D型行波测距原理在辐射状配电线路中的应用

徐伟宗

(广州市萝岗供电局， 广州 510730)

D型行波测距原理在辐射状配电线路中的应用

徐伟宗

(广州市萝岗供电局， 广州 510730)

为了将应用于输电线路中的D型行波测距原理应用于辐射状结构的配电线路，通过对配电线路的行波模量特性进行分析，表明该型行波测距原理在理论上适合于配电线路。根据配电线路的暂态行波特性及其线路拓扑结构特征，提出利用非故障线路上的行波信号来代替故障线路的行波信号作为测量信号进行故障测距，并结合选线技术，构建主、辅测距系统，以降低传统双端行波测距配置在辐射状配电线路上应用所带来的投资及维护成本。仿真结果表明该方法具有较高的可行性，有一定的工程实践意义。

辐射状配电线路； 初始行波； 故障选线； D型行波； 故障测距

在我国3～66 kV的配电网故障定位方法中，主要是基于馈线终端单元FTU(feeder terminal unit)和故障指示器实现故障区段定位[1～5]以及利用“S注入法”实现单相接地故障定位[6]。但上述方法仍然有一定的局限性，如FTU只能实现故障区段定位，且造价高；故障指示器的正确率不高，且不具备故障信息自动上报功能；“S”注入法则受导线分布电容影响较大，如果故障点经高阻抗接地或故障点远离线路始端，则信号将很微弱而难以准确测量，因此，上述方法仍然有待于进一步完善与改进。

与比较成熟的输电线路故障定位技术相比，小电流接地系统的故障定位技术需要解决以下几个难点[1，2]：①线路参数不易获得，阻抗法定位失效；②线路多为辐射状，存在电缆与架空线路相混合的情况，且有大量多级分支线路。如何妥善地处理好这些问题，研制出集选线、定位于一体的装置，值得广大的电力工作者进一步探索和研究。

利用线路发生故障时产生的暂态行波实现故障定位的行波测距法具有准确性高、受系统运行方式影响小等优点，且已经成功应用于输电线路[7]。

通过对配电线路的初始行波模量进行分析，表明D型双端行波测距原理适合结构复杂的配电线路的故障定位，本文研究了将D型双端行波测距原理应用于辐射状配电线路的可行性以及基本实现方法，对该测距原理在配电线路上的运用与推广具有一定的工程意义。

1 配电线路中的行波模量分析

配电线路的网络拓扑可以大致分为3种，目前我国配电网大多数采用由架空线和电缆相混合构成的辐射状结构，如图1所示。

图1 辐射状配电系统

设在L1的K点发生A相接地故障时，利用Karenbauer变换，可得故障附加物理网络的模(以模一分量为例)等效电路如图2所示。

图2 行波线模等效电路

在图2中，ZT为系统侧变压器的等效模波阻抗，Ze1为系统电源等效模波阻抗，Zj.1为架空线路的模波阻抗，Zd.1为电缆线路的模波阻抗，Z1.d为负荷的等效模波阻抗。在图2中，系统中性点的等效模波阻抗并没有出现在线模等效电路中，但会出现在零模等效电路中。对于中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统，其中性点的等效模波阻抗近似为无穷大，可忽略不计，因此，各行波模分量都与系统中性点接地方式无关。

故障时，从故障点出发的入射波ik,1(模一分量)会向线路两侧传播，其中一侧在到达母线处后，形成折射波iz,1和反射波if,1，若以母线指向线路为正方向时，则

(1)

(2)

式中：Z11,1为故障线路的模波阻抗；Zeq,1为从故障线路向母线看去的等效模波阻抗，其值等于非故障线路和变压器支路模波阻抗的并联。

入射波和反射波叠加后形成故障线路的初始电流行波i11,1与电压行波u11,1分别为

i11,1=-ik,1+if,1=

(3)

(4)

式中：入射电压波uk,1=ik,1Z11,1；非故障线路的初始电流行波ilx,1、电压行波ulx,1可以表示为

(5)

u1x,1=i1x,1Z1x,1=

x=2，3，4，5，6

(6)

