多分支配電網(wǎng)故障選線方法研究

劉慧瓊，孫輝軍，匡文凱，3，曾祥君

(1．長沙理工大學 智能電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室，湖南 長沙410114;2．株洲市電業(yè)局，湖南 株洲412000;3．湖南湘能智能電氣股份有限公司，湖南 長沙410013)

0 引言

電力系統(tǒng)配電網(wǎng)分布廣泛、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)生故障的概率較大。其中多分支配電網(wǎng)的故障分支真?zhèn)坞y辨、測距困難，因此，深入研究配電網(wǎng)的故障選線方法尤其重要［1］。

傳統(tǒng)的選線方法有拉路法、注入信號法、穩(wěn)態(tài)信號法、暫態(tài)分量法、人工選線法［10，11］等，但配電網(wǎng)多為小電流接地系統(tǒng)，零序電流的提取受系統(tǒng)的接地方式及系統(tǒng)正常運行不平衡電流的影響，實際運行中選線效果不理想［2～4］。配電網(wǎng)發(fā)生故障后，故障點將會在產(chǎn)生包含豐富故障信息的暫態(tài)行波，利用該暫態(tài)行波選線具有不受中性點接地方式、過渡電阻、故障時電壓等因素影響的優(yōu)點。因此，將行波理論運用到配電網(wǎng)的選線中將能克服其他方法的諸多不足［5，6］。

本文提出一種基于多端行波信號的故障測距方法。該方法只需在配電網(wǎng)支路末端變壓器選擇性的安裝行波信號采集裝置，利用初始行波的到達時間差、線路長度及分支點位置的關(guān)系，即可完成選線測距。最后用EMTP 仿真軟件驗證了該方法的有效性。

1 故障行波在配電網(wǎng)的傳播特性

電力系統(tǒng)發(fā)生故障時會使故障點的電壓/電流發(fā)生突變，產(chǎn)生高頻的暫態(tài)信號，該信號定義為行波。它以一定的速度沿線路向整個配電線路傳輸。當遇到波阻抗不連續(xù)點時，會發(fā)生折返射現(xiàn)象。配電網(wǎng)具有分支多的特點，對于帶分支的故障線路，除故障點、波阻抗不連續(xù)點還包括母線、線路終端及分支的節(jié)點等［8，9］。

1.1 故障行波在分支路上的傳輸特點

配電網(wǎng)主要為樹形輻射，從圖論的角度，配電網(wǎng)可以用圖1 所示的無向量圖來表示［7］。圖中M表示母線端，A表示末端變壓器，a，b表示線路節(jié)點。

若a，b 點間F 處發(fā)生故障時，將會產(chǎn)生向兩端傳播的故障行波，以F 為分界在各自范圍內(nèi)傳播。故障行波在傳輸過程中，遇上波阻抗點A，a將會發(fā)生折返射，有以下幾個特殊行波路徑:直接由a 點產(chǎn)生折射，達到母線M 端，SM1:F→a→M;在M 點發(fā)生反射達到a 點，并由a 點再次反射回M 端，SM2:F→a→M→a→M;故障行波從F點通過B 點折射傳輸至A 點，SA1:F→M→A;在A 點發(fā)生發(fā)射傳輸至B 點，再由B 點反射回A點，SA2:F→a→A→a→A，等。行波在發(fā)生折返射時，將會根據(jù)反射系數(shù)與折射系數(shù)發(fā)生不同程度的衰減，在信號衰減至零以前，行波信號將持續(xù)在線路中傳輸。若以A 點與M 點作為獲取行波信號的參考點，將F→a→M，F(xiàn)→a→A 這類傳輸至參考點距離最短的路徑，稱為初始行波傳輸最短路徑。

圖1 行波傳輸路徑圖

1.2 故障行波在分支線路上的衰減

已有的行波選線技術(shù)，通過在母線M 端安裝行波定位裝置獲取故障行波信號，利用故障線路與非故障線路的行波極性相反或行波幅值遠大于非故障線路的特性來進行故障選線。當故障F 發(fā)生在配電網(wǎng)多分支的支路上時，故障行波需經(jīng)過多次折返射后才能達到母線端，其故障分量信號將會大幅減弱，影響行波信號的檢測，如果無法檢測到有效行波信號，則導(dǎo)致故障選線失敗。

