10 kV配电网含分支混合线路故障行波定位研究

朱建刚，刘国栋，孙桂花，马庆玉

（1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255049；2.国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东 菏泽 274000；3.国网山东省菏泽市定陶区供电公司，山东 菏泽 274100；4.国网安徽省电力公司宿州市城郊供电公司，安徽 宿州 234000）

10 kV配电网含分支混合线路故障行波定位研究

朱建刚1，刘国栋2，孙桂花3，马庆玉4

（1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255049；2.国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东 菏泽 274000；3.国网山东省菏泽市定陶区供电公司，山东 菏泽 274100；4.国网安徽省电力公司宿州市城郊供电公司，安徽 宿州 234000）

考虑配电网实际结构，建立配电网常见的架空线—电缆混合线路模型，设置分支点和分支线路，模拟分界开关和环网柜及其出线情况，提出分支域的概念。基于此提出一套故障定位方法，首先比较分支域外和域内故障时各分支线路末端与支路分支点初始行波到达时差的不同，以确定故障是否发生于分支线路；其次将实际故障时混合主干线路初始行波到达始末端的时差值与分支点和线缆连接点故障时相比较，并结合分支线路故障判据以确定主干线路的故障区段；最后提出简单的单双端行波组合测距方法，确定具体故障位置。PSCAD仿真结果证明，该套定位方法能较为准确地选出故障线段，并确定故障位置。

混合线路；分支域；时差比较；组合测距

0 引言

基于电力电缆的广泛应用及其在输配电系统上的性能优势，架空线与电缆的混合配电线路日益增多，而含分支的混合线路结构无疑为故障定位增大难度，迫切需要加强对含分支混合配电线路故障定位的研究。

目前对混合线路故障定位的研究主要集中于阻抗法和行波法，阻抗法因受故障类型、过渡电阻等影响较大而导致测距精度相对较低，行波法避免了这一缺陷，测距精度明显提升，但需要考虑混合线路波阻抗不同带来的波速差异和连接点处行波折反射情况。行业内学者对架空线—电缆混合线路故障定位的研究主要针对长距离的输电线路，并未充分涉及带分支的配电混合线路；对含分支的配电线路故障定位研究主要围绕10 kV配电馈线为纯架空线或纯电缆线路展开研究，又未考虑母线为架空线和电缆线分段排布的情况。

文献［1］针对配电网混合多段线路提出基于时间变量的故障搜索算法，故障定位逻辑简单清晰，但线路结构单一，不含任何分支，与多数实际线路不符。文献［2］提出适用于辐射状配电网单双端行波组合测距法，弥补了单双端行波测距的缺陷，但增加了设备的投资，且未考虑线路分支点之间的距离。文献［3］提出基于小波变换的配电网混合线路不受电缆波度影响的测距方法，文献［4］提出基于故障长度占比的混合线路故障行波定位新方法，文献［5］利用波头组合式行波法对配电线路故障测距，但皆不考虑分支线路，线路模型偏于理想化。

本文在考虑配电线路架空线—电缆混合且多含分支的实际结构前提下建立模型，提出利用比较分支域域外和域内故障时各支路末端与分支点初始行波到达时差变化的支路故障判定方法；以主干线路分支点和线缆连接点故障时初始行波到达主干线路始末端的时差作为标准值序列，实际故障时将混合主干线路始末端初始行波到达时间的差值与标准值序列比较，并结合支路故障判据以确定主干线路的故障区段，最后给出每段线路故障的测距方法，确定具体故障位置。

1 配电网混合线路模型分析

10 kV配电网混合线路结构如图1所示，MT和TN段分别为架空线路和电缆线，线路长度分别为L1和L2，线缆连接点为T，AO、BO是架空线在分支点O引出的两支路，点P代表电缆线上的环网柜，且供电方式为两进四出型，两进线分别是TP和NP，P1、P2、P3和P4为4条出线，分别接到用户侧配变。

当线路某处发生故障时，故障行波沿线路向故障点两侧传播，在架空线和电缆连接点处发生折反射，折射行波继续向前传播；在线路分支处，不仅发生行波的折反射，还会出现行波传播的分路，分路后的行波作为新的波源继续沿线路传播。

