基于雙端行波測(cè)距的配網(wǎng)線路故障多重定位方法

李 娟，李 睿，2，王 亮，2

（1.國(guó)網(wǎng)銅川供電公司，陜西銅川 727031；2.河北華萬(wàn)電子科技有限公司，河北保定 071051）

配網(wǎng)線路長(zhǎng)期帶電故障運(yùn)行時(shí)，易發(fā)生多個(gè)節(jié)點(diǎn)直接接地短路故障現(xiàn)象，同時(shí)電弧接地也會(huì)導(dǎo)致配網(wǎng)線路出現(xiàn)過電壓?jiǎn)栴}，破壞設(shè)備、損害系統(tǒng)安全運(yùn)行。因此，快速選擇故障線是定位過程的關(guān)鍵步驟之一。傳統(tǒng)的基于微型PMU 的故障定位方法利用故障后線路各端電壓電流的同步測(cè)量值及線路長(zhǎng)度，利用等電壓法原理推算相鄰結(jié)點(diǎn)電量，建立了測(cè)距方程組，結(jié)合信賴域算法解決各組方程失效距離及故障判別[1]；基于多區(qū)域相位突變量信息的故障定位方法根據(jù)線路突變信息確定故障饋線，根據(jù)電流突變量在兩端的信息判斷出線路故障區(qū)域位置[2]。然而上述傳統(tǒng)方法未有效整理和分析故障信息，造成定位誤差較大的問題。針對(duì)這一問題，提出了基于雙端行波測(cè)距的配網(wǎng)線路故障多重定位方法。

1 雙端行波測(cè)距的故障信息分析

雙端行波測(cè)距原理是利用配網(wǎng)線路故障產(chǎn)生的初始行波到達(dá)線路兩端的絕對(duì)時(shí)間差，根據(jù)這一時(shí)差計(jì)算故障點(diǎn)至兩端測(cè)量點(diǎn)的距離[3]。由于根據(jù)行波理論，線路末端不能檢測(cè)到電流行波信號(hào)。因此，為準(zhǔn)確確定初始行波到達(dá)兩端的時(shí)間，該研究在線路首端采用電流傳感器采集線路信息，在線路末端采用電壓傳感器采集線路信息，且線路兩端安裝的采集裝置要具有高精度、高穩(wěn)定性的時(shí)鐘同步裝置，保證行波信號(hào)采集裝置采集到的時(shí)鐘誤差不超過1 μs[4]。

在配網(wǎng)饋線的情況下，饋線的行波速度不變。在饋線的某個(gè)地方出故障時(shí)，失效點(diǎn)產(chǎn)生的行波傳播到線路兩端[5-7]。在此基礎(chǔ)上，分析的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖1 中發(fā)配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所示，終端節(jié)點(diǎn)1 是一個(gè)出線開關(guān)，線路2、3、4、6 作為線路FTU,5、7 作為線路的末端，每個(gè)結(jié)點(diǎn)分為5 段[8-10]。每個(gè)線路的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，每條線路的區(qū)間號(hào)都有編號(hào)。假定配網(wǎng)線路的某一時(shí)段發(fā)生短路故障，需要在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的智能遠(yuǎn)程終端進(jìn)行故障檢測(cè)[11]。當(dāng)采集到的故障行波信號(hào)通過行波信號(hào)采集裝置傳送到主站時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)上未檢測(cè)到的故障信號(hào)可以表示為：

根據(jù)式（1）得到區(qū)間故障信息向量，則線路2 為故障區(qū)間。在各線路區(qū)間發(fā)生短路故障時(shí)，可得到區(qū)間故障信息的矢量。

2 配網(wǎng)線路故障多重定位

上述過程結(jié)合配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定區(qū)間故障信息向量，基于此，在雙端行波測(cè)距原理和北斗導(dǎo)航技術(shù)的支持下，求出故障行波到達(dá)線路兩端的時(shí)間，從而計(jì)算故障到端點(diǎn)距離。然后分析時(shí)差和總時(shí)間的比值，從而確定故障點(diǎn)位置。具體的配網(wǎng)線路故障多重定位步驟如下：