如圖2 所示，支路L 發(fā)生故障時，將產(chǎn)生電壓入射波u't與電流入射波i't，其在支路L1，L2上折射波可用彼德遜等值法則計算，得

圖2 行波信號在T 接點的折反射

式中:Z，Z1，Z2分別為支路L，L1，L2的波阻抗，假設(shè)其線路結(jié)構(gòu)相同，則其波阻抗均為Z，則電壓反射波為

電流反射波為:

即L1，L2上的電流行波為入射波的1/3，信號衰減非常嚴重，在多分支線路上發(fā)生故障時，故障行波到達母線端時，有可能導(dǎo)致行波信號無法采集。要想徹底解決這個問題，必須確保能準確采集到行波信號。

2 多分支線路的故障選線原理

基于故障行波在多分支配電網(wǎng)線路上的傳輸特性，在有關(guān)輸/配電網(wǎng)行波技術(shù)分析中，將變壓器的波阻抗看作遠線路的波阻抗。實際上，在沖擊電壓作用下，變壓器不能再看作集中參數(shù)，要考慮繞組的電感、繞組對地電容和縱向電容的影響，看成具有分布參數(shù)的電路，即變壓器可用歸算至首端的對地電容來代替，通常稱為入口電容。因此，可選擇性的在配電網(wǎng)分支的配電變壓器外殼接地線上安裝行波檢測裝置來獲取行波信號。如果故障支路或附近支路發(fā)生故障，則該裝置即可檢測到行波信號。在帶多分支線路中選定幾個點安裝行波信號檢測裝置，將檢測裝置兩兩組合構(gòu)成雙端定位系統(tǒng)，通過檢測初試行波的到達時間并結(jié)合D 型行波測距原理，融合各組的選線結(jié)果，完成配電網(wǎng)的故障選線。

2.1 D 型行波故障測距原理

D 型行波故障測距原理:利用故障暫態(tài)行波的雙端測距原理，根據(jù)初始行波達到線路兩端測量點的絕對時間之差值計算故障點到兩端測量點之間的距離［1］。假設(shè)M，N 點為兩端測量點，其公式為:

式中:LMF為M 端到故障點的距離;v表示行波傳輸?shù)乃俣?tM與tN分別表示初始行波到達M，N點的時間;l 為線路MN 的最短傳輸路徑長度。

2.2 故障分支的判定原理

根據(jù)故障行波在配電網(wǎng)多分支路徑上的傳輸特點可知:在兩端測量點檢測到的故障信號除了由最短路徑MN 之間的故障點產(chǎn)生外，還可能從MN 間的某個分支故障點產(chǎn)生。

電網(wǎng)中各分支及支路的長度為已知量，結(jié)合D 型故障測距法與式(4)分析可得判別式為:

式中:hi表示最短路徑上第i 個分支點與測量端點間的距離;i 為變量;ri為合理的裕度。

若ΔQ≠0，表示故障定位成功，故障點位于行波最短路徑MN 之間。根據(jù)ΔQ 可確定故障分支，由LMF可確定故障分支及故障點。

若ΔQ=0，則故障點位于最短路徑MN 點之外的分支上，即為i 所代表的分支。

3 多分支配電網(wǎng)的故障選線

對于復(fù)雜分支的配電網(wǎng)，若要實現(xiàn)全網(wǎng)的故障選線，則需在配電網(wǎng)各分支末端均安裝行波采集裝置。該方式經(jīng)濟成本過高不適合實際工程應(yīng)用。因此，本文提出了一種行波檢測裝置的優(yōu)化配置方法，選擇性的在配電網(wǎng)分支的配電變壓器上安裝行波采集裝置，減少經(jīng)濟成本。

3.1 行波采集裝置的優(yōu)化配置

圖3表示一個復(fù)雜分支的配電網(wǎng)無向量拓撲圖，圖中a，b，c，d表示分支節(jié)點，A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H，I，J 點分別為配電變壓器端口。以該圖為例，優(yōu)化配置方法如下:

