配電網故障定位技術發展現狀及展望

梁 睿， 孟祥震， 周魯天， 彭 楠

(江蘇省煤礦電氣與自動化工程實驗室 (中國礦業大學電氣與動力工程學院),江蘇 徐州 221116)

0 引言

配電網是連接輸電網與電力用戶的紐帶，配電網故障定位是提高需求側供電可靠性的基礎性工作，是實現配電網自動化的中心技術環節，同時也是保證整個電力系統安全穩定運行的重要工作之一。由于故障選線只能粗略確定故障所在饋線，近年來的研究多集中于故障區段定位和故障精確定位這兩種精度更高的配電網故障定位技術的應用。但相較于輸電線路，配電系統的網絡結構較為復雜，支路線路較多，運行方式也更多樣。這無疑給配電網的故障定位技術研發帶來了更多的難題與挑戰。

目前應用于現場的工業產品多數仍僅能實現故障所在線路的確定，在靈敏性與可靠性方面不盡人意。而故障區段定位，可以實現故障點所在故障區段的確定，以便隔離故障并恢復非故障區域的供電。故障精確定位，即實現故障位置的直接定位，避免人工巡查檢出故障點。采用中性點有效接地方式的配電網故障特征明顯，其故障定位技術主要面臨網絡結構復雜、線路分支多帶來的問題，但我國的配電網絡多采用中性點非有效接地，即小電流接地方式，因此還須克服故障特征信號微弱的難題。

本文將結合國內外最新研究成果，對配電網故障區段定位和故障精確定位兩類技術進行歸納論述，概略分析。重點關注在配電網中最為常見的單相接地故障，同時基于目前的研究現狀，對配電網故障定位的發展方向趨勢進行展望。

1 故障區段定位

配電網故障區段定位可以及時可靠地確定故障區段，以便隔離該故障區域并恢復非故障區域的供電，盡量縮小巡線范圍，為搶修人員排除故障，提供盡可能的幫助。這對于提高需求側供電可靠性、實現配電網絡安全運行具有重要意義，同時，區段定位也為線路的自動化保護動作提供了重要依據。現階段，主要是基于測量得到的電壓、電流或其他參數來實現及時可靠的故障區段定位的研究。

1.1 穩態電氣量特征的區段定位

配電網區段定位可以通過監測各處區段的故障電流幅值、相角、方向和電壓幅值等穩態電氣量來實現。故障發生后，故障點周圍測量點的電氣量會發生明顯變化，可利用這種穩態信息差異確定故障區段。

文獻[1]利用故障點上游區段相電流突變量與相電壓突變量導數正相關而故障點下游區段負相關的性質確定故障區段。該方法克服了現有配電網單相接地故障區段定位通信量大以及零序電氣量難以測量的缺點，具有自舉性，在不具備通信條件的配電網中通過故障指示器的形式實現，在具備通信條件下上傳數據量少，通信系統負擔小。文獻[2]提出一種基于相電流故障分量的配電網區段定位方法。在單相接地故障期間，非故障相的故障電流分量與故障點后區段電流分量的振幅和波形相同，而在故障點和母線之間的部分有很大不同，所以在部分位置安裝故障檢測裝置，測量和比較不同位置的三相故障電流分量，結合網絡拓撲結構，確定故障區段。

隨著分布式電源(distribution generation，DG)的發展，對含有DG的配電網故障定位也是目前研究的熱門。文獻[3]通過在某線路區段內比較整定值與故障點上下游故障電流幅值比確定故障區段。該方法無須改變原有的過電流檢測整定值，簡單易行，在DG容量低、對電壓變化影響不大的系統中適用。文獻[4]提出一種比較區段內的克拉克α、β模電流相角差值與零的關系進行故障定位方法。該方法僅須測量電流，可在故障發生后10 ms內檢測出故障，且不受由DG、負載投切變化所引起的非故障狀態擾動的影響，能夠在微電網并網與孤島運行狀態下實現故障定位方法的統一。

