小型水电站配电线路断线故障自动检测方法研究

2022-04-13朱振洪马伟伟

电子设计工程 2022年6期

朱振洪，孙辉，马伟伟

（1.国网浙江余姚市供电有限公司，浙江余姚 315400；2.余姚市宏宇输变电工程有限公司，浙江余姚 315400）

水电站能够将水的位能和动能转换成电能。一旦水电站出现故障，将会对配电工作造成很大的阻碍。常见的故障类型是水电站的配电线路问题，其易导致水电站的部分驱动指令中断，以至于难以完成水电站的正常工作[1-2]。

传统的小型水电站配电线路断线故障自动检测应用小波检测方法，但由于小波变换方法主要管理电路信号的波动，对于线路电压的灵敏性不高，导致其在水电站配电线路断线故障诊断过程中易出现诊断偏差[3-4]。为此，该文根据小型水电站配电线路断线的基本类型和常见故障情况出发，设计一种新的水电站配电线路断线故障自动检测方法。

1 线路断线故障分析

小型水电配电线路主要具备的性质是电流、电压、电势、电阻、等效阻抗等，以上所有性质相互影响。其中最能判断线路运行状态的是电压，其他性质没有电压相同的影响力[5]。因此，该文通过水电站配电线路的电压变化情况判断线路断线的故障类型。

小型水电站结构如图1 所示。常见的水电站配电线路断线故障分为单线断线故障和多线断线故障[6-7]。

图1 小型水电站结构

1.1 配电线路单线断路故障分析

小型水电站配电线路单线断线故障的本质是在水电站配电线路内部，只存在串联电路所在的支路故障，并且此支路对线路内其他支路的正常运行影响小或者不存在影响。因此，针对单线断线故障来说，其故障类型下电压的变化特征通过电压值、电压值与干路的零序电压的关系、支路电压与干路负荷电压的关系表现出来[8]。单线断线故障检测线路如图2所示。

图2 单线断线故障检测线路

在水电站配电线路所有支路中，当某一条支路的电压为0 或者为极限值，定义该支路为故障线路[9-10]。

如果在一个故障线路中，所有支路的电压值正常，那么需要进一步判断每个支路的电压值和干路的零序电压的数值比例，正常线路中两者比例为1∶1。如果存在单线断线故障，那么两者比例为1∶2。

当线路的支路电压值正常和电压值与零序电压的比值正常时，需要继续判断线路的负荷电压，配电线路出现断线故障时，线路负荷电压的数值会增加，通过电压灵敏器测量线路的负载电压值，正常的负荷电压和各个支路的电压比值为0.5∶1，当存在线路故障的支路电压与负荷电压的比值达到3∶1 时，该支路为故障支路，线路的故障类型为水电站配电线路的单线故障[11-12]。

1.2 配电线路多线断路故障分析

在小型水电站配电线路的断线故障中，多线断线故障比单线断线故障发生的概率大，解决起来更加困难。

配电线路多线断线故障是指线路内存在干路故障或者多条干路和支路共同出现故障。其形成的本质是线路内多个支路和干路相当于直接负荷，电流全部为0，电源侧电压维持故障前水平不变，负荷侧电压消失。

为此，该文根据水电站配电线路内各个干路和支路的电压值进行线路多线断线故障的分析。因为在配电线路发生多线断线故障时，线路的负荷电压失去意义不会发生波动[13-14]，因此该文不用考虑负荷电压的影响。

线路内多条支路出现故障，断线点位置就无法正常进行电压的传输，此条线路的相位值会立即升高，线路的电压相位变化差值超过规定范围，此线路为多线断线故障[15]。配电线路多线断线故障检测如图3 所示。

根据图3 可知，出现多线断线故障时，总线路内会出现大量富余电压，总线路电源电压的值就会小于正常电压，线路内的偏移电压也会随之增大，其幅度值与线路正常状态有直接关系，线路内部的多线断线故障会直接降低偏移电压和线路电压的利用率。在此基础上，分析电源电压与正常的电压是否存在数值差距，如果存在数据差值，需要观察干路电压相位变化差值。

图3 配电线路多线断线故障检测

2 配电线路断线故障自动检测方法

水电站配电线路断线故障发生时内部会产生一个非基频率的暂态信号，检测设备如图4 所示。

图4 水电站配电线路断线故障检测设备

该文通过希尔伯特-黄变换算法确定线路是否发生故障，通过经验模态分解算法确定线路断线的故障点位置。

希尔伯特-黄变换算法是一个非线性的信号处理算法，十分适合用于对线路进行分析，具有高强度的计算能力[16]。对收集到的线路非基频率暂态信号进行变换计算，计算出每个信号周期内的瞬时频率和振幅，希尔伯特-黄变换算法对分析的非基频率暂态信号具有一定的标准，主要标准为信号的局部极值点、信号周期长度相同，信号的每个区域内的最大极值点不超过暂态信号的上下包络值。该算法将线路内的非基频率信号进行随机分段，然后对每段信号进行分解，具体分解过程如下：

其中，rn表示非基频信号的电阻值；di表示计算基频率信号的电势值。

提取分解的暂态信号中的局部极大值、局部极小值，然后计算每段信号的上下包络值，计算公式如下：

其中，m表示包络值；a(t) 表示线路电压的振幅；ei是判断系数。

以上公式计算出的包络值如果不满足上文设定的局限规定，那么重新进行信号分解，计算包络值。然后根据每段线路信号的包络值、局部极值，计算出每段线路的瞬时频率，如果所有的瞬时频率误差在0.5 rad/s 内，那么该水电站配电线路没有故障，相反则存在故障。

在通过希尔伯特-黄变换算法检测线路是否存在断线故障的基础上，根据电路的非基频率信号分析结果，得出信号每周期的特征时间尺度，提取信号时间尺度，检测异常波动尺度，该区域是水电站配电线路断线的故障区域。

配电站和用户之间的关系如图5 所示。

图5 配电站和用户之间的关系

小型水电站配电线路断线故障自动检测工作流程如图6 所示。

图6 断线故障自动检测工作流程

1）通过专业仪器测量小型水电站配电线路内各个介质的数值，根据希尔伯特-黄变换算法计算线路内其他隐含介质的数值，对小型水电站配电线路进行故障检测，判断线路是否存在故障，如果存在故障，则需要判断线路的故障类型；

2）分析小型水电站配电线路故障类型，根据线路内各个支路的电压和干路介质的数值比较，确定是否满足配电线路单线断线故障的特征和多线断线故障的特征；

3）确定好小型水电站配电线路断线的故障类型后，根据经验模态分解方法分析出配电线路内故障所处的区域，完成小型水电站配电线路断线故障的自动检测工作。

3 实验研究

为验证上述小型水电站配电线路断线故障自动检测方法的有效性，将其与传统的检测方法进行实验对比。选用的传统方法分别为基于配电网双端信息融合的单相断线故障实时监测方法、基于形态学-小波的接触网断线故障检测方法。

实验参数如表1 所示。

表1 实验参数

该文利用3种检测方法同时针对配电线路单线断线故障和配电线路多线断线故障进行检测。配电线路单线断线故障电流启动判断计算值曲线如图7所示。

根据图7 可知，定义的配电线路故障定值为0.5 kA，通过判断计算，分析发生断线故障之后，线路会启动保护条件，该文提出的小型水电站配电线路断线故障自动检测方法启动保护条件的时间为5 ms，传统方法分别为基于配电网双端信息融合的单相断线故障实时监测方法启动保护条件的时间为40 ms，基于形态学-小波的接触网断线故障检测方法启动保护条件的时间为80 ms。