基于HHT小电流接地电力电缆在线故障测距方法.pdf

第 5 2卷第 l 3期 2 0 1 5年7月 l 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e nt I n s t r u m e n t a t i o n V0 I 5 2 No 1 3 J u 1 1 0， 2 01 5 基 于 H H T小 电流接地 电力 电缆在线故 障测距方法 王建元 ， 鞠默欣 ， 鞠默然 ， 徐志璇 ， 马雪珂 ( 1 东北电力大学， 吉林 吉林 1 3 2 0 1 2 ； 2 吉林大学，长春 1 3 0 0 2 5 ) 摘要 ： 使用 电力 电缆进行 电力传输已经逐渐被推广 ， 在小 电流接地系统发生单相接地故障时 ， 系统可 以带故 障 运行 1 2小时 ， 在此期间 ， 需要检测出故障的位置 。文章提 出一种基于 HH T小电流接地系统电力电缆单端在 线故障测距 的方法 ， 在电缆参数未知的情况下 ， 采用合 闸的方法在线测量行波波速 ， 单相接地故障发生后 ， 利用 HH T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 ， 对算例进行数值仿真 ， 仿真结果验证了该方法 的可行性和实用性。 关键词 ： H H T； 小电流接地系统 ； 电力 电缆 ； 在线故障测距 中图分类号 ： T M7 2 6 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 5 ) 1 3 0 0 0 7一 o 4 A m e t h o d o f o nl i ne f a ul t l o c a t i o n f o r s ma l l c u r r e n t g r o un di n g p o we r c a bl e b a s e d o n HHT Wa n g J i a n y u a n ，J u Mo x i n ，J u Mo r a n ，Xu Z h i x u a n ，Ma Xu e k e ( J N o r t h e a s t D i a n l i U n i v e r s i t y ， J i l i n 1 3 2 0 1 2 ， J i l i n ， C h i n a 2 J i l i n U n i v e r s i t y ，C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 5， C h i n a ) Abs t r a c t：P o we r c a b l e f o r po we r t r a n s mi s s i o n h a s b e e n g r a d u a l l y e x t e n d e dTh e s y s t e m c a n be s t i l l r u n n i n g 1 - 2 h o u r s wh e n s i n g l e p h a s e t o e a r t h f a u l t o c c u r s ，wh i c h r e q u i r e s t h e l o c a t i o n o f t h e f a u l t i s d e t e c t e d i n t h e c a s e o f U P S A me t h o d o f o n l i n e f a u l t l o c a t i o n for s ma l l c u r r e n t gr o u n di ng o n e t e r mi n a l p o we r c a b l e b a s e d o n HHT i s p r o p o s e d i n t h i s pa pe r Un d e r t h e c o n d i t i o n t h a t t h e pa r a me t e r s o f c a bl e a r e u nk n o wn，t h e v e l o c i t y o f t r a v e l i ng wa v e i n c a b l e c a n b e me a s u r e d b y u s i n g o f s wi t c hi ng o v e r v o ha g e wa v e wh i c h i s g e n e r a t e d wh e n t h e c l o s i n g o c c u r s W he n s i n g l e p h a s e t o - e a rth f a u l t ha pp e ns ，HHT i s u s e d t o fin d t h e mu t a t i o ns mo me n t s o f i ns t a n t a n e o u se q ue n c yT he n t h e l o c a t i o n o f p o w e r c a b l e f a u l t i s d e t e rm i n e d by o n e t e rm i n a l f a u l t l o c a t i o n me t h o dF i n a l l y，t h e d i g i t a l s i mu l a t i o n r e s u l t s o f a n e x a mpl e s ho w t h e e f f e c t i v e n e s s a nd p r a c t i c a bi l i t y o f t h i s me t h o d Ke y wo r d s： HHT，s ma l l c u rre n t g r o u n d i n g s y s t e m ，p o we r c a b l e，o n l i n e f a u l t l o c a t i o n 0引 言 随着配电网的发展 ， 电力电缆优势 的 F t 益显现 ， 电力 电缆逐渐被 广泛在 1 1 0 k V以下配 电系统 中， 但 由于电缆一般埋在地下 ， 当发生故 障时， 与架 空线相 比， 观察巡检难度 大， 故 障排除 困难 。