基于测后模拟的配电网缆-线混合线路的故障定位方法

摘要

本发明涉及一种基于测后模拟的配电网缆-线混合线路的故障定位方法，属电力系统继电保护技术领域。本发明当故障发生在缆-线混合线路时，先通过模极大值来获得故障行波的第二个波头或第三个波头与首波头之间的时间差，以此求得模拟故障距离，并将模拟故障距离与短健全馈线的长度进行比较来确定测后模拟定位的时间差；排除短健全馈线的干扰后，然后根据对应的时间差计算电缆部分与架空线部分的模拟故障距离；最后对各个模拟故障距离下的零序电流行波与实际故障零序电流行波特征频带下对应的小波系数进行相关分析，并将分析结果中所得最大的相关系数的模拟故障距离视为实际故障距离。本发明原理简单，不受健全馈线末端反射波的干扰，鲁棒性较好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于测后模拟的配电网缆-线混合线路的故障定位方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

随着电力系统的迅猛发展及城市用电负荷逐渐增大，现有的架空线路已无法满足城市发展的需求。因而，电缆网络供电取代原有的架空线路供电已成为城市电网发展的必然趋势。随着城市电网不断升级改造，城市电缆网络逐步向35kV及以上电压等级发展。由于高压电缆的投资造价相当高，所以大部分利用架空线路的路径选择，采用高压架空线和电缆的混合线路供电方式来取代单纯的电缆供电方式。

与纯架空线路和纯电缆线路构成的直配线路相比，利用故障零序电流行波故障点反射波辨识的测后模拟的缆线混合线路定位方法更为复杂，主要体现为：1、故障行波在架空线和电缆线路传播速度相差较大，不可再用同一个波速度计算模拟故障距离；2、架空线部分和电缆部分线路波阻抗不同，不可以再用统一的线路波阻抗计算出反向电压行波排除健全馈线末端反射行波的干扰；3、故障行波发生折反射节点增加一个，故障行波波头辨识更加困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服因故障行波在架空线和电缆线传播速度相差较大而不能使用同一波速度计算模拟故障距离的问题、克服因架空线部分和电缆部分线路波阻抗不同而不能使用同一的线路波阻抗计算出反向电压行波来排除健全馈线末端反射行波干扰的问题、克服故障行波波头辨识困难的问题。

本发明的技术方案是：一种基于测后模拟的配电网缆-线混合线路的故障定位方法，：当故障发生在缆-线混合线路时，首先通过模极大值来获得故障行波第二个波头与首波头之间的时间差△t₁和第三个波头与首波头之间的时间差△t₂，同时利用△t₁求得模拟故障距离，并将模拟故障距离与短健全馈线的长度进行比较来确定测后模拟定位的时间差△t；排除短健全馈线的干扰后，然后根据对应的测后模拟定位的时间差△t分别计算电缆部分与架空线部分的模拟故障距离；最后对各个模拟故障距离下的零序电流行波与实际故障零序电流行波特征频带下对应的小波系数进行相关分析，并将分析结果中所得最大的相关系数的模拟故障距离视为实际故障距离。

所述配电网缆-线混合线路的故障定位方法的具体步骤如下：

（1）计算模拟故障距离l_f0

　                                                        　　　　　　                         　　　　　　　(1)

式中：v_l为架空线路行波传播速度；△t₁= t₂- t₁为电流故障行波的第二个波头和首波头之间的时间差； t₁、t₂分别为故障电流行波的首波头和第二个波头到达的时刻；

（2）判断l_f0范围：若计算得到的故障模拟距离与短健全馈线的长度相差较小，则认定故障行波的第二个波头为健全馈线末端反射行波，利用△t₂进行故障行波故障点反射波辨识的测后模拟定位；反之，若计算得到的故障模拟距离与短健全馈线的长度相差较大，则可直接利用△t₁进行故障行波故障点反射波辨识的测后模拟定位；

其中，△t₂= t₃- t₁为电流故障行波的第三个波头和首波头之间的时间差，t₁、t₃分别为电流故障行波的首波头和第三个波头到达的时刻；

（3）利用步骤（2）中筛选出的与故障点相关的行波波头时间差△t计算模拟故障距离：

假设故障点位于架空线部分，此时模拟故障距离：

     　　 　　　　                                          (2)

