距離度量值為d(ps)=(di-ej)2。最優(yōu)路徑的總距離計算方法如公式(5)所示。

        (5)

        另外,在規(guī)劃路徑的過程中,可通過彎曲代價累計矩陣T確定最優(yōu)路徑,彎曲代價為di和ej間的距離。矩陣T的數(shù)學描述方法(此處應描述為T(i,j))如公式(6)所示。

        (6)

        式中:參數(shù)i的取值范圍為1,2,…,m;參數(shù)j的取值范圍為1,2,…,n。

        當i和j均為0時,矩陣T的計算結果為0。矩陣T(m,n)的計算結果即為時間序列D、E的最小距離值[4]。

        3 基于動態(tài)時間彎曲距離的故障區(qū)段定位和仿真

        3.1 故障區(qū)段定位方法

        3.1.1 定位故障區(qū)段的判據(jù)

        正常情況下,相鄰測點的DTW距離計算結果較小,如果計算結果偏大,說明零序電流互感器的極性存在反接問題。采取人工接地措施前,非故障區(qū)段和故障區(qū)段的DTW距離差異明顯,前者計算值較小,后者計算值較大[5]。故障定位判據(jù)的數(shù)學表示方法為DTW(D,E)Kgt;" DTW(D,E)a≠K。其中,符號“" ”表示“任意”;a為故障線路中各個區(qū)段的編號;K為故障區(qū)段。從故障判據(jù)的建立過程可知,計算DTW距離時,需要采集某區(qū)段兩端的零序電流數(shù)據(jù),但配電網(wǎng)靠近用戶側的線路未設置測點,無法獲取故障時的零序電流,因此不能計算DTW距離。此時可設置一個動態(tài)時間彎曲距離閾值,記為Dset,當DTW(D,E)K>Dset時,可判定為故障區(qū)段,反之則為非故障區(qū)段[6]。

        3.1.2 針對故障區(qū)段的搜索方法

        配電線路錯綜復雜,雖然故障判據(jù)能夠區(qū)分正常區(qū)段和故障區(qū)段,但是當線路存在分支時,僅根據(jù)上述判據(jù)難以精確定位出發(fā)生故障的區(qū)段,因此應該建立可行的故障搜索方法。

        3.1.2.1 無分支線路的故障搜索策略

        無分支故障線路和有分支故障線路示意圖如圖2所示。圖2(a)表示無分支配電網(wǎng)模型,f1和f2為故障點。對故障點f1來說,其上、下游的測點分別為D1和D2,接入人工接地前、后,D1測點的電流幅值變化顯著,而D2測點的電流幅值變化較小,因此根據(jù)D1、D2計算的DTW距離較大。對故障點f2來說,測點D1、D2均在其上游,暫態(tài)零序電流在人工接地裝置動作前、后的幅值高度接近,并且流向相同,計算出的動態(tài)時間彎曲距離較小??梢姡跓o分支的情況下,可逐一計算各個線路區(qū)段的DTW距離,并比較閾值Dset,當某個區(qū)段的DTW距離大于閾值時,則定位出故障區(qū)段[7]。

        3.1.2.2 有分支線路的故障搜索策略

        圖2(b)表示有分支配電網(wǎng)模型,f3、f4為故障點。對故障點f3來說,測點D3測得的電流為本線路電容電流+非故障線路電容電流,而測點D4、D5的電流均為本線路電容電流,因此測點D3的電流幅值明顯大于測點D4和測點D5的電流幅值。則有DTW3-4gt;Dset和DTW3-5gt;Dset。對故障點f4來說,人工接地動作前、后,流經(jīng)測點D3、D4的電流為本線路電容電流和非故障線路的饋線電容電流,因此D3和D4的電流差異較小。通過測點D5的電流僅為故障區(qū)段下游的電容電流,D3、D4的電流與D5的電流差異顯著,此時有Dsetlt;DTW3-5,同時Dsetgt;DTW3-4,據(jù)此可判斷故障點的位置。

