经验包络法在小电流接地电力电缆在线故障测距中的应用

葛志成,许 宁,付 林,李 鹤,张 聪

(1.东北电力大学 吉林 吉林 132012；2.国网新疆电力公司经济技术研究院,乌鲁木齐 830000)

经验包络法在小电流接地电力电缆在线故障测距中的应用

葛志成1,许 宁1,付 林2,李 鹤1,张 聪1

(1.东北电力大学 吉林 吉林 132012；2.国网新疆电力公司经济技术研究院,乌鲁木齐 830000)

针对小电流接地系统发生单相接地故障,并要求在不断电的情况下,检测出故障位置的情况,提出一种基于经验包络法小电流接地电力电缆在线故障测距方法。在电缆参数未知的情况下,采用合闸时产生的操作过电压行波在线测量行波波速;单相接地故障发生后,利用经验包络法寻找行波瞬时频率突变的时刻,并运用单端测距法实现电力电缆故障测距。最后,通过对算例进行数值仿真来验证该方法的可行性和实用性。

经验包络法(EE);小电流接地系统;电力电缆;在线故障测距

由于电缆具有占地少、可靠性高的优点,110 kV以下配电系统开始逐渐推广使用电缆进行电力传输,但由于电缆本身的质量问题、系统增容、运行时间久等因素,电缆故障的发生也变得频繁[1]。而且电缆一般都埋于地下,当发生故障时,不像架空线便于观察巡检,如何快速查找电缆故障位置,对排除故障、恢复供电具有重要意义。

目前,在线测距方法主要有小波分析法[2-3]和希尔伯特-黄变换(HHT)法[4]。小波分析法不具有自适应性[5],其结果受小波基的种类及分解尺度等因素的影响,一旦小波基函数选择的不恰当,就难以获得满意的效果;HHT法会出现明显的端点效应和没有实际意义的负频率,这会对测量结果产生一定的影响。而经验包络法(EE)是一种求取非平稳信号瞬时频率的新方法,它克服了HHT的端点效应与出现负频率的缺点。因此,本文提出采用经验包络法实现小电流接地电力电缆在线故障测距。

1 经验包络法

1.1 经验调幅调频(AM-FM)分解

经验(AM-FM)分解是诺顿-黄等[6]提出的一种把一般单分量信号特别是经验模态函数分解成为调幅调频形式的方法,经验AM-FM分解是经验包络法的核心。

经验AM-FM分解实现的流程如图1所示。

图1 经验AM-FM分解流程图

这里需要注意的是:

1)x1(t)一般为经过经验模态分解(EMD)后的固有模态函数(IMF)。

2) 选取|x(t)|包络代替x(t)包络的目的是保证AM信号a(t)大于0,且标准化的信号关于时间轴对称。

3) 迭代终止的标志为ain(t)≤1,保证xin(t)为纯FM函数,即F(t)=xin(t)=cosφ(t)。

1.2 经验包络法(EE)

一般的说来,任意单分量信号x(t)都可以通过经验AM-FM分解成为x(t)=a(t)cosφ(t)的形式,而F(t)=cosφ(t)的瞬时频率即为原始信号的瞬时频率。

经验包络法的实现步骤如图2所示。

图2 经验包络法流程图

2 基于HHT故障测距

2.1 相模变换

电力系统各相导线间存在复杂的电磁耦合关系,为了简化分析计算,需要用相模变换方法实现解耦。

[u]m=[T]-1[u]φ

(1)

[i]m=[T]-1[i]φ

(2)

式中:[u]m和[i]m分别称为模电压向量和模电流向量;[u]m=[u0uαuβ]T、[i]m=[i0iαiβ]T,u0、uα和uβ称为0模电压、α模电压和β模电压,i0、iα和iβ称为0模电流、α模电流和β模电流。

式(1)和式(2)说明了相电压向量[u]Φ和模电压向量[u]m、相电流向量[i]Φ和模电流向量[i]m之间的关系,称为相模变换。T为相模变换矩阵,其值不是单一的,这里选用的变换矩阵[7]为

(3)

(4)

2.2 电缆行波波速的测量

电缆中行波波速对故障测距精度影响很大,如何准确测量波速是故障测距一个重要环节。式(5)给出了通过电缆参数计算行波波速的公式。

(5)

式中,L和C分别为每单位长度电缆的电感及电容。

在现场中,如果仅仅靠电缆参数计算行波的波速,势必会产生一定的误差,而且大多情况难以获得准确的电缆参数。为了解决这一问题,采用合闸时产生的操作过电压行波在线测量行波波速,如图3所示。

图3 行波波速测量示意图

在图3中,设已知MN之间的电缆长度为l,以母线M端为测量点,从合闸瞬间产生过电压开始计时tM1。当合闸过电压行波传输到末端N时会发生反射,记下合闸过电压行波在线路末端的反射波到达母线M时刻tM2。即有此过电压行波在此段输电线路中单程传播的时间为

(6)

由此可得,此段输电线路中行波传播速度为

(7)

