配电网接地故障测距改进方法研究

曹明杰 邹晓松 袁旭峰 熊炜

摘  要： 针对配电网发生故障时对国民经济造成巨大危害，介绍一种主要结合智能控制终端的故障定位测距模块和改进的故障测距方法。通过对常规测距方法的比较决定使用双端测距法对故障点进行定位;为提高测量结果的精度，引入差分环节和FIR滤波环节的全周傅氏算法对数据进行处理，并对所建立的原始模型进行扩展，最后通过Matlab进行仿真实验验证。结果表明该方法具有很高的可靠性和测距精度，且在各种短路情况下依然具有较高的精度，满足工程实际的要求。

关键词： 智能终端; 双端测距法; 差分环节; 滤波环节; 故障定位; 测距精度

中图分类号： TN876?34                         文献标识码： A                          文章编号： 1004?373X（2019）11?0117?04

Abstract： Since the fault of the distribution network may bring great harm to the national economy， a fault location and ranging module combining intelligent control terminal is introduced， and its improved fault ranging method is studied. The double?ended ranging method is used to locate the fault point by means of comparing the conventional ranging methods. In order to improve the accuracy of the measuring results， the data is processed by the full?cycle Fourier algorithm with differential link and FIR filtering link. The established original model is extended. The simulation results of Matlab show that the method has high reliability and ranging accuracy， especially in a variety of short?circuit cases， and can meet the actual project requirements.

Keywords： intelligent terminal; double?ended ranging method; differential link; filtering link; fault location; ranging accuracy

0  引  言

随着国民经济的快速发展，电网发生故障对经济和社会生产带来的危害是巨大的。所以一旦配电网发生接地故障，需要快速、精准地找到故障位置，实现配电网的故障隔离和恢复供电[1]。故障测距方法基本上可以分为行波法、阻抗法、人工智能法和故障分析法[2]。行波法存在受初相角影响大，对采样率要求高，易产生死区等问题[3]。阻抗法受接地电阻、故障点的过渡电阻、线路结构、线路分布电容的影响显著，即使有很多消除其影响的方法不断出现，但也会付出降低测量结果精度的代价。人工智能测距法是将各种智能算法应用到故障测距的算法求解中，并且算法种类多样[4]，但每种人工智能算法都有其局限性，目前也都处在研究和发展阶段，并未大规模投入使用。文献[5]提出一种基于广域同步信息的故障测距新方法。该方法基于线路的分布参数模型，利用横向故障电流与故障距离的关系构造了一个测距函数，从而通过迭代求出最大横向故障电流，该电流的对应距离即为实际故障距离。此方法的缺陷是不能对带分支线路进行故障测距，如何改进测距算法是其要进行的核心工作。文献[6?7]提出一种含DG配电网单相接地故障测距改进算法，利用变电站电机的出线电流和电压作为输入，通过迭代计算故障区段上下游母线电流电压，代入由故障条件下复合序网建立的表达式中得到故障距离。文献[8]提出在故障发生时利用故障录波装置采集电气量信息，再根据这些数据信息构建测距方程，可分为单端测距和双端测距方法。单端测距仅采集线路一端的电压和电流值，不需要配备通信装置，数据采集技术也很成熟，具有一定的优势，但也存在一些问题，比如微分方程法受分布电容的影响较大，沿线电压法存在故障测距的死区，单端工频量法受对端系统阻抗影响显著。

随着大量DG加速渗入配电网，由于分布式电源的接入将会导致有源配电网中发生故障时的特性发生很大的改变，使得有源配电网的故障特性与传统配电网之间存在很大区别[9]。这种情况下有源配电网发生故障和传统配电网有了很大区别，研究出更适合现有故障类型的故障测距方法，对于快速准确地进行故障定位，加速故障排除，从而提高供电可靠性具有重大意义。虽然国内外学者围绕配电网单相接地故障问题开展了大量研究并取得了许多成果[10]，但当DG接入配电网时对配电网接地故障测距的影响研究较少，所以本文的研究对于以后结合有源配电网研究故障测距能够建立一定的基础。

双端测距法利用线路两端的电气量信息，并且需要通信系统进行双端信息的交互。相比单端测距法，由于其数据信息量充足，可在很大程度上减小故障点过渡电阻的影响，得到了广泛的使用。本文將采用基于故障分析的双端测距作为主动配电网智能控制终端的故障定位测距方法。

1  单端电源配电网络模型

目前应用于故障测距的线路模型主要有集中参数模型和分布参数模型两种。本文采用的是更符合实际情况的线路分布参数模型。由于远距离输电线路的距离长，沿线路均匀分布的阻抗、电纳、电容、漏抗等参数就不能看成是集中的参数。在具有分布参数的交流电路中，电压、电流与时间和线路的距离有关。远距离输电线路的基本方程（推导略去）为：

