配電網行波測距裝置布點研究

張 璇 ，于 洋，王敬華 ，張新慧，劉國棟

（1.山東理工大學智能電網研究中心，山東 淄博 255049；2.國網山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255032；3.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東 淄博 255049；4.國網山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274000）

配電網行波測距裝置布點研究

張 璇1，于 洋2，王敬華3，張新慧1，劉國棟4

（1.山東理工大學智能電網研究中心，山東 淄博 255049；2.國網山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255032；3.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東 淄博 255049；4.國網山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274000）

配電網行波測距裝置的配置影響著故障測距的準確性和系統的經濟性。現有關于行波測距裝置配置的研究多集中于輸電網，缺少對配電網行波測距裝置配置的研究。分析配電網行波信號的衰減特性，研究分支數量對行波信號傳輸的影響以及分支線對故障定位的影響，提出在配電網架空線上分散安裝行波測距裝置的初步配置方案。該方案減小行波測距裝置檢測信號的衰減，并且克服了配電網分支擴展時僅在變電站配置行波測距裝置會得到偽故障點的缺陷，為配電網行波測距裝置的配置提供了一種新思路。最后，使用ATP進行仿真驗證，結果表明了分析的正確性以及該方案的可行性。

配電網；架空線；行波測距裝置；配置；分支線；分支數量

0 引言

據統計，電力系統90%的故障發生在配電網側［1］。配電線路發生故障，不僅危及電力系統的安全穩定運行，嚴重的還會影響社會生產、生活。準確定位故障位置，可以減輕人工巡線的勞動強度，盡早恢復供電，提高供電可靠性的同時降低經濟損失。綜合比較現有的故障測距方式，行波法不受過渡電阻以及線路結構的影響，測距精度高，被廣泛應用于電力線路故障測距。

行波法最終能否準確測量故障距離、定位故障位置，取決于測距裝置的安裝地點是否合適。行波法最先應用于輸電線路。輸電線路結構較為簡單，分支少，線路長，一般采取變電站內獲取行波信號的方式。目前對于行波測距裝置配置的研究主要集中在輸電網［2-5］。文獻［2］使用模擬退火法優化輸電網中行波測距裝置的配置，文獻［5］提出一種基于拓展雙端測距原理的行波測距裝置最優化配置方法。但所提優化配置針對輸電網，且配置地點均為變電站。與輸電網不同，配電網節點多、波阻抗不連續點多，結構復雜，若依舊采用變電站內獲取信號的方式，行波信號經過波阻抗不連續點發生多次折射后衰減幅度大，難以準確記錄行波信息；此外，即使能夠準確記錄行波信息，但由于分支線路多，僅根據變電站中采集的行波信息會得到多個故障點，無法進行精確故障定位，依然不能減少故障巡線的工作量。

針對配電網的線路結構特點，提出在配電網架空線上安裝行波測距裝置的配置方案。根據行波在分支節點（波阻抗不連續點）處發生衰減的特點，在架空線分支節點處分散配置行波測距裝置，結合多點采集信息，進行精確故障定位。該方案克服了僅在變電站配置行波測距裝置信號不易獲取以及產生偽故障點的缺陷，實現了故障的精確定位。

1 行波的傳輸特性

1.1 配電網線路結構特點

對于研究行波測距技術而言，與輸電網相比，配電網的主要特點為：出線多，且各線路長度較短；線路分支較多，波阻抗不連續點多；農村配電網線路以架空線為主，采用電纜—架空線混合線路。

1.2 行波的折反射

行波信號在經過波阻抗不連續點時會發生折反射［6］，如圖1所示。

圖1 行波的折反射

線路1波阻抗為Z1，線路2波阻抗為Z2，A點為波阻抗不連續點。當入射波沿線路1經A點進入線路2時，波阻抗的變化使得兩段線路的電壓與電流比值不同。前行的入射波被分成兩部分：繼續向前傳輸的折射波和向相反方向傳輸的反射波。這里，將入射波的電壓和電流記為u0和i0，折射波為uT和iT，反射波為uR和iR。則有：

其中：

聯立式（1）和式（2），可得：

1.3 配電網行波信號傳輸的特點

配電網線路長度一般較短，約20 km左右，架空線中的行波的傳輸速度一般為 2.92×105km/s［7］。 相比之下，行波在配電網中傳輸時必然會發生多次折反射，尤其配電網分支線路和節點數較多，折反射更為復雜，其折、反射如圖2所示。

