不受波速影響的配電網(wǎng)行波故障定位方法研究

劉柏罕， 吳唯滔

（1.懷化學(xué)院，湖南 懷化 418008；2.武陵山片區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)智能控制技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 懷化 418000；3.上海理工大學(xué)，上海 200093）

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)中鏈接用戶最緊密的電網(wǎng)，其安全性和可靠性直接影響終端用戶對(duì)電網(wǎng)的印象。而目前對(duì)配電網(wǎng)的故障定位精度仍停留在30 m 左右，且當(dāng)線路為混合線路時(shí)，該精度將進(jìn)一步下降。故需要一種行波定位法，消除波速對(duì)故障定位的影響。

為此，本文在原有方法的基礎(chǔ)上創(chuàng)新，提出一種不受影響的行波定位法，同時(shí)在ATP-EMTP 仿真軟件中構(gòu)建復(fù)雜配電網(wǎng)模型，模擬配電網(wǎng)在不同故障點(diǎn)和不同波速下的故障定位，以驗(yàn)證上述方法在配電網(wǎng)故障定位中的精確性。

1 不受波速影響的行波定位法

基于目前配電網(wǎng)存在架空線路與電纜線路混合，由于行波在兩種線路中存在波速不一致的情況，所以本文引入一種不受波速影響的行波定位方法來(lái)消除波速不一致而導(dǎo)致的誤差。

圖1 為簡(jiǎn)單的型線路圖，XO、WO、YO為該T型線路的3 條分支，在X、Y、W3 個(gè)端口分別安裝1個(gè)行波信號(hào)檢測(cè)器。其中f點(diǎn)為假設(shè)的故障發(fā)生點(diǎn)，在假設(shè)故障發(fā)生時(shí)到達(dá)3 個(gè)端點(diǎn)的時(shí)間為tx、tw、ty。則可得該方法的計(jì)算公式為：

圖1 T 型電路示意圖

其中，LXo、LYO、LWo為各段線路的長(zhǎng)度，LXf為檢測(cè)點(diǎn)X到故障f之間的距離，LOf為節(jié)點(diǎn)O到故障點(diǎn)f的距離，v為行波在線路中的傳播速度。

利用式（1）中4 個(gè)式子進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算可得到：

同理可得：

以及：

如上式，3 個(gè)端點(diǎn)測(cè)距可消除波速，只需要得到故障行波到達(dá)3 個(gè)檢測(cè)設(shè)備的時(shí)間，即可消除波速對(duì)結(jié)果的影響，可以獲取較高的精度[1]。

但是該方法只能測(cè)出距故障點(diǎn)比較近的檢測(cè)點(diǎn)之間的距離，即如上圖的LXf，若故障點(diǎn)位于Y點(diǎn)一側(cè)，則只能測(cè)出LYf。為解決該問(wèn)題，引入標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間T做比較，以確定大致范圍。其中T等于O點(diǎn)故障時(shí)到達(dá)X點(diǎn)與Y點(diǎn)的時(shí)間之差。則：

時(shí)間差小于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間T時(shí)則說(shuō)明故障點(diǎn)位于Y側(cè)；等于T則說(shuō)明故障點(diǎn)位于W側(cè)；大于T則說(shuō)明故障點(diǎn)位于X側(cè)。且由于測(cè)出的時(shí)間受選取的主干線波速的影響，故在選取配電網(wǎng)主干線時(shí)必須選取出均一的T型結(jié)構(gòu)，即需要行波在主干線中的傳播速度一致。由于支路線一般較短，可認(rèn)為是均一線，即純架空線或純電纜線。基于本文算法的特性，當(dāng)故障發(fā)生在支線上時(shí)，只定位至故障發(fā)生支線在主干線上的節(jié)點(diǎn)處，故可在線路架設(shè)之初測(cè)定1 個(gè)該節(jié)點(diǎn)至各檢測(cè)器的時(shí)間，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，只需按照運(yùn)算規(guī)則與實(shí)際時(shí)間做差，再乘上線路波速即可快速檢測(cè)故障發(fā)生點(diǎn)。同時(shí)基于該特點(diǎn)，即可處理當(dāng)線路為混合線路時(shí)行波測(cè)距困難的問(wèn)題。

2 基于ATP 的復(fù)雜配電網(wǎng)定位模型及其仿真實(shí)驗(yàn)

