利用暂态主频分量的配网电缆单相接地故障测距方法技术

传统的线路双曲函数模型多用于工频稳态量的相量计算，本文利用拉氏变换将该模型进行了改进，结合配网电缆单相接地故障后的零模网络，提出了一种利用暂态主频量的单端测距算法，并分别通过频域法和时域法的求解，得到了故障距离。其中，频域法消除了过渡电阻的影响，时域法利用采样点的冗余性进行了结果优化。大量的EMTP仿真实验结果，验证了该方法的正确性，且不受过渡电阻、中性点运行方式、故障初始角等因素的影响，其测距的最大相对误差小于0.231%，平均测距误差小于20米，能够满足实际工程需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及配网电缆单相接地故障测距技术，具体设计一种利用暂态主频分量的配网电缆单相接地故障测距方法。
技术介绍
随着国民经济的高速发展和城市电网改造工作的开展，各种类型的电力电缆在高低压输配电上得到了广泛的应用,其数量越来越多，许多城市的10kV配电线路几乎全部采用电力电缆供电，部分大城市的110kV城市环网也开始进行“下地”改造。同架空线相比，电力电缆具有供电可靠性高，不受地面事物和空间的影响，不受恶劣气候和鸟类侵害，隐蔽、安全、耐用，防潮，防腐和防损伤等优点。但是随着电力电缆的大量投运、负荷的不断增长等原因，电力电缆故障出现的情况越来越多，电力电缆的故障直接影响到整个电力系统的安全稳定运行。因此，对电力系统电缆线路故障进行准确的定位是保证电力系统安全稳定运行的有效途径之一。在这个前提下，配网电缆故障测距原理的研究和相关装置的开发就有着重要的理论意义和实用价值。目前，大约80%的电缆故障是单相接地故障，远远高于两相接地短路、相间短路等故障发生率，这个特征就决定了配网电缆故障定位研究的重点就是对电缆的单相接地故障的定位方法的研究。我国中低压电网普遍采用的是中性点非有效接地方式(中性点不接地或经消弧线圈接地)，这种运行方式的优点在于发生单相接地故障后，线电压及三相负荷电流可以继续保持对称，不必马上跳闸，能够带故障运行一段时间，尤其是采用中性点经消弧线圈接地方式时，可以自行消除r>瞬间的单相接地故障，从而减少了停电事故，提高了供电可靠性。但需要注意的是故障后非故障相电压要升高3倍，长期带故障运行会破坏线路绝缘，从而导致更严重的相间故障。因此，配电网电缆线路故障,尤其是单相接地故障的准确定位,不仅对修复线路和保证可靠供电,而且对保证整个电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的作用。为解决配电网电缆故障的准确定位问题，目前的方法主要有两大类：（1）行波法：其基本原理是识别行波波头，根据其到达测量点的时间，结合行波波速进行故障测距。但由于配电网分支多、结构复杂、线路较短等原因，行波法在配电网中的应用还有待研究；（2）故障分析法：根据其采用电气量的多少，又可分为双端法和单端法。双端法主要基于从线路两端推算到故障点处，电压相等的原理构建测距方程，其原理简单、可靠，但受双端非同步采样、系统通信设备的制约。另外，故障后的稳态残流微弱，信号不易提取。因此，目前研究的热点是利用故障后的暂态信息进行单端法的故障测距。现有的方法主要基于暂态信号的特征频段（SFB）和利用沿线FTU作为检测点，进行故障选线和区段定位。
技术实现思路
传统的线路双曲函数模型多用于工频稳态量的相量计算，本专利技术的目的是利用拉氏变换将该模型进行了改进，结合配网电缆单相接地故障后的零模网络，提出了一种利用暂态主频量的单端测距算法，并分别通过频域法和时域法的求解，得到了故障距离。其中，频域法消除了过渡电阻的影响，时域法利用采样点的冗余性进行了结果优化。本专利技术具体为一种利用暂态主频分量的配网电缆单相接地故障测距方法，包括有如下步骤：步骤（1）、采样故障电缆线路首端(M端)的三相暂态电流信号iMA（t）、iMB（t）、iMC（t）和三相暂态电压信号uMA（t）、uMB（t）、uMC（t）。数据的采样频率为10kHz，时间窗为故障后的半周波（10ms）；步骤（2）、求取故障电缆线路首端电压的0模分量uM0（t）和电流的0模分量iM0（t）：①、对步骤（1）中，采样得到的故障电缆线路的首端三相暂态电压信号序列值uMA（t）、uMB（t）、uMC（t）进行Karenbuaer相模变换，得到故障电缆线路首端电压的0模分量uM0（t），具体的变换矩阵如下：uM0(t)uM1(t)uM2(t)=131111-1010-1uMA(t)uMB(t)uMC(t)]]>②、对步骤（1）中，采样得到的故障电缆线路的首端三相暂态电流信号序列值iMA（t）、iMB（t）、iMC（t）进行Karenbuaer相模变换，得到故障电缆线路首端电流的0模分量iM0（t），具体的变换矩阵如下：iM0(t)iM1(t)iM2(t)=131111-1010-1iMa(t)iMb(t)iMc(t)]]>步骤（3）、采用滤波器对步骤（2）中得到的电压电流0模分量uM0（t）、iM0（t）进行滤波，以便下一步的暂态分量的提取。