基于小波分析的电缆-架空线混合输电线路行波故障测距方法

第30卷第9期 2006年5月 电网技术 PowerSystemTechnology Vbl．30№．9 Mav2006 文章编号：1000—3673(2006)09—0092—06中图分类号：TM7ll文献标识码：A 学科代码：470·4051 基于小波 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 的电缆一架空线混合输电线路 行波故障测距方法 李骏，范春菊 (上海交通大学电气 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系，上海市闵行区200240) WaVeletAnalysisBased’IYaVelingWaVeFaultLOcationforHybndT}ansmissionLine ConsistingofPowerCableandoVerheadLine LIJun，剧蝌Chun-ju (D印anInentofElectricalEngineedng，ShaIlghaiJiaotongUIliversity，M讪aIlgDis疵t，ShaIlg晡200240，ClliIla) ABSTRACT：Accordingtot}lefeaturetIlat缸avelingwaVesignal abmpⅡychaIlgesatmejunctionpointofhybridtrallsIIlission1ine consistingofpowercableaIldoVerheadline，awaVeletaIlalysis based仃aveliIlgwavefaultlocationmemodformehybrid 仕ansITlissionlilleisproposed．hljectingimpulsecurrentatme tenllinalofpowercableintomehy晰dⅡ彻sIIlissionlinetobe detectedandconductingmulti—resolutionanalvsisofiniected samplingsignalbywaveletanalysis，thepositionofmodular maximumpointofsamplingsignalisobtained．Theposition oftraVelingwaVe’srenectionpointinnon—faultyphaseis usedtodistinguishmepositionofjunctionpointofthehybrid transmissionline．Thedifferentialsignaloftllefaultyphase andmenon—faultyphaseisemployedtodetecttllefaulted point．Therebydifferentalgorithmscanbecalledto implementfault10cationofhybridtransmissionline．The resultsofsimulationbyATP／Matlabshowthattheproposed metllodcanbeusedtocarryoutfaultlocationforshortcircuit faultoccurredinanypositionofhybridtransmissionlineas wellasaccuratefaultlocationforopenphasefailure．The metllodbasedonwaVeletanalysiscanaccuratelyidentify renectedimpulse，reducetheinfluenceoflinetapofcable lineandrenectedwaVecausedbynear-byfaultonmeasuring precision，t11elocationprecjsionjshigh． KEYWoRDS：powercable；overheadtraIlsIllission1ine；fault 10cation；waveletanalysis；powersystem 。 摘要：根据电缆一架空线混合输电线路上行波信号在连接点 处发生突变的特点，提出了一种基于小波分析的电缆一架空 线混合输电线路行波故障测距方法。向待测混合线路的电缆 端注入脉冲电流，利用小波分析对注入的采样信号进行多分 辨分析，得到模极大值点的位置。利用非故障相信号反射点 的位置判别混合线路的连接点位置，再利用故障相与非故障 相的差信号判别故障点，从而调用不同的算法实现混合线路 的故障测距。