圖2 為實(shí)驗(yàn)所用的復(fù)雜配電網(wǎng)行波故障定位模型，線路采用ATP 軟件中的三相電路模型，架空線也為其自帶模型，每條線路由多個(gè)線路段組成，通過(guò)設(shè)置定時(shí)開(kāi)關(guān)的閉合來(lái)控制線路通入行波信號(hào)達(dá)到實(shí)際線路發(fā)生故障時(shí)的情景。其中黑色粗線部分為主干線路，細(xì)線部分為對(duì)地電容。主干線最左側(cè)為A檢測(cè)點(diǎn)，最右側(cè)為G檢測(cè)點(diǎn)，最上側(cè)為C檢測(cè)點(diǎn)，故障點(diǎn)設(shè)為f點(diǎn)。考慮到實(shí)際情況和精確度的考慮，本文采取0.1 μs的步長(zhǎng)，即0.1 μs取一個(gè)采樣點(diǎn)。其中系統(tǒng)的總仿真時(shí)長(zhǎng)為1ms。波信號(hào)接入系統(tǒng)的時(shí)間為仿真的100 μs處，斷開(kāi)的時(shí)間為仿真的300 μs處。

表1 主干線線路長(zhǎng)度 單位：km

圖2 復(fù)雜配電網(wǎng)仿真模型

本文假定的用于做對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間T等于O點(diǎn)故障時(shí)到達(dá)點(diǎn)X與Y點(diǎn)的時(shí)間之差。其中T=33.84 μs。根據(jù)上述理論，只需用到達(dá)A、G的時(shí)差的絕對(duì)值與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間T比較即可大致分析出在哪段主干線發(fā)生故障，用以排除不正確的計(jì)算結(jié)果。

2.1 故障點(diǎn)不同的定位

以下實(shí)驗(yàn)分別從不同位置發(fā)生故障時(shí)的情況出發(fā)，在選取的3 段主線以及主線上的分支線上分別人工添加故障信號(hào)，模擬該點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)的情況。其中實(shí)驗(yàn)1 為模擬OC段故障時(shí)的情況；實(shí)驗(yàn)2 為OA段故障時(shí)的情況；實(shí)驗(yàn)3 為OG段故障時(shí)的情況；實(shí)驗(yàn)4為OG段支路發(fā)生故障時(shí)的情況。實(shí)驗(yàn)1、2、3 應(yīng)用上述介紹的不受波速影響的行波定位法。實(shí)驗(yàn)4 主要應(yīng)用不受波速影響的行波定位法確定支路在主線上的節(jié)點(diǎn)位置，再采取波速乘上時(shí)間來(lái)確定故障點(diǎn)的具體位置。

2.1.1 主干線故障點(diǎn)定位

如圖3 所示，本實(shí)驗(yàn)將故障點(diǎn)設(shè)在距離C檢測(cè)端4.5 km 處，行波信號(hào)產(chǎn)生器延遲100 μs。可得如下數(shù)據(jù)，同時(shí)代入公式計(jì)算可得計(jì)算距離，又由于|TA-TG|=33.84 μs=T，即可大致判斷為OC段故障。

圖3 C 側(cè)故障定位模型

由圖4 可以看出，行波信號(hào)首先到達(dá)C側(cè)，此后分別到達(dá)A側(cè)與G側(cè)，符合理論預(yù)測(cè)。則由上述計(jì)算公式分別代入3 段線路長(zhǎng)度和到達(dá)A、C、G3 側(cè)的時(shí)間即可求得故障測(cè)距數(shù)值。由表2 中數(shù)據(jù)可得：

表2 C 側(cè)故障測(cè)量數(shù)據(jù)及其計(jì)算數(shù)據(jù)

圖4 C 側(cè)故障定位整體波形局部放大圖

則LCf=4.499 km。該計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況。

2.1.2 支路故障點(diǎn)定位

如圖5 所示，本實(shí)驗(yàn)將故障點(diǎn)設(shè)在距離G檢測(cè)端14.8 km 的支路，且距支路在主干線的節(jié)點(diǎn)5 km 處，設(shè)置單相接地故障時(shí)刻為100 μs。可得如下數(shù)據(jù)，同時(shí)代入式（1）計(jì)算可得計(jì)算距離，又由于|TA-TG|=0＜T，故可大致判斷為OG段故障。同時(shí)本實(shí)驗(yàn)采取支路波速為2.9×105km/s，不同于主干線19 6232.340 km/s。圖6 為G 側(cè)支路故障定位整體波形局部放大圖，所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表3 所示。

表3 G 側(cè)支路故障測(cè)量數(shù)據(jù)及其計(jì)算數(shù)據(jù)

表4 波速不同時(shí)所得原始數(shù)據(jù)及其分析

圖5 G 側(cè)支路故障定位模型

圖6 G 側(cè)支路故障定位整體波形局部放大圖

如圖7 所示，當(dāng)故障支路在選定的主干線上的節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)其到達(dá)A 點(diǎn)的時(shí)間=151.5 μs，到達(dá)G 點(diǎn)的時(shí)間=150.1 μs，到達(dá)C 點(diǎn)的時(shí)間=168.4 μs。且TA=168.7 μs＞=151.5 μs（該支路在節(jié)點(diǎn)處發(fā)生故障時(shí)的時(shí)間），則可知該故障發(fā)生在支路上。則根據(jù)波速、時(shí)間與距離的關(guān)系，可用節(jié)點(diǎn)處發(fā)生故障的時(shí)間做差來(lái)求出故障距離。即：