其中Z1x,1表示非故障线路的模波阻抗，当母线上的出线为同一类型线路时，Z11,1=Z1x,1，则有

(7)

由于Z11,1gt;Zeq,1，所以有|i11,1|gt;|i1x,1|，且两者的极性相反，同时所有非故障线路的初始电流行波的幅值近似相等、极性相同，从而可以用来构成选线判据[7]；此外，故障线路的电流、电压行波保持反极性，而非故障线路的电流、电压行波保持同极性。

初始行波波头反映的是行波从故障点传播到母线处的时间、幅值和极性特征，与后续的折、反射行波无关，特征清楚，容易识别，且与系统中性点接地方式无关，初始行波的这些特征为利用初始行波作为测量信号实现故障测距的双端行波原理提供了有利条件。

显然，上述的分析同样适合相间故障的情况。

2 双端行波测距原理的应用

2.1 主、辅行波测距配置原理

上文分析了配电线路中的初始行波模量，由于配电线路存在大量分支结构，电缆和架空线路相混合，沿线带负荷以及对端母线结构的不确定性等因素，会使得行波在线路中的传播变得非常复杂，要正确识别各种反射波非常困难，因此，难以利用单端行波法实现故障定位，而双端行波法只需识别初始行波，且前文的分析表明暂态初始行波具有一系列优点，因此，双端行波法适合结构复杂的配电线路故障定位。

按照传统的双端行波测距原理，需要在每一条线路的两端装设一套测距装置，而辐射状的配电线路的母线上往往接有若干条出线，特别是在大城市和用电较集中的地区，一般达到20～30条出线，有的多达50～60条出线[8]，对于这种情况如果也按照传统的双端行波测距配置，其投资与维护费用将是十分巨大的。

因此，本文根据辐射状配电线路的结构特征及其暂态行波的传播特性，提出在配电线路的母线上装设一套测距装置，该装置应当具有选线和测距的双重功能(或将一般的小电流接地选线装置和继电保护装置与测距装置相配合使用)，可定义为主测距装置，而在每一条出线的末端设置一套测距装置，可称为辅助距装置，使每一套辅助距装置都可以和主测距装置构成传统意义上的双端测距，如图3所示。

图3 主、辅双端行波测距配置

配电线路往往数量众多，即使在每一条线路的末端装设一台测距装置装置，所带来的投资也不小，对此，可以对一般的辅助测距装置进行适当简化，使其只需具备行波波头检测和通信功能即可，对于一些相对比较重要的线路，可以根据实际需要配置完整功能的测距装置。

在图3所示的主、辅行波测距配置中，对于主测距系统可以有两种实现方式：

(1)仅采集一条(或几条，以提高可靠性)线路(定义该线路为'有效线路'，有效线路并不固定，可以动态选择)的电流行波信号，尽量选择线路波阻抗比较小的线路作为有效线路，并和一般的选线装置和继电保护装置相配合使用。

如果故障线路本身就是有效线路，那么所使用的电流行波信号就是故障线路的电流行波信号；如果故障线路不是有效线路，那么此时在母线一侧将要利用非故障线路的行波信号来代替故障线路的行波信号，如图4所示。当不考虑母线长度时，在母线一侧，故障线路和非故障的初始行波波头将会同时出现；若算计母线长度时，则非故障线路上的行波波头时刻会滞后故障线路，其滞后时刻可以通过故障线路与非故障线路在母线上的间隔距离计算得到，因此，利用非故障线路的行波信号来代替故障线路的行波信号进行测距从原理上是可行的。由于非故障线路的电流行波信号的幅值较小，因此，应当选取线路波阻抗比较小的线路作为有效线路，以获得比较高的电流行波幅值。另外，在进行距离计算时，可根据实际需要决定是否要考虑母线的长度。采用这种方案的优点在于不会增加主测距装置的成本，一般可用在现场已经设置有选线装置和完善的继电保护设备的情况下。

