D型行波測距原理在輻射狀配電線路中的應用

徐偉宗

(廣州市蘿崗供電局， 廣州 510730)

D型行波測距原理在輻射狀配電線路中的應用

徐偉宗

(廣州市蘿崗供電局， 廣州 510730)

為了將應用于輸電線路中的D型行波測距原理應用于輻射狀結構的配電線路，通過對配電線路的行波模量特性進行分析，表明該型行波測距原理在理論上適合于配電線路。根據配電線路的暫態行波特性及其線路拓撲結構特征，提出利用非故障線路上的行波信號來代替故障線路的行波信號作為測量信號進行故障測距，并結合選線技術，構建主、輔測距系統，以降低傳統雙端行波測距配置在輻射狀配電線路上應用所帶來的投資及維護成本。仿真結果表明該方法具有較高的可行性，有一定的工程實踐意義。

輻射狀配電線路； 初始行波； 故障選線； D型行波； 故障測距

在我國3～66 kV的配電網故障定位方法中，主要是基于饋線終端單元FTU(feeder terminal unit)和故障指示器實現故障區段定位[1～5]以及利用“S注入法”實現單相接地故障定位[6]。但上述方法仍然有一定的局限性，如FTU只能實現故障區段定位，且造價高；故障指示器的正確率不高，且不具備故障信息自動上報功能；“S”注入法則受導線分布電容影響較大，如果故障點經高阻抗接地或故障點遠離線路始端，則信號將很微弱而難以準確測量，因此，上述方法仍然有待于進一步完善與改進。

與比較成熟的輸電線路故障定位技術相比，小電流接地系統的故障定位技術需要解決以下幾個難點[1，2]：①線路參數不易獲得，阻抗法定位失效；②線路多為輻射狀，存在電纜與架空線路相混合的情況，且有大量多級分支線路。如何妥善地處理好這些問題，研制出集選線、定位于一體的裝置，值得廣大的電力工作者進一步探索和研究。

利用線路發生故障時產生的暫態行波實現故障定位的行波測距法具有準確性高、受系統運行方式影響小等優點，且已經成功應用于輸電線路[7]。

通過對配電線路的初始行波模量進行分析，表明D型雙端行波測距原理適合結構復雜的配電線路的故障定位，本文研究了將D型雙端行波測距原理應用于輻射狀配電線路的可行性以及基本實現方法，對該測距原理在配電線路上的運用與推廣具有一定的工程意義。

1 配電線路中的行波模量分析

配電線路的網絡拓撲可以大致分為3種，目前我國配電網大多數采用由架空線和電纜相混合構成的輻射狀結構，如圖1所示。

圖1 輻射狀配電系統

設在L1的K點發生A相接地故障時，利用Karenbauer變換，可得故障附加物理網絡的模(以模一分量為例)等效電路如圖2所示。

圖2 行波線模等效電路

在圖2中，ZT為系統側變壓器的等效模波阻抗，Ze1為系統電源等效模波阻抗，Zj.1為架空線路的模波阻抗，Zd.1為電纜線路的模波阻抗，Z1.d為負荷的等效模波阻抗。在圖2中，系統中性點的等效模波阻抗并沒有出現在線模等效電路中，但會出現在零模等效電路中。對于中性點不接地系統或經消弧線圈接地系統，其中性點的等效模波阻抗近似為無窮大，可忽略不計，因此，各行波模分量都與系統中性點接地方式無關。

故障時，從故障點出發的入射波ik,1(模一分量)會向線路兩側傳播，其中一側在到達母線處后，形成折射波iz,1和反射波if,1，若以母線指向線路為正方向時，則

(1)

(2)

式中：Z11,1為故障線路的模波阻抗；Zeq,1為從故障線路向母線看去的等效模波阻抗，其值等于非故障線路和變壓器支路模波阻抗的并聯。

入射波和反射波疊加后形成故障線路的初始電流行波i11,1與電壓行波u11,1分別為

i11,1=-ik,1+if,1=

(3)