(1)在線路首末兩端配電變壓器安裝行波采集裝置(如圖3 的A，F(xiàn) 點)。

圖3 配電網(wǎng)無向量拓撲圖

(2)以首末兩端為基點，分析其最短路徑上的分支節(jié)點，可分為單一分支節(jié)點與多分支節(jié)點(即分支上還有分支的節(jié)點)。對其單一節(jié)點(如圖3 中a，b)無需安裝行波檢測裝置，選取多分支節(jié)點進行下一步分析。

(3)對于多分支節(jié)點(如圖中a，c)，選取該節(jié)點為線路首端在其對應(yīng)的線路末端安裝變壓器(如圖中的H，D)。對于分支線路上結(jié)點按(2)中的方法進行繼續(xù)分析。

3.2 基于D 型原理的故障選線方法

記錄行波裝置采集的行波信號，采集各初始行波到達的時刻。將行波檢測裝置進行兩兩組合，構(gòu)成多組D 型行波選線系統(tǒng)。根據(jù)2．2 可分析:

情況(1)時，即有任意D 型系統(tǒng)能成功定位時，則直接確定故障分支。

情況(2)時，當任意組均不能成功定位時，則需要將各個系統(tǒng)的選線結(jié)果融合，通過進一步分析最終確定故障定位。

當雙端定位系統(tǒng)將故障點定位在某一個支路節(jié)點，如節(jié)點為單一節(jié)點，該節(jié)點的分支所對應(yīng)的分支為疑似故障線路。如是多分支節(jié)點，則排除該定位系統(tǒng)所包含的主線路及單一支點的線路為故障線路的可能性，確定疑似故障區(qū)域。最后將多組系統(tǒng)的結(jié)果融合，排除非故障線路，取疑似故障線路的交集，最終完成故障選線。

3.3 配電網(wǎng)分布式行波信號定位流程

基于上述以雙端定位法為基礎(chǔ)，融合多組定位系統(tǒng)結(jié)果進行故障選線，選線流程圖如圖4所示。

(1)分析配電網(wǎng)的分支情況，根據(jù)行波采集裝置的優(yōu)化配置原則，選擇性的在有需要的分支點末端變壓器上安裝行波采集裝置。

(2)根據(jù)裝置采集的行波信號，提取初始行波波頭的到達時間

(3)對于初始行波波頭到達時間進行兩兩組合，構(gòu)成多組選線系統(tǒng)，采用雙端行波法進行故障定位。

(4)判斷是否能精確定位，若能實現(xiàn)精確定位，則輸出最終結(jié)果，否則繼續(xù)進行分析。

圖4 選線流程圖

(5)根據(jù)故障選線確定的故障節(jié)點，排除非故障線路，選出疑似故障區(qū)段。

(6)將多組雙端定位系統(tǒng)的故障選線結(jié)果融合，取故障區(qū)段的交集，最終確定故障分支，輸出定位結(jié)果。

4 算例驗證

本文采用EMTP 對某復(fù)雜配電網(wǎng)系統(tǒng)進行了仿真分析。仿真模型如圖5，該模型采用了分布式參數(shù)模型，同時考慮了線路對地電容的影響。該仿真線路中，電纜線路已歸算為架空線路的長度，因此，行波傳輸?shù)乃俣劝?．98 ×108m/s 計算。根據(jù)仿真參數(shù)的具體設(shè)置情況，設(shè)置仿真裕度ri為±0．02 km。

設(shè)置故障點為Ee 線路中點，即距離E 端1．5 km 處。根據(jù)優(yōu)化配置原則，選取A，D，H，F(xiàn)4個端點安裝行波采集裝置，獲取故障行波信號，進行故障選線分析。根據(jù)仿真結(jié)果，在各端點獲取的原始波形如圖6～9 所示。

圖5 仿真模型圖

圖6 A 處測取的原始電壓行波

圖7 D 處測取的原始電壓行波圖

圖8 H 處測取的原始電壓行波圖

根據(jù)各端點采集的原始波形，采集的初始行波波頭達到時間如表1 所示。

表1 測量點行波達到時間

圖9 F 處測取的原始電壓行波圖

將4 個測量端點的初始行波波頭達到時間兩兩組合，組成6 組D 型定位系統(tǒng)，各系統(tǒng)的最短傳輸路徑如表2 所示。

表2 D 型定位系統(tǒng)的最短路徑距離

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，對配電網(wǎng)進行故障選線分析:

