配电网行波测距装置布点研究

张 璇 ，于 洋，王敬华 ，张新慧，刘国栋

（1.山东理工大学智能电网研究中心，山东 淄博 255049；2.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东 淄博 255032；3.山东科汇电力自动化股份有限公司，山东 淄博 255049；4.国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东 菏泽 274000）

配电网行波测距装置布点研究

张 璇1，于 洋2，王敬华3，张新慧1，刘国栋4

（1.山东理工大学智能电网研究中心，山东 淄博 255049；2.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东 淄博 255032；3.山东科汇电力自动化股份有限公司，山东 淄博 255049；4.国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东 菏泽 274000）

配电网行波测距装置的配置影响着故障测距的准确性和系统的经济性。现有关于行波测距装置配置的研究多集中于输电网，缺少对配电网行波测距装置配置的研究。分析配电网行波信号的衰减特性，研究分支数量对行波信号传输的影响以及分支线对故障定位的影响，提出在配电网架空线上分散安装行波测距装置的初步配置方案。该方案减小行波测距装置检测信号的衰减，并且克服了配电网分支扩展时仅在变电站配置行波测距装置会得到伪故障点的缺陷，为配电网行波测距装置的配置提供了一种新思路。最后，使用ATP进行仿真验证，结果表明了分析的正确性以及该方案的可行性。

配电网；架空线；行波测距装置；配置；分支线；分支数量

0 引言

据统计，电力系统90%的故障发生在配电网侧［1］。配电线路发生故障，不仅危及电力系统的安全稳定运行，严重的还会影响社会生产、生活。准确定位故障位置，可以减轻人工巡线的劳动强度，尽早恢复供电，提高供电可靠性的同时降低经济损失。综合比较现有的故障测距方式，行波法不受过渡电阻以及线路结构的影响，测距精度高，被广泛应用于电力线路故障测距。

行波法最终能否准确测量故障距离、定位故障位置，取决于测距装置的安装地点是否合适。行波法最先应用于输电线路。输电线路结构较为简单，分支少，线路长，一般采取变电站内获取行波信号的方式。目前对于行波测距装置配置的研究主要集中在输电网［2-5］。文献［2］使用模拟退火法优化输电网中行波测距装置的配置，文献［5］提出一种基于拓展双端测距原理的行波测距装置最优化配置方法。但所提优化配置针对输电网，且配置地点均为变电站。与输电网不同，配电网节点多、波阻抗不连续点多，结构复杂，若依旧采用变电站内获取信号的方式，行波信号经过波阻抗不连续点发生多次折射后衰减幅度大，难以准确记录行波信息；此外，即使能够准确记录行波信息，但由于分支线路多，仅根据变电站中采集的行波信息会得到多个故障点，无法进行精确故障定位，依然不能减少故障巡线的工作量。

针对配电网的线路结构特点，提出在配电网架空线上安装行波测距装置的配置方案。根据行波在分支节点（波阻抗不连续点）处发生衰减的特点，在架空线分支节点处分散配置行波测距装置，结合多点采集信息，进行精确故障定位。该方案克服了仅在变电站配置行波测距装置信号不易获取以及产生伪故障点的缺陷，实现了故障的精确定位。

1 行波的传输特性

1.1 配电网线路结构特点

对于研究行波测距技术而言，与输电网相比，配电网的主要特点为：出线多，且各线路长度较短；线路分支较多，波阻抗不连续点多；农村配电网线路以架空线为主，采用电缆—架空线混合线路。

1.2 行波的折反射

行波信号在经过波阻抗不连续点时会发生折反射［6］，如图1所示。

图1 行波的折反射

线路1波阻抗为Z1，线路2波阻抗为Z2，A点为波阻抗不连续点。当入射波沿线路1经A点进入线路2时，波阻抗的变化使得两段线路的电压与电流比值不同。前行的入射波被分成两部分：继续向前传输的折射波和向相反方向传输的反射波。这里，将入射波的电压和电流记为u0和i0，折射波为uT和iT，反射波为uR和iR。则有：

其中：

联立式（1）和式（2），可得：

1.3 配电网行波信号传输的特点

配电网线路长度一般较短，约20 km左右，架空线中的行波的传输速度一般为 2.92×105km/s［7］。 相比之下，行波在配电网中传输时必然会发生多次折反射，尤其配电网分支线路和节点数较多，折反射更为复杂，其折、反射如图2所示。

