基于波形差异性配电网故障定位方法

福建电力职业技术学院 林键炜 刘 毅 贺健伟

行波法不受线路类型、故障电阻及两侧系统影响，精确性较高。但存在如信号获取、行波强弱、行波波速不确定性、故障电流小导致定位不准确等问题[1]。其中，由于A、B型行波法需对故障点产生的行波信号进行检测，而我国配电网是小电流接地系统，故障行波信号特征不明显，所以在故障定位时会出现困难；C型行波法则因其在线路首端注入信号，再通过因故障点引起的反射波到达时间来确定故障位置，不受故障信号特征的影响[2]，所以理论上适用于结构简单的配电网，但无法解决配电网结构复杂，分支众多的问题。

提高配电网供电能力，提高国民经济一直是国家关注的重点。随着社会经济的发展，配电网改造来到第三阶段，即将采集、传输、控制装置无线和计算机结合的馈线自动化系统，能对故障区段实现一次性定位和隔离[3]。所以现阶段急需一种有效的方法解决配电网故障定位的问题。

1 基于波形差异性的配电网故障定位研究

1.1 注入脉冲在多分支线路中的传输过程研究

行波法在进行配电网故障定位时较为简单，只需注入脉冲的起始时间、故障特征波的到达时间以及行波在线路上的传播速度，即可通过公式：XL=1/2（t2-t1）v计算得到，如图1所示。

图1 C型行波定位

1.1.1 正常情况下的传输过程研究

但是配电网的分支众多，进行定位时，难以区分故障分支，会出现伪故障点，所以判断故障出现在哪个分支是注入脉冲法的关键[4]。因此，对注入脉冲在多分支线路的三种不同传输过程进行研究。如图2所示，在线路以及分支线首端设置检测器，在M端注入幅值为U0的脉冲，假设线路为均匀无损线路且参数相同，即波阻抗相等，都为Z0，根据行波折反射原理，可得到每个分支线检测的脉冲幅值为：。

图2 脉冲在三分支线路的传输过程

推广到m个分支点且每个还有n条分支线，线路参数一致，则以注入脉冲传输方向为基准，从

1.1.2 金属性单相接地情况下的传输过程研究

根据行波折反射原理，若MA段发生金属性单相接地短路，则UA1=UA2=0，即A、B、C三点都检测不到脉冲信号；当AB段发生该故障时，则,即B、C两点检测不到信号，以此类推到m个分支点且每个还有n条分支线时，根据金属性故障时哪个分支点检测不到脉冲信号，可推出故障发生在哪一条分支线路上。

1.1.3 经电阻单相接地情况下的传输过程研究

根据行波折反射原理，当MA段发生经电阻单相接地短路时，脉冲幅值U0会衰减，则在A点检测到的脉冲幅值小于正常情况下的幅值，同理，在B、C点检测到的也是如此；当AB段发生该故障时，在A点检测到脉冲幅值应与正常情况下一致，但在B、C点检测到的幅值会小于正常情况下的；以此类推到m个分支点且每个还有n条分支线，根据分支点故障与正常情况下检测到的幅值的差异，以及前一分支点检测到的幅值是否有差异，可判断故障发生的范围。

1.2 基于波形差异性的配电网故障定位原理

根据行波折反射原理，脉冲在遇节点时会发生折反射，相应的折反射波在遇节点时也会发生折反射，为了方便区分，提出节点特征波以及故障特征波的概念，即行波遇节点反射回来的第一个行波称为该节点的节点特征波，同理，行波遇故障点时第一个反射回来的行波称为故障特征波，其余经过多次折反射产生的行波称为杂波[5]，由于配电网结构的复杂性，导致检测器检测到的是各个杂波和故障特征波叠加起来的波形，无法直接得到故障特征波。

但如图3所示，A为线路首端，B为分支点，C为线路末端，F为金属接地点，在A点注入行波，无论两段线路长短，假设B-C段发生故障，可以发现行波在A-B段上的折反射是不受故障点位置影响的，并且与A-B段线路长度无关，但从B点向故障点折射的行波会与正常情况下不同，并且后续的折反射都会与正常情况不同。所以利用正常与故障情况下的波形的差异，即可得故障特征波。

图3 脉冲行波传输过程

为了准确得到故障特征波，可以将正常与故障情况下的波形相减，即可将杂波以及节点特征波去除，这样，就可以得到故障特征波。如图4所示，利用MATLAB软件，将仿真的波形数据导入，再利用plot函数等，绘制出波形相减图。由图4（b）所示，将杂波和节点特征波滤除后，可知第一个行波即故障特征波，即可得故障特征波到达时间，在假设行波传输速度不变的情况下，可以进行故障定位。

图4 故障特征波到达时间识别

2 基于波形差异性的配电网故障定位仿真

2.1 仿真模型建立

利用PSCAD建模，配电网拓扑图如图5所示，该配电网有3个节点，3条支路，A点为信号注入点，F、G、H、B点各有负荷连接，将A-B设为主线路，而分支线A-C、C-F、D-G、E-H线段首端即在线路和分支线路首端分别都放置检测器。

图5 配电网拓扑图

2.2 配电网单相接地故障仿真

以A点检测波形为例，线路正常情况下波形如图6（a）所示，再以A-C段距A点10km处发生金属性接地为例，图6（b）是利用MATLAB软件进行波形图相减得出的波形，从图中可以看到第一个行波的到达时间即故障特征波的到达时间，其余数据见表1、表2、表3。

表1 各点注入脉冲幅值

表3 各段100Ω电阻故障仿真结果

图6 AC段金属性接地故障对比图

根据仿真结果可得：当分支线发生金属性接地时，该分支点前检测到的脉冲幅值不变，故障分支首端检测到幅值为0；由表2可知，该方法进行故障定位时，误差均小于100m，符合实际；当发生经电阻单相接地故障时，计算故障距离误差均小于100m，符合实际；故障分支线路首端检测到脉冲幅值会小于正常情况下的幅值，而其余分支会与正常情况下相同。

3 结语

在PSCAD上搭建了多分支配电网单相接地故障仿真模型，分析注入脉冲法的有效性及合理性，根据仿真结果展示，注入脉冲法搭配多个探测器，只需观察各个探测器检测到的脉冲幅值是否与正常相比发生了变化即可知故障是否发生在分支线路上，再利用主线路以及故障分支线上的检测到的故障特征波到达时间即可定位故障。