一种线缆混合线路故障波到时序测后模拟匹配的测距方法

摘要

本发明涉及一种线缆混合线路故障波到时序测后模拟匹配的测距方法，属电力系统继电保护技术领域。本发明对于中性点经消弧线圈接地且配网末端为开路的缆线混合直配线系统发生单相接地故障时，首先通过小波变换模极大值求解故障线路零序电流波头到达测量端的时序，并计算和首波头极性相同的第一个波头与首波头的波到时间差；然后分别计算可能故障距离；最后将每个可能故障距离与实际故障距离对应的零序电流波头到达时序进行比较，并将比较结果中可能故障距离对应的零序电流波头到达时序与实际故障距离对应的零序电流波头到达时序总误差最小者所对应的可能故障距离确定为故障距离。本发明成本低，降低了方法使用的难度，增加了测距方法的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种线缆混合线路故障波到时序测后模拟匹配的测距方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

行波法测距是利用线路上行波的传输特点来进行故障定位的方法。行波法进行故障定位可分为单端行波测距和双端行波测距。单端行波测距是通过对母线处检测到的行波信号进行分析，识别出来自故障点的反射波，根据波在母线和故障点之间往返一次所需要的时间，计算母线与故障点之间的距离。双端行波测距法是在线路的两端同时检测故障产生的行波信号，根据故障波到达线路两端的时间差来确定故障位置。基于不同的实现方法行波定位可分为A、B、C、D、E五种。其中A、B、D三种类型均是对故障本身产生的行波信号进行检测，通过计算故障产生的行波波头在故障点、线路端点之间的传输时间来确定故障位置；C、E两型则需要外加信号，通过对外加信号的行波检测来判断故障位置；A、E这两种方法都需要对暂态波形进行分析，以确定故障点反射波或对端母线反射波到达测量点所需要的时间；B、D属于双端测距法，需要在线路两端进行检测，而配电网的线路大多分支众多，很难实现双端行波信号的同步获取，因此在配电线路上不适用；C型方法也是一种单端测距方法，该方法在线路始端注入检测信号，并通过注入信号与故障点引起的反射波之间的时间差来确定故障位置。因此不论是单端行波测距还是双端行波测距，测距方式均依赖于行波波头性质的辨识及其达到测量端时刻的标定。

随着城市化发展的不断加速，架空线路、电缆这样的单一线路结构已不能满足城市对供电的需求，配电网馈线铺设工作为了配合城市规划以及不影响城市外观，常需要采取电缆—架空线混合供电的方式。由于电缆和架空线接头处波阻抗不连续，电缆的波阻抗明显小于架空线的波阻抗，当行波传播到电缆和架空线的接头时，会发生折反射，使得行波波形变得更加复杂，所以针对行波法故障定位而言，增加了行波波头准确辨识的难度。

发明内容

本发明提供了一种线缆混合线路故障波到时序测后模拟匹配的测距方法，以用于解决现有行波法故障定位行波波头辨识困难的问题。

本发明的技术方案是：一种线缆混合线路故障波到时序测后模拟匹配的测距方法，对于中性点经消弧线圈接地且配网末端为开路的缆线混合直配线系统，当其中由一段架空线和一段电缆混合而成的线路发生单相接地故障时，首先通过小波变换模极大值求解故障线路零序电流波头到达测量端的时序，并计算和首波头极性相同的第一个波头与首波头的波到时间差；然后分别计算可能故障距离；最后将每个可能故障距离对应的零序电流波头到达时序与实际故障距离对应的零序电流波头到达时序进行比较，并将比较结果中可能故障距离对应的零序电流波头到达时序与实际故障距离对应的零序电流波头到达时序总误差最小者所对应的可能故障距离确定为故障距离。

所述测距方法的具体步骤如下：

A、当发生单相接地故障时，通过小波变换模极大值求解故障线路零序电流波头到达测量端的时序，并计算和首波头极性相同的第一个波头与首波头的波到时间差                                                ：

        　　　　　　                 　　　　　　       （1）

式中：t₁为首波头到达测量端的时刻，t₂为与首波头极性相同的第一个波头到达测量端的时刻；

B、利用公式（1）中的，计算可能故障距离：

若故障发生在线路的第一区段，此时可能故障距离为：

                                                    （2）

                                                  （3）

式中：v为行波在第一区段线路中的传播速度，视具体情况分别选为v_c和v_l，v_c为行波在电缆中的传播速度，v_l为行波在架空线中的传播速度；l为故障所在区段线路长度；

