配網(wǎng)故障定位方法研究

全業(yè)生 ， 徐鐘祝 ， 余 陽 ， 趙海龍

（1.海南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院， 海南 海口 570311；2.海南省電網(wǎng)理化分析重點實驗室， 海南 海口 570311）

引言

我國配網(wǎng)系統(tǒng)中性點大多是非有效接地運行方式，當發(fā)生單相接地故障時，線路并不立即跳閘，而是在故障狀態(tài)下持續(xù)運行1～2 h，這種運行方式使得供電可靠性得到了極大的提高。然而由于故障接地電流很小，引起的相關特征量變化極不明顯，給故障點的檢測與定位帶來很大的困難。

目前國內外對電力系統(tǒng)故障定位研究多集中在110 kV及以上電壓等級高壓輸電線路上，并取得了較多有效可靠的成果與技術，而較少關注配網(wǎng)故障定位領域。由于110 kV及以上電壓等級網(wǎng)絡均采用中性點有效接地運行方式，當故障發(fā)生后，故障點電流很大，容易檢測與識別，使得故障檢測與定位技術效率較高，可靠性也得到了保證。然而配網(wǎng)為中性點非有效接地運行方式，當單相接地故障發(fā)生后，故障特征不明顯，故障信號容易淹沒在其他信號中，目前暫未有很好的解決手段。本文對當前配網(wǎng)幾種定位技術方法進行了分析和總結，主要包括阻抗測距法、基于FTU故障定位法、行波定位法以及“S”注入法等，歸納了各方法的原理，并對比分析了四者的優(yōu)缺點。

1 阻抗測距法

阻抗測距法原理如下：當故障發(fā)生后，提取各支路穩(wěn)態(tài)電壓及穩(wěn)態(tài)電流大小，并結合線路參數(shù)，對監(jiān)測量進行分析與計算，最后得到故障點距離。一種兩端供電系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。圖1中，母線上F點發(fā)生了單相接地故障，故障點與母線距離為L，故障點過渡阻抗為Rf，此時電壓電流關系滿足：

在M點進行測量時，測量阻抗為：

圖1 阻抗法定位原理

阻抗法受電網(wǎng)運行方式、過渡電阻大小、線路參數(shù)的影響，定位結果存在較大的不確定性。此外，我國配網(wǎng)系統(tǒng)基本上都是中性點非有效接地系統(tǒng)，單相接地故障時故障特征不明顯，阻抗測距法基本無法適用。

2 基于FTU的故障定位方法

隨著智能配電系統(tǒng)自動化技術的不斷發(fā)展以及智能配電網(wǎng)新技術的運用，使得配網(wǎng)自動化水平得到了極大的提高與發(fā)展，而饋線終端裝置也逐漸得到了廣泛的應用。利用監(jiān)測到的故障特征量，實現(xiàn)了配網(wǎng)故障精確定位、故障隔離以及非故障線路供電的快速恢復功能。饋線自動化首先通過各FTU測量信息來判斷故障點所需分段區(qū)間，極大地縮短了故障排查范圍，然后再通過人工巡檢找到故障點。FTU區(qū)段定位技術采用的方法主要有零序電流法、相關法、中電阻法、5次諧波法、矩陣法以及人工智能法[1-2]。

1）零序電流法。配網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，故障區(qū)間兩端的零序電流幅值相差較大，利用該特征，零序電流法通過比較相鄰FTU測量的零序電流大小來確定故障位置。該方法缺點是不適合中性點經(jīng)消弧線圈接地的配網(wǎng)系統(tǒng)。

2）相關系數(shù)法。配網(wǎng)單相接地故障后，對于非故障區(qū)段來說，F(xiàn)TU檢測的零序電流變化趨勢相同，波形相關系數(shù)較大，而故障區(qū)段兩側的零序電流差異較大，波形基本無相關性。該方法通過比對各FTU檢測的兩兩波形之間相關系數(shù)來識別故障區(qū)段。

3）中電阻法。配網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，中電阻法通過在中性點位置接入一特定電阻，改變了中性點的運行發(fā)生，產(chǎn)生了一顯著的故障工頻特征電流，此時，故障電流發(fā)生明顯突變并容易被檢測到，從而實現(xiàn)故障點的定位。該方法適用于配網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)網(wǎng)絡，但故障后改變了中性點運行方式，容易增加系統(tǒng)運行隱患，且對人員安全造成較大威脅。

4）5次諧波法。對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，5次諧波法通過判斷相鄰FTU零序電流中5次諧波分量是否超過一定閾值來判斷故障所屬區(qū)段。由于5次諧波較弱，幅值很低，給實際測量帶來較大的困難，因此實際工程應用中限制較多。

5）矩陣法。矩陣法通過配網(wǎng)結構計算出網(wǎng)絡描述矩陣，利用故障時刻FTU上傳的電流信息計算故障信息矩陣，結合網(wǎng)絡描述矩陣及故障信息矩陣計算出故障判斷矩陣，進一步的判斷故障所屬區(qū)段。文獻[3]利用開關裝置以及饋線區(qū)域之間的連接關系，構建了一種網(wǎng)絡描述矩陣模型，根據(jù)矩陣法計算了故障區(qū)間判斷矩陣，實現(xiàn)了故障區(qū)域的快速識別。該方法能夠識別出配網(wǎng)末梢發(fā)生的故障，并且在多故障、多電源存在時的復雜系統(tǒng)里有較好的適用性。然而存在著矩陣容錯性不高，嚴重依賴于FTU上傳信息的完整性與精確性，一旦FTU信息出現(xiàn)畸變或不完整，則無法定位。

