分布式定位技术在配网故障测距中的应用

谌业刚 王 平 陈 飞 张 满 石明明

（国网安徽省电力有限公司蚌埠供电公司）

0 引言

随着社会居民用电需求量的日益增长，使得配网管理所对电力送电可靠性的要求越来越注重。而电缆线路具有供电可靠性高、安全性好，且不占空间等优点，使得它在城市配电网中的应用越来越广泛。但配电电缆长久运行中，因自身存在的绝缘缺陷，加之配网运行电压波动范围大，难免造成线路过电压，它对电缆的绝缘性能影响最为严重，以至于发生跳闸故障［1-2］。现有配网电缆故障诊断方法大多以传统离线定位为主，如故障指示器、重合动作器、脉冲注入法等，这些方法大多需要借助人力完成，应用在配电网中，不仅会消耗大量的人力、物力，而且其定位准确度也难以把控，通常只能完成故障区段的选取，再由人工对故障点巡查，这样会导致整个配电网络复电时间延长，所以不能满足社会用电需求。因此，配电网在线式故障定位是未来电力线路故障诊断的必要发展方向之一［3-4］。

近年来行波法的不断深入研究及优化，在精度方面具有极高的准确性，成为一种高精度的故障定位方法。它受线路网络结构、过渡电阻、故障距离以及故障初相角的影响小，正逐渐取代传统故障定位方式，不断应用于线路复杂、分支节点多的配电网络故障诊断技术中［5］。例如张维进等通过在配网线路分布式安装传感器，在线路中模拟故障行波，实现了基于行波到达时间差的配网电缆故障定位［6］。姜雨轩提出一种基于时差矩阵的故障区间判定方法，通过监测行波到达各支点的时差，组建特征矩阵，从而实现线路故障区间的判定［7］。董灵斌提出了配网电缆故障在线式定位的实施条件，从现场监测装置入手，研究故障监测装置各模块的组成及其所需的最低参数值［8］。但由于配网电缆中环网柜的普遍应用，使得在环网柜处存在多个分支线路，这样会导致行波衰减严重，而且折反射变得极其复杂，所以行波定位法应用在配电网络中，还需考虑环网柜对行波衰减得影响。

针对上述问题，本文提出了可满足故障在线式监测的系统极其支撑条件，并且着重分析行波在环网柜中的衰减情况，以便制定合理的分布式监测布局，在不影响定位的情况下，实现配电网络监测区域的最大化。基于行波原理的在线式故障诊断技术已应用在实际配电网络中，并取得了良好的诊断效果。

1 配电网在线式故障监测系统组成

1.1 部署架构

配电网在线式故障监测系统的部署架构形式如图1所示，包括现场终端、后台中心和用户界面三种布局，现场终端安装的故障监测装置，负责采集配电线路故障行波、工况信息等，并借助内置的GPRS 无线通讯模块，将原始数据打包发送至后台中心进行数据解析、诊断，最终将诊断结果发送至用户界面，用户可通过计算机查询详细故障数据，也可通过短信接收实时故障诊断结果。

图1 系统架构图

1.2 支撑条件

故障监测装置是整个系统的核心部分，它直接影响着诊断结果的准确性，所以有必要对装置的功能模块进行重点研究。从行波定位精度的影响因素分析，它受线路长度、波速度和初始时刻三者共同作用，缺一都无法实现故障定位，前两者主要由电缆线路的固有参数决定，而初始时刻则主要取决于故障监测装置的采样精度和赋予采样点的时钟精度。

采样精度直接决定着故障行波的提取分辨率，越高的采样率，行波初始波头识别越清晰。通过对实测的故障行波进行FFT变换后，发现故障行波频率波动范围多数处于MHz 级别，所以本文选取可编程逻辑门阵（FPGA）来作为故障监测装置的高速数据采集模块，其最高数据采样率可达100MHz。在高速数据采集模块要求可达的同时，需配备授时模块，对每个采样点进行高精度赋时，随着我国北斗卫星的全面升空，使得北斗授时系统的时钟精度可达10ns，完全可以取代全球定位系统（GPS）进行赋时，所以本文选取北斗授时系统来作为故障监测装置的授时模块。另外，传感器对故障行波信号的响应频带，也是定位成功的关键，

考虑故障行波频率波动范围和罗氏线圈对高频信号的响应特性，本故障监测装置的传感器采用罗氏线圈电流传感器，其频带宽度为1MHz～100MHz。

为确保装置在现场能够稳定运行，供电模式的选取也十分重要。由于环网柜是导致线路分支的始发点，最适宜安装故障监测装置，因大多数环网柜分布在室内，所以本装置设有220V市电接口，对装置内置的锂电池进行充电。同时考虑设备安装在配电电缆附近，装置配备有耦合取电铁芯，直接从配电电缆上进行取电，经过整流、滤波、稳压后，直接供设备用电或给锂电池充电。且设备预留太阳能接口，可根据实际现场环境，选择性的配备太阳能电池板，保证供电可靠性。

2 分布式行波故障测距方法

分布式行波故障测距是基于行波双端定位原理实现的，它将线路分成若干监测区段，先准确判定出故障区间位于到某一小段后，再进行定位分析，其测距精度更高，而配电网的多分支结构，最适宜该方法的应用。图2所示为某配网线路结构。