通常情況下，依據故障后穩態信息差異性的區段定位不需要大量的數學計算，并且通信量較少，通過少量信息即可確定故障區段。

1.2 暫態電氣量特征的區段定位

除了穩態之外，故障區段定位也經常選取暫態電氣量。利用零序電壓、電流的特征差異區分健康線路與故障線路。

文獻[5]提出一種利用變電站出線端和非出線端故障線路分支的零序電流確定故障區段的方法。該方法在故障分支上測量消弧線圈參數改變前后零序電流、電壓的突變量來確定故障區段，但在配電網結構及運行特征復雜的情況下將降低定位準確率。文獻[6]提出構造基波零序電流故障方向測度和暫態相電流故障方向測度，指示單個測量點饋線終端設備(feeder terminal unit，FTU)的故障方向，定量評價故障特征的明顯程度，并根據多個測量點的故障方向測度構建故障定位多目標函數。該方法只需FTU測量一相電壓和三相電流，降低了設備投入成本，采用優化求解思想提高了故障定位的容錯性能，對故障初始角、過渡電阻及噪聲影響呈現較強耐受性。文獻[7]提出利用故障上下游區段具有不同的諧振頻率，并使用K-means聚類算法提取線路測量點暫態重心頻率，結合重心頻率的幅值特征以確定故障區段。該方法能克服信息畸變引起的誤判, 容錯性能較好, 但上傳信息為單一的方向標識, 未區分信號的可靠程度, 對特征信息的利用不夠充分。文獻[8]提出一種利用上下游間暫態電流相似性和極性關系的不同以確定故障區段的方法，該方法消除了定位盲區，提高了暫態定位原理的可靠性和適應性。

在DG接入的配電網中，通過暫態量與故障區段的數學關系推導來定位也是未來有源配電網發展的重點。文獻[9]利用故障點處由各電源共同作用產生的零序故障電流與由各DG測量點處的零序故障電流相等的關系來確定故障區段。該方法在DG較少時準確率較高，且不受系統拓撲結構、運行方式、故障時間和接地電阻的影響。

相較于穩態電氣量特征的故障區段定位，暫態電氣量不易監測，所以暫態電氣量特征的區段定位多以對比故障點附近暫態信息的差異來確定。在接入DG的配電網中，還須考慮DG對配電網電氣特征的影響，在限制一定DG滲透率的情況下，基于穩態的故障區段定位依然可以使用。在暫態中，基于在DG處產生的零序故障電流與故障點零序故障電流相等的關系，提出了一系列故障精確定位的方法。

2 故障精確定位

配電網故障精確定位目的在于快速定位出準確的故障位置，避免人工巡查故障點，迅速及時地排除故障，修復線路和恢復供電。這對保證配電系統的安全穩定和經濟運行意義重大。

目前關于配電網故障精確定位的研究多致力于解決分支線路較為繁多或故障特征較為微弱的問題。配電網故障精確定位主要有阻抗法、非阻抗分析的穩態故障精確定位方法、行波法和非行波分析的暫態故障精確定位方法4種分類。

2.1 阻抗法定位

阻抗法是一種經典的精確定位方法，基本原理是根據故障回路阻抗與故障距離成正比實現定位。但阻抗法定位精度高度依賴準確線路參數獲知，相關人員對傳統阻抗法進行了改進研究，使其可以適應配電網支路端口多、負荷影響大的狀況，并已取得了一定成果。

