基于多参数的混合线路故障类型识别方法

曹京荥，陈杰 ，谭笑，李陈莹，胡丽斌，方春华，孙维，陶玉宁

（1.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 210000；2.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002）

在电网快速发展的过程中，输电线路起到至关重要的作用[1-2]。一般在城市内部和跨海输送电能时采用电缆[3]，在城市外部输电时则采用架空线输电的方式，这样在保证整体线路经济性的同时，也更灵活地适应各类实际情况，架空线-电缆混合输电的方式得到普遍的应用[4-5]。

混合线路由于其工作环境复杂，有较多故障发生，某些情况下会对树木进行放电，导致接地短路，森林火灾也可能会使架空线路燃烧，最终导致断线，雷电、线路结冰、强风等外部气候情况都会影响架空线路的稳定运行[6-7]。电缆在运行过程中存在绝缘受潮或者受到外力破坏等导致的接地或断线的情况[8-9]。

从目前的研究情况来看，金属性接地故障和非金属性接地故障的识别可以通过分析故障后一段时间内线路上数据采集装置记录下的电流波形来实现。文献[10]通过对线路上实测特定故障发生后的波形数据进行分析，对比电气量特性以及在各个故障下电气量变化趋势，初步把故障发生后的电气量变化特性与相对应的故障类别联系起来。文献[11]针对金属性接地故障和阻性接地故障波形形貌进行了一定分析，但没有形成一个较为系统的理论，无法对线路中多种参数组合下的故障进行准确识别。雷击情况具有较大的随机性，现在针对雷击故障的识别多集中于仿真计算[12-15]，较为常见的方法是通过行波从雷电流注入系统后系统故障电流行波的波动性来辨识雷电故障[16-17]。架空线-电缆混合线路运行环境复杂，现有方法对线路故障的识别不够精确，故障识别类型较为不全。

本文通过PSCAD建立混合模型，模拟各种接地故障以及雷击故障。通过在故障点设置不同故障相位和距测量点不同距离的各种故障，在测量点测得电流数据，将各种故障下的电流波形对比分析；将故障产生机理和仿真得出的各种故障波形分析结合，得出多参数的架空-电缆混合线路故障类型识别方法。

1 混合线路系统建模

线路结构示意图如图1所示。在架空线A段和电缆段交界点E点左侧某点设置为故障点X，在架空线B段和电缆交界点F点右0.5 km的D点设置为监测点。在故障点设置雷击（反击、绕击、感应雷）和接地短路故障（单相金属接地、单相高阻接地、两相金属性短路），通过在故障点设置不同故障相位和距测量点不同距离的各种故障，在测量点测得电流数据，将各种故障下的电流波形对比分析。

架空线路段仿真模型采用PSCAD中的仿真采用频率相关（phase）模型，防雷计算一般取2.6/50 μs电流波形，仿真模型采用双指数雷电波形。接地故障的模拟中，采用PSCAD库中自带的接地故障模块即可较好地实现。

系统仿真设置电压等级为220 kV，相角差为20°，电缆长度为0.5 km，架空线B段上测量点距电缆架空线交界点F点为0.5 km，调整架空线A段上的故障点位置，即可模拟不同故障距离下电流波形变化。系统仿真频率为1 MHz，为了避免重合闸等装置对数据特性分析造成的影响，仿真模型中不包含继电保护装置。

2 故障电流波形特征

本文仿真了线路上常见的故障：单相金属性接地、单相高阻接地、两相金属性短路以及雷电过电压的故障（直击雷和感应雷），其中直击雷又包括了反击和绕击两种情况。下面以单相金属性接地、绕击、感应雷为例，分析其波形特征。

2.1 单相金属性接地

设置A相发生单相金属性接地故障，故障距离为2 km，系统故障时相位为45°，故障点和测量点波形如图2所示。系统电流由之前稳态的1.82 kA快速阶跃到了11.2 kA，通过图2a可以观察到故障发生后，系统有比较明显但幅度较小的过渡过程。将图2a和图2b对比，故障行波经过线路传播后，电流的波动性已经降低，测量点数据震荡过程相较于故障点有所减弱，可见故障行波在混合线路中的折反射和损耗对波形有较大影响。

图2 单相金属性接地情况下故障点和测量点波形Fig.2 Waveforms of fault points and measurement points under single-phase metallic grounding

