配電網(wǎng)故障行波定位綜述

趙威，陸海，趙雄

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650127）

0 前言

當(dāng)前配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)線路呈現(xiàn)復(fù)雜多元化，不同地區(qū)其配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同的特征。相較傳統(tǒng)的配網(wǎng)線路，現(xiàn)代化程度較高的城市電纜線路的比重越來越高，其次在新能源滲透率較高的地區(qū)出現(xiàn)較多的分布式能源（distributed generator，DG）支路。因此在消費(fèi)者對(duì)供電質(zhì)量要求較高以及配網(wǎng)故障率以及線路復(fù)雜度都較高的大背景下，如何保證配網(wǎng)故障迅速可靠有效的定位解決是當(dāng)前配網(wǎng)故障處理的一大難題。

目前國(guó)內(nèi)配網(wǎng)一般都安裝了自動(dòng)重合閘裝置，在發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)一般都能進(jìn)行自動(dòng)重合閘操作，但是一旦發(fā)生的是較為嚴(yán)重的永久性故障，自動(dòng)重合閘無法正確地進(jìn)行合閘操作，因此遇到這類故障當(dāng)前還是需要相關(guān)運(yùn)維人員進(jìn)行人工故障處理，但是人工處理存在效率低、高耗時(shí)以及無法全部找尋到故障線路，如何快速進(jìn)行故障定位是最大限度保證用戶供電質(zhì)量的重要舉措。

行波故障定位被廣泛地應(yīng)用于輸電線路，其在故障定位時(shí)具有定位精度高、定位速度快以及不受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響等特點(diǎn)，但是相較于輸電線路，配電線路具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、線路分支較多、設(shè)備較多、負(fù)荷變化較大等特點(diǎn)，這些因素在某些方面影響到行波故障定位在配網(wǎng)中的應(yīng)用。諸如，故障行波波速在電纜線路以及架空線路中傳輸速度不同、線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致故障行波在傳輸時(shí)發(fā)生折反射波重疊影響波頭檢測(cè)、分支較多導(dǎo)致所需行波檢測(cè)裝置也較多影響經(jīng)濟(jì)性。

針對(duì)上述限制故障行波測(cè)距技術(shù)在配網(wǎng)大范圍推廣的因素，我們需要對(duì)其進(jìn)行多方面的考慮以及研究來實(shí)現(xiàn)故障行波測(cè)距技術(shù)在配網(wǎng)線路的有效合理應(yīng)用。

1 配網(wǎng)故障行波定位影響因素分析

配網(wǎng)行波故障定位相較于輸電線路行波故障定位而言，影響其定位精度以及可靠推廣使用的原因相較較多，當(dāng)前影響配網(wǎng)故障行波定位裝置推廣的因素主要有：架空電纜線路混合對(duì)波速大小的影響、支線數(shù)過多導(dǎo)致行波在傳輸路徑發(fā)生過多的折反射影響波頭檢測(cè)、配網(wǎng)支路端口較多安裝行波裝置經(jīng)濟(jì)成本高昂。

1.1 混合線路影響

故障行波信號(hào)在傳輸?shù)诫娎|線路與架空線路接頭處時(shí)，結(jié)合處電氣參數(shù)量存在差異可以近似將其視為邊界處，故障行波在支路較多或者電氣參數(shù)量存在差異時(shí)會(huì)出現(xiàn)波反射以及波折射現(xiàn)象，導(dǎo)致所檢測(cè)的行波被各種反射波覆蓋，為后續(xù)行波檢測(cè)識(shí)別和故障測(cè)距的實(shí)現(xiàn)造成很大的困擾。針對(duì)這一問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出采用雙端行波定位的方法來解決，由于雙端定位僅僅只需要對(duì)故障行波初始波頭來進(jìn)行采集，從而有效的避免波折反射所帶來的干擾，但是雙端定位方法存在對(duì)時(shí)間同步精度要求較高而且需要支路兩端安裝行波檢測(cè)裝置。

電纜線路與傳統(tǒng)的架空線路相比，其線路參數(shù)存在很大的區(qū)別，在相同導(dǎo)線截面積下，電纜與架空線電氣參數(shù)存在以下區(qū)別：

