基于智能饋線終端和行波時差的故障定位技術研究

費 陽，萬德春，但富中，王淑艷，葛佳盛

（國網電力科學研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

配網是電力系統中與用戶直接接觸的部分，同時也是電力系統中最容易發生故障的部分，配網穩定運行直接影響用戶的用電體驗。在配網故障發生時，能夠快速準確地定位故障點，能夠提高用電用戶的滿意度，降低電網的維護成本，減少因長時間停電導致的損失，對于整個輸電系統穩定、安全運行具有重要意義［1-5］。

配網結構十分復雜，大部分饋線都有許多分支線路，造成三相不是標準的對稱形式，對故障定位信息分析產生很大影響，且許多配網的線路長度較短，對定位精度要求更高。目前主流的配網故障定位方法主要有阻抗法、注入法和行波法［6-10］。文獻［11］通過計算配網阻抗算法進行故障定位，由于該方法沒有考慮到配網復雜結構導致的電流和電壓傳輸特性異常、配網三相不是標準的對稱等情況，這些因素嚴重地影響定位精度，同時配網復雜的分支線路在很多工況下可能導致阻抗法發生誤判。注入法［12］是利用線路的某一相發生接地短路時短接原邊。此時，故障相的電壓互感器向接地點處發射一個電流信號，該信號會從接地點處流入大地，然后通過跟蹤該信號就可以確定故障的相別并找出故障點，實現故障點的定位，但連續性接地電弧和過渡電阻會對該方法產生干擾，不適用于實際配電線路。行波法［13-15］是近年來的研究重點，在配網故障定位中行波法已經被應用。目前應用較多的是基于單端行波法進行定位，該方法安裝的設備較少，同時進行故障測距也較為簡單穩定，但是由于行波的特性，在配網有大量分支的情況下行波會進行不斷反射和折射，導致識別波頭和反射波十分困難。文獻［16］通過線模和零模行波傳播時間差值對故障距離進行計算，該種新型的單端行波測距方法對行波的傳播速度要求非常精確，不適用于配網中的混合電纜線路。

文獻［17］提出一種針對只有單一結構配網的故障行波測距方法，利用行波頻率特征進行故障距離計算，該算法主要依靠行波的頻率特征區分度，對于復雜的配網結構，其行波頻率成分混疊嚴重無法有效區分；基于雙端行波定位算法［18-21］是通過行波到達兩端設備的時間差和波速計算出故障到兩端的距離，但是只適用于主干線上故障距離的計算，面對配網中眾多支線的故障也難以精確測量；文獻［22］提出一種多端法，將行波接受裝置在每個支線的首位端都進行安裝，每臺裝置都進行同步測量，根據行波到達的時間差進行故障距離的計算，該算法對于時間精度要求非常高，若存在微小的誤差時會導致定位結果誤差很大，所以在實際應用中存在一定的局限性。上述方法都是針對單一結構的線路，無法應用于混合電纜-架空線路。

本文通過各支線與主線的節點和末端的智能FTU檢測的零序電流和零序電壓信息進行故障區間定位，然后根據內置的行波采集模塊檢測故障行波波頭分別到達故障區間兩端設備的時刻差進行故障點精確定位。利用桿塔定位方式避免行波波速和線路長度的變化對定位精度的影響，增加了定位精度。

1 基于FTU判斷故障區間

由于配網自動化的不斷發展，FTU 設備被大量地應用到配網線路中，該設備可以檢測線路的相電壓、電流和零序電壓、電流。根據配網接地故障時刻的零序電壓和零序電流特征就可以確定故障點在兩個檢測點之間，則確定了故障區間。

針對中性點不接地系統的線路，如圖1所示，在線路中O 點發生接地故障，則類似于一個零序電壓源在O 點接入，該零序電壓源可以使得線路產生零序容性電流。由于中性點不接地系統線路零序網絡主要為線路對地電容組成，所以線路中的零序電流為容性電流，故障時刻線路中各支路的零序電流方向如圖1所示。

圖1 故障線路的零序電流方向Fig.1 Zero-sequence current direction of the faulty line

上述分析可知，針對中性點不接地系統的故障區間判斷方法為：

1）故障支線判斷。分支線路運行情況正常時，零序電流超前零序電壓90°；若零序電流滯后零序電壓90°，則表明該支線發生故障。

2）故障區間判斷。依次比較故障支線上各FTU采集的零序電壓和零序電流，若檢測到一個檢測點的零序電流滯后零序電壓90°，另一個相鄰檢測點的零序電流超前零序電壓90°，則故障區間為兩個檢測點之間。

針對中性點經消弧線圈接地系統線路如圖2所示，該接地方式使得消弧線圈能夠對線路的電感電流起到補充的效果，導致線路正常情況下零序電流超前零序電壓90°，所以故障時線路零序電流方向如圖2所示。

