基于時(shí)差比較的配電網(wǎng)含分支混合線(xiàn)路行波故障定位研究

朱建剛，魏佩瑜，劉澍存，馬慶玉

（1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司宿州供電公司，安徽 宿州 234000）

基于時(shí)差比較的配電網(wǎng)含分支混合線(xiàn)路行波故障定位研究

朱建剛1，魏佩瑜1，劉澍存1，馬慶玉2

（1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司宿州供電公司，安徽 宿州 234000）

針對(duì)配電網(wǎng)線(xiàn)路主體多為含分支的“架空線(xiàn)—電纜”混合線(xiàn)路這一異于輸電線(xiàn)路的特征，建立配電網(wǎng)常見(jiàn)的“架空線(xiàn)—電纜—架空線(xiàn)”三段式混合線(xiàn)路模型，每段設(shè)置分支。在此基礎(chǔ)上，提出了一套針對(duì)該線(xiàn)路的故障定位方法，利用比較特殊點(diǎn)故障時(shí)和一般點(diǎn)故障時(shí)每段線(xiàn)路各分支末端行波到達(dá)時(shí)刻與線(xiàn)纜連接點(diǎn)行波到達(dá)時(shí)刻差值的方法，確定故障發(fā)生在三段中哪一段。再進(jìn)一步選擇兩兩分支線(xiàn)路末端行波時(shí)差比較，確定故障發(fā)生于具體哪一分支線(xiàn)路，最后提出使用綜合行波測(cè)距方法，確定在分支線(xiàn)路中具體故障位置。PSCAD仿真結(jié)果表明，該套定位方法能較為準(zhǔn)確地選出故障區(qū)段，并確定故障位置，且不受故障類(lèi)型和過(guò)渡電阻的影響，可靠性和準(zhǔn)確性較高。

含分支；混合線(xiàn)路；時(shí)差比較；綜合行波測(cè)距

Abstract:Aiming at the characteristic of the distribution network whose main body is the overhead line and cable hybrid line，which is different from the transmission network，we establish the model of commonly appeared “overhead line-cable-overhead line” three stage hybrid line with respective branches.On the basis of this model，a set of fault location method for the specific configuration is proposed.The comparison between the time differences of travel wave arrival at the end and the connection point of each branch for special point and general point fault is used to judge the section of the fault.Then，by comparing the travel wave arrival time at the end of each branch，the location of the fault can be finally determined.The integrated traveling wave ranging method for determining the specific fault location in the branch is proposed and clarified by the end.PSCAD simulation results show that the set of positioning method can select the fault section more accurately and determine the fault location without being affected by the fault type and transition resistance.Therefore，the reliability and accuracy are enhanced.Key words:branched；hybrid line；time difference comparison；integrated traveling wave ranging

0 引言

隨著我國(guó)城市負(fù)荷密度的增加和供電可靠性要求的提高以及城市市容美化的需要，電纜線(xiàn)憑借自身輸電可靠性高和不占用城市空間的優(yōu)勢(shì)在中低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用，架空線(xiàn)與電纜混合線(xiàn)路也成為10 kV配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主體線(xiàn)路。考慮到配電線(xiàn)路的負(fù)荷沿線(xiàn)分布情況，又必須增加供電分支線(xiàn)路，這無(wú)疑增加了配電線(xiàn)路的復(fù)雜性，加大了配電線(xiàn)準(zhǔn)確故障定位的難度。

當(dāng)前，架空線(xiàn)與電纜混合線(xiàn)路的故障定位（測(cè)距）的研究主要集中于阻抗法和行波法，阻抗法因受故障類(lèi)型、過(guò)渡電阻等影響較大而導(dǎo)致測(cè)距精度相對(duì)較低，行波法避免了這一缺陷，測(cè)距精度明顯提升，但需要考慮混合線(xiàn)路波阻抗不同帶來(lái)的波速差異和線(xiàn)纜連接點(diǎn)處行波折反射情況［1－4］。行業(yè)內(nèi)學(xué)者對(duì)“架空線(xiàn)—電纜—架空線(xiàn)”混合線(xiàn)路故障定位的研究主要針對(duì)長(zhǎng)距離的輸電線(xiàn)路，并未充分涉及分支復(fù)雜的配電混合線(xiàn)路；對(duì)含分支的配電線(xiàn)路故障定位研究主要圍繞10 kV配電饋線(xiàn)為純架空線(xiàn)或純電纜線(xiàn)路展開(kāi)研究，又未考慮母線(xiàn)為架空線(xiàn)和電纜線(xiàn)分段排布的情況。配電網(wǎng)多分支“架空線(xiàn)—電纜—架空線(xiàn)”三段式混合線(xiàn)路故障定位的方法，目前很少有學(xué)者研究。