滤波器的截止频率为3000Hz；步骤（4）、采用Karenbuaer相模变换，将三相系统解耦为0模、1模、2模系统，并对0模网络的时域数学表达式进行拉式变换，得到0模网络的象函数表达式如下：UM(s)IM(s)=chγ(s)lZC(s)shγ(s)l1ZC(s)shγ(s)lchγ(s)lUN(s)IN(s)]]>其中：UM(s)、IM(s)为线路首端的电压电流象函数、UN(s)、IN(s)为线路末端的电压电流象函数，l为线路全长，为传播系数的运算式，为波阻抗的运算式（其中的R0、L0、C0、G0分别为线路单位长度的电阻、电感、电容、电导，s为拉式变换中的复数）。步骤（5）、利用步骤（3）中获取的暂态信号的0模分量序列，采用Prony算法，求得暂态0模电压电流信号的全频和主频时域表达式，并通过拉式变换得到其象函数表达式，其中全频象函数表达式如下：K为零模电压电流各个分量的个数、aMK为第K次分量的衰减时间常数、ωMK为第K次分量的频率、UM0K为零模电压第K次分量的幅值、IM0K为零模电流第K次分量的幅值、为零模电压第K次分量的相角、δMK为零模电流第K次分量的相角。又主频象函数表达式如下：其中，aMZ为主频分量的衰减时间常数、ωMZ为主频分量的频率、UM0Z为零模电压主频分量的幅值、IM0Z为零模电流主频分量的幅值、为零模电压主频分量的相角、δMZ为零模电流主频分量的相角。步骤（6）、结合步骤（4）、步骤（5）中故障线路的零模等效网络及零模电压电流的象函数表达式，推导并得到单端主频的象函数测距方程（具体推导过程见后）；步骤（7）、将步骤(6)中的象函数测距方程，通过频域法和时域法分别求解该测距方程。两种方法均可得到故障距离，其中，频域法可以消除过渡电阻的影响；时域法可利用采样的冗余性对结果进行优化。步骤（6）中，结合步骤（4）、步骤（5）中故障线路的零模等效网络及零模电压电流的象函数表达式，推导并得到单端主频的象函数测距方程，方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用暂态主频分量的配网电缆单相接地故障测距方法，包括有如下步骤： 步骤（1）、采样故障电缆线路首端(M)的三相暂态电流信号iMA（t）、iMB（t）、iMC（t）和三相暂态电压信号uMA（t）、uMB（t）、uMC（t）； 步骤（2）、求取故障电缆线路首端电压的0模分量uM0（t）和电流的0模分量iM0（t）： ①、对步骤（1）中，采样得到的故障电缆线路的首端三相暂态电压信号序列值uMA（t）、uMB（t）、uMC（t）进行Karenbuaer相模变换，得到故障电缆线路首端电压的0模分量uM0（t），具体的变换矩阵如下： ②、对步骤（1）中，采样得到的故障电缆线路的首端三相暂态电流信号序列值iMA（t）、iMB（t）、iMC（t）进行Karenbuaer相模变换，得到故障电缆线路首端电流的0模分量iM0（t），具体的变换矩阵如下： 步骤（3）、采用滤波器对步骤（2）中得到的电压电流0模分量uM0（t）、iM0（t）进行滤波； 步骤（4）、采用Karenbuaer相模变换，将三相系统解耦为0模、1模、2模系统，并对0模网络的时域数学表达式进行拉式变换，得到0模网络的象函数表达式如下： 其中：UM(s)、IM(s)为线路首端的电压电流象函数、UN(s)、IN(s)为线路末端的电压电流象函数，l为线路全长，为传播系数的运算式，为波阻抗的运算式，其中的R0、L0、C0、G0分别为线路单位长度的电阻、电感、电容、电导，s为拉式变换中的复数；步骤（5）、利用步骤（3）中获取的暂态信号的0模分量序列，采用Prony算法，求得暂态0模电压电流信号的全频和主频时域表达式，并通过拉式变换得到其象函数表达式，其中全频象函数表达式如下： K为零模电压电流各个分量的个数、aMK为第K次分量的衰减时间常数、ωMK为第K次分量的频率、UM0K为零模电压第K次分量的幅值、IM0K为零模电流第K次分量的幅值、为零模电压第K次分量的相角、δMK为零模电流第K次分量的相角；主频象函数表达式如下： 其中，aMZ为主频分量的衰减时间常数、ωMZ为主频分量的频率、UM0Z为零模电压主频分量的幅值、IM0Z为零模电流主频分量的幅值、为零模电压主频分量的相角、δMZ为零模电流主频分量的相角；步骤（6）、结合步骤（4）、步骤（5）中故障线路的零模等效网络及零模电压电流的象函数表达式，推导并得到单端主频的象函数测距方程； 步骤（7）、将步骤(6)中的象函数测距方程，通过频域法或时域法求解该测距方程。...