图4 母线侧使用非故障线路的行波信号作为测量信号

(2)同时采集所有线路的电流行波信号，直接利用行波极性比较构成选线原理，还能利用模故障分量的选相理论来集成用于判断相间故障的保护[6]，这样就无需与一般的选线装置和继电保护设备相配合使用，省去了选线装置，此外，主测距装置还可兼作相间故障的保护，从而构成集选线、测距与保护于一体的系统。

2.2 利用D型双端行波原理

前文的分析表明双端行波原理适合结构复杂的配电线路故障定位，而双端行波原理有B型和D型之分。B型和D型都要用到通信信道，但若从技术性、经济性，实用性考虑，不难发现D型法更适合图3所示的结构。

2.3 选线及实现方式

2.3.1 选线的必要性

由前文分析可知，当任意一条线路发生故障时，不仅故障线路会形成初始行波，而且来自故障线路的入射波会通过母线进入非故障线路，形成非故障线路的初始行波，当出线比较多时，会有故障线路的初始电流行波幅值大于非故障线路的初始电流行波，但是，如果出线数目较少或有一部分出线退出运行时，则会造成母线的等效波阻抗增大，这样非故障线路的电流行波幅值有可能接近故障线路的行波幅值，当启动元件的可靠性不足时，有可能造成非故障线路的测距启动元件动作，因此，为了避免可能造成对非故障线路进行定位计算，应当确定故障线路。

所以，采用图3所示的配置方法后，不论该主测距装置是采集的一条出线的电流行波信号还是采集所有出线的电流行波信号，在使用D型行波原理时，都需要确切知道是那一条线路发生故障，这就涉及到故障选线问题。

2.3.2 故障选线方式

1)单相故障

当系统发生单相接地故障时，故障线路的测距启动元件会动作，而非故障线路的测距启动元件也有可能动作，但接地选线部分会选出故障线路，这时再对故障线路使用双端行波测距原理进行故障定位计算，就能得到正确的结果。

2)相间故障

一般的接地选线技术只对单相接地故障有效，对于相间故障，由于往往伴随有过流现像，继电保护会动作，因此，可以将该保护的动作信号作为选线信号送入测距装置，如图5所示。

利用过流保护实现对相间故障的线路选择，如图6所示。

图5 主测距装置原理

图6 利用过流保护实现对相间故障的线路选择

3 仿真实验

为了验证该方法的有效性及在各种故障情况下的测距精度，本文对图1所示的仿真实验模型进行了大量的仿真测试，限于篇幅，仅列出部分结果。

(1)在主测距系统一侧将L1作为有效线路。在L2发生A相接地故障时，在线路L1和L2的始端检测到的电流初始行波波形如图7所示，由图7可知，故障线路和非故障线路的行波仅是极性和幅值不同，在不考虑两线路在母线上的间隔距离时，两者的初始行波波头的起始点同时出现(图中为第280个采样点处，图7和图8中的行波波形是利用故障分量原理获取的。)，这表明利用非故障线路的行波信号来代替故障线路的行波信号进行测距是可行的。

表1是在主测距系统一侧将L1作为有效线路，使用暂态行波极性比较原理的选线方法，进行故障测距的仿真结果，由表1可以看出，对于单介质线路，在小过渡电阻和比较高的故障初相角下，其测距结果表现出一个较高的精度，不过，该结果是在没有考虑同步时钟误差，弧垂以及故障线路与非故障线路在母线上的间隔距离和互感器的响应时间的情况下的测距结果，因此，在实际中可能达不到这样的精度；仿真还表明，与单介质线路相比，混合线路的测距精度明显要低一些(在表1中，单介质线路的测距绝对误差一般在10 m以下，而相对误差一般在1×10-3以下；混合线路的测距绝对误差一般在40 m以下，相对误差一般在4×10-3以下，限于篇幅，未将具体数据表列出)，这是因为行波的高频分量在经过混合线路时会产生更大的衰减，从而降低测距准确性。

