線路結構及參數對阻抗法二次定位結果的分析

吳明偉+詹躍東+肖開偉

摘要：針對線路結構及參數對阻抗法二次故障定位結果產生的影響，并且為了進一步了解各種因素可能導致的定位誤差范圍，本文采用MATLAB分別對相間短路故障定位的線路長度、分支負荷、變電站母線其他線路三個因素，對其逐一進行故障定位有效性和準確性的敏感性分析。最后得出相間短路故障定位的主要因素為分支負荷容量，分支負荷容量越大，故障定位距離的誤差越大。

關鍵詞：相間故障；故障定位算法；線路結構參數；仿真分析

0 引言

配電系統在電力系統中處于系統末端，是電能輸送的最后一個環節，它直接承擔著對用戶的供電。因此配電系統的運行水平直接影響對用戶的供電質量。配電網絡中線路長，分支多，結線錯綜復雜，接地或短路故障頻發，是影響供電可靠性的短板。當配電線路發生短路故障或接地故障后，需要盡快查找并消除故障，恢復送電，以防止發生重大事故。

配電網相間短路故障是lOkV配電線路最常見的故障形式，針對配電網故障定位技術，學術界和工程界開展了大量的研究，提出了眾多理論和方法，但這些方法大都需要大量的投入，定位設備本身也需要大量維護工作，給設備運維的單位和人員帶來沉重負擔。阻抗法具有投資少的優點，目前已經在實際系統中有較多的應用實例，也取得較好的效果，特別是阻抗法二次定位算法，對于結構簡單的配電系統，該方法具有較高的定位準確性?？紤]到此算法受線路結構及參數等因素的影響，本文進一步了解各種因素可能導致的定位誤差范圍，分別針對不同的影響因素，逐一進行其對故障定位有效性和準確性的敏感性分析。

1 阻抗法定位方法基本原理

主抗法阻抗法的故障測距原理是假定線路為均勻線，因此在不同故障類型條件下，根據線路首端測得的電壓電流值計算出的故障回路阻抗或電抗與測量點到故障點的距離成正比，從而通過計算故障時測量點的阻抗或電抗值除以線路的單位阻抗或電抗值得到測量點到故障點的距離。

如圖1所示，線路首端的電壓、電流檢測裝置通過電壓互感器和電流互感器二次側采樣，得到電壓電流數據V和I，并計算回路阻抗Z（Z=V/I）。當短路發生時，由線路首端計算得到的阻抗則只包含短路點以前的線路阻抗Zk。在已知單位長度的阻抗值ZO的條件下，短路時線路阻抗與線路單位長度阻抗的比值即為線路首端到線路短路點的長度LK。

2 阻抗法二次定位算法

阻抗法二次定位算法，是在阻抗法的基礎上，系統實時采集一個周波的電流波形數據，通過FFT計算電流有效值，當電流有效值大于2倍的線路最大負荷電流時，則認為有相間短路故障，從而啟動故障類型判別算法進行一次定位，對比系統一次定位的位置前有分支負荷則二次計算故障的位置并進行偽故障點的排除，最終給出相間故障定位位置。相間短路故障定位方法的實現流程如下圖2所示。

以兩相短路為例，如圖3所示。V_sa、V_sb是系統電源；Z。是系統阻抗；V_sfa、V_sfb是電源出線端的電壓；Z_L1是線路單位阻抗；R_f是故障過渡電阻；Z_load是等效負荷阻抗；I_f是故障電流；m是故障點對總線路長度的百分比。

等效負荷阻抗Z_load可以利用故障前的正序參數進行計算，即：

其中，V_psl、I_psl是故障前電源出線端的正序電壓、正序電流。定義系統發生相間短路故障時，在電源出線端測得的阻抗為：電源的阻抗Z_s為：

其中，△V_sla是A相的疊加正序電壓；△I_sla是A相的疊加正序電流；故障過渡電阻量Rf、故障點對總線路長度的百分比m可用疊加定理，然后通過迭代法和直接計算法求得。

若一次定位結果顯示出故障點前存在分支負荷，則定位結果將會有較大偏差，此時需要二次定位，即根據一次定位出的大致距離并結合配電線路拓撲結構對定位結果進行修正。

算法故障距離的計算結果為：

m= n+a·p

（4）

而實際故障距離為：

m'=n+p

（5）

假設I_sf'=a·I_sf，其中asf'是流入接入負荷的電流。由式（4）和式（5）得：

m'= m+（1-a）p<2m-am'

