配網故障精確定位分析研究

黃銳

摘 ?要：隨著供電企業對供電可靠性重視程度的不斷加強，對配電網線路故障的快速定位的需求也在不斷提高。該文在分析了配網的特點及故障特征的基礎上，闡述了適用現場實際的幾種故障區段定位及故障測距技術的原理，對其優缺點進行了說明，總結了現場應用情況。最后，該文展望了配網故障定位技術的發展方向，提出應重視與新興技術的結合、應重視配網本身發展特性的建議。

關鍵詞：配電網 ?故障 ?定位 ?分布式電源

中圖分類號：TM71 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）08（c）-0079-03

Abstract： With the increasing emphasis on power supply reliability by power supply companies， the demand for rapid location of distribution network line faults is also increasing. Based on the analysis of the characteristics of the distribution network and the characteristics of the fault， this paper expounds the principles of several fault section location and fault location technologies， explains their advantages and disadvantages， and summarizes the application on the actual fields. Finally， this paper prospects the development direction of distribution network fault location technology， and puts forward suggestions that should pay attention to the combination with emerging technologies and the development characteristics of the distribution network itself.

Key Words： Distribution network; Fault; Location; Distributed power

配電網是電力系統的終端環節，配電網任一設備的故障均會導致所在線路不可用，直接影響用戶用電的可靠性。因此，在配電網發生故障時準確定位是盡快處理故障、恢復供電的前提條件。其中，配電線路的故障由于距離長、分布廣，故障發生率高，其故障的準確定位尤其值得討論與關注。

1 ?配電線路故障特征

1.1 配電網特點

配電網的主要特點有：（1）設備數量眾多，運行方式多變、網絡拓撲復雜;（2）設備密集度高，信號傳輸距離長，信號采集相對困難，且信號容易畸變;（3）部分配電網服役時間長，遺留許多分支線路的無序接入問題，缺少合理的規劃設計和完整的圖檔材料以供定位分析。因此，配電網自身的特點為故障定位帶來困難。

1.2 配電網故障特征

在我國電力系統中，配電線路一般為中性點不接地系統，即小電流接地系統。在實際運行中，以單相接地故障最為常見，約占故障總數的70%。

中性點不接地系統單相接地故障發生后，系統一般能繼續運行2～3h。從時間上看，可將故障分為暫態過程和穩態過程，其中暫態過程為故障發生時刻開始到暫態信號衰減消失的過程，一般持續數十毫秒。穩態過程則是從暫態過程結束到故障被切除的過程，但某些間歇性故障如間歇性電弧故障可能無穩態過程。故障特征與兩個過程相對應，也可分為暫態特征與穩態特征。

暫態特征的發生是由于配網中大量的感性和容性元件的存在，因此可以使用RLC振蕩與LC串并聯諧振等方法開展分析，取得在暫態過程中的基頻信號、衰減信號多阻尼正弦信號等，供故障及定位分析使用。

穩態特征在金屬性接地時最為明顯，此時故障相電壓降低至零，非故障相電壓升高至線電壓，零序電壓升高為相電壓，故障電流為系統電容電流。當存在故 障電阻時，隨故障電阻增加，零序電壓逐漸減小，故障相電壓逐漸增大，非故障的兩相相電壓一相先增大再減小，另一相先減小再增大。

由于單相接地故障故障電流太小、不滿足短路計算的條件，無法使用短路計算法或暫降匹配法開展故障定位，對一些依靠故障電流的方法（如故障指示器法和配網自動化定位法）準確性有所影響。對于相間短路等故障，由于有較明顯的短路電流，相對較容易檢測。

2 ?傳統配網線路故障定位技術簡述

實現線路故障的精確定位主要在區段定位及故障測距兩個方面開展研究，下文展開說明。

2.1 區段定位

區段定位的作用是在支路眾多、結構復雜的配電網中及時準確找到故障區段，以便快速對故障進行隔離并進行處理，保障用戶可靠用電。應用于區段定位的算法主要有S注入法、暫態電流方向法等。

2.1.1 S注入法

S注入法的原理是：當接地故障存在時，接地相CT的副邊被短路，此時若在對應相的原邊注入信號，則感應出來的電流只會沿著故障線路流動且進入接地點。若注入的信號特征明顯，則可探測該信號找到故障段。由此可見，S注入法的優點在于與故障電流大小無關，不受系統運行情況影響、同時不影響系統運行。其缺點主要在于高阻接地時，線路電容對信號分流較大，對尋跡有所干擾;另外，接地點可能存在間歇性電弧，導致信號不連續，對檢測也有一定影響。

