10 kV配電網含分支混合線路故障行波定位研究

朱建剛，劉國棟，孫桂花，馬慶玉

（1.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049；2.國網山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274000；3.國網山東省菏澤市定陶區供電公司，山東 菏澤 274100；4.國網安徽省電力公司宿州市城郊供電公司，安徽 宿州 234000）

10 kV配電網含分支混合線路故障行波定位研究

朱建剛1，劉國棟2，孫桂花3，馬慶玉4

（1.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049；2.國網山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274000；3.國網山東省菏澤市定陶區供電公司，山東 菏澤 274100；4.國網安徽省電力公司宿州市城郊供電公司，安徽 宿州 234000）

考慮配電網實際結構，建立配電網常見的架空線—電纜混合線路模型，設置分支點和分支線路，模擬分界開關和環網柜及其出線情況，提出分支域的概念?；诖颂岢鲆惶坠收隙ㄎ环椒?，首先比較分支域外和域內故障時各分支線路末端與支路分支點初始行波到達時差的不同，以確定故障是否發生于分支線路；其次將實際故障時混合主干線路初始行波到達始末端的時差值與分支點和線纜連接點故障時相比較，并結合分支線路故障判據以確定主干線路的故障區段；最后提出簡單的單雙端行波組合測距方法，確定具體故障位置。PSCAD仿真結果證明，該套定位方法能較為準確地選出故障線段，并確定故障位置。

混合線路；分支域；時差比較；組合測距

0 引言

基于電力電纜的廣泛應用及其在輸配電系統上的性能優勢，架空線與電纜的混合配電線路日益增多，而含分支的混合線路結構無疑為故障定位增大難度，迫切需要加強對含分支混合配電線路故障定位的研究。

目前對混合線路故障定位的研究主要集中于阻抗法和行波法，阻抗法因受故障類型、過渡電阻等影響較大而導致測距精度相對較低，行波法避免了這一缺陷，測距精度明顯提升，但需要考慮混合線路波阻抗不同帶來的波速差異和連接點處行波折反射情況。行業內學者對架空線—電纜混合線路故障定位的研究主要針對長距離的輸電線路，并未充分涉及帶分支的配電混合線路；對含分支的配電線路故障定位研究主要圍繞10 kV配電饋線為純架空線或純電纜線路展開研究，又未考慮母線為架空線和電纜線分段排布的情況。

文獻［1］針對配電網混合多段線路提出基于時間變量的故障搜索算法，故障定位邏輯簡單清晰，但線路結構單一，不含任何分支，與多數實際線路不符。文獻［2］提出適用于輻射狀配電網單雙端行波組合測距法，彌補了單雙端行波測距的缺陷，但增加了設備的投資，且未考慮線路分支點之間的距離。文獻［3］提出基于小波變換的配電網混合線路不受電纜波度影響的測距方法，文獻［4］提出基于故障長度占比的混合線路故障行波定位新方法，文獻［5］利用波頭組合式行波法對配電線路故障測距，但皆不考慮分支線路，線路模型偏于理想化。

本文在考慮配電線路架空線—電纜混合且多含分支的實際結構前提下建立模型，提出利用比較分支域域外和域內故障時各支路末端與分支點初始行波到達時差變化的支路故障判定方法；以主干線路分支點和線纜連接點故障時初始行波到達主干線路始末端的時差作為標準值序列，實際故障時將混合主干線路始末端初始行波到達時間的差值與標準值序列比較，并結合支路故障判據以確定主干線路的故障區段，最后給出每段線路故障的測距方法，確定具體故障位置。

1 配電網混合線路模型分析

10 kV配電網混合線路結構如圖1所示，MT和TN段分別為架空線路和電纜線，線路長度分別為L1和L2，線纜連接點為T，AO、BO是架空線在分支點O引出的兩支路，點P代表電纜線上的環網柜，且供電方式為兩進四出型，兩進線分別是TP和NP，P1、P2、P3和P4為4條出線，分別接到用戶側配變。

當線路某處發生故障時，故障行波沿線路向故障點兩側傳播，在架空線和電纜連接點處發生折反射，折射行波繼續向前傳播；在線路分支處，不僅發生行波的折反射，還會出現行波傳播的分路，分路后的行波作為新的波源繼續沿線路傳播。

圖1 混合線路模型及F3故障時行波傳播

2 配電網混合線路故障定位原理

目前無論是輻射型配網還是環形配網結構，線路均存在支路的故障區段判定問題，分支點處一般安裝開關設備。按線路類型來看，架空線分支處（分支點O）多安裝以柱上斷路器為主的分界開關，電纜分支處（分支點P）配置具備分接線路和出線保護功能的高壓開關柜（環網柜），無論是分界開關還是環網柜均可采集饋線的工況信息和故障信號。同時各分支末端多裝有配電變壓器，亦能設置線路故障信號采集裝置。