图2 行波折射波、反射波网格

折射使得行波信号发生衰减，当信号衰减程度过大时，就会影响测距装置对故障行波信号的采集，导致测距失败。因此，有必要研究经波阻抗不连续点后信号的衰减情况。

在配电网中，造成行波信号衰减的主要原因是信号在分支点发生折射。分支对于行波信号的折射体现在两个方面：分支点折射和线路折射。

分支点折射系数：

线路折射系数：

2 分支线对行波传输的影响

2.1 分支数量对行波衰减的影响

这里分析分支数量对电压行波的影响。假设各线路波阻抗相同，即ZL=ZL1=ZL2，故障行波初始电压为U0。

图3 带分支线路

以图3所示两分支线路为例，行波信号采集点采集到的电压为：

按式（6）计算，当分支数量不同时，在信号采集点采集到的电压行波信号如表1所示。

表1 分支数量对电压行波的影响

由表1可知，分支数量越多，采集点采集到的行波信号衰减越严重，因此在配置行波测距装置时，要充分考虑分支线的数量。

在分析分支线数量对电流行波的影响时，除了要考虑分支线路中电流分流比例外，其他分析同电压行波。

2.2 分支线对故障点定位的影响

分支线路多是配电网的重要特点之一。由于靠近用户侧，配电网线路在建设完成后，分支线扩展性较大。基于目前仅在变电站安装行波测距装置的测距装置布置方案，当故障发生在扩展的分支线上时，进行故障测距会产生伪故障点。通过图4说明分支线扩展对故障点定位的影响。

图4 带两级分支线路

如图4所示，L1、L2、L3、L4 为初始建设线路，L5、L6为后期实际需要所扩展的新分支线。初始建设时，主干线路两端A和B安装了行波测距装置。扩展分支线路L5、L6后，当距离测距装置B距离相等的a点或b点发生故障时，现有行波测距装置的安装方式只能判断故障距离，而无法精确判断故障发生于a点还是b点，增加了巡线工作量。尤其是当分支级数以及分支线数量扩展较多时，伪故障点也会随之增加，给故障测距造成更大困难。

3 行波测距装置布点

仅在变电站安装行波测距装置，故障点产生的行波信号只能在变电站中获取。由第2节分析可知，该配置方式在配电网中进行故障测距时存在两个问题：多分支造成的行波信号过度衰减以及分支线后期扩展导致不能精确定位故障点。

针对这两个问题，提出在架空线上就地分散安装行波测距装置的方法，其安装原则为：在每一个分支点处安装行波测距装置，以便就近获取行波信号，减少信号衰减；根据线路实际情况，在每一条扩展的重要分支线路末端安装行波测距装置，实现精确故障定位。对于对供电可靠性要求较低的分支线路末端可不安装行波测距装置，离线测距进行故障定位。安装如图5所示。

图5 架空线行波测距装置安装示意

线路未进行后期建设时，在位置1~8安装行波测距装置，以满足线路上任意一点故障能进行双端测距的需要。当扩展线路4、线路5时，若仅在分支点A左侧安装行波测距装置，线路4、5上发生故障无法精确定位。若按图5方式，根据线路扩展情况，在扩展线路末端安装行波测距装置，分析8、9或8、10采集到的行波信号即可准确定位故障位置。

4 仿真分析

4.1 行波衰减分析

在ATP中搭建小电流接地系统仿真模型，模型如图6所示，故障点设为F点，行波测距装置置于分支线上N点。改变分支线条数，测得其故障点与线路末端N点的电压行波信号。图7为当分支线数量不同时，分别在故障点与N点测得的电压行波。

图6 简单配电网仿真模型

图7 分支数量对于行波信号传输的影响

图7中，绿色线为故障点电压行波波形，红色线为N端电压行波波形。分析图7可知，随着分支线增多，行波信号随之衰减，与第2节的分析相符。

4.2 故障定位对比分析

利用小电流接地系统进行仿真分析。在ATP中搭建四级分支配电网模型，如图8所示。

图8 4级分支配电网仿真模型

仿真模型中L5、L6为后期扩展分支线路，其他线路为初期建设线路。各参数如下：电源为三相110 kV交流电，变压器采用中性点经消弧线圈接地方式， 变比为 110/10.5。 线路参数：R1＝0.17 Ω/km，R0＝0.23 Ω /km，L1=0.38 mH /km，L0＝1.72 mH /km，C1＝3.045 μF /km，C0＝1.884 μF /km，MP=45 km，PF=8 km，FN=15 km。在F点设置t=0.05 s时发生单相接地故障，采样频率为1 MHz。

