電網(wǎng)工程中配電線路故障定位技術(shù)的應(yīng)用研究

摘要：配電線路故障定位是電網(wǎng)工程的一項管理難點(diǎn)。配電線路本身存在距離遠(yuǎn)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特征，存在多種[A2]"形式的饋線分支結(jié)構(gòu)，常規(guī)方法難以精確鎖定故障位置，將擴(kuò)大線路故障受損范圍和增加停電時間。為強(qiáng)化故障處理能力，最大限度[A3]"地降低線路故障問題造成的危害影響，分析配電線路故障定位技術(shù)原理，總結(jié)故障定位思路與技術(shù)難點(diǎn)，重點(diǎn)闡述配電線路故障定位技術(shù)在電網(wǎng)工程中的應(yīng)用路徑，旨在提高配電線路故障定位技術(shù)的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)工程 配電線路 故障定位技術(shù) 架空線路

Application Research on Fault Location Technology of Distribution Lines in Power Grid Engineering

WANG Zhikai¹ "CHEN Zhufeng²

1.Wuxi Guangying Electric Power Design Co.， Ltd.， Wuxi， Jiangsu Province，

[A4]"214000 China；2.State Grid Wuxi Power Supply Company Binhu （Economic Development） District Power Supply Branch， Wuxi， Jiangsu Province， 214125 China

Abstract： Fault location of distribution lines is a management difficulty in power grid engineering. Distribution lines themselves have the characteristics of long distance and complex grid structure， with various forms of feeder branch structures. Conventional methods are difficult to accurately locate the fault location， which will expand the range of damage caused by line faults and increase power outage time. In order to strengthen the ability to handle faults and minimize the harmful effects caused by line faults， this paper analyzes the principles of fault location technology for distribution lines， summarizes the ideas and technical difficulties of fault location， and focuses on the application path of fault location technology for distribution lines in power grid engineering， aiming to improve the application effect of fault location technology for distribution lines.

Key Words： Power grid engineering; Distribution lines; Fault location technology; Overhead power lines

當(dāng)線路出現(xiàn)故障時，傳統(tǒng)的人工檢修方式效率低下且易受外界因素干擾，難以及時解決問題，有時甚至?xí)＜皺z修人員的安全。因此，引入配電線路故障定位技術(shù)至關(guān)重要。此技術(shù)不僅能夠保障電力的穩(wěn)定供應(yīng)、縮短因故障而引發(fā)的停電時間，還能夠大幅[A5]"度提高運(yùn)維工作效率，并降低檢修過程中的安全風(fēng)險。

1 配電線路故障定位技術(shù)概述

1.1技術(shù)原理

配電線路故障定位技術(shù)主要包括故障選段、故障定點(diǎn)兩種類型。

（1）故障選段技術(shù)是根據(jù)故障信息初步鎖定故障線路所處區(qū)段。技術(shù)手段包括零序電流幅值比較、中電阻法、交直流信號注入法和故障指示器方法。以零序電流幅值比較方法為例，故障線路和無故障線路的零序電流幅值水平存在顯著區(qū)別：故障線路內(nèi)，全部無故障元件對地電容電流均為零序電流；在無故障線路，零序電流僅為自身對地電容電流，根據(jù)各段配電線路的零序電流幅值情況來鎖定故障線路^[1]。

（2）故障定點(diǎn)技術(shù)是在確定故障線段位置后，進(jìn)一步鎖定故障點(diǎn)位置。技術(shù)手段包括阻抗測距、行波測距和信號注入。以阻抗測距方法為例，從故障信號內(nèi)提取故障分量，綜合分析故障約束條件，確定故障分量電壓電流關(guān)系，把故障數(shù)據(jù)導(dǎo)入測量點(diǎn)、故障點(diǎn)二者的電壓電流關(guān)系方程，精準(zhǔn)計算阻抗值，再根據(jù)阻抗值和阻抗函數(shù)來推導(dǎo)故障位置。在故障回路內(nèi)，阻抗值越大，表明檢測點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離越大。

1.2故障定位思路

在電網(wǎng)工程中，配電線路結(jié)構(gòu)主要由架空線和配電電纜兩部分組成，必須結(jié)合實際情況，合理規(guī)劃故障定位思路，才能保證故障定位結(jié)果準(zhǔn)確。

對于配電架空線故障問題，架空線采取分層樹枝狀輻射網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有著層次性強(qiáng)、內(nèi)部相似度低下的特征。不宜采取一次直接定位方式，而是需要分層次逐步鎖定故障點(diǎn)位置，以故障定域、故障選段、故障點(diǎn)確定作為故障定位策略。簡單來講，根據(jù)故障數(shù)據(jù)，粗略判定故障線路所處區(qū)域，再次判定故障位置所在區(qū)段，把疑似故障區(qū)域縮小到某一線路段，最終通過測距方法鎖定故障具體位置。

對于配電電纜故障問題，電纜線采取束狀放射結(jié)構(gòu)，有著分支結(jié)構(gòu)整齊、相速度高的特征。同樣執(zhí)行分層次逐步鎖定的故障定位策略，故障定位流程僅由故障選段、故障定點(diǎn)兩道步驟組成。