图1 混合线路模型及F3故障时行波传播

2 配电网混合线路故障定位原理

目前无论是辐射型配网还是环形配网结构，线路均存在支路的故障区段判定问题，分支点处一般安装开关设备。按线路类型来看，架空线分支处（分支点O）多安装以柱上断路器为主的分界开关，电缆分支处（分支点P）配置具备分接线路和出线保护功能的高压开关柜（环网柜），无论是分界开关还是环网柜均可采集馈线的工况信息和故障信号。同时各分支末端多装有配电变压器，亦能设置线路故障信号采集装置。

考虑实际需要和工程成本，不在架空线和电缆连接点设置信号采集装置，仅在线路端点和分支点采集故障行波信号，记录初始行波和第二个行波波头到达的绝对时刻 tφγ（φ=M，N，A，B，C，D，E，F，O，P；γ=1，2）。将某一分支点及由其引出的所有分支线路定义为分支域，定义分支域1：点O与支路OA、OB；分支域 2：点 P 与支路 PC、PD、PE、PF。

2.1 故障区段的确定

2.1.1 线路分支的故障判定

针对混合线路的任一段（以分支PC说明），当故障发生时，行波的传播路径具有以下特点：

对于某一分支域的某一分支线发生故障，故障行波必先从故障点传至分支点，再按照最短路径原则传播到该分支域的其他非故障分支。故障分支末端与分支点采集到的初始行波到达时间之差和故障点的具体位置有关，而非故障分支末端与分支点采集到的初始行波到达时间之差，与故障点位置无关，仅与本段线路长度有关。

对于主干线故障或其他分支域任一支路故障，故障行波必先传至上一级分支点处，再按最短路径原则沿主干线传到目标分支域各分支线路末端。目标分支域的所有分支末端与对应分支点采集到的初始行波到达时间之差，均与故障点在线路中的位置无关，仅与本线路长度有关。

因此，可利用某一分支域的各分支末端与该分支点所采集到的故障初始行波时间之差的不同，来判定故障是否发生在本分支域内。

在域外任一点设置故障，依次通过试验或仿真测试故障初始行波到达各分支末端与分支点的时间差，取模拟故障点产生的行波传输到分支域k的时间差记为ΔTki=Tk1-Ti1。实际故障时，故障初始行波到达各分支末端和分支点的时间差记为Δtki=tk1-ti1（k=O，P；i为支路编号，i=A，B，C，D，E，F）。 构建行波时差参考数组Hk：

HO=［ΔTOA，ΔTOB］；

HP=［ΔTPC，ΔTPD，ΔTPE，ΔTPF］

行波时差测量数组hk：

hO=［ΔtOA，ΔtOB］；

hP=［ΔtPC，ΔtPD，ΔtPE，ΔtPF］

理论上，若分支域k内发生故障时，满足Δtkj＜ΔTkj，Δtki=ΔTki（i≠j），则故障发生在 k 域内的支路 k j上；若故障未发生在分支域k内，则对于所有支路i均满足 Δtki=ΔTki。

2.1.2 含分支混合线路故障区段判定

1）以特殊点故障时故障初始行波到达线路两端的时间差值作为标准值序列：

式中：ΔT1、ΔT2和 ΔT3分别为分支点 O、连接点 T 和分支点P发生故障时，故障初始行波到达线路两端的时间差值；v1和v2分别为行波在架空线和电缆中的传播速度。

2）实际故障时测量计算得到行波传播到混合线路两端的时间差：Δt=tM1-tN1。按2.1.1所述测量得到行波时差参考数组 HO、HP，行波时差测量数组 hO、hP，比较数组元素。

3）若对于两数组 HO、hO和 HP、hP，分支域内所有支路 i均满足 Δtki=ΔTki。 若 Δt＜ΔT1，则故障发生在架空线路 MO 段；若 ΔT1＜Δt＜ΔT2，则故障发生在架空线路 OT段； 若 ΔT2＜Δt＜ΔT3， 则故障发生在电缆线路TP 段；若 Δt＞ΔT3，则故障发生在电缆线路 PN 段；若Δt分别等于 ΔT1、ΔT2和 ΔT3， 则故障分别恰好发生在分支点O、线缆连接点T和分支点P。