文獻(xiàn)［5］針對(duì)配電網(wǎng)混合多段線(xiàn)路提出基于時(shí)間變量的故障搜索算法，故障定位邏輯簡(jiǎn)單清晰，但需要計(jì)算混合線(xiàn)路每段的行波經(jīng)過(guò)時(shí)間，增加了測(cè)距誤差，且線(xiàn)路模型結(jié)構(gòu)單一，不含任何分支，與多數(shù)實(shí)際線(xiàn)路不符。文獻(xiàn)［6］提出適用于輻射狀配電網(wǎng)單雙端行波組合測(cè)距法，彌補(bǔ)了單雙端行波測(cè)距的缺陷，但增加了設(shè)備的投資，且未考慮線(xiàn)路分支點(diǎn)之間的距離問(wèn)題。文獻(xiàn)［8］、文獻(xiàn)［9］均研究T型分支輸電線(xiàn)路的故障測(cè)距問(wèn)題，均未涉及混合線(xiàn)路對(duì)線(xiàn)路故障定位難度的影響，但可作為故障區(qū)段確定后的具體故障分支判斷的參考。

提出一種利用比較線(xiàn)纜連接點(diǎn)故障時(shí)和一般點(diǎn)故障時(shí)每段線(xiàn)路各分支末端初始行波波頭到達(dá)時(shí)刻與線(xiàn)纜連接點(diǎn)初始行波波頭到達(dá)時(shí)刻差值的方法，確定故障發(fā)生在三段中哪一段。再進(jìn)一步選擇兩分支線(xiàn)路末端行波時(shí)差作比較，確定故障發(fā)生于具體哪一分支線(xiàn)路，最后使用綜合行波原理，確定在分支線(xiàn)路中具體故障位置。該定位方法按照先確定故障區(qū)段（架空段或電纜段），再確定具體故障分支，最后進(jìn)行故障測(cè)距的思路展開(kāi)，逐步縮小對(duì)故障位置的定位，避開(kāi)影響故障定位的不利因素。

1 配電網(wǎng)含分支混合線(xiàn)路模型分析

圖1為10 kV配電網(wǎng)含分支三段式混合線(xiàn)路結(jié)構(gòu)，MP和RN段為架空線(xiàn)路，線(xiàn)路長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1和L3，PR段為電纜線(xiàn)路，線(xiàn)路長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，線(xiàn)路線(xiàn)纜連接點(diǎn)為P和R，AO、QB和CT段為分支線(xiàn)，點(diǎn)O、Q和T為分支點(diǎn)。tφi表示行波波頭到達(dá)某端點(diǎn)或線(xiàn)纜連接點(diǎn)的絕對(duì)時(shí)刻（φ=M，N，A，B，C，P，R；i=1，2）。

圖1 混合線(xiàn)路模型及行波傳播示意

當(dāng)線(xiàn)路某處發(fā)生故障時(shí)，故障行波沿線(xiàn)路向故障點(diǎn)兩側(cè)傳播，在線(xiàn)纜連接點(diǎn)處發(fā)生折反射，折射行波繼續(xù)向前傳播，在線(xiàn)路分支處，不僅發(fā)生行波的折反射，還會(huì)出現(xiàn)行波傳播的分路，分路后的行波作為新的波源繼續(xù)沿線(xiàn)路傳播。

2 配電網(wǎng)含分支混合線(xiàn)路行波故障定位

2.1 故障區(qū)段的確定原理與步驟

2.1.1 原理

針對(duì)三段式混合線(xiàn)路的任一段，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，行波的傳播路徑具有以下特點(diǎn)：

1）對(duì)于故障段線(xiàn)路，故障行波由故障點(diǎn)傳至本故障區(qū)段的各個(gè)分支末端和距離本段最近的線(xiàn)纜連接點(diǎn)。各分支末端采集到的初始行波到達(dá)時(shí)間與線(xiàn)纜連接點(diǎn)采集到的初始行波到達(dá)時(shí)間之差，與故障點(diǎn)在線(xiàn)路中的位置有關(guān)。