2.1.2 暫態電流方向法

暫態電流方向法是根據故障暫態電流分布規律而提出的方法。如圖1所示，當線路上有故障時，故障點產生的暫態電流在前后兩個檢測點的方向不一致，在暫態電流相似度上也有區別。

檢測點上安裝的STU（配網智能終端）將對暫態電流進行檢測并上送計算，根據計算結果可定位故障區段在哪個檢測點之間。具體過程如下。

（1）依次計算相鄰兩個STU的暫態電流相似度。若結果小于定值，則故障區段在這兩個STU之間。

（2）若結果大于定值，校驗這兩個STU暫態、工頻電流的極性是否一致。若極性不一致，則該區段為故障段，否則，繼續下一區段的兩個STU的計算。

（3）全部STU均計算完畢，則最末STU的終端為故障段。

根據現場應用情況，該算法區段定位準確率達80%左右，滿足現場需求。

2.2 故障測距

測距技術的發展是提高故障定位精確度的有力支撐，由于配網網絡的復雜性，在配網實施故障測距較結構清晰的主網要相對更困難。下文介紹S注入法與行波測距法兩種故障測距方法。

2.2.1 S注入法

如前文所述，S注入法在故障區段的定位上已有應用，對該方法加以改造，即可實現測距功能。具體而言，即是在上述尋跡的基礎上通過對注入的電壓、電流的檢測，通過簡單的計算即可得出故障點至參考點的阻抗，通過換算即可得知故障點的距離。這種阻抗法原理簡單，但始終受故障接地電阻的影響，因而精度有限。

目前現場已有基于S注入法的測距裝置應用，在結構簡單、線路參數詳實的網架可考慮配置。

2.2.2 行波測距法

行波測距的特點是定位精度高，不受系統運行方式、故障過渡電阻等因素制約，只需采集故障產生的暫態行波信號及行波到達故障線路兩端的精確時間，即可測算距離。在原理上，可分為單端測距、雙端測距、多端測距，在分支較多的配網一般應用多端測距。其實現方法具體如下。

（1）將配網的主干線路進行區段分解，分解后的主干線路等同于雙端測距中的母線，分支線路等同于雙端測距中的主干線路。

（2）按第一點的原則對層級較多的線路按逐級替代的原則將線路分解。

（3）逐級應用雙端測距法定位故障點位置。

3 ?考慮分布式電源的故障定位方法

傳統的輻射型單電源配電網絡的特征是電源與負荷的明顯分離，但隨著分布式電源的接入，這個格局被打破，配網成為一個用戶和電源互聯的多電源復雜網絡。網絡的變化帶來了電網潮流的改變，因此，基于電氣量特征的傳統故障定位方法也受到一定的影響。在考慮分布式電源接入的配網故障定位分析時，需要采用各類基于人工智能的方法，在采集到饋線與變電站的開關狀態和各類故障檢測設備所提供的信息后，通過算法分析得出故障定位結果。常見的方法包括人工神經網絡、支持向量機、遺傳算法等。其中，人工神經網絡的方法的優點是只需檢測各變量的非線性關系，實現手段簡單，但訓練數據的質量對結果精度的影響較大，且模型訓練過程收斂較慢。支持向量機的方法的優點在于計算速度快，在大型配電網故障定位時有效率上的優勢。缺點是：模型參數選擇對模型性能有極大影響; 基于遺傳算法的故障定位方法檢測速度快，縮減計算規模，但在隨著分布式電源投切的不同情況，需要更改適應度函數與開關函數，從而降低了算法的穩定性及精度。

4 ?配網故障精確定位研究展望

配網故障精確定位首先應根據每個網架的實際情況因地制宜，選擇合適的策略、合適的產品，積極推廣試用有潛力的技術。同時，應建立故障管理分析系統，以便在使用中總結經驗，對比分析各種定位方法、應用產品的準確率，進一步提高定位準確性。

配網故障定位技術應適應配網本身的發展。分布式電源將是配網發展的一個大方向，在系統中接入的分布式電源占比達到一定規模時，對各類算法的定位判據會有一定程度的影響，因此，定位策略的改善也勢在必行，各類智能算法需要結合現場實際進行進一步優化。

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