考慮實際需要和工程成本，不在架空線和電纜連接點設置信號采集裝置，僅在線路端點和分支點采集故障行波信號，記錄初始行波和第二個行波波頭到達的絕對時刻 tφγ（φ=M，N，A，B，C，D，E，F，O，P；γ=1，2）。將某一分支點及由其引出的所有分支線路定義為分支域，定義分支域1：點O與支路OA、OB；分支域 2：點 P 與支路 PC、PD、PE、PF。

2.1 故障區段的確定

2.1.1 線路分支的故障判定

針對混合線路的任一段（以分支PC說明），當故障發生時，行波的傳播路徑具有以下特點：

對于某一分支域的某一分支線發生故障，故障行波必先從故障點傳至分支點，再按照最短路徑原則傳播到該分支域的其他非故障分支。故障分支末端與分支點采集到的初始行波到達時間之差和故障點的具體位置有關，而非故障分支末端與分支點采集到的初始行波到達時間之差，與故障點位置無關，僅與本段線路長度有關。

對于主干線故障或其他分支域任一支路故障，故障行波必先傳至上一級分支點處，再按最短路徑原則沿主干線傳到目標分支域各分支線路末端。目標分支域的所有分支末端與對應分支點采集到的初始行波到達時間之差，均與故障點在線路中的位置無關，僅與本線路長度有關。

因此，可利用某一分支域的各分支末端與該分支點所采集到的故障初始行波時間之差的不同，來判定故障是否發生在本分支域內。

在域外任一點設置故障，依次通過試驗或仿真測試故障初始行波到達各分支末端與分支點的時間差，取模擬故障點產生的行波傳輸到分支域k的時間差記為ΔTki=Tk1-Ti1。實際故障時，故障初始行波到達各分支末端和分支點的時間差記為Δtki=tk1-ti1（k=O，P；i為支路編號，i=A，B，C，D，E，F）。 構建行波時差參考數組Hk：

HO=［ΔTOA，ΔTOB］；

HP=［ΔTPC，ΔTPD，ΔTPE，ΔTPF］

行波時差測量數組hk：

hO=［ΔtOA，ΔtOB］；

hP=［ΔtPC，ΔtPD，ΔtPE，ΔtPF］

理論上，若分支域k內發生故障時，滿足Δtkj＜ΔTkj，Δtki=ΔTki（i≠j），則故障發生在 k 域內的支路 k j上；若故障未發生在分支域k內，則對于所有支路i均滿足 Δtki=ΔTki。

2.1.2 含分支混合線路故障區段判定

1）以特殊點故障時故障初始行波到達線路兩端的時間差值作為標準值序列：

式中：ΔT1、ΔT2和 ΔT3分別為分支點 O、連接點 T 和分支點P發生故障時，故障初始行波到達線路兩端的時間差值；v1和v2分別為行波在架空線和電纜中的傳播速度。

2）實際故障時測量計算得到行波傳播到混合線路兩端的時間差：Δt=tM1-tN1。按2.1.1所述測量得到行波時差參考數組 HO、HP，行波時差測量數組 hO、hP，比較數組元素。

3）若對于兩數組 HO、hO和 HP、hP，分支域內所有支路 i均滿足 Δtki=ΔTki。 若 Δt＜ΔT1，則故障發生在架空線路 MO 段；若 ΔT1＜Δt＜ΔT2，則故障發生在架空線路 OT段； 若 ΔT2＜Δt＜ΔT3， 則故障發生在電纜線路TP 段；若 Δt＞ΔT3，則故障發生在電纜線路 PN 段；若Δt分別等于 ΔT1、ΔT2和 ΔT3， 則故障分別恰好發生在分支點O、線纜連接點T和分支點P。

4）若對于兩數組 HO、hO，滿足 Δtkα＜ΔTkα，Δtki=ΔTki（i≠α），且 Δt=ΔT1，則故障發生在分支域 O 內的支路Oα；

5）若對于兩數組 HP、hP，滿足 Δtkβ＜ΔTkβ，Δtki=ΔTki（i≠β），且 Δt=ΔT3，則故障發生在分支域 P 內的支路Pβ上；

6）若對于數組HO、hO，當分支域內所有支路i均滿足 Δtki≈ΔTki，且 Δt≈ΔT1，或對于數組 HP、hP，當分支域內所有支路 i均滿足 Δtki≈ΔTki，且 Δt≈ΔT3時，考慮到兩端時鐘同步精度的限制和時差測量的誤差，無法判斷故障發生在主干線或分支線上，一般選擇以分支點O或T為中心，以綜合誤差δ為半徑對相鄰的幾條線路做故障排查。對于架空線，只需排查一個線桿距離的區間，對于電纜線，因故障多發生在電纜接頭，故只需排查相鄰幾個電纜接頭。