圖2 行波折射波、反射波網格

折射使得行波信號發生衰減，當信號衰減程度過大時，就會影響測距裝置對故障行波信號的采集，導致測距失敗。因此，有必要研究經波阻抗不連續點后信號的衰減情況。

在配電網中，造成行波信號衰減的主要原因是信號在分支點發生折射。分支對于行波信號的折射體現在兩個方面：分支點折射和線路折射。

分支點折射系數：

線路折射系數：

2 分支線對行波傳輸的影響

2.1 分支數量對行波衰減的影響

這里分析分支數量對電壓行波的影響。假設各線路波阻抗相同，即ZL=ZL1=ZL2，故障行波初始電壓為U0。

圖3 帶分支線路

以圖3所示兩分支線路為例，行波信號采集點采集到的電壓為：

按式（6）計算，當分支數量不同時，在信號采集點采集到的電壓行波信號如表1所示。

表1 分支數量對電壓行波的影響

由表1可知，分支數量越多，采集點采集到的行波信號衰減越嚴重，因此在配置行波測距裝置時，要充分考慮分支線的數量。

在分析分支線數量對電流行波的影響時，除了要考慮分支線路中電流分流比例外，其他分析同電壓行波。

2.2 分支線對故障點定位的影響

分支線路多是配電網的重要特點之一。由于靠近用戶側，配電網線路在建設完成后，分支線擴展性較大。基于目前僅在變電站安裝行波測距裝置的測距裝置布置方案，當故障發生在擴展的分支線上時，進行故障測距會產生偽故障點。通過圖4說明分支線擴展對故障點定位的影響。

圖4 帶兩級分支線路

如圖4所示，L1、L2、L3、L4 為初始建設線路，L5、L6為后期實際需要所擴展的新分支線。初始建設時，主干線路兩端A和B安裝了行波測距裝置。擴展分支線路L5、L6后，當距離測距裝置B距離相等的a點或b點發生故障時，現有行波測距裝置的安裝方式只能判斷故障距離，而無法精確判斷故障發生于a點還是b點，增加了巡線工作量。尤其是當分支級數以及分支線數量擴展較多時，偽故障點也會隨之增加，給故障測距造成更大困難。

3 行波測距裝置布點

僅在變電站安裝行波測距裝置，故障點產生的行波信號只能在變電站中獲取。由第2節分析可知，該配置方式在配電網中進行故障測距時存在兩個問題：多分支造成的行波信號過度衰減以及分支線后期擴展導致不能精確定位故障點。

針對這兩個問題，提出在架空線上就地分散安裝行波測距裝置的方法，其安裝原則為：在每一個分支點處安裝行波測距裝置，以便就近獲取行波信號，減少信號衰減；根據線路實際情況，在每一條擴展的重要分支線路末端安裝行波測距裝置，實現精確故障定位。對于對供電可靠性要求較低的分支線路末端可不安裝行波測距裝置，離線測距進行故障定位。安裝如圖5所示。

圖5 架空線行波測距裝置安裝示意

線路未進行后期建設時，在位置1~8安裝行波測距裝置，以滿足線路上任意一點故障能進行雙端測距的需要。當擴展線路4、線路5時，若僅在分支點A左側安裝行波測距裝置，線路4、5上發生故障無法精確定位。若按圖5方式，根據線路擴展情況，在擴展線路末端安裝行波測距裝置，分析8、9或8、10采集到的行波信號即可準確定位故障位置。

4 仿真分析

4.1 行波衰減分析

在ATP中搭建小電流接地系統仿真模型，模型如圖6所示，故障點設為F點，行波測距裝置置于分支線上N點。改變分支線條數，測得其故障點與線路末端N點的電壓行波信號。圖7為當分支線數量不同時，分別在故障點與N點測得的電壓行波。

圖6 簡單配電網仿真模型

圖7 分支數量對于行波信號傳輸的影響

圖7中，綠色線為故障點電壓行波波形，紅色線為N端電壓行波波形。分析圖7可知，隨著分支線增多，行波信號隨之衰減，與第2節的分析相符。

4.2 故障定位對比分析

利用小電流接地系統進行仿真分析。在ATP中搭建四級分支配電網模型，如圖8所示。

圖8 4級分支配電網仿真模型

仿真模型中L5、L6為后期擴展分支線路，其他線路為初期建設線路。各參數如下：電源為三相110 kV交流電，變壓器采用中性點經消弧線圈接地方式， 變比為 110/10.5。 線路參數：R1＝0.17 Ω/km，R0＝0.23 Ω /km，L1=0.38 mH /km，L0＝1.72 mH /km，C1＝3.045 μF /km，C0＝1.884 μF /km，MP=45 km，PF=8 km，FN=15 km。在F點設置t=0.05 s時發生單相接地故障，采樣頻率為1 MHz。