1.3技術(shù)難題

配電線路故障定位技術(shù)的應(yīng)用存在諸多難點(diǎn)，包括線路運(yùn)行方式復(fù)雜、定位算法適用性差、配電自動化程度不足等。

1.3.1線路運(yùn)行方式復(fù)雜

在電網(wǎng)工程中，配電線路普遍采取中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地或中性點(diǎn)不接地方式，時常因單相線路負(fù)荷過重而打破三相平衡狀態(tài)，沒有順利構(gòu)成短路通路，故障特征和配電線路正常工況下的運(yùn)行特征無顯著區(qū)別。

1.3.2定位算法適用性差

配電線路本身存在分支眾多、混合線路分段并存的特征，當(dāng)前主流故障定位算法側(cè)重于長輸線路和架空線路，缺少面向多分支結(jié)構(gòu)混合線路的專用定位算法。

1.3.3配電自動化程度不足

配電線路故障定位技術(shù)高度依賴配網(wǎng)自動化系統(tǒng)，需要全面采集故障信息，精準(zhǔn)分析配電線路故障性質(zhì)和形成原因，才能鎖定故障位置^[2]。目前，在部分電網(wǎng)工程，由于配電自動化系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)度滯后，無法給故障定位算法提供有力數(shù)據(jù)支撐，或存在算法不成熟、知識庫不完備等其他問題。

2 配電線路故障定位技術(shù)的應(yīng)用方法

2.1架空線故障定位方案

對于電網(wǎng)工程內(nèi)的架空線，故障定位流程由故障區(qū)域判定、故障選段、確定故障點(diǎn)三道步驟組成，分別以位置觀測矩陣特征、波速度比較和雙端測距作為故障定位方法。

判定架空線出現(xiàn)故障問題后，率先記錄故障初始行波浪涌到達(dá)時間，根據(jù)線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來梳理分支點(diǎn)和末端點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建行波時差參考矩陣。根據(jù)行波到達(dá)時差分析結(jié)果來判定故障所處區(qū)域，計算故障初測速度，按照波速度關(guān)系來判定故障所處支路，最終利用雙端測距方法來鎖定故障具體位置，即可完成故障定位任務(wù)^[3]。

2.1.1故障區(qū)域判定

提前確定架空線路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，全面掌握包括分支節(jié)點(diǎn)數(shù)目、線路各區(qū)段長度在內(nèi)的基本信息，建立架空線路行波傳播路徑集，確定任意線路分支點(diǎn)到末端點(diǎn)距離，生成線路結(jié)構(gòu)行波傳播距離矩陣。把行波傳播距離矩陣內(nèi)的全部距離元素和波速度相除，獲得行波傳播時間矩陣，時間矩陣內(nèi)的首行向量內(nèi)的時間元素兩兩相減，形成多階故障行波到達(dá)時差參考矩陣。后續(xù)向矩陣內(nèi)導(dǎo)入架空線故障數(shù)據(jù)，求解位置比較觀測值，從中找出最小值，判斷故障問題所處線路區(qū)段。

2.1.2故障選段

運(yùn)用波速度比較方法來判定故障支路，確定故障初始行波抵達(dá)線路末端時間點(diǎn)，求解線路故障初測速度，比對分析故障初測速度和線路實際波速度。對于T型線路，需要求取3個故障初測速度，故障初測速度不足實測波速度時，判定故障處在該線路支路。

2.1.3確定故障點(diǎn)

采取雙端測距方案，測量線路母線起始端初始行波測量時間，計算故障點(diǎn)和最近分支點(diǎn)距離，同步計算末端初始行波測量時間，重新求解故障點(diǎn)到最近分支點(diǎn)的距離。后續(xù)把兩項計算結(jié)果的平均值作為故障點(diǎn)到最近分支點(diǎn)的實際距離，這有利于提高定位精度、減小計算誤差^[4]。

2.2配電電纜故障定位方案

對于電網(wǎng)工程配電電纜，故障定位流程由故障綜合選段、確定故障點(diǎn)兩道步驟組成，分別以多端時差關(guān)系和雙端測距作為故障定位方法。故障定位期間，率先獲取標(biāo)準(zhǔn)時差序列，在其基礎(chǔ)上建立行波時差特征值矩陣，記錄故障初始行波浪涌到達(dá)時間。繼續(xù)建立觀察矩陣，根據(jù)矩陣判定結(jié)果，確定故障點(diǎn)所處區(qū)段，后續(xù)通過雙端測距方法來鎖定故障位置。

