配电网故障行波定位综述

赵威，陆海，赵雄

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650127）

0 前言

当前配电网结构线路呈现复杂多元化，不同地区其配网拓扑结构呈现不同的特征。相较传统的配网线路，现代化程度较高的城市电缆线路的比重越来越高，其次在新能源渗透率较高的地区出现较多的分布式能源（distributed generator，DG）支路。因此在消费者对供电质量要求较高以及配网故障率以及线路复杂度都较高的大背景下，如何保证配网故障迅速可靠有效的定位解决是当前配网故障处理的一大难题。

目前国内配网一般都安装了自动重合闸装置，在发生瞬时性故障时一般都能进行自动重合闸操作，但是一旦发生的是较为严重的永久性故障，自动重合闸无法正确地进行合闸操作，因此遇到这类故障当前还是需要相关运维人员进行人工故障处理，但是人工处理存在效率低、高耗时以及无法全部找寻到故障线路，如何快速进行故障定位是最大限度保证用户供电质量的重要举措。

行波故障定位被广泛地应用于输电线路，其在故障定位时具有定位精度高、定位速度快以及不受系统运行方式影响等特点，但是相较于输电线路，配电线路具有结构复杂、线路分支较多、设备较多、负荷变化较大等特点，这些因素在某些方面影响到行波故障定位在配网中的应用。诸如，故障行波波速在电缆线路以及架空线路中传输速度不同、线路结构复杂导致故障行波在传输时发生折反射波重叠影响波头检测、分支较多导致所需行波检测装置也较多影响经济性。

针对上述限制故障行波测距技术在配网大范围推广的因素，我们需要对其进行多方面的考虑以及研究来实现故障行波测距技术在配网线路的有效合理应用。

1 配网故障行波定位影响因素分析

配网行波故障定位相较于输电线路行波故障定位而言，影响其定位精度以及可靠推广使用的原因相较较多，当前影响配网故障行波定位装置推广的因素主要有：架空电缆线路混合对波速大小的影响、支线数过多导致行波在传输路径发生过多的折反射影响波头检测、配网支路端口较多安装行波装置经济成本高昂。

1.1 混合线路影响

故障行波信号在传输到电缆线路与架空线路接头处时，结合处电气参数量存在差异可以近似将其视为边界处，故障行波在支路较多或者电气参数量存在差异时会出现波反射以及波折射现象，导致所检测的行波被各种反射波覆盖，为后续行波检测识别和故障测距的实现造成很大的困扰。针对这一问题，国内学者提出采用双端行波定位的方法来解决，由于双端定位仅仅只需要对故障行波初始波头来进行采集，从而有效的避免波折反射所带来的干扰，但是双端定位方法存在对时间同步精度要求较高而且需要支路两端安装行波检测装置。

电缆线路与传统的架空线路相比，其线路参数存在很大的区别，在相同导线截面积下，电缆与架空线电气参数存在以下区别：

1）电缆线路在电阻数值上略大于架空线路；

2）电缆线路电抗值远小于架空线路；

3）电缆线路电纳值远大于架空线路；

4）电缆线路对地电容略大于架空线路。

图1 电缆-架空混合线路分布参数模型

由于架空线与电缆线基本电气参数量存在一定差异，导致故障行波波速会出对混合线路存在波速不相同的问题，国内学者也提出了以下解决办法。文献[5]提出混合线路归一化处理，通过这样处理有利于将复杂配网拓扑结构解耦为树状结构，最终使得故障定位过程简化。文献[6]通过对架空电缆线路进行参数换算，按照推倒得出的公式对电缆线路进行等效处理。

图2 电缆-架空混合线路结构简图

1.2 分布式支路影响

如今配电网结构越来越复杂，使得传统配电网故障定位从定位精度以及定位效率上都有较大的影响，并且随着分布式电源（distributed generator，DG）支路接入会改变传统配网的网络拓扑结构以及潮流方向，这种改变会导致传统的保护出现误动以及拒动，在故障定位上会使得传统定位方案失败。传统定位方案在配网故障定位精度上受到过渡电阻、运行方式、线路参数等因素的影响，在某些情况下无法快速故障定位或者定位精度误差较大，需要人工进行故障排查，这会导致带故障运行线路出现故障区域扩大甚至烧坏电力设备，因此需要实现配电网快速故障定位以保证供电可靠性经济性。

与传统定位方案相比，行波故障定位不受过渡电阻、运行方式的影响，并且定位速度精度较高，因此可以选择将已经在输电线路成熟运用的行波故障定位方案运用到配网故障定位。

但当前配网接入大量分布式支路，使得配网结构愈发复杂使得故障行波精确定位难度加大，当前分布式支路接入对定位的影响主要有以下两个方面：

1）大量的电力电子设备接入会影响故障行波的正常传输产生各种折反射干扰波，影响定位的可靠性。

2）分布式支路的接入进一步使得配电网结构复杂化，影响定位方案的选择。

1.3 经济性影响

实现快速准确的故障定位是保证配电网快速自愈的基础，这是实现智能配电网建设的关键性技术。配网从结构上与输电网呈现不同特点，配网的特点为：闭环设计、开环运行、整体结构呈现辐射状、分支线路多等特点。由于其分支线路较多，想要全面的获得故障信息，需要安装较多的行波装置即增加测量点以保证对线路信息的可视性，但是由于配电线路较多，如果保证每条支路都安装行波装置，对于供电企业而言经济成本较高。

