基于故障录波的高压配电网混合线路阻抗测距实用化研究

卢圣财，吴旭鹏，许菲菲，沈 良，俞 玲，王闻燚，张 森，徐梓源

(国网上海市电力公司松江供电公司，上海 201600)

目前，110，35 kV高压配电网大部分都为架空、电缆混合线路，当线路发生故障后，运行检修人员主要采用人工排查的方式查找、定位故障点，由于输电线路都有一定的距离，整段查找效率较低，耗费时间较长，导致供电可靠性下降。由于一些输电线路所处地理环境恶劣，这就使得故障点的查找更加困难。因此，研发实用化故障定位方法对于故障点的高效定位和供电的及时恢复具有重要意义。

国内外对故障定位方法的研究按照原理主要分为两种：一种是阻抗测距法，另一种是行波测距法[1-5]。当前，110 kV线路通常都配置有故障录波系统，35 kV线路也陆续逐渐配置。故该方法不再需要添加额外的测量设备，成本低廉，原理简单。但因阻抗法需要准确的故障电压和电流以及线路阻抗数据为依托，对于混合线路还需要线路的分布参数，目前在混合线路上的研究还停留在理论与仿真上，并没有大规模应用于实际，也没有大量的真实故障录波数据作为基础。

1 故障选线及故障时刻检测

1.1 信号奇异点

通常情况下，当电力系统线路发生故障时，一个典型的故障过程波形对应不同性质的故障应有相应的剧烈变动的时刻，这些波形突变时刻亦即信号的奇异点[6]。例如典型的线路发生故障时，对应波形上有故障发生时刻T1，保护动作切除故障，对应故障切除时刻T2，重合闸时刻T3，重合闸之后再切除故障时刻T4。

信号的奇异性可由Lipschitz指数来描述，可通过计算Lipschitz指数来检测和识别信号的突变点。在保证分解尺度和消失矩阶数且能够精确检测奇异点的前提下，选择第2尺度上的db4小波系数对故障录波进行奇异点检测。

1.2 基于小波变换及突变量法相结合的故障特征时刻提取

基于小波变换及突变量法相结合的突变时刻检测方法的流程图如图1所示[6]。首先，将采样序列按采样频率数分段采用利用db4小波进行分解，边界卷积通过对称周期拓延解决。然后，通过重构第二解析度序列生成新的序列R(n)，选取其中的非零值，筛选形成序列Y(n)，并计算其平均值Y，进而利用Y完成进一步的筛选形成Z(n)。最后，计算Z(n)每一分段序列的模极大值得到可疑奇异点集Sset，再根据Sset中每一个可疑点采用突变量比较法得到所需的突变点。

图1 突变时刻检测流程图

1.3 实用化的故障选线

通过对比提取的故障特征时刻个数及其前后电流变化特征进行故障选线，选线过程见图2。由图2可以看出，由于T1时刻可由故障录波启动点直接判断，因此在进行奇异点检测之前，先通过判断T1时刻之后线路所处的状态。若不是故障状态，则可以判断非本线路故障；若是，则提取该通道的故障特征时刻。若提取出的故障特征时刻个数小于2，说明波形突变特征不明显或未突变，可判断非本线路故障。若故障特征时刻个数大于2，继续计算T2时刻之后电流有效值，如果电流发生突变且T2时刻之后电流接近于0，说明T2时刻之后为故障切除状态，则表示该线路为故障线路。同时，通过计算T2与T1之间的时间差加强选线判断，若T2与T1之间时间差大于线路保护动作时间，说明故障由上级线路越级跳闸造成，无法进行故障选线。

图2 故障选线流程图

2 基于阻抗法的故障测距原理

2.1 单端电源系统计算

2.1.1 单相接地故障

单端电源系统接地短路等效系统图如图3所示。

图3 单端电源系统接地短路示意图

由对称分量法分析可知：

(1)

(2)

则可得：

(3)

假设

(4)