6）人工智能法。在處理配網(wǎng)故障定位問題時，人工智能法首先構造出目標函數(shù)，將故障查找轉變?yōu)楹瘮?shù)求解最優(yōu)解過程。目前配網(wǎng)區(qū)段定位智能算法有遺傳算法、粗糙集、蟻群算法等。人工智能法容錯性較高，但無法消除算法收斂于局部最優(yōu)的缺點，并且計算量很大，定位檢測過程耗時較長。有文獻將輻射狀配網(wǎng)劃分為若干區(qū)域，通過改進算法對各獨立區(qū)段分別定位，最后結合全局尋優(yōu)，減少了計算量并提高了求解速度。目前人工智能法存在模型構建困難，效率不高的缺陷，短時難以大范圍應用。

3 行波定位法

根據(jù)行波定位理論實現(xiàn)故障點的精確定位，即為行波定位法。目前配網(wǎng)行波定位法主要有A型、B型、C型三種行波定位方法[4]。

1）A型行波定位方法利用單端設備采集的單個行波，通過單端行波定位技術實現(xiàn)定位，該方法無需對端設備同步采集，單個行波即可實現(xiàn)精確定位。當線路發(fā)生故障時，故障點的波阻抗不連續(xù)特性使得行波經(jīng)過故障點時會產(chǎn)生顯著的折反射效應，根據(jù)行波主波折反射來回時間來確定故障點精確位置。

2）B型行波定位即雙端行波定位，需要故障點兩端同步采集故障行波，通過計算故障行波到達兩端設備時間差來計算故障點位置，該方法利用故障時刻產(chǎn)生的行波脈沖，不受行波折反射影響，定位精度較高。

3）C型行波定位法與A型原理一致，差異在于C型行波定位需要在故障結束后人為向線路注入脈沖信號，然后檢測這一信號在故障線路中的折反射過程，通過單端行波定位實現(xiàn)故障點檢測。

A、B型兩種定位技術均是在線定位技術。A型定位裝置簡單，然而實際故障過程中行波折反射復雜，反射波衰減較大，有時難以識別反射波使得故障定位失效。B型行波定位僅利用故障時刻故障點產(chǎn)生的行波，幅值較大，易于檢測和識別，但故障點兩端均需布置檢測設備，且需要高精度GPS定位系統(tǒng)實現(xiàn)同步采集，投資相對較大。由于故障的隨機性，故障特征量影響因素眾多，當故障形成于電壓峰值附近時，產(chǎn)生的暫態(tài)信號幅值最強，而當故障發(fā)生在電壓過零附近時，故障暫態(tài)信號不明顯，難以檢測，此時A、B型兩種行波技術都難以定位。C型行波是一種離線方式的定位技術，該方法不受故障時信號強弱影響，可進行多次重復的檢測，提高了故障定位可靠性。當檢測中因較大干擾導致檢測失效時，可通過裝置重發(fā)行波信號進行二次檢測，由此提高了抗干擾能力。此外，該方法無需各支路安裝高頻檢測設備，節(jié)約了投資。對于高阻接地故障或閃絡性接地故障時，接地點行波反射特性不明顯甚至無反射發(fā)生，此時需要產(chǎn)生更高電壓的脈沖信號點來擊穿故障點絕緣，并產(chǎn)生顯著的反射脈沖，這對于信號發(fā)生裝置提出了較高的要求。

4 “S”注入法

當配網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生了單相接地故障后，“S注入法”在母線PT上通過信號注入裝置向配網(wǎng)網(wǎng)絡注入一種異頻信號，然后注入信號通過故障點入地，并形成回路，進一步沿線檢測各線路的異頻信號，當異頻信號存在時，認為被檢測支路上存在故障，以此確定故障所屬大致范圍。最后，在被鎖定的區(qū)間內利用手持儀器進一步針對性的檢測，根據(jù)異頻信號的分布確定故障點位置。該方法在實踐工程應用中能起到一定效果，可用于中性點非有效接地系統(tǒng)，對線路上是否安裝有零序電流互感器沒有要求，然而該方法需要配置信號注入設備，且使用效果受PT容量影響，此外，對于弧光接地故障或間歇性故障，該方法難以起到效果[5]。

“S”注入法具有無需新增投入一次設備的優(yōu)點，此外，信號注入設備與配網(wǎng)系統(tǒng)之間通過PT耦合，與配網(wǎng)系統(tǒng)無直接電的連接，無絕緣問題，且不受接地點過渡電阻大小的影響，因此該方法在實際工程中仍有經(jīng)常運用。

5 結語

目前配網(wǎng)各種不同定位方法特點不同，都有自己的優(yōu)點與不足，適用范圍也不同，實際工程中應綜合考慮配網(wǎng)及故障特點然后選擇合適的技術手段。