采用ATP／Madab的仿真结果表明，该方法可 对混合线路上任意点的短路故障进行测距，也可对断线故障 进行精确的测距。基于小波分析的方法可准确识别反射脉 冲，减小电缆线路分支和近区故障反射波对测量精度的影 响，测距精度高。 关键词：电力电缆；架空线；故障测距；小波分析；电力系统 0 引言 电力电缆在输送电能的过程中会发生各种各 样的故障，故障测距是恢复供电的有效方法【l。2J。目 前已有多种架空输电线路的故障测距方法【3。9]，其中 行波法具有原理简单、不受故障类型和线路不对称 因素影响的优点，目前已成为现场普遍应用的输电 线路故障测距方法之一【4'lo。12】。 电力电缆的广泛应用使电力电缆一架空线混合 输电线路日益增多。对于电力电缆一架空线混合线路 的故障测距，不但需要考虑实际情况中待测线路导 体的电导率、导体的绝缘状况及线路所处的外界环 境对行波在该线路中传播速度的影响，还要考虑行 波包含复杂的频率成分会造成行波波形畸变，难以 得到测量时间参考点，导致难以确定行波波速；此 外，行波信号在混合线路连接点前后的波速也不同， 一般而言，行波在电缆中的波速113J为106也07IIl／“s， 在架空线中的波速接近光速。上述影响给测距结果 带来的误差是不容忽视的。 基于小波分析的电力电缆一架空线混合线路故 障测距的原理类似于基于小波分析的电力电缆故 障测距原理。将目前现场普遍应用的电力电缆故障 测距方法应用于电力电缆一架空线混合线路时会遇 万方数据 第30卷第9期 电网技术 93 到如下问题：①难以识别反射波，不易确定行波波 速；②行波在线路中存在的阻抗不匹配点或分支点 处会发生反射，直接造成难以识别反射波；③由于 电力电缆与普通架空线的物理参数有很大的不同， 行波信号在电力电缆与架空线的连接点处会发生 反射，这就使得当脉冲信号从电缆端注入待测线路 时，架空线一侧故障点的反射行波落后于连接点的 反射行波到达采样装置，直接造成对电力电缆一架 空线故障的测距失败。 小波分析方法1141别能将频率成分复杂的信号 分解为不同频率的信号分量，可在时域上直接反映 信号的位置、幅值和波形，有效实现所需信号与噪 声的分离。目前，小波分析已广泛应用于滤波、奇 异信号检测、信号边缘检测等数字信号处理领域。 本文利用小波分析具有的时频局部特性分析混合 线路行波故障测距中反射脉冲的起始点位置，区分 故障点所在的区域，调用相应的算法实现电缆一架 空线混合线路的短路和断线故障的精确测距。与传 统行波故障测距方法相比，该方法大大减小了反射 波难以识别和行波波速不易确定这两大问题对测 距精度的影响。 1 小波分析的基本理论 小波方法【4】已广泛应用于信号分析中，实际应 用时往往需要将连续小波及连续小波变换离散化， 这种离散化后的小波和相应的小波变换就是二进 小波和二进小波变换。 常用来进行信号处理的正交小波有DaubecllieS、 Modets、Coiflets和SvIIllets小波。为准确检测出 行波信号中的奇异点，需要综合考虑所选用的正交 小波在时、频两域的紧支撑性、带通滤波性及分析 奇异信号时必须具有的正则性等。Daubecllies系列 小波是正交小波，而电力系统的信号是由各频段信 号组成的，经过Daubecllies小波分解得到的高频信 息和低频信息可以完整地反映故障信息，因此本文 选择Daubechies小波来分析行波信号。此外，在应 用时可通过选择适当的小波阶数来调整小波的信 号处理性能，小波变换的阶数越多其重构信号越接 近原始信号，但计算量也越大，考虑到工程应用的 实际情况，最终选择4阶Daubechies小波对采集到 的电力电缆故障行波信号进行小波分析【4J。 4阶Daubecllies小波的低通滤波器系数矗(，z)为： {．o．0106，0．0329，0．0308，_o．1870，_0．028O，O．6309， 0．7148，O．2304)，可通过式(1)得到高通滤波器系数： g(，z)=(一1)4矗(1一，z) (1) 式中^(n)为庇(，z)的共轭。 分解过程如图1所示，分解系数口，和df代表了 分辨率为2，的低频和高频信息，谚完全表征了采样 信号J在27尺度下的高频重构信号，是本文分析行 波法脉冲点位置的依据。 图1离散小波变换的分解过程 Fi晷lDec岫pOsitiOnprocessOf discrete1】．，avdetn-ansfb珊 2传统基于小波分析的行波测距理论 2．1行波测距原理 本文采用脉冲电流法，向待测输电线路的故障相 注入脉冲电流，脉冲信号遇到阻抗不匹配点即故障点 (短路点、断线点、接地点等)时会发生突变。