按照第3节的配置方案，在P、N两点采集电压行波信号，在M、P点采集作对比分析，将采集到的波形导入MATLAB进行处理，得到其线模分量如图9所示。

图9 电压行波线模分量

图9中将行波波头的起始点时刻作为行波到来的时间参数［8］。经分析，故障行波到达P端为50 028点，到达M端为50 154点，到达N端为50 052点。根据线路参数，L1＝0.38 mH/m，C1=3.045 μF/m，可得波速度为2.939 8×105km/s，由此计算测距结果可得：利用M、P两点进行双端测距时，可得故障点距离M端45.27km，距离P端8.23km，由于分支线L5、L6上两个点均满足该结果，因此不能精确定位故障位置。而利用P、N两点进行双端测距时，利用双端测距原理计算可得，故障点距离N端15.28 km，仅定位一个故障点。

由仿真结果可知，如果仅在M点安装行波测距装置，虽然能在误差准许范围内确定故障距离，但是会得到多个故障点，无法完成精确故障定位。如果在配电网架空线上分散安装行波测距装置，在每条主线路的首端和末端均安装行波测距装置，则可以精确定位故障位置。

5 结语

配电网线路结构复杂且分支数量较多，不宜采用输电网中仅在变电站中配置行波测距装置的方法。通过分析可知故障点行波信号在经过多个分支点后会衰减，衰减信号将会给检测和识别带来困难，且当配电网分支线进行扩展时故障定位不准确。提出架空线上配置行波测距装置的方案，该方案较好地克服了上述问题，能够进行精确定位。该配置方案开拓了配电网行波测距装置配置的新思路，为以后研究适用于配电网的行波测距装置提供了相应的理论基础。接下来，将继续研究适用于配电网架空线的行波测距装置，尝试对其配置进行优化，以满足经济性的要求。

［1］陈时飞.基于行波的配电网的故障测距技术研究［D］.北京：华北电力大学，2016.

［2］李泽文，姚建刚，曾祥君，等.电网行波故障定位装置的优化配置［J］.电力系统自动化，2009，33（3）：64-68.

［3］邓丰，陈楠，曾祥君，等.基于图论的电网故障行波定位装置最优配置算法［J］.电力系统自动化，2010，34（11）：87-92.

［4］马雪，曾祥君，邓丰.电网故障行波定位装置优化配置方法［J］.电力科学与工程，2014，30（5）：23-27.

［5］梁睿，徐成，王飞，等.复杂输电网中基于全网行波信息的测距装置最优配置［J］.电工技术学报，2016，31（21）：30-38.

［6］葛耀中.新型继电保护和故障测距的原理与技术［M］.西安：西安交通大学出版社，2007.

［7］薛永端，李乐，俞恩科，等.基于分段补偿原理的电缆架空线混合线路双端行波故障测距算法［J］.电网技术，2016，38（7）：1 953-1 958.

［8］徐伟宗.基于双端行波原理的辐射状配电线路故障测距［D］.重庆：重庆大学，2010.

Research on Location of Traveling Wave Distance Measuring Devices in Distribution Network

ZHANG Xuan1，YU Yang2，WANG Jinghua3，ZHANG Xinhui1，LIU Guodong4
（1.Shandong University of Technology，Zibo 255049，China；2.State Grid Zibo Power Supply Company，Zibo 255032，China；3.Shandong Kehui Power Automation Co.，Ltd.，Zibo 255049，China；4.State Grid Heze Power Supply Company，Heze 274000，China）

The reasonable configuration and distribution of the distribution network fault location devices for detecting traveling waves affect the accuracy of fault locating and the cost efficiency of the system.The existing researches of traveling wave device configuration are mostly aiming at the problem of the transmission network while the research on the configuration of traveling wave distance measuring device in distribution network is little.In this paper，the attenuation characteristics of the traveling wave signals in the distribution network are analyzed.The influence to the fault location due to the branch numbers as well as that due to the character of the branch line is studied.A preliminary scheme of distributing the travel wave detecting devices along over-head lines of the distribution network is proposed.The attenuation of detected fault traveling wave signal is reduced.The shortcoming of the incorrect fault point calculation frequently happened in case that the traveling wave ranging device is only installed in the substation when distribution network branch expansion is eliminated.The ATP simulation is used to verify the feasibility of the analysis and the proposed configuration scheme.This research provides a new idea to improve the distribution network fault location based on traveling wave configuration.

distribution network；overhead lines；traveling wave ranging devices；configuration；branch lines；branch quantities

TM744

A

1007－9904（2017）10－0012－05

淄博市校城融合发展计划项目（2016ZBXC076）

2017-06-12

张 璇（1992），女，硕士研究生，研究方向为配电网自动化；于 洋（1986），男，工程师，研究方向为电力系统及其自动化；王敬华（1972），男，高工，硕士研究生导师，研究方向为配电自动化；张新慧（1971），女，教授，硕士生导师，研究方向为智能配电网保护与控制；刘国栋（1990），男，研究方向为配电网故障分析与计算。