若故障发生在第二区段，此时可能故障距离为：

                                                 （4）

                                              （5）

式中：v为行波在该区段线路中的传播速度，视具体情况分别选为v_c和v_l，v_c为行波在电缆中的传播速度，v_l为行波在架空线中的传播速度；l_q为非故障所在区段线路的长度；l为故障所在区段线路的长度；

C、对每个可能故障距离进行仿真，得到可能故障距离对应的故障线路零序电流波形及通过小波变换模极大值求解得到的零序电流波头到达时序=[t_1j,t_2j,t_3j…t_mj]，分别将其与实际故障距离对应的零序电流波头到达时序=[ t₁,t₂,t₃…t_m]进行比较：根据公式（6）分别计算每个可能故障距离对应的零序电流波头到达时序与实际故障距离对应的零序电流波头到达时序的误差，再根据公式（7）计算每个可能故障距离对应的零序电流波头到达时序总误差，并将总误差最小者所对应的可能故障距离确定为故障距离：

                                                （6）

                                                        （7）

式中：i=1,2,3…m为故障零序电流到达测量端的次数，j=1,2,3…n为可能故障距离的个数。

本发明的工作原理是：当中性点经消弧线圈接地且配网末端为开路的缆线混合直配线系统属“Ⅰ-Ⅲ”母线接线形式，具有故障电流初始行波、故障点反射波和故障馈线末端反射波三者同极性的特点。因此，若故障发生在距离母线最近的线路区段上（即第一区段），此时可能故障距离为：和；若故障发生在非距离母线最近的线路区段上（即第二区段），此时可能故障距离为：和，式中为与首波头极性相同的第一个波头与首波头的波到时间差，v为行波在该区段线路中的传播速度，视具体情况分别选为v_c和v_l，v_c为行波在电缆中的传播速度，v_l为行波在架空线中的传播速度；l为故障所在区段的线路长度；l_q为非故障区段线路的长度。所以，无论故障发生在哪一区段时，均可通过上述计算公式求出四个可能故障距离。若通过仿真系统求解四个可能故障距离对应的零序电流波头到达时序（即波到时序），其中只有一个时刻序列与实际故障距离对应的波到时刻序列最为接近，于是通过误差最小原理就可以确定故障距离。误差最小原理的应用具体为：假设实际故障距离对应的零序电流波到时序为=[ t₁,t₂,t₃…t_m]，可能故障距离对应的零序电流波到时序为=[t_1j,t_2j,t_3j…t_mj]，则定义可能故障距离对应的零序电流波到时序元素的误差为；可能故障距离对应的零序电流波到时序总误差为；那么可知总误差最小者所对应的可能故障距离确定为故障距离；其中：i=1,2,3…m为故障零序电流到达测量端的次数，j=1,2,3…n为可能故障距离的个数。

在认定波到时序时，为了消除干扰信号的影响，针对不同的系统要对到达测量端波头的幅值的绝对值进行阀值设置，幅值的绝对值高于阀值的波头其到达时刻才被认定为波到时序，同时波到时序第二个元素对应的波头极性必须与波到时序第一个元素对应的波头（即首波头）极性相同。

本发明的有益效果是：

1、本方法本质上还是单端行波测距法，只需要安装一组检测设备，建设成本低；

2、本方法无需对故障点反射波进行辨识，降低了方法使用的难度；

3、本方法采用从一组可能故障距离中寻求一个真实故障距离，增加了测距方法的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例1和实施例2的配电网谐振接地系统仿真模型；