阻抗法多利用線路的單端電氣量進行故障距離的計算，方法簡單，但是誤差較大。為解決該問題，文獻[10]基于傳統的解微分方程算法進行改進，解決了高阻接地故障時測距誤差過大的問題。該方法簡單實用，僅需單端數據。文獻[11]提出一種適用于配電網的廣義單端阻抗故障定位方法，利用單端線路數據，建立新的電流分配因數表達式，并定義了誤差指數來衡量多重估算的誤差的影響。該方法定位速度較快，精度可靠。文獻[12]提出基于節點阻抗矩陣的配電網故障精確定位改進算法，采用靜態電壓特性的負荷模型代替恒阻抗負荷模型，模擬配電網中存在的中間負荷及分支，并提出將精確定位與配電網的饋線自動化功能結合以減少偽故障點的個數，實現故障定位。該方法僅利用變電站出線電壓和電流值，就能確定故障精確位置，可以較好適應負荷變動。文獻[13]提出一種基于阻抗的不平衡功率定位的方法，通過在變電站測量電壓和電流值，推導出適用于多種故障類型的故障定位方程，克服了現有阻抗法需要故障識別的弊端。該方法也綜合考慮了多種配電網的不平衡條件，具有良好的適應性與可靠性。

通常情況下，阻抗法故障精確定位的經濟成本相對較低，適合在大規模配電網中應用。但其易受線路阻抗、線路負荷和電源參數的影響，且在分支數多、結構復雜的配電網中的可靠性仍需進一步驗證。

2.2 非阻抗分析的穩態故障精確定位

在故障精確定位中，非阻抗分析的穩態故障精確定位方法眾多。在穩態電氣量特征中，部分方法通過尋找穩態電氣量特征與故障距離的數學關系確定故障距離。

文獻[14]基于遺傳算法建立了改進的配電網故障定位數學模型，根據故障診斷理論中最小集的概念建立了環網開環運行配電網的故障定位統一數學模型，并運用廣義分級的處理思想提高了故障定位的效率。文獻[15]提出一種基于脈沖響應(圖像)的時域故障定位方法，在正常運行下捕獲電力系統的電子圖像，在故障檢測之后，獲取更新的電子圖像并與其進行差異比較，以此估計故障距離。文獻[16]提出了一種基于分支電流狀態的故障位置的方法，首先使用基于迭代狀態估計算法來查找到距離故障位置最近的節點，然后檢測連接到選定節點的所有線路并定位故障。該方法在不同故障類型中均具有良好的準確性和魯棒性。

如今，隨著配電網中智能設備安裝量的增加、配電網自動化程度的提高與通信技術的發展，涌現出使用智能測量設備的故障定位方法。常見的智能化設備有:故障指示器、同步相量測量單元(phasor measurement unit，PMU)、智能電表、智能終端饋線儀表、分段器等設備。

文獻[17]提出了一種在配電網中多端非均勻傳輸線的精確定位方法，在架空線路與電纜的混合線路中，使用PMU獲得電壓和電流值。首先，通過故障選線縮小可疑的故障區域，再通過計算每個測量單元的歸一化程度，推算故障精確位置。文獻[18]提出一種利用具有電壓暫降監視功能的智能終端饋線儀表確定故障精確位置的方法，通過監測在配電網不同節點的電壓來估算故障位置。基于不同的故障點節點阻抗矩陣，將不同節點儀表測量的電壓暫降與故障電流相關聯。為了提高準確性，將負載用恒定阻抗模型表示，并納入阻抗矩陣，確定故障位置。文獻[19]提出一種通過稀疏表示矢量，模糊集理論和機器學習實現的配電網故障精確定位方法，須沿主要饋線安裝智能電表監測線路故障前和故障時的電壓。由測得電壓下沿值產生一個矢量，其維數小于系統中的節點數量。通過故障電流矢量，用模糊集均值理論，分析非零值來估計可能的故障位置。

在DG接入的配電網系統中，利用DG端的電氣量與故障點電氣量的關系確定故障距離是目前的含DG式配電網故障精確定位的熱點。

文獻[20]提出了一種通過測量主變電站和DG的電壓和電流值，從而獲得故障節點的距離的方法。此方法不必識別故障類型，并且消除了多識別算法導致的誤差。文獻[21]也提出了一種使用主變電站和DG端記錄的測量值來確定精確距離的方法。基于迭代潮流算法，提出了一種故障定位方程，將同步角度視為未知變量進行估算，因此無須同步測量。此法適用于多種故障類型及不同的DG，且通過簡單算法修正，即可在任何分布式潮流條件下實現故障精確定位。文獻[22]提出最小故障電抗概念，該方法于網絡單元監測相電流，使用斐波那契階梯搜索技術，估算每個網絡單元對故障點的影響，確定故障位置。此方法不必建立各個參數模型，且適用于含有DG的配電網類型。

