基于波形相似原理的故障区域分析方法

造 颖1，唐 亮1，何 攻1，帅 红1，陈 宁1，徐永干

(1.国网重庆市电力公司 调控中心，重庆400015；2.重庆大学 电气工程学院，重庆400044)

配电网是电力系统中电能分配的重要环节，与电力用户直接相连。据统计，配电系统故障在整个电力系统故障中的占比超过85%，而当前配电网架空线发生故障的原因中，有80%以上是来自单相接地故障[1-4]，因此，这类故障给配电网的安全运行带来很大的威胁。线路出现故障后，需要尽快确定故障点位置。当前仍采取人工检查线路的操作方式，这会造成资源浪费，操作过程中也容易出现安全事故[5-7]。所以，有必要研究一种确定性的自动判断配电网故障区段定位的判据，实现快速准确的故障定位，以协助工作人员在尽可能短的时间内修复故障，这对于提高配电系统的可靠性具有重要意义[8-10]。

本文提出一种基于波形相似原理的故障点区域定位方法，运用单相接地故障点两侧的零序电流的波形相似度来区分上游故障和下游故障，通过分段逐个比对零序电流的相似度来判断故障点区域所在位置。最后，在PSCAD搭建仿真模型，结果验证了该方法可以快速实现故障点区域定位，协助工作人员尽快查找故障点并修复故障。

1 一种基于电网波形比较实现配网单相接地故障区域分析方法

1.1 原理

目前配网故障的区段定位方法一般通过线路上安装数据采集监测单元来实现。运用单相接地故障点两侧的零序电流的波形相似度来区分上游故障和下游故障，无需电压测量，其原理和具体实现方法如下。

当配电网中某处发生单相接地故障时，设该区域供电端母线处为M端，距离M点l处为N点，此时，有以下几种情况。

1)测量元件安装方式相同时

S10：当配电网中未发生故障时，N点零序电流波形和M点零序电流波形相似，以N点为新的起点，距N点l处的下一个测量点O的零序电流波形也与N处零序电流波形相似。

S11：当配电网中距M点l处发生单相接地故障时，若lL，则l处零序电流波形和M点不相似，故障点就在MN段线路。

2)测量元件安装方式相反时

当测量元件安装方式相反时，将N点波形相角延迟180°再与M点零序电压进行比较。

1.2 原理

1.2.1 波相关性方法

上述的原理是比较简单的，人用肉眼看很直观，但是要微处理器或是逻辑处理模块处理则比较困难。相关性是反映两个变量之间相似性的统计信息，得益于统计知识的使用(几何平均值和标准差)，软件能够对高中低的概念进行理解;得益于相关性系数的概念，可以在软件中实现相似度的概念。

1.2.2 时域下的模变换矩阵

传统的对称分量变换又称作相序变换，在三相交流稳态计算中经常使用。但是工频分量的计算往往需要一定长度的数据窗，这不利于实现快速保护动作。针对传统对称分量法使用的局限性，出现了瞬时值对称分量变换：

f120=S-1fABC，fABC=Sf120

(1)

式中，f120=[f1,f2,f0]T，fABC=[fA,fB,fC]T，a=ej120，瞬时对称分量变换矩阵为

(2)

瞬时值对称分量变换和传统对称分量变换的最大不同点在于瞬时值对称分量一般都是复数变量，而对称分量则都是相量。

1.2.3 故障区域定位实现步骤

1)当配电网中某处发生单相接地故障时，根据故障录波装置的数据，可得该区域供电端母线处(记为M端)的三相电流采样值isMA(k)，isMB(k)，isMC(k)。设相距远l处的下一个监测点为N，N处的三相电流采样值isNA(k)，isNB(k)，isNC(k)。

2)利用瞬时值对称分量变换将(1)采样得到M端三相电流离散采样值变换得到M端零序电流和iM0。

3)利用瞬时值对称分量变换将(1)采样得到的N端三相电流离散采样值进行变换后得到N端零序电流和iN0。

4)将计算所得的N点零序电流iN0与M零序电流iM0分别对比，若满足波形相似的条件，则M与N之间无故障发生。

5)以N点为新的起点，用相同的方法比较下一个测量点O的零序电流波形，直到找到一条线路不满足(4)中的条件，可判定此区段就是故障发生的区段。

2 仿真验证

通过PSCAD搭建仿真模型，对上述基于波形相似原理的判断故障点的方法进行验证。仿真参数：双端电源电压有效值U=220 kV，相位相差30°，系统频率f=50 Hz，线路电阻R=0.013 33 Ω/km，线路电感L=0.847 3 mH/km,线路电容C=0.013 9 μF/km。分别在图1中2、3、4处设置单相接地故障。

图1 三相线路仿真系统

I01、I02、I03、I04分别对应1、2、3、4处右侧电流互感器测到的零序电流，当2处发生A相接地故障时(见图2)，I02、I03和I04的零序波形在故障时，明显和I01不相似。

图2 2处故障零序波形图

当3处发生A相接地故障时(见图3)，I02的零序波形在故障时与I01相似，I03和I04的零序波形在故障时，明显与I01不相似。

图3 3处故障零序波形图

当4处发生A相接地故障时(见图4)，I02，I03的零序波形在故障时与I01相似，I04的零序波形在故障时，明显与I01不相似。

故障点上游波形相似，而下游波形与上游不相似，通过这种逐段验证的方法，即可判定故障点所在区域。

图4 4处故障零序波形图

3 结论

本文提出一种基于波形相似原理的故障点区域定位方法，并通过PSCAD搭建仿真模型进行验证，结果表明：该方法可以实现快速准确的故障定位，协助工作人员在尽可能短的时间内修复故障，为配电系统安全可靠的运行提供保障。