图2为本发明实施例1的实际故障距离对应的零序电流波形及波到时序图；

图3为本发明实施例1的可能故障距离3.96km对应的零序电流波形及波到时序图；

图4为本发明实施例1的可能故障距离6.04km对应的零序电流波形及波到时序图；

图5为本发明实施例1的可能故障距离16.02km对应的零序电流波形及波到时序图；

图6为本发明实施例1的可能故障距离13.98km对应的零序电流波形及波到时序图；

图7为本发明实施例2的实际故障距离对应的零序电流波形及波到时序图；

图8为本发明实施例2的可能故障距离2.61km对应的零序电流波形及波到时序图；

图9为本发明实施例2的可能故障距离7.39km对应的零序电流波形及波到时序图；

图10为本发明实施例2的可能故障距离14.02对应的零序电流波形及波到时序图；

图11为本发明实施例2的可能故障距离15.98km对应的零序电流波形及波到时序图；

图12为本发明实施例3配电网谐振接地系统仿真模型；

图13为本发明实施例3的实际故障距离对应的零序电流波形及波到时序图；

图14为本发明实施例3的可能故障距离2.98km对应的零序电流波形及波到时序图；

图15为本发明实施例3的可能故障距离7.02km 对应的零序电流波形及波到时序图；

图16为本发明实施例3的可能故障距离11.93km对应的零序电流波形及波到时序图；

图17为本发明实施例3的可能故障距离13.07km对应的零序电流波形及波到时序图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示的中性点经消弧线圈接地且配网末端为开路的缆线混合直配线系统中，Z字形变压器的中性点通过消弧线圈并串联电阻接地，电源为G，主变压器为T、接线形式为YN和d11、变比为110 kV /35 kV，T_Z为Z字形变压器，消弧线圈电感值为L，消弧线圈的阻尼电阻为R。系统馈线由一段电缆和一段架空线混合而成的线路与电缆线路两种线路组成。缆线混合线路长20km，其中电缆馈长10km，架空馈线长10km；其它两条为电缆馈线，分别长度为8 km和15km。

现假设混合电路距离测量端4km处发生故障。测量端获得的故障线路零序电流波形及通过小波变换模极大值求解得到的零序电流波头到达测量端的时序如图2所示。从图2可以得出初始行波到达的时刻为0.082021s，与首波头极性相同的第一个波头到达测量端的时刻为0.082062s，于是，=0.000041s。大量的仿真实验表明，针对该系统，到达测量端波头的幅值绝对值的阀值设为0.005kA时满足使用要求，于是实际故障距离下的波到时序为[21 62 103 144]。所以根据式（2）至（5）可得四个可能故障距离分别为：

=3.96km；

=6.04km；

=16.11km；

=13.89km。

其中，行波在电缆中的传播速度v_c取193000km/s；行波在架空线中的传播速度v_l取298000 km/s。

分别对4个可能故障距离进行仿真，得到4个可能故障距离对应的故障线路零序电流波形及通过小波变换模极大值求解得到的零序电流波到时序，结果如图3-6所示。从图中可以看出，4个可能故障距离对应的零序电流波到时序分别为：

t_{( lf=3.96km)}=[21 63 103 144]；

t_{( lf=6.04km)}=[32 94 114 177]；

t_{( lf=16.02km)}=[65 92 105 119]；

t_{( lf=13.98km)}=[72 98 114 151]。

由公式（6）求得4个可能故障距离对应的波到时序元素的误差为

( l_f=3.96km)=[0       1.6%      0       0]；

( l_f=6.04km)=[52.3%  51.6%  10.7%   22.9%]；

( l_f=16.02km)=[210%   48.3%  1.9%   17.4%]；

( l_f=13.98km)=[243%   58.1%  10.7%   4.9%]。

由公式（7）求得4个可能故障距离对应的波到时序总误差为

( l_f=3.96km)∑=1.6%；

( l_f=6.04km)∑=137.5%；

( l_{f=16.02km)∑}=227.6%；

( l_{f=13.98km)∑}=316.7%。

显然，可能故障距离3.96km对应的零序电流波到时序的总误差最小，于是取检测的故障距离为3.96km，检测误差1%。

实施例2：如图1所示的中性点经消弧线圈接地且配网末端为开路的缆线混合直配线系统，其参数与实施例1相同。

现假设混合线路距离测量端14km处发生故障。从测量端获得的故障线路零序电流波形以及通过小波变换模极大值求解得到的零序电流波头到达测量端的时序如图7所示。大量的仿真实验表明，针对该系统，到达测量端波头的幅值绝对值的阀值设为0.005kA时满足使用要求。从图7中可以得出实际故障距离下的波到时序为[65 92 104 120]。首波头到达测量端的时刻=0.082065s，其后与首波头极性相同的第一个波头到达测量端的时刻=0.082092s，于是=0.000027s。所以根据式（2）至（5）可得四个可能故障距离分别为：