2）對(duì)于非故障段線(xiàn)路，故障行波必先從故障段線(xiàn)路經(jīng)過(guò)線(xiàn)纜連接點(diǎn)，再傳到非故障段各分支末端。各分支末端采集到的初始行波到達(dá)時(shí)間與線(xiàn)纜連接點(diǎn)采集到的初始行波到達(dá)時(shí)間之差，與故障點(diǎn)在線(xiàn)路中的位置無(wú)關(guān)，僅與本段線(xiàn)路結(jié)構(gòu)有關(guān)。

3）對(duì)于線(xiàn)纜連接點(diǎn)處故障時(shí)，故障行波在線(xiàn)路中傳播路徑均確定，即從線(xiàn)纜連接點(diǎn)按照最短路徑原則傳輸?shù)骄€(xiàn)路區(qū)段，再到達(dá)各分支末端。各分支末端采集到的初始行波到達(dá)時(shí)間與線(xiàn)纜連接點(diǎn)采集到的初始行波到達(dá)時(shí)間之差，為恒定值，僅與線(xiàn)路結(jié)構(gòu)有關(guān)。

因此，利用故障段線(xiàn)路和非故障段線(xiàn)路分支末端故障初始行波時(shí)間與線(xiàn)纜連接點(diǎn)故障初始行波時(shí)間之差的不同，可用來(lái)確定故障區(qū)段。為此，本文定義兩類(lèi)數(shù)組：a）初始行波時(shí)差參考數(shù)組Ji：當(dāng)線(xiàn)纜連接點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，每段線(xiàn)路各分支線(xiàn)路末端初始行波到達(dá)時(shí)刻與線(xiàn)纜連接點(diǎn)初始行波到達(dá)時(shí)刻的差值；b）初始行波時(shí)差測(cè)量數(shù)組Ki：不確定點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，每段線(xiàn)路各分支線(xiàn)路末端初始行波到達(dá)時(shí)刻與線(xiàn)纜連接點(diǎn)初始行波到達(dá)時(shí)刻的差值。i代表三段式混合線(xiàn)路每段線(xiàn)路編號(hào)。

由理論分析可知，非線(xiàn)纜連接點(diǎn)故障時(shí)，對(duì)于非故障段線(xiàn)路，時(shí)差參考數(shù)組與時(shí)差測(cè)量數(shù)組的數(shù)值基本相同，相關(guān)系數(shù)ρ應(yīng)接近于1；對(duì)于故障線(xiàn)路，時(shí)差測(cè)量數(shù)組中數(shù)值小于時(shí)差參考數(shù)組的數(shù)值，相關(guān)系數(shù)ρ應(yīng)小于1。當(dāng)線(xiàn)纜連接點(diǎn)處故障時(shí)，理論上每段線(xiàn)路的時(shí)差參考數(shù)組與時(shí)差測(cè)量數(shù)組均相同，相關(guān)系數(shù)ρ也應(yīng)等于1，在這里判定相關(guān)系數(shù)最小的線(xiàn)路段為故障段線(xiàn)路。

2.1.2 步驟

為每段線(xiàn)路編號(hào)，圖1中左起第一部分架空線(xiàn)為線(xiàn)段1，中間電纜部分為線(xiàn)段2，第二架空線(xiàn)部分為線(xiàn)段3。在獲取各分支線(xiàn)路長(zhǎng)度條件下，計(jì)算每段線(xiàn)路初始行波參考數(shù)組：

式中：J2P，J2R是線(xiàn)段2分別以P和R為線(xiàn)纜連接點(diǎn)得到的初始行波參考數(shù)組。

在每段線(xiàn)路分支末端和線(xiàn)纜連接點(diǎn)安裝行波數(shù)據(jù)采集裝置，t0時(shí)刻發(fā)生故障，記錄初始行波和第二個(gè)行波波頭到達(dá)的絕對(duì)時(shí)刻 tφi（φ=M，P，A，R，B，N，C；i=1，2）。

比較得到任一段線(xiàn)路初始行波測(cè)量數(shù)組：

計(jì)算每段線(xiàn)路的初始行波參考數(shù)組Ji與初始行波測(cè)量數(shù)組Ki的相關(guān)系數(shù)ρi。考慮到線(xiàn)路段2兩端都是混合線(xiàn)路線(xiàn)纜連接點(diǎn)，故障時(shí)差判斷復(fù)雜，在這里設(shè)定線(xiàn)路段2只需一個(gè)線(xiàn)纜連接點(diǎn)（P或R）對(duì)應(yīng)的時(shí)差參考數(shù)組和時(shí)差測(cè)量數(shù)組滿(mǎn)足相關(guān)系數(shù)判據(jù)，即J2P與K2P的相關(guān)系數(shù)ρ2P或J2R與K2R的相關(guān)系數(shù)ρ2R其中一個(gè)滿(mǎn)足判據(jù)即可。

