杨关春,彭 丽

(1.山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255091；2.山东省电力集团公司临沂供电公司,山东临沂276000)

一种不受波速影响的单端行波故障测距新算法

杨关春1,彭 丽2

(1.山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255091；2.山东省电力集团公司临沂供电公司,山东临沂276000)

采用提升小波变换和奇异性检测原理对电流行波到达母线测量端的时刻进行检测.首先利用初始行波、故障点反射波及对端母线反射波计算出行波波速,然后在常规单端行波故障测距算法的基础上,通过消去行波波速参数,提出一种不受行波波速影响的单端行波故障测距新算法. PSCAD和MATLAB仿真验证结果证明该方法具有很高的测距精度和实用性.

单端测距；行波；波速；提升小波；奇异性检测

随着我国经济的发展,电力系统规模逐渐加大,网络结构逐渐复杂,用户对供电稳定的要求也越来越高.因此,如何确保配电网的安全可靠运行,快速准确地查出故障线路及故障点位置,具有非常重要的意义.目前,输电线路测距方法主要有行波法和阻抗法.与阻抗法相比,行波法不受系统运行方式、接地故障电阻、线路参数和故障类型等因素的影响［1-2］.文献［3］提出了利用阻抗和行波组合测距的算法,利用阻抗大小来确定故障区段,文献［4］提出了一种利用地模分量和线模分量之间的延迟差来区分故障点反射波和对端母线反射波.

本文采提出了一种不受行波波速影响的单端行波测距新算法,本算法不需要计算行波波速,只需在单端检测三个波头的到达时间,就可以计算出故障点到测量端的距离,实现故障定位.

1 提升小波算法和奇异性检测理论

1.1 提升小波算法

提升小波算法的基本思想是,将现有的小波滤波器分解成基本的构造模块,通过一个预测算子来预测高频分量,并初步预测低频分量,然后通过更新算子,对初步预测的低频分量进行更新和修正,从而获得信号的低频分量.其提升方案一般分为三步［5］.

其中：

(2)预测：预测是利用偶数序列和奇数序列之间的相关性,用其中一个序列来预测另一个序列,通常是用偶数序列来预测奇数序列.预测过程如下：

(3)更新：经过分裂步骤产生子集的某些整体特征(如均值)可能与原始数据并不一致,为了使原信号集的某些全局特征在其子集中继续保持,必须进行更新.将更新过程用算子U来代替,其过程如下：

1.2 奇异性检测原理

小波变换具有很好的空间局部性,因此,本文利用小波变换的奇异性检测原理来确定信号突变的位置.

由上述奇异性检测理论可知,小波变换结果反应信号对应位置的变化率,小波变换的模极大值对应该点具有最大的变化率［6］.因此,小波变换模极大值点与信号的突变点是一一对应的,所以可以用小波变换的模极大值来确定行波波头达到的时刻.

2 单端行波故障测距的新算法

2.1 相模变换

由于三相输电线路间具有耦合作用,为了消除三相间耦合的影响,需要首先对行波分量进行相模变换［7］,将三相耦合的相分量解耦为相互独立的0、α、β模分量,本文采用凯伦贝尔变换将三相电流解耦,则有

由于线模分量不受传播系数、特征阻抗和大地电导率等因素影响,而且在各个频率下其传播速度基本一样,所以本文采用线模分量来测距.

2.2 故障点反射波与对端母线反射波的确定

通过检测故障点电流反射波与对端母线电流反射波模极大值的极性,来区分故障点反射波与对端母线反射波.行波在传播的过程中,经常会遇到结点(不同波阻抗的连接点称为结点).当行波到达结点时就会在结点处发生折射和反射,若线路波阻抗一定,则在结点处的折、反射系数为：

由此可知,对于单一回路来说,母线处的反射系数ρ＜0,折射系数γ＞0,此时,故障点的反射波与初始行波极性相同,对端母线上的反射波与初始行波极性相反,因此,可以利用模极大值的极性来确定故障点反射波与对端母线反射波［8-9］.

2.3测距新算法

本文采用单端行波故障测距方法,只需在M端采集故障电流行波信号,行波传输过程如图1所示.

图1 行波传输网格图

当线路发生故障时,故障点就会向M、N两端发出故障行波,设故障初始电流行波到达M端的时刻为t1,对应的故障点反射波到达M端的时刻为t2,对端母线电流反射波到达M测量端的时刻为t3,L是线路的全长,首先利用到达M端这三个时刻计算出行波波速：

可以从上式得到

然后利用模极大值的极性来区分故障点反射波和对端母线反射波,若在M端检测到是故障点反射波,则可以得到故障距离.若在M端检测到是对端母线反射波,则可以得到故障距离d=.本文所提单端行波测距新算法流程图如图2所示.