则有

rm+jxm=Rg+(kir+jkii)(r1+jx1)Lk

(5)

由两边虚部相等可得：

xm=(kirx1+kiir1)Lk

(6)

考虑现场运行情况，假设故障发生在架空线段上，并设Km=kirx1+kiir1，此系数对于架空线路和电缆线路不同，设架空线路该系数为Kmjk，电缆线路该系数为Kmdl，以及故障点到测量处电缆段长度为D，由于推导过程基于距离线性变换，故有：

xm=KmdlD+Kmjk(Lk-D)

(7)

则有：

(8)

2.1.2 两相短路故障

以AB相故障为例，有：

(9)

(10)

(11)

故有：

(12)

xm=x1Lk

(13)

则可设Km=x1，之后计算过程与单相接地时相同。

2.1.3 两相接地故障

两相接地故障可分别按两相短路以及单相接地进行计算并综合分析。

2.1.4 三相短路故障

三相短路故障可按两相短路进行计算并综合分析。

2.2 双端电源系统计算

3 算例分析

通过220 kV大学站送往35 kV佘山站的35 kV学佘9140线路发生C相单相接地故障并重合成功进行测试与算例分析。学佘9140线路接于大学站1号主变35 kV侧Ⅱ母上，由于大学站并未记录35 kV各线路的电流数据，只记录有1号主变35 kVⅡ母侧电压采样数据以及2号接地变电流采样数据。

由于佘山站负荷电流较小，测距过程中可不考虑其影响，因此采用2号接地变电流采样数据作为故障电流数据。各采样波形如图4和图5所示。

图4 1号主变35 kVⅡ母侧电压采样波形

图5 2号接地变采样波形

3.1 故障特征时刻提取及故障取点

220 kV大学站的故障录波采样信息配置如表1所示，共分4段进行采样。

表1 大学站故障录波采样信息

对序列进行分析后，可以得到各相波形突变时刻如表2所示。由表2不难看出，虽然存在误差，但均在允许范围内，符合实际工程应用需求。

表2 2号接地变各相突变时刻表 ms

取T1时刻之后两周波计算电压电流值如表3所示。

表3 故障定位所需电压电流值

3.2 故障定位计算

学佘9140为混合线路，架空线长度为4.377 km，型号为LGJ-185，电缆长度为7.911 km，型号为YJV 3×400，参数计算如表4所示。

表4 电缆及架空线路参数计算表

其中，对于电缆线路，取r0=10r1，x0=4.5x1，而对于架空线路，取r0=r1，x0=3.5x1。

学佘9140电缆及架空线路分布参数见图6。

图6 学佘9140电缆及架空线路分布图

由表3电压电流值可得：

7.016∠43.609°=5.080 0+j4.839 1

(14)

则有

6.470+0.680D

(15)

由于单相接地故障保护重合成功，基本可确定为架空线故障。由计算公式可知故障不可能发生在初始段的7、8 m处。其余剩下四个架空线路段，分别标为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段，Ⅰ段为1 257 m，Ⅱ段为242 m，Ⅲ段为447 m、Ⅳ段为2 426 m，如图7所示。

分别计算在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段架空线发生故障时的故障距离，计算结果如表5所示。

表5 故障测距计算结果 km

由计算结果可知，可大概率确定故障发生在Ⅳ段，即第Ⅳ段架空线起点处2.08 km左右，但应考虑允许误差。后经过巡视检修发现，故障发生在距Ⅳ段架空线起始1.8 km处。

4 结语

通过对阻抗法的改进并结合准确、详尽的故障录波数据，同时融合不同部门间的阻抗、线路分布参数等数据，该方法能够较好地应用于实际生产运行中，实现较为准确地定位故障区域，误差在允许范围内，满足实用化需求;能够较好地改善目前输电线路故障点查找定位的应用现状，更好地辅助运检人员进行日常维护工作，从而提高工作效率，节省时间、人力成本。