通過(guò)比較得到最小的ρi值，對(duì)應(yīng)的線(xiàn)路段為故障段線(xiàn)路。

2.2 具體故障分支的確定

確定故障發(fā)生區(qū)段后，便將原有的配電線(xiàn)混合三段式線(xiàn)路問(wèn)題簡(jiǎn)化為單類(lèi)線(xiàn)路的故障定位問(wèn)題，下面進(jìn)一步確定故障發(fā)生于哪一條分支線(xiàn)路上。以圖1中線(xiàn)段2為例，當(dāng)故障發(fā)生于分支點(diǎn)Q處時(shí)，故障初始行波播到分支末端P、R、B端的時(shí)間差分別是 ΔTPR、ΔTRB和 ΔTBP，且由線(xiàn)路長(zhǎng)度確定。 實(shí)際故障時(shí)，故障初始行波播到分支末端R、N、C端的時(shí)間差記為 ΔtRN、ΔtNC和 ΔtCR。

1）當(dāng) ΔtPR=ΔTPR，ΔtRB=ΔTRB，ΔtBP=ΔTBP時(shí)，故障發(fā)生于分支點(diǎn)Q；

2）當(dāng) ΔtPR＜ΔTPR，ΔtRB=ΔTRB，ΔtBP＞ΔTBP時(shí)，故障發(fā)生于PQ段；

3）當(dāng) ΔtPR＞ΔTPR，ΔtRB＜ΔTRB，ΔtBP=ΔTBP時(shí)，故障發(fā)生于RQ段；

4）當(dāng) ΔtPR=ΔTPR，ΔtRB＞ΔTRB，ΔtBP＜ΔTBP時(shí)，故障發(fā)生于BQ段。

2.3 綜合行波法確定故障點(diǎn)

假設(shè)已確定故障發(fā)生于BQ段的點(diǎn)F處，則由雙端行波測(cè)距原理得，

B端收到的第一個(gè)故障行波為故障初始行波，收到的第二個(gè)故障行波可能來(lái)自故障點(diǎn)的反射波或是來(lái)自分支點(diǎn)Q的反射波。

若第二個(gè)故障行波是故障點(diǎn)F的反射波，則有單端行波測(cè)距原理得

若第二個(gè)故障行波是來(lái)自分支點(diǎn)Q的反射波，則有

理論上，無(wú)論故障點(diǎn)處在故障分支的什么位置，都應(yīng)滿(mǎn)足：

分別將式（10）和式（11）得到的LBF代入式（12）中，根據(jù)兩次代入后等式的成立情況，確定第二個(gè)故障行波是來(lái)自哪一點(diǎn)的反射波。若代入式（10）后式（12）成立，則第二個(gè)故障行波來(lái)自故障點(diǎn)F的反射波，故障點(diǎn)F到末端B的距離按照式（10）計(jì)算；若代入式（11）后式（12）成立，則第二個(gè)故障行波來(lái)自分支點(diǎn)Q的反射波，故障點(diǎn)F到末端B的距離按照式（11）計(jì)算；若兩次代入式（12）均成立，則故障點(diǎn)F到末端B的距離按照式（10）或式（11）均可。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型參數(shù)設(shè)置

使用PSCAD軟件搭建圖1所示的10 kV配電網(wǎng)含分支“架空線(xiàn)—電纜—架空線(xiàn)”三段式混合線(xiàn)路模型。線(xiàn)路長(zhǎng)度按表1所示設(shè)置，F(xiàn)1距離M測(cè)量端2 km，F(xiàn)2距離 B測(cè)量端 2.5 km，F(xiàn)3距離 C測(cè)量端 1 km。M端系統(tǒng)阻抗Zm=1.05＋j0.84 Ω，電源初始角為30°，仿真頻率為1 MHz。

表1 各線(xiàn)段長(zhǎng)度 km

模型中架空線(xiàn)采用圖2中3 Conductor Delta Tower模型，C1、C2、C3 分別表示架空配電線(xiàn)路 A、B、C三相導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)選型為JKLYJ-10／240絕緣導(dǎo)線(xiàn)。依據(jù)依頻特性參數(shù)計(jì)算得故障行波在架空線(xiàn)中的波速度為295 km／ms。