圖2 故障線路的零序電流方向Fig.2 Zero-sequence current direction of the faulty line

此時零序電流和零序電壓的相位差難以確定故障區間，需要根據殘流增量原理進行故障區間定位，調整消弧線圈的脫諧度產生故障接地時的殘流增量，由于電感電流的方向是從電源流向接地點，所以發生故障時線路上的零序電流會有一定的變化，但故障下游線路上的零序電流不會變化。該方式需要注意故障為經電阻接地時，若調節消弧線圈會導致零序電壓幅值發生變化，需要對應地將零序電流進行調整。

根據上述分析可知，中性點經消弧線圈接地系統線路的故障區間判斷方法為：

1）故障分支判斷。故障發生時調整消弧線圈，若調整前后線路零序電流沒有任何變化，則為故障分支；若調整前后，該分支線路零序電流發生變化，則為正常分支。

2）故障區間判斷。故障發生時依次檢測線路上各FTU 采集的零序電流，若相鄰FTU 的零序電流變化較大，則故障區間在兩個檢測點之間。

2 行波法故障定位

根據行波原理，若線路發生故障，線路由于運行狀態的變化會產生暫態電壓和暫態電流，暫態信號會以故障點為中心向兩端傳播，依據該原理可以通過行波信號的檢測、分析和計算實現對故障的精確定位。行波法定位關鍵在于行波波速、波頭識別和線路長度，這些因素對定位精度影響較大。

2.1 雙端行波故障定位原理

行波法主要根據故障發生時行波波頭到達兩端設備的時間差來計算出故障點，兩端FTU 設備能夠實現時鐘同步和GPS 定位，分別記錄行波波頭到達兩端FTU的時刻，行波測距原理如圖3所示。

圖3 故障測距原理圖Fig.3 Schematic diagram of fault ranging

設確定的故障區間為單一線路，線路長度為L，行波在兩個FTU 之間的傳播速度為v。故障區間兩端FTU記錄的行波波頭到達時刻分別為tM、tN。

故障點距離M端的距離計算公式

根據式（1）、式（2）可知，只要準確得到故障行波波頭到達兩端的時刻，就可以進行故障點精確定位。

2.2 行波波頭檢測算法

小波變換［23］由基小波的伸縮和平移組成的函數組合?a，b=|a|-1/2?[(t-b)/a]，其中?(t)表示基本小波函數，a表示尺度因子，b表示平移因子。將信號進行小波變化的公式為：

a= 1/2j，則?a，b=|a|-1/2?[(t-b)/a]稱為二進小波，利用二進小波進行的變換稱為信號的二進小波變換。由a的數值可知，二進小波可以避免信號分解時的重疊現象，且僅對尺度進行改變，但是平移參數沒有變化，所以二進小波變化在平移上具有一致性，該特性使得它對于一些奇異值的檢測非常靈敏。利用二進小波變換的模極大值來檢測信號中的奇異值。小波模極大值是信號f(x)進行小波變換，一定的尺度S下，在x∈(x-δ，x+δ)中|WSf(x)|≤|WSf(x0)|則x0表示在S尺度下的小波變換模極大值點，WSf(x0)為小波變換模極大值。

通過小波變換可以得到連續信號在相應位置的變化率情況，根據小波變換模極大值點可以得到信號中變化率最大的點位置，恰好故障行波的波頭就是整個故障行波中變化最大的點，所以應用小波變化可以準確地找出故障行波波頭，從而得到波頭到達測量點的精確時刻，為后續的故障定位奠定基礎。

2.3 桿塔定位

桿塔可以看作將線路近似均勻等分的節點［24］，如圖4 所示，桿塔之間的連接線與配電線路長度是呈一定比例的，故障點距離占線路長度的百分比與桿塔數量之間存在一定的關系。在安裝設備時可以根據桿塔之間的直線距離，判斷各桿塔線路長度占總線路長度的百分比，根據該方式可以將各桿塔進行編號制作表格。當發生故障時，可以由故障定位算法計算出故障點，然后再通過表格找到故障附近桿塔，快速找出故障點的地理位置。

圖4 桿塔分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of the distribution of pole towers

由于實際線路受溫度［25］、負荷波動［26］等因素的影響，很難準確估計線路長度，該方法只要確定故障附近桿塔號，就可以知道故障點的直線距離，該距離是固定不變的，方便線路運檢人員進行巡檢［27］，大幅降低了線路長度精確性對故障點位置的影響，在實際應用中更加具有實用性。

3 試驗驗證

3.1 基于FTU的故障區間定位試驗

為驗證智能FTU和行波信息應用于故障精確定位的可行性，搭建了智能FTU行波動態增補實驗環境，如圖5 所示，主要實驗設備有PF1000A 暫態電流輸出裝置、PF 系列配線故障指示器檢測平臺、行波采集裝置和PH02型行波測距校驗儀，現場實驗設備環境如圖5（a）所示。在PF系列配線故障指示器檢測平臺設置線路參數，線路全長10 km，接地點位于距離小號側2 km位置處，線路首末各安裝智能FTU 設備，如圖5（b）所示為實驗線路結構示意圖，接地電阻設置為0 Ω、50 Ω、100 Ω、500 Ω、1 000 Ω，分別監測不同接地電阻下，行波的形態特征變化及FTU監測故障的能力。