=2.61km；

=7.39km；

=14.02km；

=15.98km。

其中，行波在电缆中的传播速度v_c取193000km/s；行波在架空线中的传播速度v_l取298000 km/s。

分别对4个可能故障距离进行仿真，得到4个可能故障距离对应的故障线路零序电流波形及通过小波变换模极大值求解得到的零序电流波到时序，结果如图8-11所示。从图中可以看出，4个可能故障距离对应的零序电流波到时序分别为：

t_{( lf=2.61km)}=[12 39 95 121]；

t_{( lf=7.39km)}=[27 103 109 120]；

t_{( lf=14.02km)}=[65 92 104 120]；

t_{( lf=15.98km)}=[72 104 112 121]。

由公式（6）求得4个可能故障距离对应的波到时序元素的误差为

( l_f=2.61km)=[81.5%  57.6%  8.7%  0.8%]；

( l_f=7.39km)=[58.5%   12.0%   4.8%   0]；

   _{( lf=14.02km)}=[0       0      0       0]；

( l_f=15.98km)=[10.8%  13.0%  7.7%  0.8%]。

由公式（7）求得4个可能故障距离对应的波到时序总误差为

( l_f=2.61km)∑=148.6%；

( l_f=7.39km)∑=75.3%；

( l_{f=14.02km)∑}=0；

( l_{f=15.98km)∑}=32.3%。

显然，可能故障距离14.02km对应的零序电流波到时序的总误差最小，于是取检测的故障距离为14.02km，检测误差1.4%。

实施例3：如图12所示的中性点经消弧线圈接地且配网末端为开路的缆线混合直配线系统中，Z字形变压器的中性点通过消弧线圈并串联电阻接地，电源为G，主变压器为T、接线形式为YN和d11、变比为110 kV /35 kV，T_Z为Z字形变压器，消弧线圈电感值为L，消弧线圈的阻尼电阻为R。系统馈线由一段架空线和一段电缆混合而成的线路与电缆线路两种线路组成。缆线混合线路长15km，其中架空馈线长10km，电缆馈长5km，；其它两条为电缆馈线，分别长度为8 km和15km。

现假设混合线路距离测量端7km处发生故障。从测量端获得的故障线路零序电流波形以及通过小波变换模极大值求解得到的零序电流波头到达测量端的时序如图13所示。大量的仿真实验表明，针对该系统，到达测量端波头的幅值绝对值的阀值设为0.005kA时满足使用要求。从图13中可以得出实际故障距离下的波到时序为[22 42 69 90]。首波头到达测量端的时刻=0.082022s，其后与首波头极性相同的第一个波头到达测量端的时刻=0.082042s，于是=0.000020s。所以根据式（2）至（5）可得四个可能故障距离分别为：

=2.98km；

=7.02km；

=11.93km；

=13.07km。

其中，行波在电缆中的传播速度v_c取193000km/s；行波在架空线中的传播速度v_l取298000 km/s。

分别对4个可能故障距离进行仿真，得到4个可能故障距离对应的故障线路零序电流波形及通过小波变换模极大值求解得到的零序电流波到时序，结果如图14-17所示。从图中可以看出，4个可能故障距离对应的零序电流波到时序分别为：

t_{( lf=2.98km)}=[10 30 50 56]；

t_{( lf=7.02km)}=[24 43 72 91]；

t_{( lf=11.93km)}=[45 85 106 124]；

t_{( lf=13.07km)}=[51 114 119 124]。

由公式（6）求得4个可能故障距离对应的波到时序元素的误差为

( l_f=2.98km)=[54.5%  28.6%  27.5%  37.8%]；

( l_f=7.02km)=[9.1%   2.4%   4.3%   1.1%]；

( l_f=11.93km)=[105%  102%  53.6%  37.8%]；

( l_f=13.07km)=[132%  171%  72.5%  37.8%]。

由公式（7）求得4个可能故障距离对应的波到时序总误差为

( l_f=2.98km)∑=148.4%；

( l_f=7.02km)∑=16.9%；

( l_{f=11.93km)∑}=298.4%；

( l_{f=13.07km)∑}=413.3%。

显然，可能故障距离7.02km对应的零序电流波到时序的总误差最小，于是取检测的故障距离为7.02km，检测误差0.3%。

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作出各种变化。