通過穩態電氣量特征確定故障距離是比較常見的方式，特別是智能化測量設備以及配電自動化的廣泛應用為基于穩態電氣量特征的定位提供了廣闊的發展空間，在含有DG的情況下，可在DG側加裝測量設備。穩態電氣量特征的故障精確定位在未來大有可為。

2.3 行波法定位

根據行波理論，線路發生故障時，會產生向系統其他部分傳播的行波信號，因此可以通過在線路上檢測故障行波實現故障精確定位。其基本原理有通過測量故障行波在故障點和測量端往返時間精確定位(單端法)和行波到達不同測量端的時間差精確定位(雙端法)。行波精確定位受故障類型、負荷變化及系統運行方式的影響較小，但要求對行波信號的準確檢測。近年來，相關人員基于擴展的雙端精確定位原理，結合行波傳輸的各個變電站的數據進行故障定位的廣域行波定位成為趨勢。

文獻[23]利用迭代算法提取出更為準確的零模波速度，再基于模量行波傳輸時間差實現故障的雙端定位。該方法可以有效定位主線路或支路線路上的故障點，且無須時間同步。文獻[24]提出通過識別來自故障點和不連續點的反射波來確定故障區段，從而找出與故障點相關的兩個反射波，并由這兩個波的最大相關時間計算得到故障點到測量點的距離。該方法主要與故障位置和線路結構有關，具有良好的精度。文獻[25]分別建立故障前后行波到達節點的時間差矩陣，再通過比較兩個矩陣的差異值實現故障定位。該方法不受線路結構、分支數量的影響，且在行波到達時間誤差較大的情況下也能實現定位。文獻[26]構建配電網關聯矩陣和距離矩陣，利用末端的行波到達精確時間信息和配電網拓撲結構矩陣，剔除無效的波頭時間信息，再基于有效的波頭時間信息實現故障定位。該方法僅利用配電網末端時間信息進行故障定位，不需要使用行波其他特征量，不受配電網參數變化帶來的影響。文獻[27]依據線模行波突變與傳播特性，主動從線路首端三相同時注入高壓脈沖，測得各相返回的行波數據，實現故障精確定位。該方法消除了配電網中不平衡負載的影響，降低誤動率。

文獻[28]首先通過故障信號頻域分析，得到故障點的特征頻率，根據頻域分析得到故障初步位置，然后結合故障信號時域分析，利用初始波頭與反射波頭時間差實現故障精確定位。該方法能精確地辨別反映故障距離的對端母線反射波頭，提高行波頻域分析的精度與時域分析的可行性，通過對故障暫態信號的時頻域綜合分析，實現故障精確定位。文獻[29]基于經驗模態分解和維格納維爾分布瞬時能量曲線，確定故障初始波頭的到達時刻，并且提出了一種監測電纜兩端電壓波形過零點的電纜雙端故障定位算法，解決了雙端數據不同步的問題。本文提出的雙端故障定位算法與需同步的雙端算法相比，具有較高的定位精度。

現階段，行波法故障精確定位實驗效果達標，方法理論上具備較高的可行性。但由于配電網規模龐大，支路眾多，混合線路中波阻抗可變，行波折反射情況復雜，保證波信號的準確獲取仍存在問題。

2.4 非行波分析的暫態故障精確定位

除了暫態行波信號，近年來涌現出大量基于其他暫態電氣量特征的故障精確定位的研究。由于故障精確定位要求高，所以應用暫態電氣量特征的精確定位多集中于電氣量與故障距離的數學關系。行波法是通過尋找行波的傳播過程中，故障距離與行波傳播時間的數學關系來進行精確定位。在暫態電氣量特征的精確定位里，還有很多類似的方法。