2.2 確定故障位置

1）故障發生于主干混合線路，分以下幾段判斷：

架空線MO或OT段。

若OT段故障，又有

電纜PT段或PN段。

若PT段故障，又有

2）故障發生于某分支域內的一支路上，以OB為例，由雙端測距原理得，故障點F到支路末端A的距離為：

對于分支點O收到的第二個故障行波可能來自故障點的反射波或是來自末端B的反射波。

若第二個故障行波是故障點F的反射波，則有單端行波測距原理得

若第二個故障行波是來自末端B的反射波，則有

理論上，無論故障點位置如何應滿足

將 LOF（F）和 LOF（B）分別代入式（11），若代入式 LOF（F）后式（11）更接近成立，則第二個故障行波是來自故障點F的反射波，故障距離按照式（9）計算；若代入LOF（B）后式（11）更接近成立，則第二個故障行波是來自末端B的反射波，故障距離按照式（10）計算；若兩次代入后，式（11）均接近成立，則故障距離按式（9）或（10）計算均可。

3 仿真驗證

3.1 仿真模型參數設置

使用PSCAD搭建圖1所示的仿真電路。線路長度按表1所示設置。

表1 各段線路長度 km

M端系統阻抗Zm=1.05+j0.84 Ω，電源初始角為30°，仿真頻率為 1 MHz。

模型中架空線采用3 Conductor Delta Tower模型，導線選型為JKLYJ－10/240絕緣導線，直流電阻0.032 06 Ω/km。依據依頻特性參數計算得故障行波在架空線中的波速度為2.98×105km/s；電纜線采用三相同軸電纜模型，根據電纜依頻特性參數可求得行波在電纜線路中的傳播速度為1.47×105km/s。

計算得到行波到達時差標準值序列：

模擬得到行波時差參考數組Hk：

3.2 仿真驗證

3.2.1 F1故障

在BO段距離O點1 km處的點F1設置A相接地短路故障，過渡電阻為30 Ω，故障初始角為90°。采集得到分支點O與末端B的故障電壓波形與模極大值分布如圖2、圖3所示。

圖2 故障分支兩端故障電壓

圖3 模極大值分布

各分支末端初始行波到達時間如表2所示。算得行波時差測量數組 hk，單位是 μs。hO=［14，4］；hp=［28，28，35，35］。

計算行波傳播到混合線路兩端的時間差：Δt=tM1-tN1=-35 μs。 因 Δt≈ΔT1，HO、hO明顯滿足 ΔtOB＜ΔTOB，ΔtOA=ΔTOA，故判定故障發生在分支域O內的支路OB上。

表2 F1處A相短路各點行波到達時間 μs

依據式（2）中給出的方法，代入式（8）得：

再由式（9）、式（10）得到不同反射點情況下的單端測距結果：

代入式（11）后，發現 LOF（F1）滿足式（11）接近成立，故說明第二個故障行波來自故障點F1，且距點O有1.043 km，定位誤差為43 m。

3.2.2 F2故障

在OT段距離O點2 km處的點F2設置A相接地短路故障，過渡電阻為20 Ω，故障初始角為90°。采集得到末端M、N的故障電壓波形與模極大值分布如圖4、圖5所示。

圖4 故障相電壓波形

圖5 模極大值分布

各分支末端初始行波到達時間如表3所示。

表3 F2處A相短路各點行波到達時間 μs

得到行波時差測量數組 hk，單位是μs。hO=［14，10］；hp=［28，28，35，35］。

計算行波傳播到混合線路兩端的時間差：Δt=tM1-tN1=-22 μs。 因 ΔT1＜Δt＜ΔT2，且對于兩數組 HO、hO與 HP、hP，分支域內所有支路 i均滿足 Δtki=ΔTki，故判定故障發生在主干架空線路OT上。

代入式（4）得：

LMF=6.804km，LOF=1.804km，定位誤差為-196m。

3.2.3 F3故障

在支路PC距離P點2.5 km處的點F3設置AB相間短路故障，故障初始角為90°。故障電壓波形和模極大值分布處理和F1、F2故障時相似，不再列舉。故障各分支末端初始行波到達時間如表4所示。

表4 F3相間短路各點行波到達時間 μs

得到行波時差測量數組 hk，單位是μs。hO=［13，10］；hP=［-4，27，35，35］。

計算行波傳播到混合線路兩端的時間差：Δt=tM1-tN1=21 μs。Δt≈ΔT3，對于 HP、hP，明顯滿足ΔtPC＜ΔTPC，Δtkβ≈ΔTkβ，（β=D，E，F）故判定故障發生在分支域P內的支路PC上。