(4)

式中：入射電壓波uk,1=ik,1Z11,1；非故障線路的初始電流行波ilx,1、電壓行波ulx,1可以表示為

(5)

u1x,1=i1x,1Z1x,1=

x=2，3，4，5，6

(6)

其中Z1x,1表示非故障線路的模波阻抗，當母線上的出線為同一類型線路時，Z11,1=Z1x,1，則有

(7)

由于Z11,1gt;Zeq,1，所以有|i11,1|gt;|i1x,1|，且兩者的極性相反，同時所有非故障線路的初始電流行波的幅值近似相等、極性相同，從而可以用來構成選線判據[7]；此外，故障線路的電流、電壓行波保持反極性，而非故障線路的電流、電壓行波保持同極性。

初始行波波頭反映的是行波從故障點傳播到母線處的時間、幅值和極性特征，與后續的折、反射行波無關，特征清楚，容易識別，且與系統中性點接地方式無關，初始行波的這些特征為利用初始行波作為測量信號實現故障測距的雙端行波原理提供了有利條件。

顯然，上述的分析同樣適合相間故障的情況。

2 雙端行波測距原理的應用

2.1 主、輔行波測距配置原理

上文分析了配電線路中的初始行波模量，由于配電線路存在大量分支結構，電纜和架空線路相混合，沿線帶負荷以及對端母線結構的不確定性等因素，會使得行波在線路中的傳播變得非常復雜，要正確識別各種反射波非常困難，因此，難以利用單端行波法實現故障定位，而雙端行波法只需識別初始行波，且前文的分析表明暫態初始行波具有一系列優點，因此，雙端行波法適合結構復雜的配電線路故障定位。

按照傳統的雙端行波測距原理，需要在每一條線路的兩端裝設一套測距裝置，而輻射狀的配電線路的母線上往往接有若干條出線，特別是在大城市和用電較集中的地區，一般達到20～30條出線，有的多達50～60條出線[8]，對于這種情況如果也按照傳統的雙端行波測距配置，其投資與維護費用將是十分巨大的。

因此，本文根據輻射狀配電線路的結構特征及其暫態行波的傳播特性，提出在配電線路的母線上裝設一套測距裝置，該裝置應當具有選線和測距的雙重功能(或將一般的小電流接地選線裝置和繼電保護裝置與測距裝置相配合使用)，可定義為主測距裝置，而在每一條出線的末端設置一套測距裝置，可稱為輔助距裝置，使每一套輔助距裝置都可以和主測距裝置構成傳統意義上的雙端測距，如圖3所示。

圖3 主、輔雙端行波測距配置

配電線路往往數量眾多，即使在每一條線路的末端裝設一臺測距裝置裝置，所帶來的投資也不小，對此，可以對一般的輔助測距裝置進行適當簡化，使其只需具備行波波頭檢測和通信功能即可，對于一些相對比較重要的線路，可以根據實際需要配置完整功能的測距裝置。

在圖3所示的主、輔行波測距配置中，對于主測距系統可以有兩種實現方式：

(1)僅采集一條(或幾條，以提高可靠性)線路(定義該線路為'有效線路'，有效線路并不固定，可以動態選擇)的電流行波信號，盡量選擇線路波阻抗比較小的線路作為有效線路，并和一般的選線裝置和繼電保護裝置相配合使用。

如果故障線路本身就是有效線路，那么所使用的電流行波信號就是故障線路的電流行波信號；如果故障線路不是有效線路，那么此時在母線一側將要利用非故障線路的行波信號來代替故障線路的行波信號，如圖4所示。當不考慮母線長度時，在母線一側，故障線路和非故障的初始行波波頭將會同時出現；若算計母線長度時，則非故障線路上的行波波頭時刻會滯后故障線路，其滯后時刻可以通過故障線路與非故障線路在母線上的間隔距離計算得到，因此，利用非故障線路的行波信號來代替故障線路的行波信號進行測距從原理上是可行的。由于非故障線路的電流行波信號的幅值較小，因此，應當選取線路波阻抗比較小的線路作為有效線路，以獲得比較高的電流行波幅值。另外，在進行距離計算時，可根據實際需要決定是否要考慮母線的長度。采用這種方案的優點在于不會增加主測距裝置的成本，一般可用在現場已經設置有選線裝置和完善的繼電保護設備的情況下。