文獻[30]利用母線電壓暫降和相位跳變與線路區段的距離關系進行區段定位，所需測量裝置少，使用的數據容易獲得。該方法適用于各種類型故障，可估算出故障電阻，能準確地確定故障區段和故障距離，解決了輻射狀配電網中故障定位不準確和偽故障點問題。但是電壓暫降受故障位置、系統元件故障率、氣候環境以及保護可靠性等因素影響，具有不確定性。文獻[31]提出了一種基于特征根的單端測距方法。由暫態零序電壓、電流象函數的特征方程，得到了象函數測距方程，同時，利用特征頻段的性質，采用搜索法求解超越方程，實現故障精確定位。文獻[32]提出一種基于故障后實時分布參數線路零序特征的精確定位的方法，通過分析故障后零序電壓、零序電流的沿線分布特征，利用非故障線路采樣信息，辨識故障線路零序參數。該方法定位精度高，適用范圍廣。文獻[33]提出基于故障暫態信號及其衰減特征的單相接地故障精確定位方法，利用故障時非故障相電壓升高引起的線路電容充電暫態信號及其衰減特征，確定暫態信號有效區段，并利用S變換準確計算故障距離。該方法只需單端測量，不受故障狀況，負荷系統不平衡等干擾，但對特征信息提取的準確性要求較高。

文獻[34]提出了一種基于小波變換的分析電壓暫態波形故障精確定位方法，該方法包括兩個主要階段。首先，使用離散小波變換算法分析行波到達不同測量單元的時間差來確定故障區段，再通過分析電壓暫態頻率確定故障準確位置。此方法具有良好的準確性，且能適應多種故障狀態。文獻[35]提出了一種基于阻抗和暫態量的綜合配電網故障定位方法，該方法一方面使用擴展的視在阻抗分析法來計算故障距離，同時考慮到線路的不平衡運行、中間負載、時變負荷曲線等影響因素；另一方面，通過分析故障產生的暫態行波的頻譜，從而識別其需要的特征頻率成分，結合故障距離信息與可能故障位置的特征頻率實現定位。文獻[36]利用行波所走路徑不同導致母線測量點的自然頻率和幅值不同的性質確定精確位置,使用人工神經網絡(ANN)算法擬合行波傳播路徑與自然頻率及其幅值分布之間存在著映射關系。該方法中分層分布式ANN故障定位模型學習效率高、收斂快、測試效果好,但是此方法主要針對強故障模態下穩定型故障進行故障定位，而對于弱故障模態下的故障分支識別及電弧性故障有待進一步研究。

綜上所述，配電網故障定位技術發展見圖1。

圖1 方法類別框架Fig.1 Method classification framework

3 配電網故障定位工程應用與現狀

現階段，部分配電網區段定位技術已應用于實際工程中：

主動信號注入設備在工程中已經得到了運用，但間歇性電弧會導致注入信號不連續、特征被破壞，因此實際效果并不理想。

基于故障電流、零序電流檢測的接地/短路故障指示器已實現產品化，并在配電系統中廣泛應用。但從實際效果看，故障指示器在處理接地故障時效果一般，因此部分廠家又提出故障指示器與主動信號注入裝置的結合以提高接地故障的可靠性。

FTU在配網工程中也得到了一定的應用，效果良好，但裝置單價偏高，對線路運行環境與自動化程度要求也較高，難以大面積推廣。且FTU與故障指示器均需要設備布置密度來確保精度。

配電網精確定位應是與區段定位信息共享，互為補充的技術方法。現階段，行波法的應用可行性相對較高，但整體仍處于研究實驗階段。

此外，為實現配電系統在非健全故障信息情況下的容錯故障處理,文獻[37]提出一種基于貝葉斯分析，利用多相故障信息的相關性進行容錯故障定位的方法，針對永久性故障下的架空配電網，將重合閘過程中的故障信息進行融合得出更加準確的故障定位結果。在故障定位與隔離有誤的情況下，融合恢復供電過程中的故障信息再次進行故障定位，并對故障處理結果進行修正控制，提出完整的容錯故障處理流程。