2.2.1故障綜合選段

配電電纜出現(xiàn)特殊點(diǎn)故障問題后，準(zhǔn)確計算故障初始行波抵達(dá)線路兩側(cè)位置的時間差值，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)時差序列。以主干線路內(nèi)的饋線分支點(diǎn)與兩端端點(diǎn)作為特殊點(diǎn)，模擬線路故障法僧過程，測量求取分支域行波時差特征值矩陣。故障問題存在期間，根據(jù)先期設(shè)置在饋線支路末端的行波波頭監(jiān)測點(diǎn)，記錄行波抵達(dá)時間，構(gòu)成面向分支域的行波時差測量值矩陣，進(jìn)一步計算分支域時差比較矩陣，最終掌握初始行波傳遞到電纜線路兩端時間差。根據(jù)端點(diǎn)、分支點(diǎn)和末端故障初始行波抵達(dá)線路兩端時間差值的大小關(guān)系，確定故障處在電纜主干線上的具體區(qū)段。在各初始行波傳播至線路兩端時間差和端點(diǎn)、分支點(diǎn)或末端時間差值完全相等時，表明故障點(diǎn)恰好處于此類特殊點(diǎn)。

2.2.2確定故障點(diǎn)

故障所處位置包括主干線和饋線支路，故障定點(diǎn)方法略有不同。對于主干線故障，以電纜主干線兩端當(dāng)作測量點(diǎn)，確定故障所處區(qū)段后，計算故障點(diǎn)抵達(dá)區(qū)段端點(diǎn)距離。對于饋線支路故障，把支路末端與主干線一處端點(diǎn)當(dāng)作測量點(diǎn)，通過雙端測量方法，精準(zhǔn)計算故障點(diǎn)抵達(dá)端點(diǎn)距離，再根據(jù)端點(diǎn)位置，推算故障點(diǎn)位置^[5]。

2.3特殊位置故障定位方案

電網(wǎng)工程配電線路存在一些特殊故障位置，常規(guī)故障定位方法頻頻出現(xiàn)故障定位結(jié)果有誤。常規(guī)故障定位規(guī)則和特殊位置故障特征相互沖突，必須全面掌握所有特殊位置故障特征，在此基礎(chǔ)上制訂專項故障定位方案。

以電纜電壓過零點(diǎn)周邊位置故障定位方案為例，在傳統(tǒng)定位模式下，以故障波頭到達(dá)兩端時間差大于電壓行波從一側(cè)抵達(dá)另一側(cè)時間作為故障定位規(guī)則，無法適應(yīng)故障波頭處在過零點(diǎn)兩側(cè)的故障特征，引起定位誤判情況。經(jīng)由優(yōu)化改進(jìn)后，把故障定位規(guī)則調(diào)整為故障波頭到達(dá)兩端時間為電壓過零點(diǎn)兩側(cè)，以t_o[A6]"＜t_a-t_b-t_o作為故障定位公式，t_o為電纜一端向另一端傳輸電壓波時間，t_a為故障波頭周邊最近過零點(diǎn)時間，t_b為故障波頭左側(cè)距離最近第二過零點(diǎn)時間。

2.4引入蟻群算法

蟻群算法以螞蟻覓食模型為現(xiàn)實載體，先確定目標(biāo)函數(shù)并設(shè)定多項約束條件的情況下，導(dǎo)入配電線路故障數(shù)據(jù)，生成多條螞蟻行走路線，在所有路線內(nèi)選擇最短路線，將其作為最優(yōu)可行解。簡單來講，配電線路內(nèi)所有饋線支路都配備終端單元，把單元開關(guān)當(dāng)作節(jié)點(diǎn)，假定相鄰節(jié)點(diǎn)區(qū)段存在兩種路徑，即為兩種狀態(tài)，包括故障狀態(tài)和非故障狀態(tài)，以分段開關(guān)為起點(diǎn)，診斷饋線沿途全部區(qū)段的時機(jī)狀態(tài)，將其作為全新的故障選段方法。

現(xiàn)代電網(wǎng)工程配電線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還可能大規(guī)模接入分布式電源，進(jìn)一步加劇配電線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，提升線路故障定位難度。因此，需要對常規(guī)蟻群算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，增設(shè)分區(qū)處理機(jī)制。分區(qū)處理強(qiáng)調(diào)不再從配電線路整體拓?fù)鋵用嫒胧炙阉鞴收蠀^(qū)段，以節(jié)點(diǎn)開關(guān)為故障定位依據(jù)，配電線路結(jié)構(gòu)拆解為若干區(qū)域，相同時間段內(nèi)，若干區(qū)域內(nèi)同步搜索線路故障位置，有利于提高故障定位速度和定位準(zhǔn)確度。正常情況下，不含分布式電源主支路設(shè)定為獨(dú)立分區(qū)，含分布式電源支路分割形成1～2個區(qū)域。

3結(jié)語

綜上所述，為強(qiáng)化配電線路故障處理能力，爭取在最短時間內(nèi)精準(zhǔn)鎖定故障位置，迅速執(zhí)行保護(hù)策略，保證配電線路平穩(wěn)運(yùn)行，電網(wǎng)公司應(yīng)以提高故障定位水準(zhǔn)作為破局點(diǎn)，進(jìn)一步加強(qiáng)對配電線路故障定位技術(shù)的應(yīng)用力度，圍繞配電線路故障特征，制[A7]"訂面向架空線、配電電纜與特殊位置的故障定位方案，引入全新蟻群算法來強(qiáng)化故障定位技術(shù)適應(yīng)能力，切實滿足現(xiàn)代電網(wǎng)工程運(yùn)維管理需求。

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