(a) 线路L1

(b) 线路L2

(2)当线路L2发生相间故障(BC)时，在主测距系统一侧同时采集所有线路的电流行波信号，得到的各条线路的行波模量如图8所示。

由图8可知，在相间故障时，故障线路和非故障线路的电流行波也具有相反的极性特征，因此，行波极性比较选线原理不仅适用于单相故障选线，也可以用于相间故障，因而也可用来实现保护功能。此外，在波阻抗值比较小的电缆线路上获得了比较高的电流行波幅值，为避免造成非故障线路的启动元件动作，测距之前的选线是必要的。

表1 不同故障点的测距结果和测距误差

图8 相间故障时的故障线路与非故障线路的行波

4 结语

本文研究了利用D型双端行波测距原理实现对辐射状配电线路的故障定位。双端行波测距原理的使用，省去了由于配电线路结构复杂而造成识别反射波困难的问题，降低了配电线路故障在线定位的难度，有助于快速处理故障。基于选线技术的主、辅测距系统的应用，大大降低了传统双端行波测距配置所带来的投资及维护成本，为双端行波测距原理在该型配电线路上的应用起到了积极作用。对于分支线路上的故障，D型原理只能确定为分支与主干线路的连接处发生故障，但可在分支线路末端装设测距装置，构成多端测距模式，通过和主干线路两侧的测距装置相互配合实现对分支线路故障的精确定位。因此，D型双端行波测距原理对于辐射状的配电线路的在线故障定位具有较大的可行性。

[1] 马士聪，高厚磊，徐丙垠，等(Ma Shicong, Gao Houlei，Xu Bingyin,etal). 配电网故障定位技术综述(A survey of fault location methods in distribution network)[J]．电力系统保护与控制(Power System Protection and Control)，2009，37(11)：119-124.

[2] 宗剑，牟龙华，张鑫，等(Zong Jian，Mu Longhua， Zhang Xin，etal).配电网单相接地故障类型及程度的判据(Criterion of single-phase ground fault type and its degree for distribution network)[J]．电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2004，16(4):27-29.

[3] 卫志农，何桦，郑玉平(Wei Zhinong，He Hua，Zheng Yuping)．配电网故障区间定位的高级遗传算法(A refined genetic algorithm for the fault sections location)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2002，22(4)：127-130.

[4] Ranjbar A M，Shirani A R，Fathi A F．A new approach for fault location problem on power lines[J]． IEEE Trans on Power Delivery，1992，7(1)：146-151．

[5] 苏永智，潘贞存，丁磊(Su Yongzhi，Pan Zhencun，Ding Lei). 一种复杂配电网快速故障定位算法(A fast algorithm of fault location for complicated distribution network)[J].电网技术 (Power System Technology),2005,29(18)：75-78．

[6] 王新超，桑在中(Wang Xinchao, Sang Zaizhong)．基于“S注入法”的一种故障定位新方法(A new approach of fault location based on “S injecting signal”)[J].继电器(Relay),2001，29(7)：9-12.

[7] 葛耀中．新型继电保护和故障测距的原理与技术[M]．2版.西安：西安交通大学出版社，2007．

[8] 束红春．配电网络故障选线[M]．北京：机械工业出版社，2008．

徐伟宗(1981-)，男，硕士，主要从事电力系统继电保护方面的相关工作。Email:fool0218@163.com

ApplicationofD-TypeTravelingWaveLocationPrincipleinRadialDistributionWires

XU Wei-zong

(Guangzhou Luogang Power Supply Bureau， Guangzhou 510730, China)

In order to apply D-type traveling wave theory in transmission lines to radial distribution lines, traveling wave modulus characteristics of the distribution lines was studied, and obtained the result that traveling wave principle is theoretically suitable to the distribution lines. According to the features of the transient traveling waves and network topology of the distribution wires, the wave signal of non-fault line instead of fault line as the measuring signal of fault location was proposed.Combined with line selection techniques, main and auxiliary ranging system was built, which can greatly reduce investment and maintenance costs of traditional two-terminal traveling wave fault location configuration for radial distribution wires. Simulation results show that the method has a higher feasibility and is some valuable for engineering practice.

radial distribution wires； original traveling waves； line selection； D-type traveling wave； fault location

TM734； TP319

A

1003-8930(2012)05-0138-06

2011-04-11；

2011-05-26

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2011AA05A114)