配電網故障行波定位綜述

趙威，陸海，趙雄

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650127）

0 前言

當前配電網結構線路呈現復雜多元化，不同地區其配網拓撲結構呈現不同的特征。相較傳統的配網線路，現代化程度較高的城市電纜線路的比重越來越高，其次在新能源滲透率較高的地區出現較多的分布式能源（distributed generator，DG）支路。因此在消費者對供電質量要求較高以及配網故障率以及線路復雜度都較高的大背景下，如何保證配網故障迅速可靠有效的定位解決是當前配網故障處理的一大難題。

目前國內配網一般都安裝了自動重合閘裝置，在發生瞬時性故障時一般都能進行自動重合閘操作，但是一旦發生的是較為嚴重的永久性故障，自動重合閘無法正確地進行合閘操作，因此遇到這類故障當前還是需要相關運維人員進行人工故障處理，但是人工處理存在效率低、高耗時以及無法全部找尋到故障線路，如何快速進行故障定位是最大限度保證用戶供電質量的重要舉措。

行波故障定位被廣泛地應用于輸電線路，其在故障定位時具有定位精度高、定位速度快以及不受系統運行方式影響等特點，但是相較于輸電線路，配電線路具有結構復雜、線路分支較多、設備較多、負荷變化較大等特點，這些因素在某些方面影響到行波故障定位在配網中的應用。諸如，故障行波波速在電纜線路以及架空線路中傳輸速度不同、線路結構復雜導致故障行波在傳輸時發生折反射波重疊影響波頭檢測、分支較多導致所需行波檢測裝置也較多影響經濟性。

針對上述限制故障行波測距技術在配網大范圍推廣的因素，我們需要對其進行多方面的考慮以及研究來實現故障行波測距技術在配網線路的有效合理應用。

1 配網故障行波定位影響因素分析

配網行波故障定位相較于輸電線路行波故障定位而言，影響其定位精度以及可靠推廣使用的原因相較較多，當前影響配網故障行波定位裝置推廣的因素主要有：架空電纜線路混合對波速大小的影響、支線數過多導致行波在傳輸路徑發生過多的折反射影響波頭檢測、配網支路端口較多安裝行波裝置經濟成本高昂。

1.1 混合線路影響

故障行波信號在傳輸到電纜線路與架空線路接頭處時，結合處電氣參數量存在差異可以近似將其視為邊界處，故障行波在支路較多或者電氣參數量存在差異時會出現波反射以及波折射現象，導致所檢測的行波被各種反射波覆蓋，為后續行波檢測識別和故障測距的實現造成很大的困擾。針對這一問題，國內學者提出采用雙端行波定位的方法來解決，由于雙端定位僅僅只需要對故障行波初始波頭來進行采集，從而有效的避免波折反射所帶來的干擾，但是雙端定位方法存在對時間同步精度要求較高而且需要支路兩端安裝行波檢測裝置。

電纜線路與傳統的架空線路相比，其線路參數存在很大的區別，在相同導線截面積下，電纜與架空線電氣參數存在以下區別：

1）電纜線路在電阻數值上略大于架空線路；

2）電纜線路電抗值遠小于架空線路；

3）電纜線路電納值遠大于架空線路；

4）電纜線路對地電容略大于架空線路。

圖1 電纜-架空混合線路分布參數模型

由于架空線與電纜線基本電氣參數量存在一定差異，導致故障行波波速會出對混合線路存在波速不相同的問題，國內學者也提出了以下解決辦法。文獻[5]提出混合線路歸一化處理，通過這樣處理有利于將復雜配網拓撲結構解耦為樹狀結構，最終使得故障定位過程簡化。文獻[6]通過對架空電纜線路進行參數換算，按照推倒得出的公式對電纜線路進行等效處理。