        3.1.3 故障區(qū)段定位的通用流程

        上文討論了2種線路模型下的故障區(qū)段定位方法,當使用DTW算法進行故障線路定位時,通用流程如下所示。1)利用同步相量測量裝置檢測故障饋線的數(shù)據(jù),并且將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)主站。當線路發(fā)生單相接地故障后,采集1/4個工頻周期的暫態(tài)零序電流。在人工接地動作后,再檢測1/4個工頻周期的暫態(tài)零序電流[8]。2)采集人工接地動作后測點的暫態(tài)零序電流數(shù)據(jù),并計算出配電網(wǎng)不同區(qū)段的DTW距離,判斷零序電流互感器是否存在反接,如果存在,應校正其極性。3)當配電網(wǎng)出現(xiàn)故障接地后,采集相鄰測點的零序電流數(shù)據(jù)。當線路不存在分支時,從首端開始依次計算DTW距離,當滿足DTWKgt;Dset時,說明區(qū)段K為出現(xiàn)故障的線路;當配電線路存在分支時,假設測點u在主干線路上,測點v和w在分支線路上,如果同時滿足Dsetlt;DTWu-w、Dsetgt;DTWu-v,故障就出現(xiàn)在測點v所在的分支線路上;如果同時滿足Dsetgt;DTWu-w、Dsetlt;DTWu-v,故障就出現(xiàn)在測點w所在的分支線路上。

        3.2 故障區(qū)段定位方法仿真分析

        3.2.1 仿真模型構建

        本文利用PSCAD(一種電磁暫態(tài)仿真軟件)構建配電網(wǎng)模型,系統(tǒng)中設計有電源G、主變壓器T、饋線L1~L4,配電網(wǎng)模型的設計參數(shù)見表1。仿真模型的有功功率、無功功率分別為0.38MW、0.285Mvar,功率因素的取值為0.8。在線路L1上設置D1~D4共4個測點;在線路L2上設置D5~D8共4個測點;在線路L3上設置D9~D12共4個測點;在線路L4上設置D13和D14共2個測點。

        3.2.2 故障定位分析

        3.2.2.1 主干線路故障定位

        線路L2上設置有4個測點,可形成4個區(qū)段,分別為D5~D6、D6~D7、D7~D8以及D8~末端。在仿真模擬開始后0.1s,單相接地故障點f1在區(qū)段D6~D7,又經(jīng)過25ms,人工接地裝置動作。零序電流數(shù)據(jù)按照10kHz的頻率進行采樣。在仿真軟件中編寫DTW算法,根據(jù)上文建立的故障搜索策略定位發(fā)生故障的區(qū)段。設置不同的故障初相角和接地電阻,定位結果見表2。

        3.2.2.2 分支線路故障定位

        在仿真模型中,L3為1條主干線路,L4為L3的分支線路。f2為分支線路上的單相接地故障點,位于測點D13和D14間。將不同的接地電阻和故障初相角作為仿真條件,利用軟件工具計算出DTW距離,同時根據(jù)定位流程和策略明確故障區(qū)段,相應的結果見表3。

        3.3 研究結果

        根據(jù)以上研究過程可得以下3個結論。1)動態(tài)時間彎曲距離算法可用于計算線路上不同測點零序電流間的DTW距離,并比較不同區(qū)段的DTW距離結果,以確定可能的故障區(qū)段。無分支線路和有分支線路的故障區(qū)段判據(jù)有所不同。2)表2顯示,在無分支線路故障定位模擬中,D6~D7區(qū)段的DTW計算結果明顯高于其他區(qū)段,根據(jù)判據(jù),單相接地故障發(fā)生在D6~D7。軟件仿真結果與設定故障點一致,證明無分支線路故障判斷方法可行。3)表3展示了有分支線路故障定位模擬結果,分支線路接入點在D10和D11間,首個零序暫態(tài)電流測點為D13。D10和D11間的DTW距離大于D10和D13間,并且Dsetlt;D10~D11、Dsetgt;D10~D13,因此故障發(fā)生在D13測點所在分支。該方法能準確定位有分支線路的故障區(qū)段。

        4 結語

        在配電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段定位中,通過在線路上布置測點檢測暫態(tài)電流,并運用動態(tài)時間彎曲距離算法計算相鄰測點電流DTW距離。本文針對無分支和有分支線路,建立不同故障判據(jù)。使用PSCAD軟件構建仿真模型驗證算法和流程。結果顯示,算法能準確定位無分支和有分支線路上的單相接地故障區(qū)段。

        參考文獻

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