圖5 實驗裝置及設備安裝位置圖Fig.5 Experimental apparatus and equipment installation location diagram

設置中性點不接地系統配網試驗線路在FTU-A和FTU-B之間發生單相接地故障，觀察安裝在線路上的智能FTU設備檢測的零序電壓和零序電流的變化特征，為驗證上節提出的相位差理論，將零序電流和零序電壓的幅值進行對齊，如圖6所示。

圖6 中性點不接地系統線路故障各智能FTU檢測的零序電壓和零序電流幅值對齊后的融合圖Fig.6 Fusion diagram of the zero-sequence voltage and zero-sequence current amplitude detected by each intelligent FTU for line fault of neutral point ungrounded system

由圖6 可知，在故障點前FTU 檢測到的零序電流超前零序電壓90°，故障點后零序電流滯后零序電壓90°，在無故障線路上所有FTU檢測到的零序電流都超前零序電壓90°，驗證了上節提出的針對中性點不接地系統線路利用零序電流和零序電壓相位來進行故障區間定位的可行性。

設置中性點經消弧線圈接地系統配網試驗線路在FTU-A 和FTU-B 之間發生單相接地故障，如圖7 所示。觀察安裝在線路上的智能FTU設備檢測零序電流的變化特征，為驗證上節提出的零序電流變化理論，將所有FTU 故障時刻檢測到的零序電流進行對比，如圖8所示。

圖7 中性點經消弧線圈接地線路結構示意圖Fig.7 Structure diagram of the grounding line at the neutral point through arc suppression coil

由圖8 可知，中性點經消弧線圈接地系統線路發生單相接地故障時，正常支線上的FTU 檢測到的零序電流不會有大的變化，對應的故障支線上FTU 檢測到的零序電流會發生變化，FTU-A 零序電流會增大，FTU-B 零序電流變化不大，故障點在兩者之間，即故障區間。

圖8 中性點經消弧線圈接地系統線路故障零序電流變化圖Fig.8 Zero-sequence current change diagram of grounding system line fault at neutral point through arc suppression coil

3.2 基于FTU行波故障精確定位試驗

在中性點不接地系統線路中驗證行波時差對故障位置的精確定位試驗，FTU-A和FTU-B分別表示M側和N 側，設線路MN 中距離母線M 側2 km 處發生單相接地故障，接地電阻R= 100 Ω，兩側母線端的具有行波監測能力的FTU 采集到故障相行波，經過連續小波變換后如圖9所示?？梢园l現行波波頭位置處的變化量最大，到達兩端MN 時有明顯的異常突變信號。計算其連續小波變換后的模極大值起始突變時刻分別為t1= 41 116 μs、t2= 41 125 μs。

圖9 兩側故障行波及模極大值Fig.9 Fault traveling wave and modulus maximum value on both sides

因為故障點距離母線M 側較近，所以行波波頭最先被M側的設備監測到，根據準確識別行波波頭來精確定位故障點。計算兩端同步設備監測的行波波頭時間差值，計算的故障點距離M側母線端L=2 082.93 m，計算結果較為精確。

為驗證不同接地電阻故障下的定位結果，為進行不同接地電阻下，監測到行波的幅值、時間差、定位距離等參數的匯總表，如表1所示。

表1 不同接地電阻行波參數匯總表Table 1 Summary table of traveling wave parameters of different grounding resistors

通過表1可知：

1）接地電阻越大，行波幅值越??；

2）利用行波監測單相接地故障，接地電阻為1 000 Ω時行波仍然有較明顯的特征。因此，基于行波的單相接地監測耐過渡電阻能力≥1 000 Ω；

3）小波變換識別行波波頭在高阻接地時仍然具有較好的應用效果，可以準確識別波頭位置；

4）由于行波波形形態存在差異，行波定位存在一定誤差，但FTU總體最大誤差不超過±300 m。

4 結語

本文提出一種基于智能FTU行波監測模塊信息的故障定位方法，該方法可以有效降低波速和線路結構對故障診斷精度的影響，適用于配網中的電纜-架空線路，解決了形態不好的故障行波波頭難以識別的問題，同時建立快速識別故障區間和桿塔定位機制。通過仿真驗證得到以下結論：

1）通過零序電流與零序電壓的相位特征和零序電流的變化，對不同中性點接地系統線路故障區間進行定位，使得故障區間定位算法能夠適用更多不同類型線路，增強了該方法的適用性。

2）利用故障行波中的突變分量消除了波形中諧波對波頭的影響，通過小波變換模極大值得到故障行波波頭的精確位置，再通過故障點距離與線路總長的比值應用到桿塔定位中，經過仿真驗證了該方法的準確性。