配网故障精确定位分析研究

黄锐

摘  要：随着供电企业对供电可靠性重视程度的不断加强，对配电网线路故障的快速定位的需求也在不断提高。该文在分析了配网的特点及故障特征的基础上，阐述了适用现场实际的几种故障区段定位及故障测距技术的原理，对其优缺点进行了说明，总结了现场应用情况。最后，该文展望了配网故障定位技术的发展方向，提出应重视与新兴技术的结合、应重视配网本身发展特性的建议。

关键词：配电网  故障  定位  分布式电源

中图分类号：TM71          文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）08（c）-0079-03

Abstract： With the increasing emphasis on power supply reliability by power supply companies， the demand for rapid location of distribution network line faults is also increasing. Based on the analysis of the characteristics of the distribution network and the characteristics of the fault， this paper expounds the principles of several fault section location and fault location technologies， explains their advantages and disadvantages， and summarizes the application on the actual fields. Finally， this paper prospects the development direction of distribution network fault location technology， and puts forward suggestions that should pay attention to the combination with emerging technologies and the development characteristics of the distribution network itself.

Key Words： Distribution network; Fault; Location; Distributed power

配電网是电力系统的终端环节，配电网任一设备的故障均会导致所在线路不可用，直接影响用户用电的可靠性。因此，在配电网发生故障时准确定位是尽快处理故障、恢复供电的前提条件。其中，配电线路的故障由于距离长、分布广，故障发生率高，其故障的准确定位尤其值得讨论与关注。

1  配电线路故障特征

1.1 配电网特点

配电网的主要特点有：（1）设备数量众多，运行方式多变、网络拓扑复杂;（2）设备密集度高，信号传输距离长，信号采集相对困难，且信号容易畸变;（3）部分配电网服役时间长，遗留许多分支线路的无序接入问题，缺少合理的规划设计和完整的图档材料以供定位分析。因此，配电网自身的特点为故障定位带来困难。

1.2 配电网故障特征

在我国电力系统中，配电线路一般为中性点不接地系统，即小电流接地系统。在实际运行中，以单相接地故障最为常见，约占故障总数的70%。

中性点不接地系统单相接地故障发生后，系统一般能继续运行2～3h。从时间上看，可将故障分为暂态过程和稳态过程，其中暂态过程为故障发生时刻开始到暂态信号衰减消失的过程，一般持续数十毫秒。稳态过程则是从暂态过程结束到故障被切除的过程，但某些间歇性故障如间歇性电弧故障可能无稳态过程。故障特征与两个过程相对应，也可分为暂态特征与稳态特征。

暂态特征的发生是由于配网中大量的感性和容性元件的存在，因此可以使用RLC振荡与LC串并联谐振等方法开展分析，取得在暂态过程中的基频信号、衰减信号多阻尼正弦信号等，供故障及定位分析使用。

稳态特征在金属性接地时最为明显，此时故障相电压降低至零，非故障相电压升高至线电压，零序电压升高为相电压，故障电流为系统电容电流。当存在故 障电阻时，随故障电阻增加，零序电压逐渐减小，故障相电压逐渐增大，非故障的两相相电压一相先增大再减小，另一相先减小再增大。

由于单相接地故障故障电流太小、不满足短路计算的条件，无法使用短路计算法或暂降匹配法开展故障定位，对一些依靠故障电流的方法（如故障指示器法和配网自动化定位法）准确性有所影响。对于相间短路等故障，由于有较明显的短路电流，相对较容易检测。

2  传统配网线路故障定位技术简述

实现线路故障的精确定位主要在区段定位及故障测距两个方面开展研究，下文展开说明。

2.1 区段定位

区段定位的作用是在支路众多、结构复杂的配电网中及时准确找到故障区段，以便快速对故障进行隔离并进行处理，保障用户可靠用电。应用于区段定位的算法主要有S注入法、暂态电流方向法等。

2.1.1 S注入法

S注入法的原理是：当接地故障存在时，接地相CT的副边被短路，此时若在对应相的原边注入信号，则感应出来的电流只会沿着故障线路流动且进入接地点。若注入的信号特征明显，则可探测该信号找到故障段。由此可见，S注入法的优点在于与故障电流大小无关，不受系统运行情况影响、同时不影响系统运行。其缺点主要在于高阻接地时，线路电容对信号分流较大，对寻迹有所干扰;另外，接地点可能存在间歇性电弧，导致信号不连续，对检测也有一定影响。

2.1.2 暂态电流方向法

暂态电流方向法是根据故障暂态电流分布规律而提出的方法。如图1所示，当线路上有故障时，故障点产生的暂态电流在前后两个检测点的方向不一致，在暂态电流相似度上也有区别。