1）電纜線路在電阻數(shù)值上略大于架空線路；

2）電纜線路電抗值遠(yuǎn)小于架空線路；

3）電纜線路電納值遠(yuǎn)大于架空線路；

4）電纜線路對(duì)地電容略大于架空線路。

圖1 電纜-架空混合線路分布參數(shù)模型

由于架空線與電纜線基本電氣參數(shù)量存在一定差異，導(dǎo)致故障行波波速會(huì)出對(duì)混合線路存在波速不相同的問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者也提出了以下解決辦法。文獻(xiàn)[5]提出混合線路歸一化處理，通過這樣處理有利于將復(fù)雜配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解耦為樹狀結(jié)構(gòu)，最終使得故障定位過程簡(jiǎn)化。文獻(xiàn)[6]通過對(duì)架空電纜線路進(jìn)行參數(shù)換算，按照推倒得出的公式對(duì)電纜線路進(jìn)行等效處理。

圖2 電纜-架空混合線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 分布式支路影響

如今配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，使得傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障定位從定位精度以及定位效率上都有較大的影響，并且隨著分布式電源（distributed generator，DG）支路接入會(huì)改變傳統(tǒng)配網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及潮流方向，這種改變會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)的保護(hù)出現(xiàn)誤動(dòng)以及拒動(dòng)，在故障定位上會(huì)使得傳統(tǒng)定位方案失敗。傳統(tǒng)定位方案在配網(wǎng)故障定位精度上受到過渡電阻、運(yùn)行方式、線路參數(shù)等因素的影響，在某些情況下無法快速故障定位或者定位精度誤差較大，需要人工進(jìn)行故障排查，這會(huì)導(dǎo)致帶故障運(yùn)行線路出現(xiàn)故障區(qū)域擴(kuò)大甚至燒壞電力設(shè)備，因此需要實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)快速故障定位以保證供電可靠性經(jīng)濟(jì)性。

與傳統(tǒng)定位方案相比，行波故障定位不受過渡電阻、運(yùn)行方式的影響，并且定位速度精度較高，因此可以選擇將已經(jīng)在輸電線路成熟運(yùn)用的行波故障定位方案運(yùn)用到配網(wǎng)故障定位。

但當(dāng)前配網(wǎng)接入大量分布式支路，使得配網(wǎng)結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜使得故障行波精確定位難度加大，當(dāng)前分布式支路接入對(duì)定位的影響主要有以下兩個(gè)方面：

1）大量的電力電子設(shè)備接入會(huì)影響故障行波的正常傳輸產(chǎn)生各種折反射干擾波，影響定位的可靠性。

2）分布式支路的接入進(jìn)一步使得配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，影響定位方案的選擇。

1.3 經(jīng)濟(jì)性影響

實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的故障定位是保證配電網(wǎng)快速自愈的基礎(chǔ)，這是實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵性技術(shù)。配網(wǎng)從結(jié)構(gòu)上與輸電網(wǎng)呈現(xiàn)不同特點(diǎn)，配網(wǎng)的特點(diǎn)為：閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行、整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)輻射狀、分支線路多等特點(diǎn)。由于其分支線路較多，想要全面的獲得故障信息，需要安裝較多的行波裝置即增加測(cè)量點(diǎn)以保證對(duì)線路信息的可視性，但是由于配電線路較多，如果保證每條支路都安裝行波裝置，對(duì)于供電企業(yè)而言經(jīng)濟(jì)成本較高。

因此經(jīng)濟(jì)性也成為制約行波故障定位裝置在配電網(wǎng)大面積推廣的影響因素之一，針對(duì)這一原因，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出對(duì)行波裝置布點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[7]提出通過Floyd算法將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)，對(duì)所有故障情況下線路兩端節(jié)點(diǎn)分別取最小公共集，得到需要配置定位裝置的節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[8]根據(jù)鄰接變電站個(gè)數(shù)確定初步配置方案，采用模擬退火算法進(jìn)行配置，該方案必須通過電網(wǎng)故障定位計(jì)算進(jìn)行校驗(yàn)，受故障點(diǎn)位置影響較大，計(jì)算復(fù)雜。

