配电网故障测距方法的仿真分析

徐汝俊,张 伟,熊高林,邹 文

(华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定 071003)

配电网故障测距方法的仿真分析

徐汝俊,张 伟,熊高林,邹 文

(华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定 071003)

介绍了C型行波法的测距原理,利用 ATP仿真软件对10 kV多分支配电线路单相接地故障进行仿真,通过 MATLAB对仿真数据和图形进行分析,比较正常线路和故障线路波形,找到了第一个波形畸变点并以此来确定故障距离。结果表明测距精度满足实际要求,从而验证了 C型行波法在配电网故障测距中的可行性。

配电网;C型行波法;测距;仿真

0 引 言

配电网故障定位是配电网运行中的重要环节,由于配电网接线复杂、故障模式多,故障时一般接地电阻大,因此,配电网故障定位是非常困难的。C型行波法[1～3]具有测距速度快、精度高的优点,是目前配电网故障测距的主要研究方法。本文介绍了 C型行波法的测距原理,利用 ATP仿真软件对配电线路单相接地故障建立仿真模型,得到仿真数据和图形;利用 MATLAB对仿真数据和图形进行分析,研究计算结果,验证了 C型行波法在配电网故障测距中的可行性。

1 C型行波法测距原理

线路发生故障后,如果在信号检测点向线路发射行波信号,那么在信号检测点和故障点之间就会有往返传播的信号出现,直到信号衰减为 0。在信号检测点往返的行波信号可以分为 2类：(1)由波阻抗不连续点产生的到达检测点的第一个反射波;(2)在线路的节点之间经多次折反射后的波。波阻抗不连续点包括线路上的分支点、分支末端点和接地故障点。

C型行波法是离线测距,在线路发生故障后,由人工向故障线路发射行波信号,然后检测并识别来自故障点的反射波。根据行波在测量点与故障点之间往返一次的时间和行波的波速来确定故障点的距离。

下面以线路发生金属性接地为例,说明 C型行波法测距原理 (见图 1)。

图1 C型行波法测距示意图Fig.1 Schematic diagram of type C traveling w ave fault-location method

图1中,线路上 F点发生金属性接地故障。设在 t=0时刻,由人工在检测端 M向故障线路发射行波信号。由于故障点为金属性短路,当行波到达故障点时会发生全反射,并改变极性,在 T时刻又返回检测端 M。

设故障点到信号检测点 M的距离为 XL,则故障点的计算公式为：

式中：v是波速。

如果是经电阻接地的故障,则在接地点还有一部分波透射到接地点的另一侧,但仍有反射波回到检测点,由于能量的分散,使反射波幅值比金属性接地时要小。

2 C型行波法仿真分析

2.1 仿真实例

利用 C型行波法对10 kV多分支配电线路进行测距,如图 2所示,在线路分支 AD中间处发生单相接地故障,其接地电阻为1 000Ω。 MN=5 km,AD=1 km, MA=1 km,AB=1.5 km,BE=1 km,BC=1.5 km,CG=1 km。

图2 仿真线路示意图Fig.2 Schematic diagram of simu lation line

2.2 仿真分析

通过 ATP软件进行仿真,仿真线路使用分布参数的单相线路,每两个点之间的一段线路用 π型等值电路模拟,其中,设波阻抗为460Ω。信号源采用幅值为10 kV,宽度为2μs的高压脉冲信号。实际10 kV线路分支或主干线末端都会有配电变压器,其影响主要是变压器绕组电感和变压器入口电容会对行波产生反射和折射。当很陡的冲击波作用时,一般在10μs内,流经绕组电感中的电流很小,因此,变压器绕组电感对行波的影响可以忽略,故变压器对行波的影响主要是其入口电容反射影响。变压器的入口电容的大小与其额定电压及容量有关,对于容量为100 kVA的10 kV配电变压器,用 Al-6000自动精密电桥测量,三相绕组总的入口电容1.268 nF,每相绕组入口电容为423 pF。

设参数 L为 1.66 mH,C为 0.0066μF。对图2所示线路进行采样仿真时,采样间隔为 Δt=0.01μs,仿真时间为200μs,采样数据为20 000个,线路仿真模型如图 3所示。

在线路正常时与接地故障后分别注入脉冲信号,通过检测反射波,可以发现：在故障点第一个反射波到达之前,故障线路的反射过程与正常时一致,而之后则不同。由此可知,两个波形的第一个差异点必然来自故障点的反射波,通过测距公式即可求出故障距离。在检测点采用100 MHz的采样率进行采样,得到正常线路波形如图 4所示,当 F点发生单相接地故障时,故障波形如图 5所示。因为每 100个点相当于 1μs,故横坐标标值为时间/0.01μs。(注：图 4～6是经 MATLAB处理后的信号波形)。

图3 线路仿真模型Fig.3 Line simulation m odel

利用 MATLAB对信号进行分析,故障线路与正常线路波形相减,得到的波形差如图 6所示,其中,第一个波形畸变点是来自故障点的反射波。利用 MATLAB小波包对信号进行分解和重构,在 MATLAB小波分析工具箱中,提供了一些常用的小波基函数,coifN小波系列具有较好的对称性,选取 coif5作为小波函数,对图 6波形差信号进行三层小波包分解,可得到故障时刻 T=10.04μs,根据上述测距公式,取波速 v=300m/μs,则

与实际距离相差6m,测距精度满足实际要求。

图6 故障线路与正常线路波形差Fig.6 Subtraction betw een the fault line w aveform and the normalone

3 结 论

C型行波法具有测距速度快、精度高的优点,不受信号故障时刻行波信号强弱的影响,在进行故障测距时可以重复进行判断。当一次接收到的信号不能清楚分析故障点位置时,可以重新发一个行波信号进行再次测距,从很大程度上保证了测量精度,在配电网故障测距中有较大的优势。

小波包能够对信号进行精细的分析,它可以将频带进行多层次划分,对多分辨率分析中没有细分的高频部分作进一步分解,从而提高了时—频分辨率,这种优点使得小波包分析方法在高频暂态信号的处理中得到重要应用。

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Sim ulation Analysis on Distribution Network Fau lt-location Method

Xu Ru jun,Zhang Wei,Xiong Gao lin,Zou Wen
(School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

The principle of type C traveling wave fault-location method was introduced. Many simu lations were taken by ATP software for single-phase earth fault in a 10 kV power distribution line with many branches.Simulation data and figureswere analyzed by MATLAB,comparing the normal line waveform and the fault one,the fault distance was determ ined by the first distortion point.As a result,the simulations indicated that the fault-location precisionmeet theactual requirement,type C travelingwave fau lt-locationmethod was feasib le for the fault location in distribution network.

distribution network;type C traveling wave;fault-location method;simulation

T M726;T M935

A

2009-12-24。

徐汝俊 (1986-),男,硕士研究生,研究方向为智能化检测与控制技术,E-mail：285295124@qq.com。