2.2 绕击

在绕击故障中，设置A相为故障相，雷电流幅值40 kA，故障距离为2 km，波形为2.6/50 μs，系统相位为0°，其波形如图3所示。由图可知，系统产生严重震荡，在0.05 s后才逐渐恢复稳定状态，在混合线路的传播过程中，故障行波发生幅值上的衰减和多次的折反射。

图3 绕击情况下故障点和测量点波形Fig.3 Waveforms of fault points and measurement points under winding strike

2.3 感应雷故障

设置故障距离为8 km，雷电源幅值为40 kA，波形为0.26/100 μs，A相故障时相位为0°，波形如图4所示。

图4 感应雷故障情况下故障点和测量点波形Fig.4 Waveforms of fault points and measurement points in case of induced lightning fault

三相导线可以看作距离落雷点相同的距离，由图4可知系统受到了感应电压冲击，产生严重震荡，大约在0.03 s后，系统恢复正常，且三相波形的相似度较高，变化趋势较为一致。改变系统A相故障时相位为90°，其他参数保持不变，与相位为0°波形相似，只是幅值上有些许不同。

3 架空-电缆混合线路故障类型识别

3.1 雷击故障和接地故障的识别

当线路发生雷击故障时，在较短时间段内，系统会发生较为剧烈的震荡，而发生短路接地故障时，无论是单相金属性接地、单相高阻接地还是两相金属性短路，经过一个较小波动便快速过渡到新的稳态下[18]。混合线路结构不同于单一线路，行波传递过程中会出现折反射，因此选取数据分析时不能分析某一时间点的数据，需要对故障发生后一段时间内的数据进行统一处理。

根据雷电故障和接地故障形成性质的不同，先对电流信号进行Clark变换解耦[19]，求取故障相电流的线模分量I（k），然后对线模分量定义震荡指数，用特征量MA来表示，即

式中：I（k）为故障相电流数据线模分量；MA为故障发生后的0.002 s内故障相电流数据线模分量的方差值。

通过震荡指数即可反映故障数据中的数据变量和该组数据均值的偏离程度。接地故障中，系统故障相位选取0°和90°，对2 km和8 km的故障距离进行仿真，然后计算数据的震荡指数。各种故障参数下的震荡指数如表1所示。

表1 接地故障在不同故障参数下的震荡指数Tab.1 Oscillation index of ground fault under different fault parameters

同理可得雷击故障的震荡指数，统计上述特征量MA数值如图5所示。

图5 震荡指数分布图Fig.5 Oscillation index distribution

由图5可知，特征量MA以0.6为阈值，可较好区分雷击故障和接地故障，数据分布有较好的边界性。

3.2 接地故障类型的识别

将A相金属性接地、A相高阻接地（接地电阻为200 Ω）、A，B两相金属性接地三种故障时刻的A相电流波形图放大发现，三种故障下相同时间段内的波形形貌有较大区别，可以根据此特点，来定义每种故障类型故障后0.005 s的波形畸变率（total harmonics distortion，THD），即谐波含量的均方根与其基波分量的均方根之比。将波形畸变率定义为特征量MB，根据MB值来区别接地故障中确切的故障类型。

设置故障相位为0°，在不同的故障距离下计算三种接地故障0.005 s后电流的畸变率，数据如表2所示。由表2可知两相金属性短路电流畸变率最大，单相高阻接地电流畸变率最小，且随着故障距离的增加，三种故障畸变率都是递减的趋势。

表2 0°故障相位各故障畸变率Tab.2 Distortion rate of each fault in 0°fault phase

混合线路故障相位为45°时，计算其故障畸变率，故障编号为4～6；混合线路故障相位为90°时，编号记为7～9。具体故障畸变率数值如图6所示。

图6 各种接地故障情况下THD折线图Fig.6 Line chart of THD under various ground fault conditions

在图6中，特征量MB设置3%，10%，20.5%三个阈值，则将折线图可以分为4个区域。除了故障相位45°、故障距离24 km的单相高阻接地点和故障相位90°、故障距离为2 km的两相金属短路点，边界有些模糊以外，其他情况可以明确区分出三种接地故障类型。

3.3 感应雷和直击雷的识别

图7为感应雷下三相感应电流波形。从图7中测量点所测得波形来看，三相电流在感应雷故障后，三相波形有较高的相似度，这是由于含有较强能量的雷击源雷击线路附近地面造成周围电磁场突变。落雷点距离A，B，C三相线路的距离点近似相等，三条线路上的感应电压、电流也较为相似。