通过安 装在线路测量端的电流互感器采集故障点反射的电 流行波信号，根据发射脉冲与反射脉冲的往返时间差 和脉冲信号在线路中的传播速度便可计算出故障点 与测量点的距离，计算公式为uu 己=v×等 (2) 式中：￡为测量点到故障点的距离；v为行波在线 路中的传播速度；血为发射脉冲与反射脉冲之间的 时间间隔。 当待测输电线路中既无分支接头又无发生故 障的阻抗不匹配点时，电流互感器采集到的信号应 为正常衰减的脉冲信号，此时对采集到的信号量进 行小波分析将不会检测到任何信号量的模极大值 点；当故障线路中存在分支接头或阻抗不匹配点 时，电流互感器将采集到脉冲信号在阻抗不匹配点 处的反射信号，此时，首先对采集到的脉冲信号进 行多尺度小波变换，然后对该脉冲信号在高频下进 行单支重构，经过单支重构后的脉冲信号只包含高 频信号分量，可利用此重构的脉冲信号确定反射脉 冲的到达时刻和波速。 2．2反射时间△f的确定 反射脉冲到达故障点时行波信号会发生突变。 利用小波分析对信号进行多尺度分析，由于信号在 突变点处的小波变换会出现模极大值，因此可通过 万方数据 94 李骏等：基于小波分析的电缆一架空线混合输电线路行波故障测距方法 v01．30No．9 确定模极大值点出现的时刻来确定发射波的到达时 刻。模极大值代表所观测信号的幅值和突变的程度， 因此脉冲发射后检测到的第1个模极大值出现的时 刻就是高频信号所代表的突变信号到达时刻。 3基于小波分析的电缆一架空线混合输电线 路行波测距方法 3．1 电缆一架空线混合线路的接线形式 如图2所示，电缆—架空线混合线路可分为4种 类型【161，在实际应用中采用(a)、(b)型的情况较多。 考虑到架空线路长度一般远大于电缆线路，若从架 空线路侧发射脉冲信号可能造成接受反射脉冲困 难，因此本文采用(a)型混合线路作为分析和仿真的 模型，即测距装置安装于混合线路的电缆侧。I岂刍翻悖鼍倒 (a) (b)带证g瀚岸缬鹅 (c) (d) 图2 电缆一架空线混合线路类型 Fig．2耐pesofhybridliI他c蛐sistingofcable andOverheadtransmissionUne 3．2 电缆一架空线混合线路故障测距的实现 3．2．1 电缆一架空线混合线路故障测距的特点 对于电缆一架空线混合线路，当采用基于小波 分析的行波测距理论进行测距时，主要有2个影响 因素：①无论是否发生故障，由于电缆和架空线路 的阻抗不匹配，行波信号都会在连接点处发生反 射，影响测距方法对故障点位置的判断；②行波在 混合线路中连接点前后的波速不同，需要精确识别 连接点的位置，从而选择不同的算法、使用不同的 行波波速进行故障测距计算。 3．2．2 电缆—架空线混合线路故障测距原理 为实现对电缆一架空线混合线路的精确测距， 需要对基于小波分析的行波测距理论进行改进。基 于小波分析的行波测距理论根据最先到达测距装 置的反射脉冲的到达时刻来计算故障点位置，对于 混合线路，由于行波会在混合线路的连接点处发生 反射，如果故障发生在架空线路上，则行波在故障 点处的反射脉冲未到达测距装置安装处时连接点 处的反射脉冲就已经到达测距装置，因此无法实现 精确测距。 (1)连接点的识别：为识别这2种反射信号， 本文充分利用非故障相的行波信号。由于电缆和架 空线路的阻抗不匹配，行波信号在连接点处的反射 是故障相和非故障相线路行波信号的共性，因此对 非故障相信号进行小波分析得到信号奇异点的位 置，从而确定电缆一架空线混合线路的连接点。 (2)行波波速v的确定：对于电缆线路和架 空线路来说行波波速不同，其中架空线路中的行波 波速接近光速，可直接采用光速进行行波测距；而 如果对于电缆也采用光速则测距误差会很大。此 外，由于测距一般是离线进行的，故障相的判别可 借助微机保护的选相结果。因此，本文采用实测波 速的方法，即实测非故障相的波速。对采集到的行 波信号进行小波变换得到的高频分量是在某一频 带范围内的高频信号，该高频信号所包含的频率成 分相近，因此可在现场将非故障相一端接地短路， 再注入脉冲电流，同时测量在此高频信号下电缆线 路中的行波波速。频率相近的行波信号在同一种型 号电缆中的波速和衰减程度也是相近的，以此波速 作为利用重构高频信号进行测距时采用的行波波 速无疑会提高测距精度。 (3)测距原理：通过将采集到的故障相脉冲反 射信号减去非故障相脉冲反射信号的方法得到完全 反映故障相故障信息的信号，将该信号作为小波分析 的原始信号进行故障测距可完全消除连接点对测距 ‘ 结果的影响。对于行波波速不同的问题，利用行波信 号在非故障相中反射点的位置计算得到连接点的位 置。