                                                    　　 (3)

式中：为架空线部分长度；为行波传播波速度；

假设故障点位于电缆部分，此时模拟故障距离：

                                                  (4)

                                                (5)

式中：l_f1、l_f2为架空线部分发生故障时的模拟故障距离；l_f3、l_f4为电缆部分发生故障时的模拟故障距离；为电缆部分长度；为行波传播波速度；期

（4）对实际故障零序电流行波进行db4小波6层分解，将排除工频所在的最低频带后的能量最大的频带定义为特征频带，得到特征频带下的小波系数；故障点分别设置在l_f1、l_f2、l_f3和 l_f4处，对四个模拟故障距离下的故障零序电流行波进行相同的小波变换，得到相同频带下的小波系数，将其分别与实际故障零序电流行波特征频带下对应的小波系数进行相关分析，得到相关系数，将所得最大的相关系数的模拟故障距离视为实际故障距离。

本发明的工作原理是：当故障发生在缆-线混合线路时，首先对母线量测端检测到的故障电流行波进行三次B样条小波变换求取其行波模极大值，通过模极大值对应的时刻来确定行波波头到达的时刻以此获得故障行波第二个波头与首波头之间的时间差△t₁和第三个波头与首波头之间的时间差△t₂，同时利用△t₁求得模拟故障距离，并将模拟故障距离与短健全馈线的长度进行比较来确定测后模拟定位的时间差△t是取△t₁还是△t₂；排除短健全馈线的干扰后，然后根据对应的测后模拟定位的时间差△t分别计算电缆部分与架空线部分的模拟故障距离；最后利用db4小波对实际故障零序电流行波进行6层小波变换，将排除工频所在的最低频带后的能量最大的频带定义为SFB，得到SFB下的小波系数；故障点分别设置在l_f1、l_f2、l_f3和 l_f4处，对四个模拟故障距离下的故障零序电流行波进行相同的小波变换，得到相同频带下的小波系数，将其分别与实际故障零序电流行波特征频带对应的小波系数进行相关分析，得到相关系数，并将分析结果中相关系数最大零序电流对应的模拟故障距离视为实际的故障距离。

本发明的有益效果是：

1、本方法原理较简单，采用测后模拟的方法无需辨识故障行波波头。

2、本方法解决了因故障行波在架空线和电缆线路传播速度相差较大而不能使用同一波速度计算模拟故障距离的问题。

3、本方法不受架空线部分和电缆部分线路波阻抗不同而不能使用统一的线路波阻抗计算出反向电压行波来排除健全馈线末端反射行波的干扰，鲁棒性较好。

附图说明

图1为实施例1中的缆线混合直配线系统结构图：图中，L₁为缆线混合馈线，L₂、L₃均为架空线，L为消弧线圈，R为消弧线圈的阻尼电阻，T_Z是Z字形变压器，C_E为母线系统对地等效电容，T为主变压器，K为隔离开关，M为位于母线处的故障行波的量测端；

图2为实施例1的故障电流行波及其模极大值图；

图3为实施例1的故障零序电流及其SFB小波系数图；

图4为实施例1的模拟故障距离l_f1下零序电流及其SFB下的小波系数图；

图5为实施例1的模拟故障距离l_f2下零序电流及其SFB下的小波系数图；

图6为实施例1的模拟故障距离l_f3下零序电流及其SFB下的小波系数图；

图7为实施例1的模拟故障距离l_f4下零序电流及其SFB下的小波系数图；

图8为实施例2的故障电流行波及其模极大值图；

图9为实施例2的故障零序电流及其SFB小波系数图；

图10为实施例2的模拟故障距离l_f1下零序电流及其SFB下的小波系数图；

图11为实施例2的模拟故障距离l_f2下零序电流及其SFB下的小波系数图；

图12为实施例2的模拟故障距离l_f3下零序电流及其SFB下的小波系数图；

图13为实施例2的模拟故障距离l_f4下零序电流及其SFB下的小波系数图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示PSCAD仿真软件模型中缆线混合模型，其中馈线L₁为缆线混合馈线，架空线部分长10km电缆部分长5km，健全馈线L₂和L₃均为架空线，长度分别为5km和15km。该配电网中母线右侧布置故障馈线L₁，母线左侧布置健全馈线L₂和L₃，T为主变压器，电压比为110kV/35kV，联结组别为YN/d11；消弧线圈L通过隔离开关K投切；M点是位于母线处的故障行波的量测端，母线系统对地等效电容C_E为0.0001μF，负荷侧降压变的对地等效电容如图1中虚框所示。