(1)根據(jù)雙端定位公式選取A，D 點配合組成雙端定位系統(tǒng)，以A 點時間為基準，計算故障距離A 點為17．789 km，可判斷應(yīng)位于節(jié)點f 處，排除非故障線路后，可判定故障分支為Ee。

(2)根據(jù)雙端定位公式選取A，H 點配合組成雙端定位系統(tǒng)，以A 點時間為基準，計算故障距離A 點為11．89 km，可判斷應(yīng)位于節(jié)點b 處，排除非故障線路后，可確定故障區(qū)段為線路Fb 及其所包含的分支。

(3)根據(jù)雙端定位公式選取點A，F(xiàn) 點配合組成雙端定位系統(tǒng)，以A 點時間為基準，計算故障距離A 點為12．917 km，可判斷應(yīng)位于節(jié)點c處，排除非故障線路后，可確定故障區(qū)段為線路Dc 及其所包含的分支。

(4)根據(jù)雙端定位公式選取D，H 點配合組成雙端定位系統(tǒng)，以H 點時間為基準，計算故障距離H 點為14．799 km，可判斷應(yīng)位于節(jié)點e 處，排除非故障線路后，可判定故障分支為Ee。

(5)根據(jù)雙端定位公式選取D，F(xiàn) 點配合組成雙端定位系統(tǒng)，以H 點時間為基準，計算故障距離F 點為7．83 km，可判斷應(yīng)位于節(jié)點e 處，排除非故障線路后，可判定故障分支為Ee。

(6)根據(jù)雙端定位公式選取H，F(xiàn) 點為參照點，以H 點時間為基準，計算故障距離F 點為4．098 km，可判斷應(yīng)位于節(jié)點c 處，排除非故障線路后，可判定故障區(qū)段為線路Dc 及其所包含的分支。

融合以上6 組D 型定位系統(tǒng)的選線結(jié)果，最終確定故障線路為Ee，與參數(shù)預(yù)設(shè)結(jié)果相符，能準確選出故障線路。

5 結(jié)論

本文提出的配電網(wǎng)選線方法，按照行波采集裝置優(yōu)化配置原則選擇性的在配電網(wǎng)末端安裝行波采集裝置，利用采集到的初試行波達到時間進行故障選線，不需要使用行波信號的其他特征量，不受網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化帶來的影響，經(jīng)過仿真驗證，該方法選線結(jié)果準確。

［1］葛耀中．新型繼電保護與故障測距原理與技術(shù)［M］．西安:西安交通大學出版社，2007．

［2］肖白，束洪春，高峰．小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法綜述［J］．繼電器，2001，29(4):16-20．

［3］黃芳，陳志軍，蔣曉宇．小電流接地系統(tǒng)故障選線算法綜述［J］．江蘇電機工程，2005，24(3):80-84．

［4］李冬輝，史臨潼．非直接接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法綜述［J］．繼電器，2004，32(18):74-78．

［5］董新洲，畢見廣．配電線路暫態(tài)行波分析和接地選線研究［J］．中國電機工程學報，2005，25(4):1-5．

［6］王陽，曾祥君，黎銳烽，等．基于圖論的配電網(wǎng)故障定位新算法［J］．電力系統(tǒng)自動化，2012，36(8):143-147．

［7］鄧豐，陳楠，曾祥君，等．基于圖論的電網(wǎng)故障行波定位裝置最優(yōu)配置算法［J］．電力系統(tǒng)自動化，2010，34(11):87-92．

［8］曾祥君，尹項根，林福昌，等．輸電線路故障GPS 行波定位裝置實驗測試研究［J］．中國電機工程學報，2002，22(6):42-46．

［9］哈恒旭，張保會，呂志來．高壓輸電線路單端測距新原理探討［J］．中國電機工程學報，2003，23(2):42-45．

［10］嚴鳳，楊奇遜，齊鄭，等．基于行波理論的配電網(wǎng)故障定位方法的研究［J］．中國電機工程學報，2004，24(9):37-43．

［11］張帆，潘貞存，張慧芬，等．樹型配電網(wǎng)單相接地故障行波測距新算法［J］．中國電機工程學報，2007，27(28):46-52．