基于双端行波原理的输电线路故障定位研究_王明会.pdf

中国电工网基于双端行波原理的输电线路故障定位研究王明会，朱浩钰，梁红敏，彭丹阳（华北水利水电大学，河南 郑州 ；菏泽黄河河务局供水局，山东 菏泽 ）摘要：针对故障行波法受波速和线路弧垂影响而产生的定位精度问题，提出一种排除波速和不受线路实际长度变化影响的故障定位算法，该方法仅需检测初始行波到达线路两端的时间，原理简单。针对噪声情况下行波信号的提取问题，可先对故障行波进行变分模态分解（）去噪，再利用小波变换提取故障行波突变点得到初始波头的时间。仿真结果表明，该方法具有较高的精确度。关键词：行波检测；变分模态分解；故障定位；小波变换中图分类号：，（，；，）：，（），：；收稿日期：作者简介：王明会（），硕士在读，从事电力系统输配电线路故障方面研究工作。引言输电线路作为电网的重要组成部分，其能否正常运行与整个电网的安全稳定有着直接的关系，因此研究输电线路故障定位问题意义重大。故障定位方法根据原理可分为阻抗法、固有频率法和行波法。阻抗法受过渡电阻和线路参数分布不均匀等因素的影响，实际应用中不占主导位置。固 有 频 率 法 多 适 用 于 永 久 性 的 故 障，且 易 受 干扰。行波法的线路故障定位不受故障类型、线路不对称及 运 行 方 式 等 因 素 影 响，具 备 较 高 的 可 行 性，应 用广泛。行波法可分为单端法和双端法。单端法使用初始行波与对端母线或故障点的反射行波波头之间的时间差来测故障距离，但只利用线路一端测量点的信息，故障行波的反射波会因衰减而使检测困难，使定位精度无法保证。双端法利用到达线路两端测量点的初始行波的时间差和波速来计算故障位置，无需考虑行波的折反射问题，更有利于检测。鉴于此，本文提出一种排除波速和不受线路长度变化影响的故障定位方法，最终经仿真验证了该方法的有效性。行波检测输电线路发生故障时，将在故障点处产生大量含有高频信息的非线性暂态故障行波并向线路两端传输。对故障行波的检测主要分为三部分：首先通过对故障行波的相模变换来求得电流线模分量；然后用变分模态分解（）算法对电流线模分量去噪；最后通过小波变换获取行波波头的到达时间。变分模态分解变分模态分解是一种基于传统的时频分析方法，该方法的基本思想是通过对变分模型最优解的迭代搜索来确定本征模态函数（）的带宽和中心频率，从而得到带有一定宽带的若干模态函数，其约束变分模型公式为：，（）（）（）（）（）式中，为分解所得 分量的集合；为每个模态分量的中心频率。电工技术理论研究2023 1期 为解决式（）的约束问题，通过引用二次惩罚项和 乘法算子，把式（）的约束性问题变成非约束性问题，通过交替方向乘子法的迭代次优化序列，得到其模态分量和中心频率的公式分别为：?（）?（）?（）?（）（）（）（）?（）?（）?（）（）算法步骤如下。（）初始化?、?、?和。（），执行循环。（）:，根据式（）和式（）分别更新?和?，循环直到结束。（）根据式?（）?（）?（）?（）更新?，其中为更新参数。（）重 复 步 骤（）（），满 足?后迭代停止，得到个 分量。小波变换小波变换是将数学方法应用于时频域特性的分析变换，可通过变换系数调节时间窗和频率窗的形状，在高频处时间分辨率较高，而在低频处频率分辨率较高，能很好地满足自适应时频信号分析的要求，对分析不平稳、突变的信号具有明显的优势。小波变换公式为：（，）（），（）（）式中，（）为信号函数；为尺度伸缩因子；为位移尺度因子；，为小波基函数。小波变换的逆变换为：（）（，），（）（）式中，为母小波函数的容许条件。行波信号的处理输电线路故障时，故障点处会产生不平稳、突变的故障电流行波信号，为了减少三相输电线路各相之间的电磁耦合对定位精度的影响，对故障电流行波信号进行凯伦贝尔相模变换。同时因故障电流行波的线模分量在传输过程中衰减速度比零模分量慢，故本文选取了电流线模分量为对象进行研究。