基于TWACS的配电网故障定位算法研究

王建元，邢春阳，胡跃旭，鞠默欣

（1.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林132012；2.吉林省电力科学研究院，长春130600）

0 引 言

配电网是电力系统的重要组成部分，由于配电线路长期处在恶劣的环境中和线路本身的质量等问题，以致线路故障越来越频繁地发生。目前，国内大部分地区依然是靠人工巡线的方法进行故障定位，只有部分装设有配电网自动化设备的地区才能有效地隔离故障，但是不能确定故障发生的位置，为了尽快排除故障恢复供电，配电网故障测距的研究变得更有意义。

目前，国内外对于配电网故障定位方法［1］的研究已取得显著成果，从原理上可以划分为两大类，分别为数值计算定位法［2］和监测定位法［3－4］。数值计算定位法只是在理论研究的基础上，在配电网中选取测量点，根据测量点所记录的信息，从各种干扰信息中提取丰富的故障信息的方法。文献［5］所提到的双端量测距方法利用故障后故障区段的电压电流的信息构造测距方程，避免了过渡电阻对测距精度的影响。文献［6］中的小波包分析法利用信号相关性进行故障定位，十分具有理论价值。国内配电网还采用监测定位法，通过在分结点安装监测设备来监测故障信息，从而进行有效地故障切除和定位，文献［3］中的光纤传感器是通过故障后分结点的零序电容电流信息来确定故障区段，然后通过继电设备切除故障区段。以上各种方法中很少考虑到数据信息的传输问题。针对这个问题需要考虑投资和方法的实用性，传统的监测定位法投资比较大，只能测出故障分支不能确定故障位置。在复杂的配电网络拓扑结构中，没有装设故障定位的装置，只能记录供电端的信息，为了减少故障信息传输的投资，并能利用故障发生时变电所记录的信息进行准确定位，达到工程上的要求。文献［7］提出了一种新型通信技术TWACS，信号可以直接跨越变压器台区实现两方的直接通信。与通信载波方法相比，它不需要中间设备，可以节省很大成本，而且这种技术不受馈线结构、电容和变压器绕组结构的限制，信号衰减很小，抗干扰能力强，可以传输故障信息。

采用文献［7］中的TWACS技术对配电网实现高精度的故障定位，结合单位正序差流有效值法和基于参数检测的双端故障测距算法准确地进行故障定位。把这种方法应用到国内配电网中将很大程度上提高效率以及降低成本，产生巨大的社会效益。

1 TWACS通信技术原理

双向工频自动通信（TWACS）是近些年发展起来的新技术，它利用在基频电压过零点处对信号进行调制，以50 Hz作为信号的载波频率通道，可以有效地跨越变压器的限制，通过在入站通道调制电流信号，在出站通道调制电压信号，以实现双向工频通信。

对于出站信号，此处以两个完整的电压波形作为一个调制信号的周期，在其中一个波形的过零点前30°时，导通晶闸管对波形进行畸变，由于此处电压过高，因此需要在调制电路中添加隔离变压器，利用调制位置的不同携带不同的信号，分别为“0”或者“1”（见图1），若两个周波都无调制信号，那么表示无信息。目前，出站信号的解调主要采用时域方法，本文采用差分算法和阈值判断的方法进行解调。

图1 出站信号的编码方式Fig.1 Encoding mode of the outbound signal

对于入站信号的调制原理与出站信号的调制原理基本相同，都是通过晶闸管的导通来调制信号，两者之间的不同在于入站信号的调制是通过电流畸变来携带信号。入站信号的调制处在用户低压端，因此不需要使用隔离变压器。对于入站信号的编码相对比较复杂，需要四个周波作为一个调制单元，相互对应的“0”或“1”码图一共有 18组，如果在 1、2、3、4位置进行调制表示信息位为“1”，那么在5、6、7、8位置进行调制表示信息位为“0”，编码示意图如图2所示。对于入站信号的解调，由于调制信号比较微弱，所以相对比较困难，需要先把电流信号转变成电压信号，再使用FIR滤波器处理信号，然后采用相干解调法进行解调。

图2 入站信号的编码示意图Fig.2 Encoding mode schematic diagram of the inbound signal

2 单位区段正序差流有效值法

对于配电网接地系统存在零序电流，可以根据区段零序差流法检测到故障区段，进而确定故障的位置。但是对于两相短路和三相短路等故障，不存在零序电流，故区段零序差流法不能适用于所有的故障类型。考虑到各类故障都存在正序电流，故可以采用正序电流进行检测。针对多分支配电网传统的零序电流比幅法［8］测量精度不够高，主要原因是在配电网具有多分支线路的情况下，非故障线路与故障线路的零序电流幅值差别不是很明显，且没有较强的规律性，因此容易导致误判。为了提高区间定位精度，本文首先提出利用各区段“差流”与长度的比值来拉大非故障线路与故障线路之间的差距，使得判据更加明显，其公式如下：