然后利用电缆的波速进行故障测距，与由改进方 法得到的故障点与连接点的位置进行比较，若故障点 在电缆线路上则可选择电缆的波速进行故障测距，可 直接得到测距结果；若故障点在架空线路上，则采用 架空线路的行波波速进行故障测距，测出故障点到混 合线路连接点的位置，将此距离加上电缆本身的长度 即为故障测距结果。基于行波的电缆一架空线混合线 路故障测距的 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 如图3所示。 自待测线路注入脉冲电流，采舅 故障相和非故障相的行波信号 根据非故障相的行波信 号计算连接点的位置和 行波在电缆中的波速 采用改进的基于小波 分析的行波测距理论 计算故障点位置 叫冀篓警嚣簇絮卜一葙黑羹霉糕堡耋要鎏变皇譬盅塑l l蒌翟藁鍪菇军篱釜 鎏蕉盐摹垫壁盛堡星I i蘧箅孬矗嚣羔茬釜 I塑堂苎墨l 图3 电缆一架空线混合线路故障测距流程图 Fig．3nowchartoffhllItlo姐tionforhybridUne c蚰sistingofcabIeandoverlI翰dtr柚smissionline 万方数据 第30卷第9期 电网技术 95 3．3仿真验证 3．3．1系统模型及参数 本文采用觚1P／EMIP对电缆故障进行数值仿真， 然后利用MaⅡaⅣ敝tveletToolbox对仿真数据进行小 波分析，并进行故障测距。其中电缆线路长度为2km， 220kv电缆一架空线混合线路的电气参数为： 尺l：2．415×1旷5G‰，Ll=5．163×1q厂4mH胁，尺0=1．965× 10_4鼬n，k=3．975×10_4mH，m，c-=0．317lnF／m。 架空线路长度为200km，电气参数为：尺1=2．08×． 10-2‰，L1=o．8984m№，尺o=O．1148‰， 厶严2．289m№，Cl=12．9p胁，C谤5．23pF／km。 仿真时采样步长为10ns，即采样频率五等于 100MHz。故障点分别设置在距测量点1000m、 2000m和12000m处；故障类型分别为单相接地短 路故障、单相断线故障和相间短路故障，即分别仿 真混合线路中电缆、连接点和架空线上的故障。向 混合线路注入矩形脉冲电流后，对采集到的信号进 行4阶Daubecllies小波的3次小波变换，截取第1 尺度上的高频分量巩，由d。可准确识别信号中的奇 异点位置。 3．3．2计算电缆行波波速 行波在架空线中的波速接近光速，由于电缆中 的行波波速受待测线路导体的电导率、导体的绝缘 状况及线路所处外界环境等多种因素的影响，根据 文献[4】需采用以下方法进行计算：首先，将非故障 相末端接地短路向该线路注入行波信号，测得行波 在连接点处的反射点在第2022个采样点处，然后 根据式(2)得到行波波速为 2L(2×2000)mV=一=一△f 20．22“s=197．8m／“s3．3．3混合线路故障测距结果 电缆一架空线混合线路故障测距的仿真波形如 图4彳所示，图中口为ArP仿真得到的原始电流信 号；s为运用改进方法得到的用于小波分析的行波 电流信号；而为对s进行4阶Daubechies小波3次 变换后的第1尺度上的高频电流分量，由d1得到行 波信号奇异点的精确位置。 1、 图4、图5分别为电缆线路发生相间短路和连 接点处发生断线故障时的仿真波形，根据测得的反 射脉冲到达时刻，通过式(2)计算可得：电缆线路发 生相间短路的故障点位置为 L：v×垒：197．8IIl／us×!Q：!Q兰鬯：999．09m 30 10 一lO 一30 1．0 0．5 O．O _o．5 一1．0 I ．⋯J|f．1I．1-．⋯一．l l Ⅲ。¨⋯”’。’⋯⋯ 图4电缆侧两相短路故障波形 Fig．4Whvefo咖fortwophas姻short-circIlit faultSofpOwer吩bleside I ． I ’ ’ 20 60 100 140 180220 图5连接点处断线故障波形 ng．5WaVefo珊foropenpha辩fhllltofjlmctionp0缸t 连接点处发生断线的故障点位置为 L=1，×出÷2=197．8In／ps×20．218肛s÷2=1999．56m 图6、图7分别为架空线上10km处发生单相 高阻接地和100km处发生单相低阻接地故障时的 仿真波形，根据测得的反射脉冲到达时刻可知故障 点的位置是电缆长度与连接点到架空线故障点距 离之和，通过式(2)计算可得：架空线10km处单相 高阻接地的故障点位置为 L=1，×△f÷2=197．8In，¨s×20．22ps÷2+300．OnI，肛s× (86．927—20．22)ps÷2=12∞5．81m 架空线100km处单相低阻接地的故障点位置为 L=v×血÷2=197．8nl，¨s×20．22肛s÷2+300．0nl，肛s× (687．2—20．22)肛s÷2=102046．