因此 ， 选择 一 种好的电力电缆故障测距方法， 对排除故障、 恢复 供电有重要的意义。 电力电缆测距 的方 法 主要 分 为行波 法 和阻抗 法 J ， 由于小电流接地系统发生单相接地故障时， 系 统可 以带故障运行 1 2个小时， 在此期间 ， 需要确定 故障位置， 即实现在线故障测距。 目前， 主要是利用 小 波 分 析 的方 法 - 4 获 取 故 障行 波 波 头 到 达 时 刻_ 5 j ， 实现在线故障测距 ， 但小波分析有一定 的局 限 性 ， 其结果受小波基函数种类 的影 响， 如果选择不 当， 将会影响测距结果。 希尔伯特 黄变换 ( HH T ) 是 近年来应用 于非平 稳信号的一种新方法 ， H H T不需要设定变换尺度 和范围 ， 并且具有很好 的完备性和可重构性 ， 本文采 用 H H T实现小电流接地系统 电力电缆单端在线故障 测距。 1 希尔伯特 一黄变换 1 1 希 尔伯特 一黄变换( HH T ) 现实 中存在 的信 号大多数是非 平稳信号 ， 处理 非平稳信号， 需引入瞬时频率的概念。 设 ( ) 为一时间序列 ， y ( ) 是其希尔伯特 黄变 换 ， 即： 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 l 3期 2 0 1 5年7月 l 0日 电测 与仪表 El e c t r i c a i M e a s ur e m e nt& I n s t r u m e nt a t i o n V0 1 S 2 N0 1 3 J u1 1 0， 2 01 5 y = Jf t d 丁 1 T 下 其反变换为： ) = 1 t d r 1 r J 丁 一 得到 的解析信号为： 2 基于 H H T故障测距 ( 1 1 2 1 相 模 变换 ( 2 ) Z ( t )=X( t )+i Y ( t )=A( t ) e ( 3 ) 式 中 A( t ) 为 瞬 时 幅 值 ； 0( t )为 相 位 ；A( t ) = 万 而； ) c t a n 。 瞬时频率可定义为 ： )= 1 d 0 ( t ) ( 4 ) 对于实信号 ， 利用 HH T可求 出该信号的瞬时特 征参数 ， 即瞬时幅值 、 瞬时相位和瞬时频率 。式 ( 4 ) 中给出的瞬时频率 与时间满足单值 函数 的关 系， 采 用 Hi l b e r t 变换进行瞬时频率分析的信号需要满足只 含一种振动模态 、 且没有复杂叠加波 ， 但大部 分的信 号都包含不止一种振动模态 ， 需要采用经验模态分 解 ( E MD) 。 1 2 经验模态分解( E MD) 复合信号在某些时刻具有各 自的瞬时频率， E MD 通过将信号分解成为若干个固有模态函数( I MF ) 分量 之和， 分析各分量的时频特性， 可有效地对非平稳信号 中的各频率成分进行分离 ， 实现速度快 ， 提取波形精度 高 ， 对非平稳、 非线性信号具有良好的时频聚集性。 E M D 方法实现的步骤如图 1 所示。 一 8 一 图 1 E MD方法实现步骤 F i g 1 F l o w c ha r t o f EMD 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 ： = I 1 ( 5 ) i = i ( 6 ) 式中 “ 和 i 分别称为模电压向量和模电流向 量； u = u 0 “ B 、 i = 0 i i B ， 0 、 M 和 “ B 称为 0模 电压 、 仪模 电压和 p模 电压 ， i 。 、 i 和 i B 称为 0模 电流、 模电流和 13 模 电流。 式( 5 ) 和式( 6 ) 说明了相电压向量 u 和模电 压向量 u m 、 相电流向量 i 和模 电流向量 i 之 间的关系， 称为相模变换 。 为相模变换矩阵 ， 其值 不是单一 的， 这里选用的变换矩阵 。 为： r 5 5 5 1 T I = 5 1 4 l (7 ) L 5 4 1 J r 1 1 1 =l 1 2 3 f ( 8 ) L 1 3 2 j 2 2 电缆行 波 波速 的测量 准确测量行波 在电缆 中的传播速度 ， 对精 准故 障测距具有十分重要 的意义 。通过 电缆参数计 算行 波波速 ： 1 V= = L C ( 9 ) 式中 和 C分别为每单位长度电缆的电感及电容 。 在电缆参数 已知 的情况下 ， 采用公式 法计算 的 行波波速 ， 往往与实 际相 比有 一定 的偏差 J 。为 了 解决这一问题 ， 采用合 闸时产生 的操作过 电压行 波 在线测量电缆中的行波波速。 如图 2所示 ， 设已知母线 MN之间的电缆长度为 f ， 以母线 M端为测量 端 ， 从合 闸瞬 间产生过电压开 始计时 t 。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 t m。