一段故障线路如图1所示。假设线路三相参数平衡，A为线路首端;B为线路末端，F为故障点，abc为三相线路。其中c相线路发生接地故障，[x]为线路首端到故障点的距离。

图1  故障线路图

設A和B电气参量可测，在三相电路中，对于任意一组三相向量（电压或电流）可以分解为正、负、零分量，当选择a相作为基准相时，三相向量与其对称分量之间的关系为：

针对上述公式的推导过程，三相电路的传统分解向量图如图2所示。本文结合相应的测距方法和方案对传统的测距方法进行研究，并结合双端同步向量法进行试验研究。对比得出本文所研究的方法具有很大的优点，并且对以后分布式能源接入配电网的故障测距也奠定了基础。

本文在项目的研究中有意引用该文献方法，但对该方法的大量实验仿真研究表明，故障点可能在区域之外，因此该方法具有很大的不确定性，还需要进行优化和改进。

2  测距原理和方法的实现

由上述分析可知，双端同步向量法需要知道线路两端的电压和电流，而且对数据的同步性要求很高，所以DTU故障定位测距模块将采用双端测距算法。下面利用单端电源说明双端测距法的基本原理。

图2  序网图

图3  配电网结构图

3  考虑其他因素对算法的改进

当配电网发生故障时，此时的电压和电流会呈现很严重的畸变现象。对于整数次谐波分量，本文选用具有较强稳定性的全周傅氏算法进行滤除。虽然傅里叶算法可滤除谐波分量，但对非周期衰减的直流分量很难处理，解决方法是引入差分环节对传统的全周傅氏算法进行改进，对于数据处理采用的是添加FIR滤波器的差分全周傅氏算法。含差分环节的故障测距流程图见图4。

图4  含差分环节的故障测距流程图

这里将每个负荷固定为[Pi=20] kW，选取[B1B2]间K点发生短路故障，故障发生的时间为0.2～0.25 s，配置在线路[B1B2]上的智能控制终端DTU1_1/DTU1_2将对故障进行定位测距，实际故障距离设置为20 km，模型见图5。

图5  带DTU的配电网故障系统

式中：[e]表示测距误差的百分比;[a]表示计算得到的故障距离，单位为km;[b]表示实际故障距离，单位为km;[L]表示区域内故障点所在支线线路的总长度，单位为km。

4  仿真实验结果与分析

为了验证新方法的正确性，利用Matlab仿真工具建立模型，分别用本文方法和文献[4]方法进行验证。本文利用Simulink搭建线路为10 kV，20 km和25 km的配电线路。仿真参数设置如下：采样频率为10 kHz，用内阻抗很小的电压源模拟实际配电网的10 kV母线出线，根据所设故障条件，得到线路首末端的三相电压、电流同步向量，设计不同的故障电阻进行仿真验证，根据本文第2节所提的双端故障测距法和文献[4]所提的方法在过渡电阻分别在20 Ω，100 Ω的情况下进行仿真，并把仿真故障测距的结果做对比，如表1，表2所示。

表1  过渡电阻为20 Ω时的仿真结果比较

表2  过渡电阻为100 Ω时的仿真结果比较

本文在考虑配电网发生故障时，电压、电流发生畸变，对此引入差分环节对谐波进行处理，仿真结果如表3所示，对比过渡电阻同为100 Ω的本文双端故障测距方法，加入差分环节对谐波处理后，仿真得到的测距结果精度更高。

表3  加入差分环节后的仿真结果比较

把故障点仍设置在K点，实际故障的位置变为25 km，并且在不同的短路故障情况下进行仿真，由表4可知，测距结果具有很高的测距精度。

表4  各智能控制终端故障测距结果

综合仿真结果可知，通过智能控制终端可证明其内部的故障定位测距模块对故障点可以进行较为准确的定位，并且此改进故障测距算法在不同过渡电阻情况下测距精度很高，满足仿真实验的要求。

5  结  论

本文采用的故障测距方法具有较高的创新性，策略简单易行，仿真的实验结果证明在改进的算法基础上，测距精度明显提高，且在加入差分环节处理，测距精度得到进一步提高;而且在对模型进行扩展后各智能控制终端可通过其内部的故障定位测距模块对故障点进行很准确的定位，并且在多种短路故障下都能满足工程实际的要求。下一步需要改进的部分是结合DG变化和带分支线路负荷进行研究，研究出适合现在有源配电网发展的一种更加可靠的故障测距方法。

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