圖4 母線側使用非故障線路的行波信號作為測量信號

(2)同時采集所有線路的電流行波信號，直接利用行波極性比較構成選線原理，還能利用模故障分量的選相理論來集成用于判斷相間故障的保護[6]，這樣就無需與一般的選線裝置和繼電保護設備相配合使用，省去了選線裝置，此外，主測距裝置還可兼作相間故障的保護，從而構成集選線、測距與保護于一體的系統。

2.2 利用D型雙端行波原理

前文的分析表明雙端行波原理適合結構復雜的配電線路故障定位，而雙端行波原理有B型和D型之分。B型和D型都要用到通信信道，但若從技術性、經濟性，實用性考慮，不難發現D型法更適合圖3所示的結構。

2.3 選線及實現方式

2.3.1 選線的必要性

由前文分析可知，當任意一條線路發生故障時，不僅故障線路會形成初始行波，而且來自故障線路的入射波會通過母線進入非故障線路，形成非故障線路的初始行波，當出線比較多時，會有故障線路的初始電流行波幅值大于非故障線路的初始電流行波，但是，如果出線數目較少或有一部分出線退出運行時，則會造成母線的等效波阻抗增大，這樣非故障線路的電流行波幅值有可能接近故障線路的行波幅值，當啟動元件的可靠性不足時，有可能造成非故障線路的測距啟動元件動作，因此，為了避免可能造成對非故障線路進行定位計算，應當確定故障線路。

所以，采用圖3所示的配置方法后，不論該主測距裝置是采集的一條出線的電流行波信號還是采集所有出線的電流行波信號，在使用D型行波原理時，都需要確切知道是那一條線路發生故障，這就涉及到故障選線問題。

2.3.2 故障選線方式

1)單相故障

當系統發生單相接地故障時，故障線路的測距啟動元件會動作，而非故障線路的測距啟動元件也有可能動作，但接地選線部分會選出故障線路，這時再對故障線路使用雙端行波測距原理進行故障定位計算，就能得到正確的結果。

2)相間故障

一般的接地選線技術只對單相接地故障有效，對于相間故障，由于往往伴隨有過流現像，繼電保護會動作，因此，可以將該保護的動作信號作為選線信號送入測距裝置，如圖5所示。

利用過流保護實現對相間故障的線路選擇，如圖6所示。

圖5 主測距裝置原理

圖6 利用過流保護實現對相間故障的線路選擇

3 仿真實驗

為了驗證該方法的有效性及在各種故障情況下的測距精度，本文對圖1所示的仿真實驗模型進行了大量的仿真測試，限于篇幅，僅列出部分結果。

(1)在主測距系統一側將L1作為有效線路。在L2發生A相接地故障時，在線路L1和L2的始端檢測到的電流初始行波波形如圖7所示，由圖7可知，故障線路和非故障線路的行波僅是極性和幅值不同，在不考慮兩線路在母線上的間隔距離時，兩者的初始行波波頭的起始點同時出現(圖中為第280個采樣點處，圖7和圖8中的行波波形是利用故障分量原理獲取的。)，這表明利用非故障線路的行波信號來代替故障線路的行波信號進行測距是可行的。