2.3 电缆故障测距

行波法故障测距根据检测信号方式的不同,分为单端法、双端法等。实际应用中,双端法测量存在诸多问题,如双端时间同步难、经济性差等,因此选用单端法进行电缆故障测距,如图4所示。

图4 单端测距法

单端法行波测距是利用故障初始行波和故障点反射波到达检测端的时间计算故障点的位置,这里使用的行波为故障行波的线模分量。

Δt=t1-t0

(8)

x=v1Δt

(9)

3 算例分析

为了验证上述方法的有效性,采用MATLAB/Simulink对电缆故障进行数值仿真。所选择的电缆线路长度为10 km和20 km,其他电气参数为:R1=2.415×10-5Ω/m,L1=8.8936×10-5mH/m,C1=2.811×10-4μF/m,R0=4.121×10-4Ω/m,L0=1.5347×10-4mH/m,C0=1.529×10-4μF/m。10 km电缆分别在距离首端4 km和6 km发生单相接地故障(接地电阻分别为100 Ω和5000 Ω),20 km电缆分别在距离首端5 km和13 km发生单相接地故障。

3. 1 电缆行波波速测量仿真

仿真频率设为1 MHz,合闸发生在0.14 s,将合闸时刻设为相对零时刻。采用合闸时产生的操作过电压行波测量行波波速,将首端接收的电压模量进行经验模态分解,如图5所示。合闸后,经过1×10-4s,电压行波经过反射传到首端,如图6所示。由此,根据式(6)和式(7)即可得出电缆中行波的波速,并与式(5)计算出的行波波速进行对比,如表1所示。

图5 首端电压模量EMD结果

图6 Imf1分量瞬时频率

表1 电缆行波波速公式计算与测量结果

3.2 电缆故障测距仿真

设置故障发生在0.1 s,将故障时刻设为相对零时刻。电缆长度为10 km,在距离首端4 km发生单相接地故障,且接地电阻为100 Ω时,首端接收的电压模量经过经验模态分解的结果,如图7所示。故障发生后,经过2×10-5s,故障行波传到首端,如图8所示。由此,根据式(8)和式(9)即可得出电缆故障位置。其他情况的故障测距结果,如表2所示。

图7 首端电压模量EMD结果

图8 Imf1分量瞬时频率

表2 故障测距仿真结果

从表2中的数据可以看出,本文提出的方法对于不同长度的电缆均可准确的测量出故障位置,并且接地电阻的大小基本不影响测距的结果。

4 结 论

本文在现有文献的基础上,提出了一种基于经验包络法小电流接地电力电缆在线故障测距的方法,该方法具有以下优点:

1) 采用经验包络法处理非平稳信号,与小波分析相比,方法简单,不需要选取小波基函数;与希尔伯特-黄变换(HHT)相比,该方法不存在端点效应,由于对信号的绝对值进行包络,也不会出现负频率的现象。

2) 在电缆参数未知的情况下,采用合闸时产生的操作过电压行波在线测量行波波速的方法具有很好的实用性。

3) 小电流接地系统发生单相接地故障时,系统仍可运行1～2 h,要求在不断电的情况下找到故障位置,本文提出的单端在线故障测距方法,是对故障行波信号进行提取并处理,与双端法相比,具有更好的经济性和实用性。

4) 对于不同长度的电缆均可准确的测量出故障位置,并且接地电阻的大小基本不影响测距的结果。

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[4] 张小丽,曾祥君,马洪江,等.基于Hilbert-Huang变换的电网故障行波定位方法[J].电力系统自动化,2008,32(8):64-68.ZHANG Xiaoli, ZENG Xiangjun, MA Hongjiang, et al. Power grid faults location with traveling wave based on Hilbert-Huang transform [J]. Automation of Electric Power Systems, 2008,32(8):64-68.

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(责任编辑 郭金光)

Application of empirical envelope method in power cable online fault location in neutral point ineffectively grounded power system

GE Zhicheng1, XU Ning1, FU Lin2, LI He1, ZHANG Cong1

(1. Northeast Dianli University, Jilin 132012, China; 2. Research Institute of Economic and Technology of Electric Power Company In Xinjiang, Wulumuqi 830000, China)

The location of the fault is required to be detected in the case of UPS when single-phase-to-earth fault occurs. Aiming at the requirement, a method of online power cable fault location in neutral point ineffectively grounded power system based on EE was proposed. Under the condition that the parameters of cable were unknown, the velocity of traveling wave in cable was measured by the use of switching overvoltage wave which was generated when the closing occurred. When single-phase-to-earth fault happened, EE was used to find the mutations moments of instantaneous frequency. Then the location of power cable fault was determined by one-terminal fault location method. Finally, the digital simulation of an example was made to verify the effectiveness and practicability of this method.

empirical envelope method; neutral point ineffectively grounded power system; power cable; online fault location

2015-03-21。

葛志成(1988—),男,硕士研究生,研究方向为电力系统分析与控制。

TM726

A

2095-6843(2015)05-0467-04