即由此过 电压行波在此段输 电线路中单程传播 的时间为 ： 一 f A t= ( 1 0 ) 由此可得 ， 此段输电线路 中行波传播速度为： 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 1 3期 2 0 1 5年7月 l O目 电测与仪表 El e c t r i c ai M e a s ur e m e n t& I n s t r u m e nt a t i o n V0 I 5 2 No 1 3 J u1 1 0， 2 0 1 5 S M Q F f M l L 图 2行 波波速 测 量示 意 图 F i g 2 S c h e ma t i c d i a g r a m o f t r a v e l i n g wa v e v e l o c i t y me a s u r e me n t s 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 。以图3为例进行说明。 图 3单 端测 距 法 Fi g 3 Me t h o d o f o ne t e r mi n a l f a u l t l o c a t i o n 图中 M、 N是线路两侧母线 ， f 是线 路长度 ， t 是 故 障发生时刻 ， t 是故 障初 始行波线模分量 到达 M 端的时刻 ， t ： 是故 障初始 行波线模分量到达 N端的 时刻 ， 线模分量的波速用 表示 。 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 。 A t=t 1一t 0 ( 1 2 ) = l A t ( 1 3 ) 3 算例分析 为了验 证 上述 方法 的有 效 性 ， 采 用 MA T L A B S i m u l i n k对 电缆故 障进行数值仿 真。所选择 的电缆 线路长度 为 1 0 k m 和 2 0 k m， 其他 电气参数 为 ： R = 2 4 1 51 0一 12 m； 厶 =8 8 9 3 61 0mH m； C 1= 2 8 11 1 0一 p Fm ； R0 = 41 21 1 0 I 4 nm ；L n = 1 53 471 0 mHm ； C0：1 5 2 9 1 0一I x F m 。 1 0k m 电缆分别在距离首端 4 k m和 6 k m发生单相接地故障 ( 过渡 电阻分别为 1 0 0 1 2和 5 0 0 0 12) ， 2 0 k m电缆分别 在距离首端 5 k m和 1 3 k in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 MH z ， 合 闸发生在 0 1 4 s ， 将合 闸 时刻设为相对零时刻。图 4是采用合 闸时产生的操 作过电压行波测量行 波波速时 ， 将首端接 收的 电压 模量进行经验模态分解的结果。图 5显示的是合闸 后 ， 经过 11 0一S ， 电压行波经过反射传到首端。由 式( 1 O ) 和式 ( 1 1 ) 即可得 出电缆 中行波 的波速 ， 并与 公式( 9 ) 计算出的行波波速进行对 比， 如表 1 所示 。 t s 1 0 1 0 一 b厂 下 _ 1 _ _ r _ 1 o r 、 、 1 5 占 丁 砘 _i _ _ i 破 d s 1 0 3 一l = _ _ 1 ： = = = = = = 二二二二二二二= = 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 t s X 1 0 3 图 4首 端 电压模 量 E MD结果 Fi g 4 EMD r e s u l t o f v o ha g e mo d u l u s i n t h e fir s t t e rm i n a l 惜 冁 图 5 i m f , 分量瞬时频率 Fi g 5 I n s t a n t a n e o u se q u e n e y o f i c o mp o n e n t 表 1 电缆行波波速公式计算与测量结果 Ta b 1 Re s ul t s o f t r a v e l i n g wa v e v e l o c i t y c a l c u l a t e d b y f o rm u l a a n d me a s u r e me n t 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。图 6中给出的是 电缆长度为 l O k m， 在距离首 端 4 k m发生单相接地故障， 且过渡电阻为 1 0 0 12时， 首端接收的电压模量经过经验模态分解的结果 。图 一 9 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 1 3期 2 0 1 5年7月 1 0日 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I ns t r u me n t at i o n V0 1 5 2 NO 1 3 J u 1 1 0， 2 0 1 5 7显示的是故障发生后， 经过2 1 0 S ， 故障行波传 到首端。由式( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 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。 鼋一 经验模态分解结果 l 1 5 2 2 5 3 t s 1 0 0 慢 l l _ 5 2 2 5 3 t s l 0 0 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 t s 1 0 - 8 图 6首端 电压模 量 E MD结 果 F i g 6 EMD r e s u l t o f v o l t a g e mo d u l u s i n t h e fir s t t e r mi n a l J L 一 一 图7 ， 分量瞬时频率 F i g 7 I n s t a n t a n e o u s f r e q u e n c y o f i m f l c o m p o n e n t 表 2故障测距仿真结果 T a J ) 2 S i mu l a t i o n r e s u l t s o f f a u l t l o c a t i o n 由表 2中所示 的仿真结果可 以看出 ， 所提出的方 法对于不同长度的电缆均可准确的测量出故障位 置 ， 并且过渡电阻的大小基本不影响测距的结果 。 