文獻[38—39]利用來自各個位置的單相接地定位信息之間的相互關聯性，以及多種定位原理上報的定位信息的冗余性,實現容錯故障定位。所提方法無須改變己有配電自動化系統主站，也不用傳送波形信息。在增設基于暫態參數識別和相電流突變原理的配電終端后,該方法已在實際工程中應用。實際效果表明，在單相接地定位終端數量較多且單臺終端采用多個定位原理的情況下，容錯效果較為理想。但在為達到理想的容錯效果需要在單臺終端上配置的定位原理數量，以及在單條饋線上至少需配置的單相接地定位終端數量方面仍需后續研究。

4 配電網故障定位技術展望

為了保障社會經濟的不斷發展和人民生活水平的提高，配電網的故障定位的要求也越來越高。在輸電網上，故障定位技術已經成功應用，但配電網具有電壓等級多、支路數量多、運行方式多樣、運行環境復雜、饋線投切頻繁、線路拓撲具有可變性等特點，大多數故障定位方法在適用范圍上存在局限性。同時由于現階段三遙功能在配網現場的應用并不理想、配電網絡參數測量精度不夠，導致部分高度依賴主站、子站、及饋線間的流暢通信或單一故障參數精確測量的定位方法在實際中很難達到理論效果。

結合配電網故障定位的研究現狀與存在問題，對其進行了展望。

4.1 集中式與分布式故障定位的充分配合

多篇文獻均有提及分布式接地故障定位技術，相關學者從系統結構，動態拓撲識別，通信水平等方面進行了驗證，并提出一些適合分布式故障定位的新算法。考慮到智能電網及智能二次側變電站技術的發展，未來研究應重點關注基于沿線智能測(intelligent electronic devices,IEDs)的分布式故障定位[40-43]。

集中式定位與分布式定位的互補結合，共同構成配網故障定位架構將成為一種趨勢。通過分布式故障定位的分層計算，各變電站對上傳計算結果進行狀態分析，可以大幅加快數據處理速度，提高配電網故障定位效率；通過合理的測量點配置方案，也可靈活適應配電網的復雜性。這種結構符合智能電網的發展趨勢，成為未來研究重點方向之一。

4.2 監測設備性能與配置方案的雙重優化

未來通過對測量點的暫態、穩態電壓、電流等配網線路多種數據的監測，各類故障定位技術可實現互相配合，配電網故障定位將不再是僅對于某一故障數據的簡單分析處理，而是基于多維故障數據融合的分析定位，特別是在非健全故障信息下的容錯定位技術具有較高的研究價值。同時，面對種類更多、更加復雜的測量數據，配電網數據處理技術也要逐步完善。很多依靠智能算法的故障定位過于注重數學方法的應用，忽略了故障特征本身，近年來已不再是研究的熱點方向，因此在沿線設備(主要有故障指示器、智能電表、FTU、PMU等)的設備性能(包括數據處理能力、設備現場取電技術、成本造價等)和配置方案上進行雙重優化十分必要。

4.3 定位方案與精度的差異化選擇

從綜述中不難發現，現有的配網故障定位方法均有其各自的技術特點和適用范圍，因此在實際工程中，應綜合考慮當地的配網結構、負荷分布、現場干擾、地理環境等因素，設計合理的定位方案。

同時，配電網的網格化建設趨勢與自動化程度的提高，使得配網并不一味地苛求對故障的精確定位，而依據區域負荷的密集程度與重要程度，合理選擇與其相匹配的定位精度在實際工程中更為現實可行。

5 結語

本文分別介紹了國內外關于配電網故障定位技術在理論研究和示范工程應用中的基本現狀，對不同類型的技術方法的基本原理、技術特點、適用范圍及存在問題進行了闡述，分析提出了配電網故障定位技術在下一階段研究與應用的側重范圍與發展趨勢。