因此经济性也成为制约行波故障定位装置在配电网大面积推广的影响因素之一，针对这一原因，国内学者提出对行波装置布点进行优化。文献[7]提出通过Floyd算法将复杂网络转化为简单网络，对所有故障情况下线路两端节点分别取最小公共集，得到需要配置定位装置的节点。文献[8]根据邻接变电站个数确定初步配置方案，采用模拟退火算法进行配置，该方案必须通过电网故障定位计算进行校验，受故障点位置影响较大，计算复杂。

2 配电网行波故障定位方法

配电网结构复杂、支路数多、电力设备多、负荷变化大，这导致其发生故障的概率较大。因此实现快速故障定位是避免故障进一步扩大并保证故障线路恢复的重要基础。当前较为常用的配网故障定位方法如下：

2.1 单端法

利用故障点初始行波与初始反射到达检测端的时间差来进行故障定位。

图3 单端法定位原理

其故障距离计算公式为：

其中，t1为初始反射波达到时间，t0为初始行波到达检测端时间，显然这种定位方法原理简单，但是对于复杂的配网线路而言，其限制影响条件较多无法正确的进行定位，因此一般不作为主要定位方案。

基于此原理衍生出其他单端定位方法，诸如利用零模分量与线模分量波头到达检测装置的传输时差来进行定位。但是针对配电网复杂线路环境下，线模分量在传输过程中高频分量衰减较小、波速较稳定，因此可以作为故障定位的一个稳定参考量。零模分量受故障距离约束，其高频分量衰减较快，波速受线路参数影响较大，因此会导致最终故障定位结果精度不高。

针对单端法应用中存在的这些问题，国内学者提出这些方法来有效的解决问题。文献[9]提出正常运行时配网结构一般不变，对线路进行划分并建立路径矩阵，根据行波到达节点时间建立达到时间差矩阵，故障时依据故障初始行波到达时间差矩阵进行对比分析找出差异值进行故障定位。文献[10]通过检测故障暂态行波的零模和线模分量到达首端的时间差，然后在首端对三相同时注入相同的高压脉冲并检测线模行波首个波头到达检测点的时间，进而利用稳定的线模波速度进行故障距离的测量。

2.2 双端法

双端法通过在线路两端安装检测装置，达到获取波头达到时间。故障发生时产生的故障波沿故障点向线路两端进行传递。

图4 双端法定位原理图

其故障距离计算公式为：

其中t1、t2分别为故障行波到达线路两端的时间。

双端法测距只需要检测故障初始波头到达时间，对于反射折射波不需要处理，因此在初始波头能够被准确检测到的情况下，其定位精度相对是较高的。但是双端法需要线路两端安装行波测距装置，并且其对基准时间同步要求较高。

因此双端法在配网故障定位精度上相比单端法要好，但是由于配网支路较多影响其经济性。针对这一问题，文献[11]提出基于图论知识对配电网进行分层，在含有独立支路的T型线路中，只在其3个顶点配置定位装置，即可实现故障定位，不需在独立支路配置。

除经济性影响外，影响双端法推广使用的另一制约因素是对基准时间同步精度要求较高，对于配电网而言其线路距离普遍较短，时间精度对于故障定位的影响要远大于输电线路，因此针对这类问题国内学者主要提出以下方法来进行有效的解决：

文献[12]通过将故障后双端初始行波波头到达时间作为双端初始时刻，进而检测后续行波波头的相对时刻，分别将双端在特定的时间内行波波头到达时刻组成时间序列集合。再根据双端时间序列集合的相互映射关系，计算故障点的准确位置。

文献[13]采用一种单端、多端行波相结合的配电网单相接地故障定位方法，通过多端行波检测算法实现故障线路判别，然后利用波形相关性来检测反射波时间差来进行故障精确定位。

针对配网结构的复杂性以及故障行波定位影响因素的特殊性，无法运用单一某种方法来进行有效可靠的定位，当前国内主要研究趋势还是倾向于运用单-双端法进行组合拓展研究。

2.3 信号注入法

信号注入法是当配网线路发生接地故障时，通过在线路施加脉冲信号，而脉冲信号在不均匀的传输介质中会发生反射，而脉冲信号在接地故障点处的反射最为激烈，因此我们通过对该反射脉冲信号进行检测得到传输时间，来进行简单计算得到故障点位置。

依据此原理，国内学者提出以下方法来进行精确定位。文献[14]认为脉冲波在线路中传播会呈现一定的波形特征，通过录波的装置将波形记录下来，先得到合成波形，再排除杂波的干扰，对注入信号波形进行记录，从而确定出现故障的位置。文献[15]提出其他新的思路将小波变换用于故障定位，正常的行波通过小波变换后，通过和正常波形比较，可以得到波的奇异点，依据这个特征来判断。文献[16]根据行波法大概确定故障位置，判断出故障分支，之后再注入交流信号进行准确定位。

3 结束语

依据上述对配电网行波定位影响因素分析以及对配电网行波定位方法总结可以得出：

1）配电网故障定位精度需要得到提升，保证故障区域能够迅速恢复供电，并保护电力设备不被损坏。

2）当前研究所运用定位基本原理相似，但是针对当前各个地区配网结构复杂化，无法做到全部适用。

3）在行波装置优化研究方面，在输电线行波布点优化研究较多，在配网行波装置优化研究还较少。

针对上述结论，后期将要做的主要工作有：

1）在波速修正方面，合理的利用历史波速数据，并与当前支路参数特征结合进行分析，利用智能算法得出基准波速，并不断的进行修正。

2）定位方法选择上需要针对不同的地区、不同的配网结构进行最佳的定位方法选择，方法可以进行灵活的组合。

3）装置优化研究主要需要考虑线路可观性问题，建立相应的支路矩阵，在保证可观性的基础上结合灵活多变的定位方法来保证较高的可靠性和经济性。