圖2 架空線(xiàn)結(jié)構(gòu)

電纜采用三相同軸電纜模型，纜線(xiàn)選型為YJV-300。根據(jù)電纜依頻特性參數(shù)求得行波在電纜線(xiàn)路中的波速為147 km／ms。

根據(jù)以上參數(shù)，計(jì)算初始行波差參考數(shù)組：

分支點(diǎn)故障時(shí)末端初始行波到達(dá)時(shí)差見(jiàn)表2。

表2 分支點(diǎn)故障時(shí)末端初始行波到達(dá)時(shí)差

3.2 F2故障

3.2.1 故障區(qū)段的確定

在線(xiàn)段2的F2處設(shè)置A相接地短路故障，過(guò)渡電阻為20 Ω，故障初始角為90°。端點(diǎn)M和B采集的故障行波電壓波形如圖4和圖5所示。各分支末端初始行波到達(dá)時(shí)間如表3所示。

表3 F2處A相接地故障末端和線(xiàn)纜

計(jì)算三段線(xiàn)路的初始行波測(cè)量數(shù)組：

計(jì)算各段線(xiàn)路初始行波時(shí)差測(cè)量數(shù)組與參考數(shù)組的相關(guān)系數(shù)，如下：

因線(xiàn)段2對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)最小，所以判斷線(xiàn)段2（電纜區(qū)段）發(fā)生故障。

3.2.2 故障分支的確定

ΔtPR=-7 μs≈ΔTPR，ΔtRB=11 μs＞ΔTRB，ΔtBP=-3 μs＜ΔTBP，由雙端行波時(shí)差判據(jù)判斷故障發(fā)生在分支BQ線(xiàn)路上。

3.2.3 具體故障點(diǎn)的定位

根據(jù)雙端行波測(cè)距原理由式（8）、式（9）得，

由小波變換測(cè)得B端故障行波到達(dá)時(shí)間為tB1=20 μs，tB2=41 μs。

圖4 B端行波測(cè)量

圖5 M端行波測(cè)量

若第二個(gè)故障行波是故障點(diǎn)F的反射波，則由式（10）得

若第二個(gè)故障行波是來(lái)自分支點(diǎn)T的反射波，則由式（11）得

表4 10 kV配電混合線(xiàn)路故障仿真定位結(jié)果

表4給出了10 kV配電網(wǎng)含分支三段式混合線(xiàn)路不同點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，采用該套方法所得到的定位結(jié)果與誤差。可以看出，無(wú)論故障發(fā)生在配電網(wǎng)混合線(xiàn)路的哪一區(qū)段，基于時(shí)差比較的故障區(qū)段選線(xiàn)方法都能可靠地確定故障所在區(qū)段和所在分支，單雙端綜合行波測(cè)距方法也能將故障位置確定到誤差較小的范圍之內(nèi)，從而證明了該故障定位方法在含分支的配電網(wǎng)混合線(xiàn)路中的可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

在建立了10 kV配電網(wǎng)含分支的 “架空線(xiàn)—電纜—架空線(xiàn)”三段混合線(xiàn)路模型的基礎(chǔ)上，提出了基于故障行波時(shí)差比較的故障區(qū)段判斷方法，分層次地先后確定了故障發(fā)生區(qū)段和故障所在分支，最后提出一種單雙端綜合行波故障測(cè)距方法精確定位了故障點(diǎn)的位置。PSCAD仿真表明，該套故障定位方法具有較高的故障定位精度和可靠性。

該定位方法依賴(lài)于高性能的故障行波采集設(shè)備和高精度的時(shí)鐘同步裝置，對(duì)于架空線(xiàn)與電纜混合線(xiàn)路分支結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的線(xiàn)路故障選線(xiàn)也具有具備一定的指導(dǎo)意義。

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Study on Traveling Wave Fault Location of Distribution Network Based on Time Difference Comparison

ZHU Jiangang1，WEI Peiyu1，LIU Shucun1，MA Qingyu2
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China 2.State Grid Suzhou Power Supple Company，Suzhou 234000，China）

TM726

A

1007－9904（2017）09－0014－05

2017-04-28

朱建剛（1991），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)配電線(xiàn)路故障檢測(cè)和定位。