图7 感应雷下三相感应电流Fig.7 Three-phase induction current under induced lightning

当反击杆塔顶端避雷线时，避雷线距离A，B，C三相的距离也不相同，所以在A，B，C三相上感应出的电流也不尽相同。

根据此特点，可以求出A，B，C三相的电流波形中的任意两相的相似程度的均值，如下式：

式中：IA（k），IB（k）分别为A，B相故障电流线模分量。用一个特征量MC来区分感应雷和直击雷，MC根据下式计算：

通过式（2）求出两相电流波形的相似程度，选取测量点测量故障后0.002 s内的数据，计算A，B，C三相的电流波形任意两相之间的相似度，然后根据式（3）取三个相似度的均值MC作为特征量。

在绕击情况下，各种故障参数组合下三相波形的相似度如表3所示。

表3 绕击情况下波形相似度均值Tab.3 Mean value of waveform similarity in case of detour

由表3可知，发生绕击时，三相波形的相似度较小，基本在0.4左右；同理，通过计算反击情况下三相波形的相似度，发现在反击MC还是维持在一个较低的水平，但整体略高于绕击；感应雷三相波形的MC值则远大于绕击和反击。

具体故障参数组合下三相波形相似度分布如图8所示。

图8 各种雷击故障下相似度分布Fig.8 Similarity distribution under various lightning strikes

由图8可知，在感应雷下，A，B，C三相近似于同时出现感应电压，相似度特征值MC维持在一个较高的水平，反击和绕击下的相识度均值较低，特征量MC取0.5时，感应雷和直击雷整体数据分布有较好的边界性。

3.4 直击雷中反击和绕击故障的识别

由之前的MC值作为特征量来进行雷击故障识别时，并不能对绕击和反击这两种情况来进行识别，根据文献[20]能量算子（teager energy operator，TEO）能够有效地反映数据的幅值和频率的变化，对于时域信号能量算子的定义为

图9为最后进行能量算子运算后得到的瞬时能量图。绕击下，雷电流直接注入输电线路，系统的电流值直接发生大幅改变；反击时，雷电流经杆塔或避雷线流入大地，空间电场变化速度相对缓慢，没有绕击的能量变化迅速，所以反击瞬时能量图的第1个极大值并不是能量的最大值。因此定义特征量MD，当能量指数图的第1个极大值为该时间段内能量的最大值，取MD=1，该次故障为绕击故障；当瞬时能量图的第1个极大值不是该时间段内能量的最大值时，取MD=0，该次故障为反击故障。

图9 反击绕击能量指数对比图Fig.9 Comparison chart of counterattack twist energy index

4 多参数识别方法

图10为故障识别流程图。

图10 故障识别流程图Fig.10 Fault identification flowchart

将故障产生机理和仿真故障波形分析结合，以上文设定的MA，MB，MC，MD四个特征量为“多参数”；当满足各自特征量阈值时则判断对应故障发生。

图10分层分级依次对四个特征量阈值进行比对，实现对混合线路故障类型的识别，具体步骤如下：

1）对原始数据处理后，求取震荡指数MA值。MA＞0.6，为雷击故障；MA＜0.6，则为接地故障。

2）当确定故障为接地故障时，通过定义谐波畸变率MB来识别三种接地故障。MB＜3%，为单相高阻接地故障；3%＜MB＜10%，为单相金属接地故障；10%＜MB＜20.5%，为两相金属性短路；MB＞20.5%，为单相高阻接地。

3）当确定为雷击故障后，根据三相电流波形相似度均值MC将直击雷和感应雷进行区分。当MC＞0.5时，为感应雷故障，当MC＜0.5时，为直击雷故障。

4）针对直击雷故障中绕击、反击的识别，对数据进行能量算子运算。当能量指数分布图中第1个极值为最大值时，MD=1，为绕击故障；当能量指数分布图中第1个极值不是最大值时，MD=0，为反击故障。

通过以上四个步骤对混合线路故障进行识别。

5 结论

1）系统故障时相位越大，故障初段整体的电流波形畸变越严重，相同情况下高阻接地比金属接地有着更为明显的震荡；通过对比相同故障参数的波形数据，发现两相金属性短路时，系统波动要比单相金属性接地时要明显。

2）在雷击故障中，感应雷情况下三相感应电流波形相似度较高，绕击和感应雷对线路的影响较大，且各种故障参数组合下都比接地故障波形波动剧烈，系统恢复稳定时间也要比接地故障要长。

3）通过对震荡指数（特征量MA）、谐波畸变率（特征量MB）、电流波形相似度均值（特征量MC）以及特征量MD进行分层定量分析，可达到对混合线路上发生的故障进行识别的目的。