一 l 0 4 结束语 针对小电流接地系统电力电缆故障定位难的问 题 ， 提出了一种基 于 H H T小电流接地 系统 电力 电缆 单端在线故障测距的方法 ， 该方法具有以下优 点： ( 1 ) 采用希尔伯特一 黄变换处理非平稳信号， 与 小波分析相比， 该方法简单， 不需要选取小波基函数 和设定时间尺度 ； ( 2 ) 采用合闸时产 生的操作过电压 行波在线测 量行波波速 ， 电缆参数 计算波速所产生 的误 差被避 免了， 为精准故障测距奠定了良好基础 ； ( 3 ) 利用单端在线故障测距方法， 提取并处理了 故障行波信号， 与双端法相比， 其有更好的经济性和 实用性 ； ( 4 ) 对于不同长度 的电缆 ， 文章所提出的方法均 可准确地确定故障位置 ， 并且过渡 电阻 的大 小基本 不影响测距的结果。 参 考 文 献 1 朱云华， 艾芊，陆锋电力电缆故障测距综述 J 继电器 ， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 1 4 ) ： 8 1 - 8 8 Z h u Y u n h u a ，A i Q i a n ，L u F e n g S u r v e y o f p o w e r c a b l e f a u l t l o c a t i o n j R e l a y ， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 1 4 )： 8 1 - 8 8 2鹿洪刚 ， 覃剑 ，陈翔训 ， 等电力 电缆故障测距综述 J 电 网技 术 ， 2 0 0 4 ， 2 8 ( 2 0 ) ： 5 8 - 6 3 L u Ho n g g a n g ，Q i n J i a n，C h e n Xi a n g x u n ，e t a 1 O v e rvi e w o f p o w e r c a b l e f a u l t l o c a t i o n J P o w e r S y s t e m T e c h n o l o g y ， 2 0 0 4 ， 2 8 ( 2 0 ) ： 5 863 3 覃剑， 陈祥训， 郑健超 ， 等 利用小波变换的双端行波测距新方 法 J 中国电机工程学报 ， 2 0 0 0， 2 0( 8 ) ： 61 0 Q i n J i a n ，C h e n X i a n g x u n， Z h e n g J i a n c h a o ，e t a 1 A n e w d o u b l e t e r - mi n a l me t h o d o f t r a v e U i n g wa v e f a u l t l o c a t i o n u s i n g wa v e l e t t r a n s f o r m J P r o c e e d i n g s of t h e C S E E， 2 0 0 0， 2 0 ( 8 ) ： 6一l O 4 王星海， 许珉 ， 谢志棠， 等 基于小波变换和自相关分析的电力 电缆故障测距 J 继 电器 ， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 1 2 ) ： 3 2 3 5 5 覃剑 ，黄震 ， 邱字峰 ，等基于小波变换 的同杆并架 双回线双端 行波故 障测距 J 电力系统 自动化 ， 2 0 0 4 ， 2 8 ( 5 ) ： 5 1 5 5 Q i n J i a n ，H u a n g Z h e n ，Q i u Y u f e n g ，e t a 1 Wa v e l e t t r a n s f o r m b a s e d d o u b l e t e rm i n a l me t h o d of t r a v e l i n g w a v e f a u h lo c a t i o n i n d o u b l e c i r - c u i t p a r a l l e l t r a n s m i s s i o n J A u t o m a t i o n o f E l e c t ri c P o w e r S y s t e m s ， 2 0 0 4， 2 8 ( 5 ) ： 5 1 5 5 6 钟佑明 ， 秦 树人 ，汤宝 平一种振 动信 号新变 换法 的研究 J 振动工程学报 ， 2 0 0 2 ，1 5 ( 2 ) ： 2 3 3 2 3 8 Z h o n g Y o u mi n g ，Q i n S h u r e n ， T a n g B a o p i n g S t u d y o n n e w t r a n s f o rm me t h o d f o r v i b r a t i o n s i g n a l J J o u r n a l of V i b r a t i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 2，1 5 ( 2) ： 2 3 3 2 3 8 7李 天云，赵妍 ， 李楠 基于 E MD的 Hi l b e a变 换应用 于暂 态信号 分析 J 电力系统自动化， 2 0 0 5 ， 2 9 ( 4 ) ： 4 9 5 2 ( 下转第 2 4页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m