76m 考虑到电缆线路与架空线路运行环境的巨大 差异，设架空线路的高阻故障点电阻为looQ，电 缆线路高阻故障的等效电阻为5000Q。电缆一架空 线混合线路的故障测距结果列于表1中。 万方数据 96 李骏等：基于小波分析的电缆一架空线混合输电线路行波故障测距方法 vol_30No．9 O．8 0．4 O．O -0．4 ；k⋯⋯⋯ ：1r一⋯⋯ 1．5 1．O 0．5 O．0 0．10 0．05 O．00 -0．05 -0．10 ¨I-．⋯⋯．． II-，⋯⋯⋯ 图6架空线侧10km处单相高阻接地故障波形图 图7架空线侧1∞km处单相低阻接地故障波形图 Fig．6Wavefo珊forsinglephasehighimpedaI-ce歪龟．7Whvefb珊f打siIIglepha鼬10wimped帅ce gmundingfaultat10km0foverh翰dtr粕sInissi伽lilleSide g咖ndingfallltat1∞kmofoverheadt啪sIIlissi伽H耻side 表1 电缆一架空线混合线路故障测距结果 Thb．1TheresIlItsOffaIIItlocatiOnfbrhvb—d壮neofcableando、帕rheadtl?anslnissionUne 故障点位置 故障类型 反射脉冲到达时刻ms 测距结果，m 测距误差／m 相对误差，％ 电缆线路 (1km处故障) 断线故障 10．100 998．89 一1．n O．111O 相间短路 10．102 999．09 _0．91 0．091O 单相接地故障(过渡电阻为100Q) 10．104 999．29 _o．71 0．071O 单相接地故障(过渡电阻为5000Q) 10．107 999．58 ．o．42 0．0420 仿真结果表明本文提出的方法对于电缆一架空 线混合线路的故障测距效果良好，测距结果不受故 障类型、混合线路的连接点影响，即使在故障条件 恶劣时(即过渡电阻较大时)测距误差也在一个采样 距离内，即小于行波波速与采样步长的乘积。由于 现场测距装置硬件条件的限制，实际测量误差会大 于仿真误差。目前亟待解决的问题有：开发高速采 样装置以提高测距精度；采用高速处理芯片以满足 小波分析需要的巨大运算量的需求；提高硬件电路 板设计工艺以避免装置在高速运行时不稳定。需指 出的是，当发生三相短路故障时，没有健全相信号 可用来进行故障测距计算，可采用的补偿方法是保 存故障发生前健全相的行波信号，将此信号用于故 障测距计算可实现对三相故障的准确测距，对此本 文不再赘述。 4结论 本文提出的基于小波分析的电缆一架空线混合 线路行波测距方法综合了行波测距方法简便、适用 范围广的特点和小波变换多尺度分析能有效检测 信号奇异点的特性，并在具体使用时采取简单、易 行的改进方法。仿真结果表明：采用小波分析处理 采样信号可准确测定反射脉冲的到达时刻，减小外 界噪声和待测线路自身因素给测距结果带来的误 差；行波测距方法不受故障类型的影响，特别是实 现了对断线故障的精确测距；采用故障相与健全相 行波信号之差作为小波分析的原始信号可消除连 接点对电缆一架空线混合线路测距结果的影响，实 现电缆一架空线混合线路的精确故障测距。 万方数据 第30卷第9期 电网技术 参考文献 【l】 邓长胜．中高压电力电缆及其应用【J]．电世界，2003，(6)：8．13． 【2】 李明华，闰春江，严璋．高压电缆故障测距及定位方法【J]．高电 压电器，2002，38(6)：38—40，52． “Minghua，YanChunji柚g，Y抽zhaIlg．Thefault10cationand pointingofhighvoltageelec砸calcable[J】．H噜hV0ltageApparatus， 2002，38(6)：38_40，52． [3] 李胜芳，范春菊，郁惟镛．基于相量测量的输电线路故障测距新 算法[J】．电网技术，2004，28(17)：28—32． LishengfaIlg，Fanchunju，Yhw色iyong．Anewphasormeasurement basedfaultlocationalg丽nllnfor仃柚sTnissionlines[J】．Power SystemTechnology，2004，28(17)：28—32． 【4】 粱军，麻常辉，负志皓．基于线路参数估计的高压架空输电线路 故障测距新算法[J】．电网技术，2004，28(4)：60一63． LiangJun，MaCh柚ghui，Ⅵm盈曲∞．Afaultloc撕蚰alg矾mmfor 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