4）若对于两数组 HO、hO，满足 Δtkα＜ΔTkα，Δtki=ΔTki（i≠α），且 Δt=ΔT1，则故障发生在分支域 O 内的支路Oα；

5）若对于两数组 HP、hP，满足 Δtkβ＜ΔTkβ，Δtki=ΔTki（i≠β），且 Δt=ΔT3，则故障发生在分支域 P 内的支路Pβ上；

6）若对于数组HO、hO，当分支域内所有支路i均满足 Δtki≈ΔTki，且 Δt≈ΔT1，或对于数组 HP、hP，当分支域内所有支路 i均满足 Δtki≈ΔTki，且 Δt≈ΔT3时，考虑到两端时钟同步精度的限制和时差测量的误差，无法判断故障发生在主干线或分支线上，一般选择以分支点O或T为中心，以综合误差δ为半径对相邻的几条线路做故障排查。对于架空线，只需排查一个线杆距离的区间，对于电缆线，因故障多发生在电缆接头，故只需排查相邻几个电缆接头。

2.2 确定故障位置

1）故障发生于主干混合线路，分以下几段判断：

架空线MO或OT段。

若OT段故障，又有

电缆PT段或PN段。

若PT段故障，又有

2）故障发生于某分支域内的一支路上，以OB为例，由双端测距原理得，故障点F到支路末端A的距离为：

对于分支点O收到的第二个故障行波可能来自故障点的反射波或是来自末端B的反射波。

若第二个故障行波是故障点F的反射波，则有单端行波测距原理得

若第二个故障行波是来自末端B的反射波，则有

理论上，无论故障点位置如何应满足

将 LOF（F）和 LOF（B）分别代入式（11），若代入式 LOF（F）后式（11）更接近成立，则第二个故障行波是来自故障点F的反射波，故障距离按照式（9）计算；若代入LOF（B）后式（11）更接近成立，则第二个故障行波是来自末端B的反射波，故障距离按照式（10）计算；若两次代入后，式（11）均接近成立，则故障距离按式（9）或（10）计算均可。

3 仿真验证

3.1 仿真模型参数设置

使用PSCAD搭建图1所示的仿真电路。线路长度按表1所示设置。

表1 各段线路长度 km

M端系统阻抗Zm=1.05+j0.84 Ω，电源初始角为30°，仿真频率为 1 MHz。

模型中架空线采用3 Conductor Delta Tower模型，导线选型为JKLYJ－10/240绝缘导线，直流电阻0.032 06 Ω/km。依据依频特性参数计算得故障行波在架空线中的波速度为2.98×105km/s；电缆线采用三相同轴电缆模型，根据电缆依频特性参数可求得行波在电缆线路中的传播速度为1.47×105km/s。

计算得到行波到达时差标准值序列：

模拟得到行波时差参考数组Hk：

3.2 仿真验证

3.2.1 F1故障

在BO段距离O点1 km处的点F1设置A相接地短路故障，过渡电阻为30 Ω，故障初始角为90°。采集得到分支点O与末端B的故障电压波形与模极大值分布如图2、图3所示。

图2 故障分支两端故障电压

图3 模极大值分布

各分支末端初始行波到达时间如表2所示。算得行波时差测量数组 hk，单位是 μs。hO=［14，4］；hp=［28，28，35，35］。

计算行波传播到混合线路两端的时间差：Δt=tM1-tN1=-35 μs。 因 Δt≈ΔT1，HO、hO明显满足 ΔtOB＜ΔTOB，ΔtOA=ΔTOA，故判定故障发生在分支域O内的支路OB上。

表2 F1处A相短路各点行波到达时间 μs

依据式（2）中给出的方法，代入式（8）得：

再由式（9）、式（10）得到不同反射点情况下的单端测距结果：

代入式（11）后，发现 LOF（F1）满足式（11）接近成立，故说明第二个故障行波来自故障点F1，且距点O有1.043 km，定位误差为43 m。

3.2.2 F2故障

在OT段距离O点2 km处的点F2设置A相接地短路故障，过渡电阻为20 Ω，故障初始角为90°。采集得到末端M、N的故障电压波形与模极大值分布如图4、图5所示。

图4 故障相电压波形

图5 模极大值分布

各分支末端初始行波到达时间如表3所示。

表3 F2处A相短路各点行波到达时间 μs

得到行波时差测量数组 hk，单位是μs。hO=［14，10］；hp=［28，28，35，35］。

计算行波传播到混合线路两端的时间差：Δt=tM1-tN1=-22 μs。 因 ΔT1＜Δt＜ΔT2，且对于两数组 HO、hO与 HP、hP，分支域内所有支路 i均满足 Δtki=ΔTki，故判定故障发生在主干架空线路OT上。

