基于双端行波测距的配网线路故障多重定位方法_李娟.pdf

电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第6期No.62023年3月Mar.2023收稿日期：2021-09-07稿件编号：202109033基金项目：陕西省科技项目（5226TC20005S）作者简介：李 娟（1978），女，河南温县人，高级工程师。研究方向：配网自动化及其管理。配网线路长期带电故障运行时，易发生多个节点直接接地短路故障现象，同时电弧接地也会导致配网线路出现过电压问题，破坏设备、损害系统安全运行。因此，快速选择故障线是定位过程的关键步骤之一。传统的基于微型 PMU 的故障定位方法利用故障后线路各端电压电流的同步测量值及线路长度，利用等电压法原理推算相邻结点电量，建立了测基于双端行波测距的配网线路故障多重定位方法李 娟1，李 睿1，2，王 亮1，2（1.国网铜川供电公司，陕西 铜川 727031；2.河北华万电子科技有限公司，河北 保定 071051）摘要：传统的故障定位算法未有效整理和分析故障信息，导致定位过程受到冗余信息的干扰，造成定位不准确的问题。为此，该文提出了基于双端行波测距的配网线路故障多重定位方法。在线路首端采用电流传感器采集线路信息，在线路末端采用电压传感器采集线路信息，并在分析故障信息的基础上得到区间故障信息向量。在双端行波测距原理和北斗导航技术的支持下，求出故障行波到达线路两端的时间，并以此判断故障到端点的距离。对时差和总时间的比值进行分析，从而确定故障点位置。仿真结果表明，该方法在线路始、末两端能够精准获取故障数据，且具有精准定位效果。关键词：双端行波测距；配网线路；故障；多重定位；故障行波中图分类号：TM726文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）06-0090-04DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.06.019Multiple location method of distribution network line fault based on doubleterminaltraveling wave distance measurementLI Juan1，LI Rui1，2，WANG Liang1，2（1.State Grid Tongchuan Electric Power Supply Company，Tongchuan 727031，China；2.Hebei Huawan Electronic Technology Co.，Ltd.，Baoding 071051，China）Abstract:Traditional fault location algorithms do not effectively sort out and analyze fault information，resulting in the interference of redundant information during fault location，resulting in inaccuratelocation.Therefore，this paper proposes a multifault location method based on doubleterminal travelingwave location.The current sensor is used to collect the line information at the end of the line，and thevoltage sensor is used to collect the line information at the end of the line，and the interval faultinformation vector is obtained on the basis of analyzing the fault information.With the support of the twoterminal traveling wave ranging principle and Beidou navigation technology，the time when the faulttraveling wave arrives at both ends of the line is calculated，and the distance from the fault to the endpoint is determined.The ratio of time difference to total time is analyzed to determine the location of thefault point.Simulation results show that the method can accurately obtain fault data at the beginning andend of the circuit，and has accurate positioning effect.Keywords:doubleterminaltravelingwavedistancemeasurement；distributionnetworkline；fault；multiplelocation；fault traveling wave-90距方程组，结合信赖域算法解决各组方程失效距离及故障判别1；基于多区域相位突变量信息的故障定位方法根据线路突变信息确定故障馈线，根据电流突变量在两端的信息判断出线路故障区域位置2。然而上述传统方法未有效整理和分析故障信息，造成定位误差较大的问题。针对这一问题，提出了基于双端行波测距的配网线路故障多重定位方法。