表1是在主測距系統一側將L1作為有效線路，使用暫態行波極性比較原理的選線方法，進行故障測距的仿真結果，由表1可以看出，對于單介質線路，在小過渡電阻和比較高的故障初相角下，其測距結果表現出一個較高的精度，不過，該結果是在沒有考慮同步時鐘誤差，弧垂以及故障線路與非故障線路在母線上的間隔距離和互感器的響應時間的情況下的測距結果，因此，在實際中可能達不到這樣的精度；仿真還表明，與單介質線路相比，混合線路的測距精度明顯要低一些(在表1中，單介質線路的測距絕對誤差一般在10 m以下，而相對誤差一般在1×10-3以下；混合線路的測距絕對誤差一般在40 m以下，相對誤差一般在4×10-3以下，限于篇幅，未將具體數據表列出)，這是因為行波的高頻分量在經過混合線路時會產生更大的衰減，從而降低測距準確性。

(a) 線路L1

(b) 線路L2

(2)當線路L2發生相間故障(BC)時，在主測距系統一側同時采集所有線路的電流行波信號，得到的各條線路的行波模量如圖8所示。

由圖8可知，在相間故障時，故障線路和非故障線路的電流行波也具有相反的極性特征，因此，行波極性比較選線原理不僅適用于單相故障選線，也可以用于相間故障，因而也可用來實現保護功能。此外，在波阻抗值比較小的電纜線路上獲得了比較高的電流行波幅值，為避免造成非故障線路的啟動元件動作，測距之前的選線是必要的。

表1 不同故障點的測距結果和測距誤差

圖8 相間故障時的故障線路與非故障線路的行波

4 結語

本文研究了利用D型雙端行波測距原理實現對輻射狀配電線路的故障定位。雙端行波測距原理的使用，省去了由于配電線路結構復雜而造成識別反射波困難的問題，降低了配電線路故障在線定位的難度，有助于快速處理故障。基于選線技術的主、輔測距系統的應用，大大降低了傳統雙端行波測距配置所帶來的投資及維護成本，為雙端行波測距原理在該型配電線路上的應用起到了積極作用。對于分支線路上的故障，D型原理只能確定為分支與主干線路的連接處發生故障，但可在分支線路末端裝設測距裝置，構成多端測距模式，通過和主干線路兩側的測距裝置相互配合實現對分支線路故障的精確定位。因此，D型雙端行波測距原理對于輻射狀的配電線路的在線故障定位具有較大的可行性。

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[3] 衛志農，何樺，鄭玉平(Wei Zhinong，He Hua，Zheng Yuping)．配電網故障區間定位的高級遺傳算法(A refined genetic algorithm for the fault sections location)[J].中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2002，22(4)：127-130.

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[6] 王新超，桑在中(Wang Xinchao, Sang Zaizhong)．基于“S注入法”的一種故障定位新方法(A new approach of fault location based on “S injecting signal”)[J].繼電器(Relay),2001，29(7)：9-12.

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[8] 束紅春．配電網絡故障選線[M]．北京：機械工業出版社，2008．

徐偉宗(1981-)，男，碩士，主要從事電力系統繼電保護方面的相關工作。Email:fool0218@163.com

ApplicationofD-TypeTravelingWaveLocationPrincipleinRadialDistributionWires

XU Wei-zong

(Guangzhou Luogang Power Supply Bureau， Guangzhou 510730, China)

In order to apply D-type traveling wave theory in transmission lines to radial distribution lines, traveling wave modulus characteristics of the distribution lines was studied, and obtained the result that traveling wave principle is theoretically suitable to the distribution lines. According to the features of the transient traveling waves and network topology of the distribution wires, the wave signal of non-fault line instead of fault line as the measuring signal of fault location was proposed.Combined with line selection techniques, main and auxiliary ranging system was built, which can greatly reduce investment and maintenance costs of traditional two-terminal traveling wave fault location configuration for radial distribution wires. Simulation results show that the method has a higher feasibility and is some valuable for engineering practice.

radial distribution wires； original traveling waves； line selection； D-type traveling wave； fault location

TM734； TP319

A

1003-8930(2012)05-0138-06

2011-04-11；

2011-05-26

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2011AA05A114)