（6）

m

（7）

在實際運用時，m'可以取最大值和最小值的平均值或者2/（1+a）m，其具體取值可以通過仿真和實驗來驗證。

3 線路結構及參數對定位結果的敏感性分析

考慮到阻抗法二次定位算法受線路結構及參數等因素的影響，為了了解各種因素可能導致的定位誤差范圍，下面分別針對不同的影響因素，逐一進行其對故障定位有效性和準確性的敏感性分析。

3.1 線路長度對故障定位準確性影響

為研究線路長度單一因素對故障定位算法準確度影響，考慮線路為一無分支放射式配電線路，末端帶集中負荷的情況。圖4所示為lOkV配電線路的系統圖。表1為系統參數。

在Simulink軟件中進行仿真分析，故障距離從5～50km變化，過渡電阻設為10Q不變，在A點測量三相電壓電流波形。圖5給出了系統在不同的故障點下得到的兩相和三相短路故障定位誤差曲線。

由圖5的誤差曲線圖可知，不考慮其他影響因素后，故障距離從5～50km變化時，算法最大定位誤差分別為0.5km（兩相短路）、O.lkm（三相短路）。故可以認為在50km范圍內，線路長度變化對故障定位造成的影響并不顯著，即該故障二次定位算法對線路長度的變化是不敏感的。

3.2 線路分布負荷對故障定位準確性影響

為了方便分析算法準確性與負荷容量的關系，使用如圖6所示的簡化線路模型。該線路主干線長度20km。系統和線路各參數見表1。負荷l處接lOOOkVA用戶變壓器，功率因數為0.8。負荷2設置為可變負載，其容量的變化范圍是0至4000kVA，功率因數為0.8。故障點與線路首端距離為lOkm，故障過渡電阻設為10Q。通過改變負荷2的容量來研究分支負荷的大小對算法準確性的影響。

圖7是發生三相短路故障和兩相短路故障時，故障定位算法計算出來的故障距離和故障過渡電阻的誤差隨負荷2容量的變化而變化的曲線圖。

由圖7可知，故障距離定位誤差隨負荷2的容量增大而增加的，且影響較大，最大為2km。分支負荷是影響故障定位的主要因素即算法對線路上的分布負載敏感，定位誤差主要來源于分布在線路上的負載，且負載越大，定位誤差越大。

3.3 變電站其他線路對故障定位準確性影響

配電線路短路故障時，變電站其他回路仍然正常故障，為分析母線上其它回路對算法準確度影響，采用如圖8所示仿真模型。該模型中共有4個回路，所帶的總負荷為負荷l（lOOOkVA）、負荷2（lOOOkVA）、負荷3（2000kVA）、負荷4（1500kVA），其功率因素均為0.8。

在考慮母線其它回路對故障定位算法的影響時，可以將其它回路視作故障點前的接入負荷，只是該接人負荷相對于單回路的接入負荷要大很多，故在這里布置了兩個對系統電壓電流的測量點H和A。如果沒有負荷2、3、4，那么測量點H和A的數據將是一樣。表3 .14和表3.15給出了根據測量點H和A得到的數據來計算的故障距離的定位誤差。

由表2和表3可知，在利用測量點A測得的數據進行故障距離計算可以得到比較準確的值。即在母線有多回路的情況下，電流數據應該取自每一回路的電流互感器。

總結以上影響相間短路定位的線路長度、分支負荷、變電站母線其他線路三個因素，可知相間短路故障定位的主要因素為分支負荷容量，分支負荷容量越大，故障定位距離的誤差越大。

4 結論

配電網相間短路故障是lOkV配電線路中最常見的故障形式，而配電網故障定位是電力系統的關鍵技術，對于相間短路故障，阻抗法二次定位算法具有較高的定位準確性。但由于線路結構和參數可能對其定位結果有所影響，本文對影響相間短路定位的線路長度、分支負荷、變電站母線其他線路三個因素進行了敏感性分析，得出相間短路故障定位的主要因素為分支負荷容量，分支負荷容量越大，故障定位距離的誤差越大。endprint