【技术特征摘要】
1.一种利用暂态主频分量的配网电缆单相接地故障测距方法，包括有如下步骤： 
步骤（1）、采样故障电缆线路首端(M)的三相暂态电流信号iMA（t）、iMB（t）、iMC（t）和三相暂态电压信号uMA（t）、uMB（t）、uMC（t）； 
步骤（2）、求取故障电缆线路首端电压的0模分量uM0（t）和电流的0模分量iM0（t）： 
①、对步骤（1）中，采样得到的故障电缆线路的首端三相暂态电压信号序列值uMA（t）、uMB（t）、uMC（t）进行Karenbuaer相模变换，得到故障电缆线路首端电压的0模分量uM0（t），具体的变换矩阵如下： 
②、对步骤（1）中，采样得到的故障电缆线路的首端三相暂态电流信号序列值iMA（t）、iMB（t）、iMC（t）进行Karenbuaer相模变换，得到故障电缆线路首端电流的0模分量iM0（t），具体的变换矩阵如下： 
步骤（3）、采用滤波器对步骤（2）中得到的电压电流0模分量uM0（t）、iM0（t）进行滤波； 
步骤（4）、采用Karenbuaer相模变换，将三相系统解耦为0模、1模、2模系统，并对0模网络的时域数学表达式进行拉式变换，得到0模网络的象函数表达式如下： 
其中：UM(s)、IM(s)为线路首端的电压电流象函数、UN(s)、IN(s)为线路末端的电压电流象函数，l为线路全长，为传播系数的运算式，为波阻抗的运算式，其中的R0、L0、C0、G0分别为线路单位长度的电阻、电感、电容、电导，s为拉式变换中的复数； 
步骤（5）、利用步骤（3）中获取的暂态信号的0模分量序列，采用Prony算法，求得暂态0模电压电流信号的全频和主频时域表达式，并通过拉式变换得到其象函数表达式，其中全频象函数表达式如下： 
K为零模电压电流各个分量的个数、aMK为第K次分量的衰减时间常数、ωMK为第K次分量的频率、UM0K为零模电压第K次分量的幅值、IM0K为零模电流第K次分量的幅值、为零模电压第K次分量的相角、δMK为零模电流第K次分量的相角； 
主频象函数表达式如下： 
其中，aMZ为主频分量的衰减时间常数、ωMZ为主频分量的频率、UM0Z为零模电压主频分量的幅值、IM0Z为零模电流主频分量的幅值、为零模电压主频分量的相角、δMZ为零模电流主频分量的相角； 
步骤（6）、结合步骤（4）、步骤（5）中故障线路的零模等效网络及零模电压电流的象函数表达式，推导并得到单端主频的象函数测距方程； 
步骤（7）、将步骤(6)中的象函数测距方程，通过频域法或时域法求解该测距方程。 
2.如权利要求1所述的利用暂态主频分量的配网电缆单相接地故障测距方法，其特征在于步骤（6）中，结合步骤（4）、步骤（5）中故障线路的零模等效网络及零模电压电流的象函数表达式，推导并得到单端主频的象函数测距方程，方法如下： 
借助0模网络及电流分布图，以零模电流的实际流向为参考方向，得到故障线路的零模等效网络...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐昆明，黄翰，冯彦，唐辰旭，胡建，杨伟，康丽红，陈洪波，孙小江，
申请(专利权)人：国家电网公司，重庆新世杰电气股份有限公司，国网重庆市电力公司璧山供电分公司，
类型：发明
国别省市：北京;11