代入式（4）得：

LMF=6.804km，LOF=1.804km，定位误差为-196m。

3.2.3 F3故障

在支路PC距离P点2.5 km处的点F3设置AB相间短路故障，故障初始角为90°。故障电压波形和模极大值分布处理和F1、F2故障时相似，不再列举。故障各分支末端初始行波到达时间如表4所示。

表4 F3相间短路各点行波到达时间 μs

得到行波时差测量数组 hk，单位是μs。hO=［13，10］；hP=［-4，27，35，35］。

计算行波传播到混合线路两端的时间差：Δt=tM1-tN1=21 μs。Δt≈ΔT3，对于 HP、hP，明显满足ΔtPC＜ΔTPC，Δtkβ≈ΔTkβ，（β=D，E，F）故判定故障发生在分支域P内的支路PC上。

依据式（2）中给出的方法，得：

表5 混合线路不同点故障仿真定位结果

再由式（9）、式（10）同理得到不同反射点情况下的单端测距结果：

代入式（11）后，发现 LCF（F3）使式（11）更接近成立，故说明第二个故障行波来自故障点F3，且距点C有1.543 5 km，定位误差为43.5 m。

表5列举了该混合线路不同点发生故障时利用此类定位方法得到的定位结果，定位误差在200 m以内，无论故障发生在配电网混合线路的主干线路或分支，该套定位方法均可将故障位置误差较小范围内，具备一定准确性和可靠性。

4 结语

建立了10 kV配电网含分支的线缆混合线路模型，在此基础上，提出利用比较分支域域外和域内故障时各支路末端与分支点初始行波到达时差变化的支路故障判定方法，并与原有的基于时差判别的线路区段故障判定方法结合使用，以确定故障所在主干区段或支路，最后提出一种单双端组合行波故障测距方法精确定位了故障点位置。PSCAD仿真表明，该套故障定位方法具有较高的故障定位精度和可靠性。

该定位方法依赖于高性能的故障行波采集设备和高精度的时钟同步装置，对分支结构更为复杂的混合线路故障选线也具有一定的指导意义。

［1］李配配，黄家栋.配电网混合线路双端行波故障测距方法的研究［J］.电力科学与工程，2011，27（11）：31-34.

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Research on Fault Traveling Wave Location of 10 kV Distribution Hybrid Line with Branches

ZHU Jiangang1，LIU Guodong2，SUN Guihua3，MA Qingyu4
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China；2.State Grid Heze Power Supply Company，Heze 274000，China；3.State Grid Dingtao Power Supply Company，Heze 274100，China；4.State Grid Suzhou Power Supply Company，Suzhou 234000，China）

Considering the actual structure of distribution network，the common overhead line-cable hybrid line model of distribution network is established，branch points and branch lines are set，the boundary switches and ring network cabinet and their outlet situation are simulated，and the concept of branch domain is put forward.Based on this，a set of fault location method is proposed.Firstly，compare the difference of travel wave arrival times between the end of the branch line and the branch point while faulting outside and in branch domain to determine whether the fault occurred in the branch line.Secondly，the difference between the initial travel wave at the beginning and end of the trunk line of the actual fault is compared with that of the branch point and the cable connection point，and the branch line fault criterion is combined to determine the fault section of the trunk line.Finally，a simple single and double-ended traveling wave integrated ranging method is proposed to determine the specific fault location.PSCAD simulation results show that the set of positioning method can more accurately select the fault line，and determine the fault location.

hybrid line；branching domain；time difference comparison；combination ranging

TM726

A

1007－9904（2017）10－0006－06

国家电网公司科技项目（52130416000D）

2017-06-09

朱建刚（1991），男，硕士，研究方向为配电网故障检测与定位；刘国栋（1990），男，硕士，从事电网故障分析与计算工作；孙桂花（1988），女，硕士，从事配电网自动化工作；马庆玉（1990），男，从事小电流接地系统故障选线工作。