基于行波法的低压台区低压故障停电报警系统设计

2023-01-11赵琳

能源与环保 2022年12期

赵琳

(国网黑龙江省电力有限公司伊春供电公司，黑龙江伊春 153000)

电力系统运行的可靠性对于人们的正常生活工作产生重要影响，低压台区低压电网通常具有较长线路[1]，由此导致其负荷性质繁杂，极易受外界外力因素破坏等因素导致不同短路、断线、过载、接地等故障造成停电[2]。因此，研究一种有效机制实现低压台区低压故障停电报警具有重要意义。阿辽沙·叶等[3]通过对比电网数据终端与电能表停上电数据判断停电原因并报警；徐铭铭等[4]利用停电发生概率以及停电严重程度的重复多发性等指标实现停电报警；李泽文等[5]提出基于随机共振—固有时间尺度分解的行波信号检测方法实现停电报警。本文以提升停电报警效率，缩短故障报修时间，保障低压台区电网稳定为目的，设计基于行波法的低压台区低压故障停电报警系统。

1 低压台区低压故障停电报警系统

1.1 硬件设计

基于行波法的低压台区低压故障停电报警系统的拓扑如图1所示。

图1 低压台区低压故障停电报警系统的拓扑Fig.1 Topology diagram of low voltage fault power failure alarm system in low voltage station area

图1中，PSTN为公用电话交换网[6]，属于一类具备模拟技术的电路转换网络。PSTN的通信成本小，电路转换的网络带宽使用率较小；断电报警器能够在低压台区低压故障停电时，自动触发呼出报警信息；CTI服务器属于系统的调度部门[7]，管理系统报警信息的呼入与呼出；用户能够在Web服务器登录本文系统；短信猫能够发出报警信息。基于行波法的低压台区低压故障停电报警系统的层次结构如图2所示。

图2 系统的层次结构Fig.2 Hierarchical structure of the system

图2中，接入层的功能是低压台区低压故障信号的检测、报警电话的呼叫接入；流程控制层能够设置停电报警的流程，可管理报警器的响应条件与报警后的相关电网保护措施[8]；业务逻辑层主要服务于用户，响应用户的呼叫指令。流程控制层中自动报警模块结构如图3所示。

图3 自动报警模块结构Fig.3 Structure diagram of automatic alarm module

(1)零序电流检测器。低压台区低压故障停电时，电流零序分量电流进入自动报警模块，通过自动报警模块中二次电流互感器TA传输至过流检测器，通过过流检测器分辨零序电流是否大于阈值。

(2)主控制器。主控制器获取过流检测器传输的信号后，执行延时操作，主控制器使用调制解调器Modem往流程控制层发送报警信号[9]。

1.2 基于多点电流测量的输电线路行波故障定位

故障信息监测模块采用基于多点电流测量的输电线路行波故障定位方法实现故障信息定位。使用罗氏电流互感器获取低压台区低压下的电流行波数据源[10]，使用无线网络把获取的故障电流行波数据传输至监控中心主机。监控中心故障定位模块需要分辨相邻测点中每项电流的相位关联性，完成故障点定位。然后将每个测点存在的故障初始行波到达时间实施时序有效性检验。根据中间故障范围选取标准，设置用来定位故障的两端测点，通过不存在故障线路和两端测点获取有效行波到达时间在线运算获取故障行波波速，最终使用双端行波定位原理定位故障点。

1.2.1 故障范围定位

根据基于电流故障分量的分相电流相位差动方法，对比近邻TA中电流故障分类的相位关联性，以此定位故障范围。

电力故障分量ΔJ的计算方法是：

ΔJ=Jg-JL

(1)

式中，Jg、JL分别为存在故障的电流与正常电流。

运算电流故障分量前，使用突变量检测算法分辨故障出现的时间，使用一定周期的电流采样值通过式(1)运算获取电流故障分量、电流故障分量的基波相位。若近邻测点中运算获取的某相电流故障分量的相位值依次是Δq1与Δq2，使用式(2)分辨故障相别与故障出现在近邻测点区域内的概率。

|Δq1-Δq2|≤Δqth

(2)