1双端行波测距的故障信息分析双端行波测距原理是利用配网线路故障产生的初始行波到达线路两端的绝对时间差，根据这一时差计算故障点至两端测量点的距离3。由于根据行波理论，线路末端不能检测到电流行波信号。因此，为准确确定初始行波到达两端的时间，该研究在线路首端采用电流传感器采集线路信息，在线路末端采用电压传感器采集线路信息，且线路两端安装的采集装置要具有高精度、高稳定性的时钟同步装置，保证行波信号采集装置采集到的时钟误差不超过1 s4。在配网馈线的情况下，馈线的行波速度不变。在馈线的某个地方出故障时，失效点产生的行波传播到线路两端5-7。在此基础上，分析的网络拓扑结构如图1所示。图1配网拓扑结构如图1中发配网拓扑结构所示，终端节点1是一个出线开关，线路2、3、4、6作为线路 FTU,5、7作为线路的末端，每个结点分为 5段8-10。每个线路的节点编号，每条线路的区间号都有编号。假定配网线路的某一时段发生短路故障，需要在两个节点之间的智能远程终端进行故障检测11。当采集到的故障行波信号通过行波信号采集装置传送到主站时，其他节点上未检测到的故障信号可以表示为：G=1 1 0 0 0（1）根据式（1）得到区间故障信息向量，则线路 2为故障区间。在各线路区间发生短路故障时，可得到区间故障信息的矢量。2配网线路故障多重定位上述过程结合配网拓扑结构，确定区间故障信息向量，基于此，在双端行波测距原理和北斗导航技术的支持下，求出故障行波到达线路两端的时间，从而计算故障到端点距离。然后分析时差和总时间的比值，从而确定故障点位置。具体的配网线路故障多重定位步骤如下：步骤一：确认线路结构，对配网故障区间进行分析12。当发生短路故障时，短路故障点属于由网络拓扑矩阵定义的线路段，根据网络拓扑矩阵的定义，每一段线路都是根据网络拓扑矩阵来定义的。线路短路故障配网潮流方向：每一个节点上游有一个短路电流通过，而下游各节点则无短路电流通过。从这种短路故障的特征可以得出以下结论：若线路区间发生故障，则在线路区间的相关节点中存在并且只有一个上游节点有过流信号，而下游节点没有过流信号13；当某一区间无故障点时，线路区间关联两个节点都有过流信号，且无过流信号或潮流顺故障点方向的线路区间关联；线路区间关联中两个节点的元素符号之间存在差异，即故障电流在一个节点流入故障电流而另一个节点进入故障电流14。通过下面的矩阵运算就可以得到区间故障信息量如下：D=AmnG（2）式（2）中，G表示节点故障信息向量，Amn表示网络拓扑矩阵。D的任意元素定义为Di=1，表示线路区间i即为故障区间；Di=0，表示线路区间i即为非故障区间。步骤二：该数据采集系统在线路两端分别记录了故障行波首次到达线路两端的那一刻，并计算了走行波在各线传播所需的时间15。行波到达两端的绝对时间分别为t1和t2，二者满足如下关系：t1-t2=tvt1+vt2=L（3）式（3）中，L是线路MN的长度；t是故障行波到达M端和N端的时差。故障距离如下：|LMF=12(L-vt)LNsF=12(L+vt)（4）式（4）中，LMF是故障点到M端的距离；LNsF是故障点到N端的距离16。李 娟，等基于双端行波测距的配网线路故障多重定位方法-91电子设计工程 2023年第6期由于线路是混合线，行波在线路上的传播速度是不稳定的，因此，需设置如下条件：t1-t2=tt1+t2=t（5）式（5）中，t是故障行波到达M端和N端的时差；t是行波从M端传到N端所需要的时间。因此，故障时间可表示为：|t1=12(t+t)t2=12(t-t)（6）式（6）中，t1是故障行波传到M端所需要的时间；t2是故障行波传到N端所需要的时间。步骤三：标记故障行波信号达到配网线路两端的时间为tf，从M端开始搜索故障信号，如果tft1，则说明故障点在MA区段内；如果tft1+t2，则说明故障点在AB区段内。步骤四：结合北斗导航技术完成线路故障定位。配网线路中M、N两点配置行波测量装置，在其中一条线路上，设每段中间节点为O1,O2,O3,ON-1,ON，末端节点为B1,B2,B3,BN-2,BN-1，将这条线路拆分为2N个区间。当O1,B1,O2,ON-1,BN-1,ON这段间隔失效时，需要记录初始行波到达两端的时间间隔。在配网线路的末端节点失灵时，在实际工程中，需要计算出到达配网线路两端的故障波头的时差：Ti=LBiBi+1Vj-|LBi+2Bi+3Vj+LBNN-1V2（7）配网线路中间节点失灵时，在实际工程中，需要计算出到达配网线路两端的故障波头的时差：Ti=LBi+1Vj-|Loi+1Bi+1Vj+LBN-1NV2（8）信息基准矩阵由综合式（7）和（8）组成，当故障部位不同时，结合双端行波测距方法，可以通过计算时差来确定故障位置。当时间差与总时间的比值大于1时，故障发生在L1区段内；当时间差与总时间的比值小于 1时，故障发生在L2N区段内；当时间差与总时间的比值等于 1时，故障可能发生在O、B两个节点上。3仿真验证3.1仿真模型构建设计如下仿真实验验证基于双端行波测距的配网线路故障多重定位方法的应用性能。仿真模型结构如图2所示。由图2可知，该模型是一个110/10 kV变电站，配有电缆和架空线路的混合线，通过多个开关构成中性不接地系统。图2仿真模型结构3.2故障数据分析仿真模型下测得的始端和末端故障波形如图 3所示。图3始端和末端故障波形图3中，正负值表示电流/电压流动方向。由（a）可知，在 0.00.3 ms时间范围内，电流存在最大值为440 A；在0.30.5 ms时间范围内，电压存在最小值为55 A。由（b）可知，在0.00.2 ms时间范围内，电压存在最大值为 2 300 V；在 0.20.35 ms时间范围内，电压存在最小值为300 V；在0.350.5 ms时间范围内，电压稳定在-500500 V左右。-92结合始末两端行波波形，确定线路各区段故障定位结果，如表1所示。表1线路各区段故障定位结果故障区段L1-MAL2-ABL3-BCL4-CDL4-DN故障位置/m2503001502602503.3仿真结果与分析以上述仿真下的实际数据为