步驟一：確認(rèn)線路結(jié)構(gòu)，對(duì)配網(wǎng)故障區(qū)間進(jìn)行分析[12]。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，短路故障點(diǎn)屬于由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃嚩x的線路段，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃嚨亩x，每一段線路都是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃噥矶x的。

線路短路故障配網(wǎng)潮流方向：每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上游有一個(gè)短路電流通過，而下游各節(jié)點(diǎn)則無短路電流通過。從這種短路故障的特征可以得出以下結(jié)論：若線路區(qū)間發(fā)生故障，則在線路區(qū)間的相關(guān)節(jié)點(diǎn)中存在并且只有一個(gè)上游節(jié)點(diǎn)有過流信號(hào)，而下游節(jié)點(diǎn)沒有過流信號(hào)[13]；當(dāng)某一區(qū)間無故障點(diǎn)時(shí)，線路區(qū)間關(guān)聯(lián)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都有過流信號(hào)，且無過流信號(hào)或潮流順故障點(diǎn)方向的線路區(qū)間關(guān)聯(lián)；線路區(qū)間關(guān)聯(lián)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的元素符號(hào)之間存在差異，即故障電流在一個(gè)節(jié)點(diǎn)流入故障電流而另一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入故障電流[14]。通過下面的矩陣運(yùn)算就可以得到區(qū)間故障信息量如下：

式（2）中，G表示節(jié)點(diǎn)故障信息向量，Am×n表示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃嚒的任意元素定義為Di=1，表示線路區(qū)間i即為故障區(qū)間；Di=0，表示線路區(qū)間i即為非故障區(qū)間。

步驟二：該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在線路兩端分別記錄了故障行波首次到達(dá)線路兩端的那一刻，并計(jì)算了走行波在各線傳播所需的時(shí)間[15]。行波到達(dá)兩端的絕對(duì)時(shí)間分別為t1和t2，二者滿足如下關(guān)系：

式（3）中，L是線路MN的長(zhǎng)度；Δt是故障行波到達(dá)M端和N端的時(shí)差。故障距離如下：

式（4）中，LMF是故障點(diǎn)到M端的距離；是故障點(diǎn)到N端的距離[16]。

由于線路是混合線，行波在線路上的傳播速度是不穩(wěn)定的，因此，需設(shè)置如下條件：

式（5）中，Δt是故障行波到達(dá)M端和N端的時(shí)差；t是行波從M端傳到N端所需要的時(shí)間。因此，故障時(shí)間可表示為：

式（6）中，t1是故障行波傳到M端所需要的時(shí)間；t2是故障行波傳到N端所需要的時(shí)間。

步驟三：標(biāo)記故障行波信號(hào)達(dá)到配網(wǎng)線路兩端的時(shí)間為Δtf，從M端開始搜索故障信號(hào)，如果Δtf＞Δt1，則說明故障點(diǎn)在MA區(qū)段內(nèi)；如果Δtf＜Δt1+Δt2，則說明故障點(diǎn)在AB區(qū)段內(nèi)。

步驟四：結(jié)合北斗導(dǎo)航技術(shù)完成線路故障定位。配網(wǎng)線路中M、N兩點(diǎn)配置行波測(cè)量裝置，在其中一條線路上，設(shè)每段中間節(jié)點(diǎn)為O1,O2,O3,…,ON-1,ON，末端節(jié)點(diǎn)為B1,B2,B3,…,BN-2,BN-1，將這條線路拆分為2N個(gè)區(qū)間。當(dāng)O1,B1,O2,…,ON-1,BN-1,ON這段間隔失效時(shí)，需要記錄初始行波到達(dá)兩端的時(shí)間間隔。在配網(wǎng)線路的末端節(jié)點(diǎn)失靈時(shí)，在實(shí)際工程中，需要計(jì)算出到達(dá)配網(wǎng)線路兩端的故障波頭的時(shí)差：