2 配電網(wǎng)行波故障定位方法

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、支路數(shù)多、電力設(shè)備多、負(fù)荷變化大，這導(dǎo)致其發(fā)生故障的概率較大。因此實(shí)現(xiàn)快速故障定位是避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大并保證故障線路恢復(fù)的重要基礎(chǔ)。當(dāng)前較為常用的配網(wǎng)故障定位方法如下：

2.1 單端法

利用故障點(diǎn)初始行波與初始反射到達(dá)檢測(cè)端的時(shí)間差來進(jìn)行故障定位。

圖3 單端法定位原理

其故障距離計(jì)算公式為：

其中，t1為初始反射波達(dá)到時(shí)間，t0為初始行波到達(dá)檢測(cè)端時(shí)間，顯然這種定位方法原理簡(jiǎn)單，但是對(duì)于復(fù)雜的配網(wǎng)線路而言，其限制影響條件較多無法正確的進(jìn)行定位，因此一般不作為主要定位方案。

基于此原理衍生出其他單端定位方法，諸如利用零模分量與線模分量波頭到達(dá)檢測(cè)裝置的傳輸時(shí)差來進(jìn)行定位。但是針對(duì)配電網(wǎng)復(fù)雜線路環(huán)境下，線模分量在傳輸過程中高頻分量衰減較小、波速較穩(wěn)定，因此可以作為故障定位的一個(gè)穩(wěn)定參考量。零模分量受故障距離約束，其高頻分量衰減較快，波速受線路參數(shù)影響較大，因此會(huì)導(dǎo)致最終故障定位結(jié)果精度不高。

針對(duì)單端法應(yīng)用中存在的這些問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出這些方法來有效的解決問題。文獻(xiàn)[9]提出正常運(yùn)行時(shí)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)一般不變，對(duì)線路進(jìn)行劃分并建立路徑矩陣，根據(jù)行波到達(dá)節(jié)點(diǎn)時(shí)間建立達(dá)到時(shí)間差矩陣，故障時(shí)依據(jù)故障初始行波到達(dá)時(shí)間差矩陣進(jìn)行對(duì)比分析找出差異值進(jìn)行故障定位。文獻(xiàn)[10]通過檢測(cè)故障暫態(tài)行波的零模和線模分量到達(dá)首端的時(shí)間差，然后在首端對(duì)三相同時(shí)注入相同的高壓脈沖并檢測(cè)線模行波首個(gè)波頭到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，進(jìn)而利用穩(wěn)定的線模波速度進(jìn)行故障距離的測(cè)量。

2.2 雙端法

雙端法通過在線路兩端安裝檢測(cè)裝置，達(dá)到獲取波頭達(dá)到時(shí)間。故障發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的故障波沿故障點(diǎn)向線路兩端進(jìn)行傳遞。

圖4 雙端法定位原理圖

其故障距離計(jì)算公式為：

其中t1、t2分別為故障行波到達(dá)線路兩端的時(shí)間。

雙端法測(cè)距只需要檢測(cè)故障初始波頭到達(dá)時(shí)間，對(duì)于反射折射波不需要處理，因此在初始波頭能夠被準(zhǔn)確檢測(cè)到的情況下，其定位精度相對(duì)是較高的。但是雙端法需要線路兩端安裝行波測(cè)距裝置，并且其對(duì)基準(zhǔn)時(shí)間同步要求較高。

因此雙端法在配網(wǎng)故障定位精度上相比單端法要好，但是由于配網(wǎng)支路較多影響其經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)這一問題，文獻(xiàn)[11]提出基于圖論知識(shí)對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行分層，在含有獨(dú)立支路的T型線路中，只在其3個(gè)頂點(diǎn)配置定位裝置，即可實(shí)現(xiàn)故障定位，不需在獨(dú)立支路配置。