3 仿真验证

为了验证本算法的正确性,采用PSCAD和MATLAB进行线路仿真,仿真模型如图3所示,采用简单的双电源系统,其中电压为220k V,输电线路长度为L=200km,采样频率f=1MHz.

设在输电线路上距M端50km处发生单相接地短路故障,过渡电阻选为50Ω,通过对M端测得的电流行波经相模变换后,再用小波变换求得突变量对应的模极大值,从而可以准确地确定初始电流行波、故障点反射波和对端母线反射波到达M端的时刻,如图4所示,其对应的时刻分别为t1=170μs, t2=505μs,t3=1173μs,由此可以得到波速

图2 单端行波测距新算法流程图

图3 仿真模型图

υ=298.954 km/ms,以及计算故障距离d1= 50.075km,实际测距误差为75m,远小于理论测距误差150m,仿真结果表明本文所提的单端行波故障测距算法是比较精确的.

图4 电流线模分量和故障行波到的时刻示意图（d=5O km）

对输电线路上不同的故障距离进行仿真,然后根据本文所提的算法进行计算,计算结果见表1.可以看出,当不同的距离处发生故障时,经本文的单端测距新算法计算所得到的故障距离,其最大误差为105m,一般在75m左右,PSCAD和MATLAB仿真表明本文所提测距方法是可行的.表2为常规单端行波测距的仿真结果,取波速度υ=297.54km/ms,若在M测量端检测到是故障点反射波,则利用公式来计算故障点到测量端的距离,若在M测量端检测到是对端母线反射波,则利用公式d计算故障点测量端的距离,利用上述公式计算所得的结果,其误差大约为200m左右,远远大于本文单端测距新算法计算结果误差.

表1 常规单端行波测距的仿真计算表

表2 单端行波测距新算法的仿真计算表

从表1、表2可以看出常规单端行波测距需行波波速度来计算故障距离,容易受行波波速的影响,精确度不高,而本文的单端行波测距新算法将波速这个参数消去了,从而避免了行波波速的影响,使测距的精度有了明显的提高.

4 结束语

本文提出了一种不受行波波速影响的新型单端行波故障测距算法,采用小波模极大值确定出行波波头到达母线测量端的准确时刻,并根据本文所提的单端行波测距新算法计算故障点到测量端得距离.该算法消除了行波波速的影响,减小了测距误差,提高了测距的精确度.

［1］覃剑,彭丽萍,王和春.基于小波变换技术的输电线路单端行波故障测距［J］.电力系统自动化,2005,29(19)：62-65.

［2］徐丙垠,李京,陈平.现代行波测距技术及其应用［J］.电力系统自动化,2001,25(23)：62-65.

［3］郑秀玉,丁坚勇,黄娜.输电线路单端故障定位的阻抗行波组合算法［J］.电力系统保护与控制,2010,38(6)：18-21.

［4］Abur A,Mangnago F H.Use of delays time between model components in wavelet based fault location［J］.Electrical Power and Energy Systems,2000,22(6)：397-403.

［5］周陈斌.基于提升小波的电力系统单端行波测距仿真［J］.江苏电机工程,2007,26(5)：28-30.

［6］马丹丹,王晓茹.基于小波模极大值的单端行波故障测距［J］.电力系统保护与控制,2009,37(03)：55-59.

［7］齐爽,翟玉成,等.单端行波测距新算法的研究［J］.东北电力大学学报,2011,31(1)：48-51.

［8］艾斌,吕艳萍.基于小波模极大值极性的行波信号识别［J］.电网技术,2003,27(5)：55-57.

［9］蒋涛,陆于平.不受波速影响的输电线路的单端行波故障测距研究［J］.电力自动化设备,2004,24(12)：29-32.

(编辑:刘宝江)

A new single termianal fault locating algorithm unaffeated by the traveling wave velocity

YANG Guan-chun1,PENG Li2
(1.School of Electrical and Electronic Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255091,China；2.Linyi Power Supply Company,Shandong Provincial Electric Power Company,Linyi 276000,China)

The traditional single terminal traveling wave fault location algorithm needs to consider the wave velocity,and is prone to large range error.Traditional single terminal fault location methods consider the wave velocity and tend to be inaccurate.In this paper,lifting wavelet transform and singularity detection are used to detect the moment that current wave reaches the measuring terminals.Firstly,initial current wave,fault reflected wave as well as peer bus reflected wave are utilized to calculate wave velocity.Then,based on the traditional single terminal fault location algorithm,a new single terminal fault location algorithm unaffected by traveling wave velocity is put forward by eliminating wave velocity parameters.Finally,the high accuracy and practicality are proved by the results of PSCAD and MATLAB simulation.

single terminal fault location；travelling wave；wave velocity；lifting wavelet；singularity detection

1672―6197(2013)01―0059―04

TM773

A

2012- 11- 06

杨关春,男,yangguanchun1888@163.com