按照第3節的配置方案，在P、N兩點采集電壓行波信號，在M、P點采集作對比分析，將采集到的波形導入MATLAB進行處理，得到其線模分量如圖9所示。

圖9 電壓行波線模分量

圖9中將行波波頭的起始點時刻作為行波到來的時間參數［8］。經分析，故障行波到達P端為50 028點，到達M端為50 154點，到達N端為50 052點。根據線路參數，L1＝0.38 mH/m，C1=3.045 μF/m，可得波速度為2.939 8×105km/s，由此計算測距結果可得：利用M、P兩點進行雙端測距時，可得故障點距離M端45.27km，距離P端8.23km，由于分支線L5、L6上兩個點均滿足該結果，因此不能精確定位故障位置。而利用P、N兩點進行雙端測距時，利用雙端測距原理計算可得，故障點距離N端15.28 km，僅定位一個故障點。

由仿真結果可知，如果僅在M點安裝行波測距裝置，雖然能在誤差準許范圍內確定故障距離，但是會得到多個故障點，無法完成精確故障定位。如果在配電網架空線上分散安裝行波測距裝置，在每條主線路的首端和末端均安裝行波測距裝置，則可以精確定位故障位置。

5 結語

配電網線路結構復雜且分支數量較多，不宜采用輸電網中僅在變電站中配置行波測距裝置的方法。通過分析可知故障點行波信號在經過多個分支點后會衰減，衰減信號將會給檢測和識別帶來困難，且當配電網分支線進行擴展時故障定位不準確。提出架空線上配置行波測距裝置的方案，該方案較好地克服了上述問題，能夠進行精確定位。該配置方案開拓了配電網行波測距裝置配置的新思路，為以后研究適用于配電網的行波測距裝置提供了相應的理論基礎。接下來，將繼續研究適用于配電網架空線的行波測距裝置，嘗試對其配置進行優化，以滿足經濟性的要求。

［1］陳時飛.基于行波的配電網的故障測距技術研究［D］.北京：華北電力大學，2016.

［2］李澤文，姚建剛，曾祥君，等.電網行波故障定位裝置的優化配置［J］.電力系統自動化，2009，33（3）：64-68.

［3］鄧豐，陳楠，曾祥君，等.基于圖論的電網故障行波定位裝置最優配置算法［J］.電力系統自動化，2010，34（11）：87-92.

［4］馬雪，曾祥君，鄧豐.電網故障行波定位裝置優化配置方法［J］.電力科學與工程，2014，30（5）：23-27.

［5］梁睿，徐成，王飛，等.復雜輸電網中基于全網行波信息的測距裝置最優配置［J］.電工技術學報，2016，31（21）：30-38.

［6］葛耀中.新型繼電保護和故障測距的原理與技術［M］.西安：西安交通大學出版社，2007.

［7］薛永端，李樂，俞恩科，等.基于分段補償原理的電纜架空線混合線路雙端行波故障測距算法［J］.電網技術，2016，38（7）：1 953-1 958.

［8］徐偉宗.基于雙端行波原理的輻射狀配電線路故障測距［D］.重慶：重慶大學，2010.

Research on Location of Traveling Wave Distance Measuring Devices in Distribution Network

ZHANG Xuan1，YU Yang2，WANG Jinghua3，ZHANG Xinhui1，LIU Guodong4
（1.Shandong University of Technology，Zibo 255049，China；2.State Grid Zibo Power Supply Company，Zibo 255032，China；3.Shandong Kehui Power Automation Co.，Ltd.，Zibo 255049，China；4.State Grid Heze Power Supply Company，Heze 274000，China）

The reasonable configuration and distribution of the distribution network fault location devices for detecting traveling waves affect the accuracy of fault locating and the cost efficiency of the system.The existing researches of traveling wave device configuration are mostly aiming at the problem of the transmission network while the research on the configuration of traveling wave distance measuring device in distribution network is little.In this paper，the attenuation characteristics of the traveling wave signals in the distribution network are analyzed.The influence to the fault location due to the branch numbers as well as that due to the character of the branch line is studied.A preliminary scheme of distributing the travel wave detecting devices along over-head lines of the distribution network is proposed.The attenuation of detected fault traveling wave signal is reduced.The shortcoming of the incorrect fault point calculation frequently happened in case that the traveling wave ranging device is only installed in the substation when distribution network branch expansion is eliminated.The ATP simulation is used to verify the feasibility of the analysis and the proposed configuration scheme.This research provides a new idea to improve the distribution network fault location based on traveling wave configuration.

distribution network；overhead lines；traveling wave ranging devices；configuration；branch lines；branch quantities

TM744

A

1007－9904（2017）10－0012－05

淄博市校城融合發展計劃項目（2016ZBXC076）

2017-06-12

張 璇（1992），女，碩士研究生，研究方向為配電網自動化；于 洋（1986），男，工程師，研究方向為電力系統及其自動化；王敬華（1972），男，高工，碩士研究生導師，研究方向為配電自動化；張新慧（1971），女，教授，碩士生導師，研究方向為智能配電網保護與控制；劉國棟（1990），男，研究方向為配電網故障分析與計算。