基于波形差異性配電網故障定位方法

福建電力職業技術學院 林鍵煒 劉 毅 賀健偉

行波法不受線路類型、故障電阻及兩側系統影響，精確性較高。但存在如信號獲取、行波強弱、行波波速不確定性、故障電流小導致定位不準確等問題[1]。其中，由于A、B型行波法需對故障點產生的行波信號進行檢測，而我國配電網是小電流接地系統，故障行波信號特征不明顯，所以在故障定位時會出現困難；C型行波法則因其在線路首端注入信號，再通過因故障點引起的反射波到達時間來確定故障位置，不受故障信號特征的影響[2]，所以理論上適用于結構簡單的配電網，但無法解決配電網結構復雜，分支眾多的問題。

提高配電網供電能力，提高國民經濟一直是國家關注的重點。隨著社會經濟的發展，配電網改造來到第三階段，即將采集、傳輸、控制裝置無線和計算機結合的饋線自動化系統，能對故障區段實現一次性定位和隔離[3]。所以現階段急需一種有效的方法解決配電網故障定位的問題。

1 基于波形差異性的配電網故障定位研究

1.1 注入脈沖在多分支線路中的傳輸過程研究

行波法在進行配電網故障定位時較為簡單，只需注入脈沖的起始時間、故障特征波的到達時間以及行波在線路上的傳播速度，即可通過公式：XL=1/2（t2-t1）v計算得到，如圖1所示。

圖1 C型行波定位

1.1.1 正常情況下的傳輸過程研究

但是配電網的分支眾多，進行定位時，難以區分故障分支，會出現偽故障點，所以判斷故障出現在哪個分支是注入脈沖法的關鍵[4]。因此，對注入脈沖在多分支線路的三種不同傳輸過程進行研究。如圖2所示，在線路以及分支線首端設置檢測器，在M端注入幅值為U0的脈沖，假設線路為均勻無損線路且參數相同，即波阻抗相等，都為Z0，根據行波折反射原理，可得到每個分支線檢測的脈沖幅值為：。

圖2 脈沖在三分支線路的傳輸過程

推廣到m個分支點且每個還有n條分支線，線路參數一致，則以注入脈沖傳輸方向為基準，從

1.1.2 金屬性單相接地情況下的傳輸過程研究

根據行波折反射原理，若MA段發生金屬性單相接地短路，則UA1=UA2=0，即A、B、C三點都檢測不到脈沖信號；當AB段發生該故障時，則,即B、C兩點檢測不到信號，以此類推到m個分支點且每個還有n條分支線時，根據金屬性故障時哪個分支點檢測不到脈沖信號，可推出故障發生在哪一條分支線路上。

1.1.3 經電阻單相接地情況下的傳輸過程研究

根據行波折反射原理，當MA段發生經電阻單相接地短路時，脈沖幅值U0會衰減，則在A點檢測到的脈沖幅值小于正常情況下的幅值，同理，在B、C點檢測到的也是如此；當AB段發生該故障時，在A點檢測到脈沖幅值應與正常情況下一致，但在B、C點檢測到的幅值會小于正常情況下的；以此類推到m個分支點且每個還有n條分支線，根據分支點故障與正常情況下檢測到的幅值的差異，以及前一分支點檢測到的幅值是否有差異，可判斷故障發生的范圍。

1.2 基于波形差異性的配電網故障定位原理

根據行波折反射原理，脈沖在遇節點時會發生折反射，相應的折反射波在遇節點時也會發生折反射，為了方便區分，提出節點特征波以及故障特征波的概念，即行波遇節點反射回來的第一個行波稱為該節點的節點特征波，同理，行波遇故障點時第一個反射回來的行波稱為故障特征波，其余經過多次折反射產生的行波稱為雜波[5]，由于配電網結構的復雜性，導致檢測器檢測到的是各個雜波和故障特征波疊加起來的波形，無法直接得到故障特征波。

但如圖3所示，A為線路首端，B為分支點，C為線路末端，F為金屬接地點，在A點注入行波，無論兩段線路長短，假設B-C段發生故障，可以發現行波在A-B段上的折反射是不受故障點位置影響的，并且與A-B段線路長度無關，但從B點向故障點折射的行波會與正常情況下不同，并且后續的折反射都會與正常情況不同。所以利用正常與故障情況下的波形的差異，即可得故障特征波。

圖3 脈沖行波傳輸過程

為了準確得到故障特征波，可以將正常與故障情況下的波形相減，即可將雜波以及節點特征波去除，這樣，就可以得到故障特征波。如圖4所示，利用MATLAB軟件，將仿真的波形數據導入，再利用plot函數等，繪制出波形相減圖。由圖4（b）所示，將雜波和節點特征波濾除后，可知第一個行波即故障特征波，即可得故障特征波到達時間，在假設行波傳輸速度不變的情況下，可以進行故障定位。

圖4 故障特征波到達時間識別

2 基于波形差異性的配電網故障定位仿真

2.1 仿真模型建立

利用PSCAD建模，配電網拓撲圖如圖5所示，該配電網有3個節點，3條支路，A點為信號注入點，F、G、H、B點各有負荷連接，將A-B設為主線路，而分支線A-C、C-F、D-G、E-H線段首端即在線路和分支線路首端分別都放置檢測器。

圖5 配電網拓撲圖

2.2 配電網單相接地故障仿真

以A點檢測波形為例，線路正常情況下波形如圖6（a）所示，再以A-C段距A點10km處發生金屬性接地為例，圖6（b）是利用MATLAB軟件進行波形圖相減得出的波形，從圖中可以看到第一個行波的到達時間即故障特征波的到達時間，其余數據見表1、表2、表3。

表1 各點注入脈沖幅值

表3 各段100Ω電阻故障仿真結果

圖6 AC段金屬性接地故障對比圖

根據仿真結果可得：當分支線發生金屬性接地時，該分支點前檢測到的脈沖幅值不變，故障分支首端檢測到幅值為0；由表2可知，該方法進行故障定位時，誤差均小于100m，符合實際；當發生經電阻單相接地故障時，計算故障距離誤差均小于100m，符合實際；故障分支線路首端檢測到脈沖幅值會小于正常情況下的幅值，而其余分支會與正常情況下相同。

3 結語

在PSCAD上搭建了多分支配電網單相接地故障仿真模型，分析注入脈沖法的有效性及合理性，根據仿真結果展示，注入脈沖法搭配多個探測器，只需觀察各個探測器檢測到的脈沖幅值是否與正常相比發生了變化即可知故障是否發生在分支線路上，再利用主線路以及故障分支線上的檢測到的故障特征波到達時間即可定位故障。