圖7 G 側(cè)支路主干線節(jié)點(diǎn)故障定位局部放大圖

圖8 波速不同時(shí)故障定位仿真模型

則LGf=19.78 km。且其在主干線上的定位誤差為8 m，在支路定位的誤差為12 m。在實(shí)驗(yàn)誤差的允許范圍內(nèi)，能有較好的定位精度。

2.2 波速不同的定位

經(jīng)上述理論分析，只要選取的主干線路為均一線路，即為同一種線路時(shí)，既可消除波速對(duì)行波定位精度的影響。以下表格4 中波速均為選取的主干線路的行波波速。本實(shí)驗(yàn)采取改變主干線路行波傳播速度的方式來(lái)模擬不同線路時(shí)的情況。經(jīng)查，架空線路行波傳輸速度接近光速，約2.9×108m/s。電纜線路行波傳輸速度約為光速的一半，為驗(yàn)證論文方法，可設(shè)置電纜線路行波波速為1.5×108m/s。同時(shí)本文考慮到外部環(huán)境對(duì)行波速度的影響，設(shè)置了1 組波速稍加變化的實(shí)驗(yàn)，且可達(dá)到減少實(shí)驗(yàn)偶然性的目的。本實(shí)驗(yàn)故障點(diǎn)設(shè)置同實(shí)驗(yàn)3，即距G端14.8 km 處的節(jié)點(diǎn)1 處，且|TA-TG|=0＜T可判斷故障點(diǎn)位于OG段。

由圖9 可以看出，行波信號(hào)首先到達(dá)A側(cè)和G側(cè)，此后到達(dá)C側(cè)，符合理論預(yù)測(cè)。則由上述計(jì)算公式分別計(jì)算3 段線路長(zhǎng)度和到達(dá)A、C、G3 側(cè)的時(shí)間即可求得故障測(cè)距數(shù)值（計(jì)算方法同上，只需匹配計(jì)算公式即可），LGf=14.797 km。該計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況。

圖9 波速2.9×108 m/s 時(shí)波形局部放大圖

由圖10 可以看出，行波信號(hào)首先到達(dá)A側(cè)和G側(cè)，此后到達(dá)C側(cè)，但相較于波速2.9×108m/s 的情況下，首先到達(dá)檢測(cè)器的時(shí)間有所延后，符合理論預(yù)測(cè)。則由上述計(jì)算公式分別帶入3 段線路長(zhǎng)度和到達(dá)A、C、G3 側(cè)的時(shí)間即可求得故障測(cè)距數(shù)值（計(jì)算方法同上，只需匹配計(jì)算公式即可），則LGf=14.797 km。該計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況。

圖10 波速2.7×108 m/s 時(shí)波形局部放大圖

由圖11 可以看出，行波信號(hào)首先到達(dá)A側(cè)和G側(cè)，此后到達(dá)C側(cè)，但相較于波速2.9×108m/s 的情況下，首先到達(dá)檢測(cè)器的時(shí)間有所延后，符合理論預(yù)測(cè)。則由上述計(jì)算公式分別帶入3 段線路長(zhǎng)度和到達(dá)A、C、G3 側(cè)的時(shí)間即可求得故障測(cè)距數(shù)值（計(jì)算方法同上，只需匹配計(jì)算公式即可），

圖11 波速1.5×108 m/s 時(shí)波形局部放大圖

則LGf=14.805 km。該計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況。

由上列波形圖可知，當(dāng)波速不同時(shí)，只會(huì)影響到達(dá)各檢測(cè)器的時(shí)間，而到檢測(cè)器之間的時(shí)差不會(huì)改變，因而根據(jù)上述理論，計(jì)算故障距離并不會(huì)改變，所以可知該方法可消除波速對(duì)行波故障的影響。

10 kV 配電線路饋線分支點(diǎn)較多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且由于各地線路情況不同，往往導(dǎo)致各地線路波速有所差異，本文著手無(wú)需波速的雙端定位法，并以主干線兩端和較多負(fù)荷的分支線的末端作為多端定位的檢測(cè)點(diǎn)，提出了基于D型行波定位和無(wú)需波速的多端定位法，能較好的解決波速對(duì)定位精度的影響。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析可知，本文所用方法無(wú)論是不同故障點(diǎn)還是不同波速下，都能較為精準(zhǔn)地測(cè)量故障點(diǎn)，且相較于其他依靠波速的定位方法，本文所用方法消除了波速對(duì)定位精度的影響，具有更好的適配性。且本文利用3 個(gè)端點(diǎn)定位能消除支線波速對(duì)主干線故障定位的影響，巧妙地避開(kāi)了不同于主干線路波速的線路，且主干線路采取不受波速影響的多端定位方法，能較為明顯地消除波速對(duì)行波定位精度的影響，同時(shí)提出的與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間T比較也能快速分別故障線路段以節(jié)省行波定位的時(shí)間。