假设故障发生在架空线部分，故障点距离测量端4km，故障时刻为0.084ms，过渡电阻为0.01Ω。对母线测量测端检测到的故障电流行波进行三次B样条小波变换求取其行波模极大值，结果如图2所示。

利用模极大值对应的时刻来确定行波波头到达的时刻。如图2中所示，行波①为故障初始行波，行波②为故障点反射行波，行波③为缆线节点反射行波。其中，

Δt₁=0.027ms，Δt_２=0.035ms。根据上述缆线混合定位方法，首先计算l_f0= v_l×Δt₁/2=0.027×300/2=4.05km，因l_f0与短健全馈线长度相差较大，故可直接利用Δt₁计算出四个模拟故障距离。其中，电缆部分行波的传播速度v_c=158.73km/ms。根据式(4)、(5)计算得到l_f1= v_l×Δt₁/2=300×0.027/2=4.05km，l_f2=10-4.05=5.95km，l_f3=10+v_c×Δt₁/2=10+158.73×0.027/2=12.14km，l_f4=10+5-2.14=12.86km。

利用db4小波对故障零序电流行波进行6层小波变换，选取除去工频所在的频带中能量最大的第五层频带作为SFB，其对应小波系数和零序电流波形，如图3所示。将故障距离分别设置在l_f1、l_f2、l_f3和l_f4处，对四个模拟故障距离下的故障零序电流行波进行相同的小波分解，得到SFB下的小波系数，如图4~7所示。将模拟故障距离下的SFB对应的小波系数与实际故障下的小波系数进行相关分析，结果如表1所示。

由表1可知，模拟故障距离x_f1的零序电流行波SFB下的小波系数与实际故障的零序电流行波SFB的小波系数的相关性最大，因此可以认为x_f1对应的模拟故障距离即为故障距离，与真实的故障距离时间误差为0.05km。

实施例2：同样采用实施例1中的模型，假设故障发生在电缆部分，故障点距离量测端11km，距离缆线节点1km，故障时刻为0.084ms，过渡电阻为0.01Ω。对母线量测端检测到的故障电流行波进行三次B样条小波变换求取其行波模极大值，结果如图8所示。如图8中所示，行波①为故障初始行波，行波②为缆线节点反射行波，行波③为健全馈线末端反射行波，其中，Δt₁=0.015ms，Δt_２=0.03ms。首先计算=0.015×300/2=2.25km，因l_f0与短健全馈线长度相差较大，故可直接利用Δt₁计算出四个模拟故障距离：l_f1=v_l×Δt₁/2=0.015×300/2=2.25km，l_f2=10-2.25=7.75km，l_f3=10+=10+158.73×0.015/2=11.19km，l_f4=10+5-1.19

=13.81km。

利用db4小波对故障零序电流行波进行6层小波变换，选取除去工频所在的频带中能量最大的第五层频带作为SFB，其对应小波系数和零序电流波形，如图9所示。将故障距离分别设置在l_f1、l_f2、l_f3和l_f4处，对四个模拟故障距离下的故障零序电流行波进行相同的小波分解，得到SFB下的小波系数，如图10~13所示。将模拟故障距离下的SFB对应的小波系数与实际故障下的小波系数进行相关分析，结果如表2所示。

由表2可知，模拟故障距离x_f1的零序电流行波SFB下的小波系数与实际故障的零序电流行波SFB的小波系数的相关性最大，因此可以认为对应的模拟故障距离即为故障距离，与真实的故障距离时间误差为0.19km。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。