若相位差|Δq1-Δq2|≤阈值Δqth，则此相故障，故障点处于两个测点范围中。

1.2.2 波速在线检测

将最相近故障点两侧的测点设成首级测点，往线路两侧延伸和首级测点近邻的测点设成第2级测点，同理能够获取第m级测点。

定位故障点后，使用首级与第2级测点间线路段运算波速，前提是使用的测点检测结果存在有效性。第2级测点设为NK-1，首级测点设为NK，两个测点检测获取的故障初始行波抵达测点的时间差设为ΔhK。NK-1与NK间线路长度设为cK。故障行波波速u的运算方法为：

(3)

1.2.3 故障距离运算

故障距离是故障点至用来定位的线路段始端测点的距离。若近邻测点间线路长度差异不大，使用第2级测点实现故障定位。

邻近测点间线路长度通常情况下是存在差异的，且此差异不属于未知数，所以，能够使用持续延伸值后级测点的形式，选取用来定位的线路段的两端测点。多测点输电线路详情如图4所示。

图4中，线路长度cK、cK+2、cK+3、cK+4已知，线路长度cK=cK+2+cK+3，将第2级测点延伸到第3级测点NK+3，把第2级测点NK-1与第3级测点NK+3依次设成始端与末端测点，实现故障点定位。NK+4、NM分别为第4级测点与末端测点。

运算获取故障行波波速u，设置用来故障点位的线路范围后，使用双端行波运算获取故障距离。若定位获取的故障范围不大，也能够直接获取定位结果。

图4 多测点输电线路详情Fig.4 Details of transmission line with multiple measuring points

2 实验结果与分析

为验证本文所设计基于行波法的低压台区低压故障停电报警系统的应用性能，利用Matlab/Simulink仿真平台仿真低压台区电网运行，采用本文系统对仿真对象低压故障停电现象进行报警测试。

2.1 实验环境

实验过程中仿真的低压台区电网结构如图5所示。

图5 低压台区电网Fig.5 Power grid diagram of low voltage platform area

低压台区电网运行参数如下：电网为220 kV双端输电线路，总长200 km。故障点设定在侧25、50、100、200 km位置。测点设定距离故障点1.5～2.0 m区域，测点间距设定为4 km，用于仿真实际电流测点，在0.5 s时出现停电现象，设定的采样周期为10×10-6s。故障类型为A相接地、AB两相短路、高次谐波电流过载和三相短路。设定该电网低压故障定位误差阈值为88 m，当本文系统定位误差小于阈值时，则说明本文系统满足实际应用需求。

图3中：Qe1、Qw分别为热交换前烟气热量、湿垃圾热量；Qe2、Qd、Qg分别为热交换后烟气热量、干垃圾热量、水蒸气热量；Qt为干燥过程中损失的热量；Ve为烟气体积；Ww、Wd、Wg分别为湿垃圾质量、干垃圾质量、水蒸气质量；Te1、Tm1分别为热交换前烟气温度、湿垃圾温度；Te2、Tm2、Tg分别为热交换后烟气温度、干垃圾温度、水蒸气温度；ce1、ce2分别为热交换前后烟气的比热容；cw、cd分别为湿垃圾、干垃圾的比热容；cg为水蒸气比热容。

2.2 实验结果

2.2.1 电流行波数据含噪量

本文系统采集的低压台区低压下电流行波数据中噪声如图6所示。

图6 电流行波数据中噪声Fig.6 Noise content in current traveling wave data

电流行波数据内含有大量噪声将造成电流行波数据失稳，提升数据分析误差，对系统低压故障停电报警的准确性造成显著影响。分析图6得到，本文系统采集的电流行波数据中噪声在前0.6 s中较为稳定，控制在1.5 dB以下；在0.6 s后电流行波数据中噪声有所提升，但始终低于2 dB。实验结果显示本文系统采集到的电流行波数据噪声较低，利于提升低压台区低压故障停电报警精度。

2.2.2 故障定位精度

(1)不同故障类型条件下定位精度。低压台区电网25 km处和200 km处不同低压故障条件下，本文系统对故障区域的定位结果如图7所示。

分析图7能够得到，当故障点出现在25 km处时，本文系统对不同低压故障类型定位误差控制在15 m以内；当故障点出现在200 km处时，本文系统对不同低压故障类型定位误差控制在27 m以内。实验结果说明，随着故障点距离的延长，本文系统对于故障类型定位误差有所提升，但定位误差均显著低于设定阈值。由此说明，本文系统对不同低压故障类型具有较高定位精度。

(2)不同故障点条件下定位精度。压台区电网不同故障点发生高次谐波电流过载故障条件下，本文系统对故障点的定位结果如图8所示。