Research on traveling wave propagation characteristics based fault location method in distribution networks

Due to the wide distributioDue to the wide distribution area, complex structure, numerous branches and various operation modes of power distribution networks, the traditional fault location method based on the fault steady-state component cannot meet the need of the distribution network due to its sensitivity to fault conditions and operating parameters. Precise fault location in the distribution network has become an urgent problem to be solved. The traveling wave method has high accuracy and is less affected by fault conditions and system configuration. It is one of the most reliable fault location methods for distribution networks. However, there are still technical difficulties such as difficulty in identifying reflected waves at fault points, high time synchronization requirements of each device and high costs, which limit its application in engineering practice. To address these existing problems, this thesis analyzes the distribution characteristics of fault traveling waves along the line and proposes a distribution network fault location method based on the traveling wave propagation characteristics. The main research work is as follows: Firstly, the propagation process of traveling waves along the line is analyzed, and the analytical expressions for current and voltage along the line are derived according to the Bergeron model. The characteristics of the distribution of traveling waves along the line when the fault occurs on the trunk line and the branches are analyzed. By reasonably selecting the time window and the length of the observation line, the relationship between the energy discontinuity point of the traveling wave and the fault location is studied. The effects of fault types, initial angles of faults, and transition resistances on the propagation characteristics of traveling waves are analyzed. Secondly, a single-ended fault location method in distribution networks based on traveling wave propagation characteristics is proposed. According to the propagation characteristics of traveling waves, fault location is divided into two steps: fault section identification and precise fault location. Taking advantage of the unique characteristic of traveling wave characteristic frequency and fault location, combined with network topology, a fault section identification method based on the similarity of the time-frequency energy spectrum is proposed. The observation window is selected according to the length of the fault section, and a multi-resolution morphological gradient is used to construct the positioning function to extract all the discontinuity points within the observation window. Then eliminate the interfering discontinuity points according to the amplitude and polarity to obtain the location of the fault discontinuity points and achieve fault localization. The PSCAD simulation results show that the fault location error does not exceed 32m and is largely independent of the fault location, fault type and transition resistance. Finally, the application of the distribution network fault location method based on the propagation characteristics of traveling waves is studied. Aiming at large-scale multi-branch distribution networks, a method of measuring point selection and network partitioning is proposed. Fault location is realized through the local multi-branch network, and the maximum location error is 16m. The analysis results show that the method in this thesis is suitable for the fault location of the overhead line-cable hybrid line, with few measurement points, no need for clock synchronization of the measurement devices, and high fault location accuracy for the branch line, which provides an effective method for the complex distribution network fault location. The research activity reported in this thesis has been carried out under the supervision of Prof. Tao ZHENG at Xi’an Jiaotong University within the framework of the double Ms.c. degree programme in Electrical Engineering between Xi’an Jiaotong University and Politecnico di Milano.

A causa dell'ampia area di distribuzione, della struttura complessa, delle numerose diramazioni e delle varie modalità operative di distribuzione dell'energia elettrica, il metodo tradizionale di localizzazione dei guasti basato sulla componente in stato stazionario dei guasti nella rete di distribuzione è difficile da soddisfare a causa della sensibilità alle condizioni di guasto e ai parametri operativi. La localizzazione precisa dei guasti nella rete di distribuzione è diventata un problema urgente da risolvere. Il metodo dell'onda viaggiante ha un'elevata precisione ed è meno influenzato dalle condizioni di guasto e dalle configurazioni del sistema. È uno dei metodi di localizzazione dei guasti più affidabili per le reti di distribuzione. Tuttavia, permangono problematiche tecniche come difficoltà nell'identificare le onde riflesse nei punti di guasto, elevati requisiti di sincronizzazione temporale di ciascun dispositivo e costi elevati, che ne limitano l'applicazione nella pratica ingegneristica. Per affrontare tali problemi, la presente tesi analizza le caratteristiche di propagazione dell'onda di guasto lungo la linea e propone un metodo per localizzare il guasto nella rete di distribuzione, basato sulle caratteristiche di propagazione dell'onda. I principali contributi di questa tesi sono i seguenti. In primo luogo, viene analizzato il processo di propagazione delle onde lungo la linea e le espressioni analitiche per la corrente e la tensione lungo la linea sono derivate dal modello di Bergeron. Vengono analizzate le caratteristiche della distribuzione delle onde lungo la linea quando si verifica un guasto sulla linea principale e sulle diramazioni. Selezionando ragionevolmente la finestra temporale e la lunghezza della linea di osservazione, viene studiata la relazione tra il punto di discontinuità energetica dell'onda in movimento e la posizione del guasto. Vengono analizzati gli effetti dei tipi di guasto, degli angoli iniziali del guasto e delle resistenze di transizione sulle caratteristiche di propagazione delle onde viaggianti. In secondo luogo, viene proposto un metodo single-ended per localizzare i guasti nella rete di distribuzione basato sulle caratteristiche di propagazione delle onde viaggianti. In base alle caratteristiche di propagazione delle onde, la localizzazione del guasto è suddivisa in due fasi: identificazione della sezione del guasto e localizzazione precisa. Sfruttando la frequenza caratteristica dell'onda viaggiante e della posizione del guasto, combinata con la topologia della rete, viene proposto un metodo per identificare la sezione del guasto in base alla somiglianza dello spettro di energia tempo-frequenza. La finestra di osservazione viene selezionata in base alla lunghezza del segmento di guasto e il gradiente morfologico multi-risoluzione viene utilizzato per generare una funzione di localizzazione che sottrae tutte le discontinuità lungo la linea all'interno della finestra temporale. Quindi si procede ad eliminare i punti di discontinuità interferenti in base all'ampiezza e alla polarità per ottenere la posizione del punto di guasto e ottenere la localizzazione del guasto. I risultati della simulazione di PSCAD mostrano che gli errori sulla posizione del guasto non superano i 32 m e sono ampiamente indipendenti dalla posizione del guasto, dal tipo di guasto e dalla resistenza di transizione. Infine, viene studiata l'applicazione di un metodo di localizzazione dei guasti nella rete di distribuzione basato sulle caratteristiche di propagazione delle onde viaggianti. Mirando alla rete di distribuzione su larga scala, viene proposto un metodo per misurare la selezione dei punti e il partizionamento della rete. La localizzazione del guasto viene realizzata attraverso una rete locale multi-branch e l'errore di localizzazione massimo è di 16 m. I risultati dell'analisi mostrano che il metodo proposto in questa tesi è adatto per la localizzazione dei guasti su linee ibride (in parte aeree e in parte in cavo), con pochi punti di misura, nessuna necessità di sincronizzazione dei dispositivi di misura ed elevata precisione di localizzazione dei guasti sulla diramazione, che fornisce un metodo efficace per la localizzazione dei guasti della rete di distribuzione complessa. L'attività di ricerca riportata in questa tesi è stata svolta sotto la supervisione del Professor Tao ZHENG presso l’Università Xi'an Jiaotong nell'ambito del programma di doppia laurea magistrale in Ingegneria Elettrica tra l’Università Xi'an Jiaotong e il Politecnico di Milano.