除經(jīng)濟(jì)性影響外，影響雙端法推廣使用的另一制約因素是對(duì)基準(zhǔn)時(shí)間同步精度要求較高，對(duì)于配電網(wǎng)而言其線路距離普遍較短，時(shí)間精度對(duì)于故障定位的影響要遠(yuǎn)大于輸電線路，因此針對(duì)這類問題國(guó)內(nèi)學(xué)者主要提出以下方法來進(jìn)行有效的解決：

文獻(xiàn)[12]通過將故障后雙端初始行波波頭到達(dá)時(shí)間作為雙端初始時(shí)刻，進(jìn)而檢測(cè)后續(xù)行波波頭的相對(duì)時(shí)刻，分別將雙端在特定的時(shí)間內(nèi)行波波頭到達(dá)時(shí)刻組成時(shí)間序列集合。再根據(jù)雙端時(shí)間序列集合的相互映射關(guān)系，計(jì)算故障點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

文獻(xiàn)[13]采用一種單端、多端行波相結(jié)合的配電網(wǎng)單相接地故障定位方法，通過多端行波檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)故障線路判別，然后利用波形相關(guān)性來檢測(cè)反射波時(shí)間差來進(jìn)行故障精確定位。

針對(duì)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及故障行波定位影響因素的特殊性，無法運(yùn)用單一某種方法來進(jìn)行有效可靠的定位，當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要研究趨勢(shì)還是傾向于運(yùn)用單-雙端法進(jìn)行組合拓展研究。

2.3 信號(hào)注入法

信號(hào)注入法是當(dāng)配網(wǎng)線路發(fā)生接地故障時(shí)，通過在線路施加脈沖信號(hào)，而脈沖信號(hào)在不均勻的傳輸介質(zhì)中會(huì)發(fā)生反射，而脈沖信號(hào)在接地故障點(diǎn)處的反射最為激烈，因此我們通過對(duì)該反射脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)得到傳輸時(shí)間，來進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算得到故障點(diǎn)位置。

依據(jù)此原理，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出以下方法來進(jìn)行精確定位。文獻(xiàn)[14]認(rèn)為脈沖波在線路中傳播會(huì)呈現(xiàn)一定的波形特征，通過錄波的裝置將波形記錄下來，先得到合成波形，再排除雜波的干擾，對(duì)注入信號(hào)波形進(jìn)行記錄，從而確定出現(xiàn)故障的位置。文獻(xiàn)[15]提出其他新的思路將小波變換用于故障定位，正常的行波通過小波變換后，通過和正常波形比較，可以得到波的奇異點(diǎn)，依據(jù)這個(gè)特征來判斷。文獻(xiàn)[16]根據(jù)行波法大概確定故障位置，判斷出故障分支，之后再注入交流信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

3 結(jié)束語

依據(jù)上述對(duì)配電網(wǎng)行波定位影響因素分析以及對(duì)配電網(wǎng)行波定位方法總結(jié)可以得出：

1）配電網(wǎng)故障定位精度需要得到提升，保證故障區(qū)域能夠迅速恢復(fù)供電，并保護(hù)電力設(shè)備不被損壞。

2）當(dāng)前研究所運(yùn)用定位基本原理相似，但是針對(duì)當(dāng)前各個(gè)地區(qū)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，無法做到全部適用。

3）在行波裝置優(yōu)化研究方面，在輸電線行波布點(diǎn)優(yōu)化研究較多，在配網(wǎng)行波裝置優(yōu)化研究還較少。

針對(duì)上述結(jié)論，后期將要做的主要工作有：

1）在波速修正方面，合理的利用歷史波速數(shù)據(jù)，并與當(dāng)前支路參數(shù)特征結(jié)合進(jìn)行分析，利用智能算法得出基準(zhǔn)波速，并不斷的進(jìn)行修正。

2）定位方法選擇上需要針對(duì)不同的地區(qū)、不同的配網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行最佳的定位方法選擇，方法可以進(jìn)行靈活的組合。

3）裝置優(yōu)化研究主要需要考慮線路可觀性問題，建立相應(yīng)的支路矩陣，在保證可觀性的基礎(chǔ)上結(jié)合靈活多變的定位方法來保證較高的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。