依據式（2）中給出的方法，得：

表5 混合線路不同點故障仿真定位結果

再由式（9）、式（10）同理得到不同反射點情況下的單端測距結果：

代入式（11）后，發現 LCF（F3）使式（11）更接近成立，故說明第二個故障行波來自故障點F3，且距點C有1.543 5 km，定位誤差為43.5 m。

表5列舉了該混合線路不同點發生故障時利用此類定位方法得到的定位結果，定位誤差在200 m以內，無論故障發生在配電網混合線路的主干線路或分支，該套定位方法均可將故障位置誤差較小范圍內，具備一定準確性和可靠性。

4 結語

建立了10 kV配電網含分支的線纜混合線路模型，在此基礎上，提出利用比較分支域域外和域內故障時各支路末端與分支點初始行波到達時差變化的支路故障判定方法，并與原有的基于時差判別的線路區段故障判定方法結合使用，以確定故障所在主干區段或支路，最后提出一種單雙端組合行波故障測距方法精確定位了故障點位置。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。

該定位方法依賴于高性能的故障行波采集設備和高精度的時鐘同步裝置，對分支結構更為復雜的混合線路故障選線也具有一定的指導意義。

［1］李配配，黃家棟.配電網混合線路雙端行波故障測距方法的研究［J］.電力科學與工程，2011，27（11）：31-34.

［2］梁睿，孫式想，靳征，等.單雙端行波特征綜合考慮的輻射狀電網組合測距技術［J］.高電壓技術，2014，40（5）：1 461-1 467.

［3］趙軍玉，楊淑英，陸海東，等.不受電纜波速度影響的混合線路故障定位研究［J］.電測與儀表，2013，50（7）：11-15，20.

［4］朱子坤，黃龍，葉睆，等.一種無需參數整定的混合線路故障行波定位方法［J］.電測與儀表，2016，53（19）：108-112.

［5］李雪云，劉青，李麗英.基于單端行波法的配電網混合線路波頭組合式故障測距方法［J］.華北電力大學學報，2014，41（5）：55-61.

［6］王奎鑫，唐毅，陳平，等.基于組合行波原理的高壓架空線—電纜混合線路故障測距方法［J］.電力系統保護與控制，2012，40（10）：90-94.

［7］張健，王奕，曾祥君，等.基于多端行波到達時差的配電網故障選線方法［J］.電力科學與技術學報，2016，31 （4）：51-57.

［8］梁鳳強，陳平，徐林，等.架空線—海底電纜混合線路組合行波測距方法［J］.電力系統及其自動化，2016，38 （2）：76-79.

［9］李配配，范煒龍，黃家棟.配電混合線路雙端行波測距方法的研究［J］.電測與儀表，2011，48 （12）：48-52.

［10］許文杰，蔣道宇，王劍英，等.利用暫態行波的架空線—海底電纜混合線路故障定位方法［J］.山東電力技術，2016，43 （12）：15-19.

Research on Fault Traveling Wave Location of 10 kV Distribution Hybrid Line with Branches

ZHU Jiangang1，LIU Guodong2，SUN Guihua3，MA Qingyu4
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China；2.State Grid Heze Power Supply Company，Heze 274000，China；3.State Grid Dingtao Power Supply Company，Heze 274100，China；4.State Grid Suzhou Power Supply Company，Suzhou 234000，China）

Considering the actual structure of distribution network，the common overhead line-cable hybrid line model of distribution network is established，branch points and branch lines are set，the boundary switches and ring network cabinet and their outlet situation are simulated，and the concept of branch domain is put forward.Based on this，a set of fault location method is proposed.Firstly，compare the difference of travel wave arrival times between the end of the branch line and the branch point while faulting outside and in branch domain to determine whether the fault occurred in the branch line.Secondly，the difference between the initial travel wave at the beginning and end of the trunk line of the actual fault is compared with that of the branch point and the cable connection point，and the branch line fault criterion is combined to determine the fault section of the trunk line.Finally，a simple single and double-ended traveling wave integrated ranging method is proposed to determine the specific fault location.PSCAD simulation results show that the set of positioning method can more accurately select the fault line，and determine the fault location.

hybrid line；branching domain；time difference comparison；combination ranging

TM726

A

1007－9904（2017）10－0006－06

國家電網公司科技項目（52130416000D）

2017-06-09

朱建剛（1991），男，碩士，研究方向為配電網故障檢測與定位；劉國棟（1990），男，碩士，從事電網故障分析與計算工作；孫桂花（1988），女，碩士，從事配電網自動化工作；馬慶玉（1990），男，從事小電流接地系統故障選線工作。