检测点上安装的STU（配网智能终端）将对暂态电流进行检测并上送计算，根据计算结果可定位故障区段在哪个检测点之间。具体过程如下。

（1）依次计算相邻两个STU的暂态电流相似度。若结果小于定值，则故障区段在这两个STU之间。

（2）若结果大于定值，校验这两个STU暂态、工频电流的极性是否一致。若极性不一致，则该区段为故障段，否则，继续下一区段的两个STU的计算。

（3）全部STU均计算完毕，则最末STU的终端为故障段。

根据现场应用情况，该算法区段定位准确率达80%左右，满足现场需求。

2.2 故障测距

测距技术的发展是提高故障定位精确度的有力支撑，由于配网网络的复杂性，在配网实施故障测距较结构清晰的主网要相对更困难。下文介绍S注入法与行波测距法两种故障测距方法。

2.2.1 S注入法

如前文所述，S注入法在故障区段的定位上已有应用，对该方法加以改造，即可实现测距功能。具体而言，即是在上述寻迹的基础上通过对注入的电压、电流的检测，通过简单的计算即可得出故障点至参考点的阻抗，通过换算即可得知故障点的距离。这种阻抗法原理简单，但始终受故障接地电阻的影响，因而精度有限。

目前现场已有基于S注入法的测距装置应用，在结构简单、线路参数详实的网架可考虑配置。

2.2.2 行波测距法

行波测距的特点是定位精度高，不受系统运行方式、故障过渡电阻等因素制约，只需采集故障产生的暂态行波信号及行波到达故障线路两端的精确时间，即可测算距离。在原理上，可分为单端测距、双端测距、多端测距，在分支较多的配网一般应用多端测距。其实现方法具体如下。

（1）将配网的主干线路进行区段分解，分解后的主干线路等同于双端测距中的母线，分支线路等同于双端测距中的主干线路。

（2）按第一点的原则对层级较多的线路按逐级替代的原则将线路分解。

（3）逐级应用双端测距法定位故障點位置。

3  考虑分布式电源的故障定位方法

传统的辐射型单电源配电网络的特征是电源与负荷的明显分离，但随着分布式电源的接入，这个格局被打破，配网成为一个用户和电源互联的多电源复杂网络。网络的变化带来了电网潮流的改变，因此，基于电气量特征的传统故障定位方法也受到一定的影响。在考虑分布式电源接入的配网故障定位分析时，需要采用各类基于人工智能的方法，在采集到馈线与变电站的开关状态和各类故障检测设备所提供的信息后，通过算法分析得出故障定位结果。常见的方法包括人工神经网络、支持向量机、遗传算法等。其中，人工神经网络的方法的优点是只需检测各变量的非线性关系，实现手段简单，但训练数据的质量对结果精度的影响较大，且模型训练过程收敛较慢。支持向量机的方法的优点在于计算速度快，在大型配电网故障定位时有效率上的优势。缺点是：模型参数选择对模型性能有极大影响; 基于遗传算法的故障定位方法检测速度快，缩减计算规模，但在随着分布式电源投切的不同情况，需要更改适应度函数与开关函数，从而降低了算法的稳定性及精度。

4  配网故障精确定位研究展望

配网故障精确定位首先应根据每个网架的实际情况因地制宜，选择合适的策略、合适的产品，积极推广试用有潜力的技术。同时，应建立故障管理分析系统，以便在使用中总结经验，对比分析各种定位方法、应用产品的准确率，进一步提高定位准确性。

配网故障定位技术应适应配网本身的发展。分布式电源将是配网发展的一个大方向，在系统中接入的分布式电源占比达到一定规模时，对各类算法的定位判据会有一定程度的影响，因此，定位策略的改善也势在必行，各类智能算法需要结合现场实际进行进一步优化。

参考文献

[1] 刘方，李雅琳，吴子园.配电网单相接地故障定位新技术分析[J].建材与装饰，2019，562（1）：252-253.

[2] 刘连凯.中性点不接地系统故障分析[J].电工技术，2013（7）66-67.

[3] 肖先勇，何婧宇，陈缨，等.非有效接地配电网单相接地故障定位的技术难点[J].电力科学与技术学报，2018，33（4）：170-178.

[4] 刘文杰，舒勤，韩晓言.基于广义S变换和TEO的配电网故障定位方法[J].电力系统及其自动化学报，2019，31（1）：16-22.

[5] 谢涛，蒯圣宇，朱晓虎，等.基于改进遗传算法的配电网故障定位方法[J].沈阳工业大学学报，2019，41（2）：8-13.

[6] 孙九顺.配电网小电流单相接地故障特性及定位技术研究[J].电气技术，2015（5）：80-83.