圖2 電纜-架空混合線路結構簡圖

1.2 分布式支路影響

如今配電網結構越來越復雜，使得傳統配電網故障定位從定位精度以及定位效率上都有較大的影響，并且隨著分布式電源（distributed generator，DG）支路接入會改變傳統配網的網絡拓撲結構以及潮流方向，這種改變會導致傳統的保護出現誤動以及拒動，在故障定位上會使得傳統定位方案失敗。傳統定位方案在配網故障定位精度上受到過渡電阻、運行方式、線路參數等因素的影響，在某些情況下無法快速故障定位或者定位精度誤差較大，需要人工進行故障排查，這會導致帶故障運行線路出現故障區域擴大甚至燒壞電力設備，因此需要實現配電網快速故障定位以保證供電可靠性經濟性。

與傳統定位方案相比，行波故障定位不受過渡電阻、運行方式的影響，并且定位速度精度較高，因此可以選擇將已經在輸電線路成熟運用的行波故障定位方案運用到配網故障定位。

但當前配網接入大量分布式支路，使得配網結構愈發復雜使得故障行波精確定位難度加大，當前分布式支路接入對定位的影響主要有以下兩個方面：

1）大量的電力電子設備接入會影響故障行波的正常傳輸產生各種折反射干擾波，影響定位的可靠性。

2）分布式支路的接入進一步使得配電網結構復雜化，影響定位方案的選擇。

1.3 經濟性影響

實現快速準確的故障定位是保證配電網快速自愈的基礎，這是實現智能配電網建設的關鍵性技術。配網從結構上與輸電網呈現不同特點，配網的特點為：閉環設計、開環運行、整體結構呈現輻射狀、分支線路多等特點。由于其分支線路較多，想要全面的獲得故障信息，需要安裝較多的行波裝置即增加測量點以保證對線路信息的可視性，但是由于配電線路較多，如果保證每條支路都安裝行波裝置，對于供電企業而言經濟成本較高。

因此經濟性也成為制約行波故障定位裝置在配電網大面積推廣的影響因素之一，針對這一原因，國內學者提出對行波裝置布點進行優化。文獻[7]提出通過Floyd算法將復雜網絡轉化為簡單網絡，對所有故障情況下線路兩端節點分別取最小公共集，得到需要配置定位裝置的節點。文獻[8]根據鄰接變電站個數確定初步配置方案，采用模擬退火算法進行配置，該方案必須通過電網故障定位計算進行校驗，受故障點位置影響較大，計算復雜。

2 配電網行波故障定位方法

配電網結構復雜、支路數多、電力設備多、負荷變化大，這導致其發生故障的概率較大。因此實現快速故障定位是避免故障進一步擴大并保證故障線路恢復的重要基礎。當前較為常用的配網故障定位方法如下：

2.1 單端法

利用故障點初始行波與初始反射到達檢測端的時間差來進行故障定位。

圖3 單端法定位原理

其故障距離計算公式為：

其中，t1為初始反射波達到時間，t0為初始行波到達檢測端時間，顯然這種定位方法原理簡單，但是對于復雜的配網線路而言，其限制影響條件較多無法正確的進行定位，因此一般不作為主要定位方案。

基于此原理衍生出其他單端定位方法，諸如利用零模分量與線模分量波頭到達檢測裝置的傳輸時差來進行定位。但是針對配電網復雜線路環境下，線模分量在傳輸過程中高頻分量衰減較小、波速較穩定，因此可以作為故障定位的一個穩定參考量。零模分量受故障距離約束，其高頻分量衰減較快，波速受線路參數影響較大，因此會導致最終故障定位結果精度不高。

針對單端法應用中存在的這些問題，國內學者提出這些方法來有效的解決問題。文獻[9]提出正常運行時配網結構一般不變，對線路進行劃分并建立路徑矩陣，根據行波到達節點時間建立達到時間差矩陣，故障時依據故障初始行波到達時間差矩陣進行對比分析找出差異值進行故障定位。文獻[10]通過檢測故障暫態行波的零模和線模分量到達首端的時間差，然后在首端對三相同時注入相同的高壓脈沖并檢測線模行波首個波頭到達檢測點的時間，進而利用穩定的線模波速度進行故障距離的測量。