图2 某配电网络结构图

图2 中，以电流方向为正方向，在各环网柜电缆进线端和出现端都安装有故障监测装置。假设故障发生在2#环网柜和3#环网柜之间的进线上，则可根据设备采集的故障行波相位判断出故障点位于监测区间B2C1段。在已知监测区间A1B1和C1D1段内的配电电缆线路长度时，可根据行波到达监测点的时差，即图3中的t1、t2之差和t3、t4之差，分别计算出行波在电缆A1B1段传播的波速度和C1D1段传播的波速度。若其他监测点均采集到故障行波，可按照同样的方式计算出不同区段的波速度，后取多区段波速度之和的平均值，记为，作为行波在电缆上传播的真实速度，就可在已知监测区间B2C1段内的电缆长度L时，再根据离故障点最近的两处监测点的时差，即t1、t3之差，按照行波双端定位式（1），计算出故障点离环网柜的距离：

图3 行波传输路径图

式中，d表示故障点离3#环网柜的距离；如需求离2#环网柜的距离，需对调时间变量再作差。

分布式行波故障测距在一定程度上优化了波速度对测距结果造成的误差，相比于使用传统理论规定的电缆波速度，其定位结果可靠性更高。同时，采用离故障点最近的两处监测点进行行波定位，极大的减小了行波在传播过程中因衰减畸变对测距结果的影响，提高了行波波头（即突变点）的提取精度，使得定位结果准确性更高。

3 行波在配电线路中的传输情况

由于故障行波传播到波阻抗不连续的地方时，会发生折反射，进而造成行波波头的衰减畸变。在配电网中，环网柜内置的负荷开关和熔断器，加上外接多个配电电缆分支，会产生复杂的折反射网络，使行波在环网柜处的衰减最为严重。以图2的配电网络为例，行波在配电网中的折反射情况如图4所示。

图4 行波在配电网中的折反射情况

本文采用分布式故障测距，只考虑折射波对故障定位结果的影响。为清楚了解故障行波传播到环网柜处的行波衰减情况，本文进行了相关试验，以放电球隙来模拟故障点，旋转调压器旋钮对其加压，直至球隙击穿闪络。如图5所示试验原理图，故障监测装置分布式安装在环网柜进线端和出线端，环网柜为两进两出式，进线端和出线端用10kV高压三芯电缆连接，电缆长度均为1km，R为100Ω。同时，为保证数据采集的准确性，故障监测装置采样率设置为50MHz。

图5 试验搭建原理图

图6 为监测点a 的故障初始电流行波，幅值大小约为22.53A，分别记录经环网柜折射后各监测点测得的电流幅值大小，为确保准确性，每组数据为3 次试验数据的平均值，并计算出幅值衰减比例，如图7所示各测点的电流幅值大小及对应的衰减比例。该试验数据由于所用电缆线路较短，可忽略线路电阻的损耗，从表中可以直观的看出，配电环网柜的应用对行波传播的幅值衰减影响很大，而且在实际的配电网络中，存在1 个环网柜包含三条及以上的出线数量，加快了行波衰减，所以故障监测装置的布局方式，并不能与结构单一的输电线路一样。经过大量的应用与实践，采用分布式故障测距，为确保设备能有效采集到故障行波，故障监测装置可间隔1 个环网柜进行分布安装，考虑到行波在电缆上的损耗，若相邻两环网柜之间的配电电缆长度大于5km，则需在每个环网柜都安装故障监测装置，以便准确采集故障行波。

图6 故障初始电流行波图

图7 各测点的电流幅值及衰减情况

4 实际应用验证

本文提出的配电网在线式故障监测系统已在多地配电线路中成功应用，以下结合实际配网故障诊断案例，进行故障测距分析。如上图2 的某配电网络结构，故障监测设备分布安装于环网柜的进行端和出线端，某时刻故障监测装置在A1、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1处均采集到了故障行波，A2、D2监测点装置未触发采集，故障行波波形图如图8所示。

图8 故障案例实测波形

由于故障监测装置均为正方向安装，从实测故障行波变化极性分析，可判断故障区间位于2#环网柜和3#环网柜之间的干线上。按照分布式故障测距方法，已知各监测区段的电缆长度，需首先计算平均波速，以A1B1、B1B3（或B2B3）、C1D1（或C2D1、C3D1）监测区段为准，根据故障行波到达不同测点的时间差，分别计算出三段区间内行波传播的波速并取平均值，作为行波在电缆上的传播速度，实测结果显示约为167m/μs，再依据行波到达监测点B2、C1的时间差，代入行波双端定位公式（1）中，计算出故障点距离3#环网柜约为2475.7m。后经运维班组人员巡线查找，实际故障发生点位于离3#环网柜2480m 处的电缆接头上，计算误差约为4m。

该系统通过在配电电缆上正方向安装分布式故障监测装置，首先根据不同测点故障行波极性的变化，确定故障区间，再计算出实际传播波速，从而找出故障点。从实测结果来看，定位结果较好。

5 结束语

分布式行波测距方法缩短了故障发生区段，减小了行波衰减对测距结果的影响，适用于结构复杂的配电网络。

1）依据就近采样点的故障行波到达时间差，基于行波双端定位计算故障距离，避免了初始波头发生衰减畸变带来的测距计算误差，提高了行波测距定位精度；

2）利用分布安装的监测装置所采集到的故障行波，在波速计算条件可达的情况下，分别计算出不同监测区段的实测波速度，后取平均值作为电缆行波波速度，相比于理论规定的波速度，定位结果更具表现力，提升了定位结果可靠性。