配網(wǎng)線路中間節(jié)點(diǎn)失靈時(shí)，在實(shí)際工程中，需要計(jì)算出到達(dá)配網(wǎng)線路兩端的故障波頭的時(shí)差：

信息基準(zhǔn)矩陣由綜合式（7）和（8）組成，當(dāng)故障部位不同時(shí)，結(jié)合雙端行波測(cè)距方法，可以通過計(jì)算時(shí)差來確定故障位置。當(dāng)時(shí)間差與總時(shí)間的比值大于1 時(shí)，故障發(fā)生在L1區(qū)段內(nèi)；當(dāng)時(shí)間差與總時(shí)間的比值小于1 時(shí)，故障發(fā)生在L2N區(qū)段內(nèi)；當(dāng)時(shí)間差與總時(shí)間的比值等于1 時(shí)，故障可能發(fā)生在O、B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型構(gòu)建

設(shè)計(jì)如下仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基于雙端行波測(cè)距的配網(wǎng)線路故障多重定位方法的應(yīng)用性能。仿真模型結(jié)構(gòu)如圖2 所示。由圖2 可知，該模型是一個(gè)110/10 kV變電站，配有電纜和架空線路的混合線，通過多個(gè)開關(guān)構(gòu)成中性不接地系統(tǒng)。

圖2 仿真模型結(jié)構(gòu)

3.2 故障數(shù)據(jù)分析

仿真模型下測(cè)得的始端和末端故障波形如圖3所示。

圖3 始端和末端故障波形

圖3 中，正負(fù)值表示電流/電壓流動(dòng)方向。由（a）可知，在0.0～0.3 ms 時(shí)間范圍內(nèi)，電流存在最大值為440 A；在0.3～0.5 ms 時(shí)間范圍內(nèi)，電壓存在最小值為55 A。由（b）可知，在0.0～0.2 ms 時(shí)間范圍內(nèi)，電壓存在最大值為2 300 V；在0.2～0.35 ms 時(shí)間范圍內(nèi)，電壓存在最小值為300 V；在0.35～0.5 ms 時(shí)間范圍內(nèi)，電壓穩(wěn)定在-500～500 V 左右。

結(jié)合始末兩端行波波形，確定線路各區(qū)段故障定位結(jié)果，如表1 所示。

表1 線路各區(qū)段故障定位結(jié)果

3.3 仿真結(jié)果與分析

以上述仿真下的實(shí)際數(shù)據(jù)為依據(jù)，分別使用傳統(tǒng)的多區(qū)域相位突變量信息和基于雙端行波測(cè)距的故障定位算法對(duì)比分析始端和末端故障波形，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同方法故障波形對(duì)比分析

通過分析圖4 所示結(jié)果可知，只有該文設(shè)計(jì)的基于雙端行波測(cè)距的故障定位方法得到的故障波形與仿真模擬數(shù)據(jù)一致，說明使用該方法在線路始、末兩端能夠精準(zhǔn)獲取故障數(shù)據(jù)。

為了進(jìn)一步說明該方法具有精準(zhǔn)定位效果，將不同方法的線路各區(qū)段故障定位結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表2 所示。

由表2 可知，使用多區(qū)域相位突變量信息的故障定位方法不僅區(qū)段定位不精準(zhǔn)，且位置測(cè)量結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)不一致，而基于雙端行波測(cè)距的故障定位方法具有更精準(zhǔn)的定位結(jié)果，且位置測(cè)量結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)一致。

表2 不同方法定位結(jié)果對(duì)比分析

4 結(jié)束語(yǔ)

該研究采用雙端行波測(cè)距法來解決傳統(tǒng)配網(wǎng)方法中故障定位精度不高的問題。但在實(shí)踐中，該方法還面臨一些問題有待解決，如多個(gè)分支受到電路電阻的影響，不能精確定位故障區(qū)段，因此在后續(xù)的研究過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這方面的研究。