2.2 雙端法

雙端法通過在線路兩端安裝檢測裝置，達到獲取波頭達到時間。故障發生時產生的故障波沿故障點向線路兩端進行傳遞。

圖4 雙端法定位原理圖

其故障距離計算公式為：

其中t1、t2分別為故障行波到達線路兩端的時間。

雙端法測距只需要檢測故障初始波頭到達時間，對于反射折射波不需要處理，因此在初始波頭能夠被準確檢測到的情況下，其定位精度相對是較高的。但是雙端法需要線路兩端安裝行波測距裝置，并且其對基準時間同步要求較高。

因此雙端法在配網故障定位精度上相比單端法要好，但是由于配網支路較多影響其經濟性。針對這一問題，文獻[11]提出基于圖論知識對配電網進行分層，在含有獨立支路的T型線路中，只在其3個頂點配置定位裝置，即可實現故障定位，不需在獨立支路配置。

除經濟性影響外，影響雙端法推廣使用的另一制約因素是對基準時間同步精度要求較高，對于配電網而言其線路距離普遍較短，時間精度對于故障定位的影響要遠大于輸電線路，因此針對這類問題國內學者主要提出以下方法來進行有效的解決：

文獻[12]通過將故障后雙端初始行波波頭到達時間作為雙端初始時刻，進而檢測后續行波波頭的相對時刻，分別將雙端在特定的時間內行波波頭到達時刻組成時間序列集合。再根據雙端時間序列集合的相互映射關系，計算故障點的準確位置。

文獻[13]采用一種單端、多端行波相結合的配電網單相接地故障定位方法，通過多端行波檢測算法實現故障線路判別，然后利用波形相關性來檢測反射波時間差來進行故障精確定位。

針對配網結構的復雜性以及故障行波定位影響因素的特殊性，無法運用單一某種方法來進行有效可靠的定位，當前國內主要研究趨勢還是傾向于運用單-雙端法進行組合拓展研究。

2.3 信號注入法

信號注入法是當配網線路發生接地故障時，通過在線路施加脈沖信號，而脈沖信號在不均勻的傳輸介質中會發生反射，而脈沖信號在接地故障點處的反射最為激烈，因此我們通過對該反射脈沖信號進行檢測得到傳輸時間，來進行簡單計算得到故障點位置。

依據此原理，國內學者提出以下方法來進行精確定位。文獻[14]認為脈沖波在線路中傳播會呈現一定的波形特征，通過錄波的裝置將波形記錄下來，先得到合成波形，再排除雜波的干擾，對注入信號波形進行記錄，從而確定出現故障的位置。文獻[15]提出其他新的思路將小波變換用于故障定位，正常的行波通過小波變換后，通過和正常波形比較，可以得到波的奇異點，依據這個特征來判斷。文獻[16]根據行波法大概確定故障位置，判斷出故障分支，之后再注入交流信號進行準確定位。

3 結束語

依據上述對配電網行波定位影響因素分析以及對配電網行波定位方法總結可以得出：

1）配電網故障定位精度需要得到提升，保證故障區域能夠迅速恢復供電，并保護電力設備不被損壞。

2）當前研究所運用定位基本原理相似，但是針對當前各個地區配網結構復雜化，無法做到全部適用。

3）在行波裝置優化研究方面，在輸電線行波布點優化研究較多，在配網行波裝置優化研究還較少。

針對上述結論，后期將要做的主要工作有：

1）在波速修正方面，合理的利用歷史波速數據，并與當前支路參數特征結合進行分析，利用智能算法得出基準波速，并不斷的進行修正。

2）定位方法選擇上需要針對不同的地區、不同的配網結構進行最佳的定位方法選擇，方法可以進行靈活的組合。

3）裝置優化研究主要需要考慮線路可觀性問題，建立相應的支路矩陣，在保證可觀性的基礎上結合靈活多變的定位方法來保證較高的可靠性和經濟性。