单一的单位零序电流法也存在着一定的缺陷，它只能反映某单一时刻或者某些时刻的故障零序电流，在此本文结合零序电流有效值法来提高故障区段定位的准确度。针对电力系统发生故障时会存在大量的非周期分量以及多次、高次谐波，因此用单一的对称分量法不能满足计算要求，本文在对称分量法的基础上采用全周波傅式算法［9］进行序分量计算，零序、正序和负序分量计算公式如下：

式中 xak、xbk、xck为各相采样值；N为一个周期的采样点数；Wk、Wk′、Wk“的计算公式如下：

针对以上得到的数据利用离散的有效值公式来计算正序电流有效值，根据各区段电流有效值与平均值的比值Tk1进行故障区段判断：

由故障时电流特征可知故障区段的Tk1最大，这样通过比较Tk1的大小就可确定故障区段。

3 基于参数检测的双端故障测距算法

3.1 故障测距计算

在配电网中参数的准确性对计算结果极为重要，本文采用分布参数模型［10］进行故障测距研究，以减小误差。现以单相为例，其故障后的模型如图3所示。

图3 发生故障后的参数模型Fig.3 Model parameters after the fault happens

图中Zm、Zn分别为系统阻抗；l为线路总长度；Vm、Vn为 M、N端的电压，Im、In分别为 M、N端的电流。

根据线路分布参数模型可知故障点f的电压向量，得到：

由以上两式可以得到测距公式如下：

式中i可取正序分量或正序故障分量，通过上式可测各类型的故障距离。

3.2 线路参数和非同步角计算

在配电网正常运行时，电气量只存在正序分量，因此可采用正序分量计算两端的非同步角，计算公式如下：

在故障测距的计算公式中传播常数γ、波阻抗Zc的准确度直接影响到测距的精度，然而这些参数容易受到外部因素的影响，因此需要对这些参数［11－12］进行实时计算，以确保测距的准确性，在得到非同步角的基础上，可由线路模型得到相应序分量的γ和Zc。

4 算例分析

为了验证以上所述方法的有效性，现采用MATLAB／SIMULINK进行数据仿真采样。所选的线路参数如表1所示。

表1 线路参数Tab.1 Line parameters

建立如下模型，以C相接地故障为例，如图4所示。

图4 仿真简化模型Fig.4 Simplified model of simulation

模型中M端表示发电机端，N表示用户端，1、2、3…7表示配电网中的7个分支。仿真采样频率为5 000 Hz，即每个周波采样100个点。在N端设置调制模块，本次仿真中只对A相电流进行调制，设定用户端入站信号的调制信号为“1011”，调制波形如图5所示。当未发生故障时，首先对采集到的数据进行加噪处理，由于存在噪声和谐波，需要用FIR滤波器来提取信号，然后用数字差分算法对提取到的信号进行相干解调，最后求和并根据相干解调法的阈值判断准则得到信号，解调过程如图6。当发生单相接地故障时信号的输出结果如图7。

图5 电流调制波形图Fig.5 Waveform diagram of current modulation

图6 未发生故障时的解调结果Fig.6 Demodulation result when a failure doesn’t occur

图7 发生故障后的解调结果Fig.7 Demodulation result when a failure occurs

对比图6和图7的解调结果，可以看出故障检测的信号幅值不满足阈值判断条件，因此可以判断出故障是否发生。

根据单位区段正序差流有效值法可以得到各区段的有效值如表2～表3所示。

表2 过渡电阻为0Ω发生单相接地故障Tab.2 Single-phase ground fault occurs when transition resistance is equal to 0Ω

表3 过渡电阻为100Ω发生单相接地故障Tab.3 Single-phase earth ground occurs when transition resistance is equal to 100Ω

由以上两表可以准确判断出故障发生在区段5，而且该方法不受过渡电阻的影响。

采用区段5故障前一周波的数据按照以上公式计算非同步角以及其他参数，由于故障刚发生后有各种复杂的谐波和衰减直流分量，因此选择远离故障发生的时刻以提高精度，采用故障发生后线路两端第三个周波的正序基频分量进行故障测距计算。表4给出了不同过渡电阻、不同故障实际距离情况下的测量结果。

表4 故障测距仿真结果Tab.4 Simulation results of fault location

5 结束语

以多种方法为基础，提出基于TWACS通信技术的配电网故障定位算法，具有以下优点：

（1）通过对比双向工频通信系统和电力线载波通信系统，其特殊的优点，能够在配电网络中得到很好的应用，大大提高效率，同时也能降低通信成本；

（2）单位区段正序差流有效值法既可以加大非故障线路和故障线路的差距，也能通过傅式算法消除三相电压、电流中含有大量的多次、高次谐波和非周期分量，还能利用一个周期内所有数据的有效值来减小误差；

（3）非同步角和实时参数对双端测距十分关键，本文采用基于参数检测的双端故障测距算法，考虑了这几种参数对故障定位的影响，在最大程度上减小了误差，满足实际工程的需要。