考虑到在实际工程中采集到的信号会带有噪声，对相模变换后的电流行波信号进行 算法降噪，将信号分解为个由低频到高频依次排列的 分量。图与图分别展示了在一定噪声干扰下经降噪后的电流线模分量与 分解图。图 1 电流线模分量图图 2 VMD 分解图从图和图可看出，分解的五个模态分量中 分量信号的变化趋势和降噪后电流线模分量信号的变化趋势最接近，因此对 分量信号进行小波分析，获取初始行波波头到达时间。故障定位方法双端行波法利用故障初始行波到达两端测量点的时间差和波速来计算故障点位置。双端行波法的原理如图所示。MtMdMFdNNtN图 3 双端行波法原理图由双端行波法可知，故障点与线路、两端的距离为：（）（）（）式中，、分别为故障行波的初始波头到达和端的时间；为波速；为线路的距离。由式（）可知，故障距离与波速、行波波头的到达时间及线路的长度有关。设线路在时刻发生故障，认为故障行波从故障点向、两端传播的长度分别为实际故障距离、，则有：（）（）（）则线路的实际计算距离为：（）（）（）假定受环境影响的同一线路伸缩比是均匀的，当故障位置靠近 端时，线路实际计算长度与实际故障距离的比值近似等于线路 杆塔间的水平距离与故障点到线路杆塔水平距离的比值，则有；理论研究电工技术 中国电工网（）故障点到 端的水平距离为：（）（）由式（）可知，该方法消除了波速，且与线路实际长度无关；只需知道初始行波到达两端测量点的时间，无需检测反射波的波头到达时刻。仿真分析利用 仿真软件建立 输电线路仿真模型，线路总长为 ，仿真时长为 ，采样频率为。仿真模型如图所示。FMN图 4 输电线路仿真模型对于采样频率的选取，采样频率越高，相应的行波定位精度越高，但采样频率的提升会带来设备成本增加、数据存储与处理等问题。为满足工程需要，高压远距离输电线路的行波采集装置通常宜选用 的采样频率，所以本文将采样频率取为。假设在距离端点 处发生相接地故障，故障发生在 ，过渡电阻为 ，取故障时刻前后 （点）的电流线模分量的数据作为研究，提取故障初始行波波头到达端与端的时刻，如图和图所示。图 5 M 端电流线模分量及小波变换图（a）M 端电流线模分量（b）M 端行波小波变换图 6 N 端电流线模分量及小波变换图（a）N 端电流线模分量（b）N 端行波小波变换由图和图可知，由式（）可得 ，误差为 。同理在距离 端、处，分别模拟 相接地故障，所得结果见表。表不同故障距离定位结果故障距离 计算距离 误差（）在故障点距离 端 处，通过改变过渡电阻的值重新检测计算，所得定位结果见表。表不同过渡电阻在 的定位结果过渡电阻 计算距离 误差（）由表和表可知，故障位置和过渡电阻的大小不会对该方法的精度产生影响，说明了该方法具有可行性。结语针对输电线路受环境的影响，故障信号难免会带有一定的噪声，首先利用算法有效去噪并保留原始信号的特征信息，然后运用小波分析提取行波波头的到达时刻。本文的故障定位公式消除了波速且无需考虑线路实际长度变化的影响，原理简单。仿真结果表明该故障定位方法的精度较高。参考文献 高艳丰基于电流行波的输电线路雷击识别和故障定位方法研究北京：华北电力大学，丁佳立基于分布式电流检测的复杂输电线路行波故障定位方法研究上海：上海交通大学，高淑萍，徐振曦，宋国兵，等基于小波阈值去噪和 的混合三端直流输电线路故障测距电力系统保护与控制，（）：覃剑，葛维春，邱金辉，等输电线路单端行波测距法和双端行波测距法的对比电力系统自动化，（）：柳絮，王坚，李文 集成变分模态分解和希尔伯特黄变换的结构振动时频提取模型 武汉大学学报（信息科学版），（）：高正中，张政，龚群英 基于小波变换的配电网单相接地故障仿真研究 现代电子技术，（）：谢李为，柳祎璇，曾祥君，等基于和变换的多端输电线路故 障 定 位 电力系统及其自动化学报，（）：李娜，孙秀娟，王鹏飞，等基于小波变换和 的输电线路故障 测 距 方 法 水 电 能 源 科 学，（）：，徐伟宗采样频率对行波测距影响的仿真分析电力系统及其自动化学报，（）：电工技术理论研究