基于波形差异性配电网故障定位方法

2023-11-10福建电力职业技术学院林键炜贺健伟

电力设备管理 2023年20期

福建电力职业技术学院林键炜刘毅贺健伟

行波法不受线路类型、故障电阻及两侧系统影响，精确性较高。但存在如信号获取、行波强弱、行波波速不确定性、故障电流小导致定位不准确等问题[1]。其中，由于A、B型行波法需对故障点产生的行波信号进行检测，而我国配电网是小电流接地系统，故障行波信号特征不明显，所以在故障定位时会出现困难；C型行波法则因其在线路首端注入信号，再通过因故障点引起的反射波到达时间来确定故障位置，不受故障信号特征的影响[2]，所以理论上适用于结构简单的配电网，但无法解决配电网结构复杂，分支众多的问题。

提高配电网供电能力，提高国民经济一直是国家关注的重点。随着社会经济的发展，配电网改造来到第三阶段，即将采集、传输、控制装置无线和计算机结合的馈线自动化系统，能对故障区段实现一次性定位和隔离[3]。所以现阶段急需一种有效的方法解决配电网故障定位的问题。

1 基于波形差异性的配电网故障定位研究

1.1 注入脉冲在多分支线路中的传输过程研究

行波法在进行配电网故障定位时较为简单，只需注入脉冲的起始时间、故障特征波的到达时间以及行波在线路上的传播速度，即可通过公式：XL=1/2（t2-t1）v计算得到，如图1所示。

图1 C型行波定位

1.1.1 正常情况下的传输过程研究

但是配电网的分支众多，进行定位时，难以区分故障分支，会出现伪故障点，所以判断故障出现在哪个分支是注入脉冲法的关键[4]。因此，对注入脉冲在多分支线路的三种不同传输过程进行研究。如图2所示，在线路以及分支线首端设置检测器，在M端注入幅值为U0的脉冲，假设线路为均匀无损线路且参数相同，即波阻抗相等，都为Z0，根据行波折反射原理，可得到每个分支线检测的脉冲幅值为：。

图2 脉冲在三分支线路的传输过程

推广到m个分支点且每个还有n条分支线，线路参数一致，则以注入脉冲传输方向为基准，从

1.1.2 金属性单相接地情况下的传输过程研究

根据行波折反射原理，若MA段发生金属性单相接地短路，则UA1=UA2=0，即A、B、C三点都检测不到脉冲信号；当AB段发生该故障时，则,即B、C两点检测不到信号，以此类推到m个分支点且每个还有n条分支线时，根据金属性故障时哪个分支点检测不到脉冲信号，可推出故障发生在哪一条分支线路上。

1.1.3 经电阻单相接地情况下的传输过程研究

根据行波折反射原理，当MA段发生经电阻单相接地短路时，脉冲幅值U0会衰减，则在A点检测到的脉冲幅值小于正常情况下的幅值，同理，在B、C点检测到的也是如此；当AB段发生该故障时，在A点检测到脉冲幅值应与正常情况下一致，但在B、C点检测到的幅值会小于正常情况下的；以此类推到m个分支点且每个还有n条分支线，根据分支点故障与正常情况下检测到的幅值的差异，以及前一分支点检测到的幅值是否有差异，可判断故障发生的范围。

1.2 基于波形差异性的配电网故障定位原理

根据行波折反射原理，脉冲在遇节点时会发生折反射，相应的折反射波在遇节点时也会发生折反射，为了方便区分，提出节点特征波以及故障特征波的概念，即行波遇节点反射回来的第一个行波称为该节点的节点特征波，同理，行波遇故障点时第一个反射回来的行波称为故障特征波，其余经过多次折反射产生的行波称为杂波[5]，由于配电网结构的复杂性，导致检测器检测到的是各个杂波和故障特征波叠加起来的波形，无法直接得到故障特征波。

但如图3所示，A为线路首端，B为分支点，C为线路末端，F为金属接地点，在A点注入行波，无论两段线路长短，假设B-C段发生故障，可以发现行波在A-B段上的折反射是不受故障点位置影响的，并且与A-B段线路长度无关，但从B点向故障点折射的行波会与正常情况下不同，并且后续的折反射都会与正常情况不同。所以利用正常与故障情况下的波形的差异，即可得故障特征波。

图3 脉冲行波传输过程

为了准确得到故障特征波，可以将正常与故障情况下的波形相减，即可将杂波以及节点特征波去除，这样，就可以得到故障特征波。如图4所示，利用MATLAB软件，将仿真的波形数据导入，再利用plot函数等，绘制出波形相减图。由图4（b）所示，将杂波和节点特征波滤除后，可知第一个行波即故障特征波，即可得故障特征波到达时间，在假设行波传输速度不变的情况下，可以进行故障定位。

图4 故障特征波到达时间识别

2 基于波形差异性的配电网故障定位仿真

2.1 仿真模型建立

利用PSCAD建模，配电网拓扑图如图5所示，该配电网有3个节点，3条支路，A点为信号注入点，F、G、H、B点各有负荷连接，将A-B设为主线路，而分支线A-C、C-F、D-G、E-H线段首端即在线路和分支线路首端分别都放置检测器。

图5 配电网拓扑图

2.2 配电网单相接地故障仿真

以A点检测波形为例，线路正常情况下波形如图6（a）所示，再以A-C段距A点10km处发生金属性接地为例，图6（b）是利用MATLAB软件进行波形图相减得出的波形，从图中可以看到第一个行波的到达时间即故障特征波的到达时间，其余数据见表1、表2、表3。

表1 各点注入脉冲幅值

表3 各段100Ω电阻故障仿真结果

图6 AC段金属性接地故障对比图

根据仿真结果可得：当分支线发生金属性接地时，该分支点前检测到的脉冲幅值不变，故障分支首端检测到幅值为0；由表2可知，该方法进行故障定位时，误差均小于100m，符合实际；当发生经电阻单相接地故障时，计算故障距离误差均小于100m，符合实际；故障分支线路首端检测到脉冲幅值会小于正常情况下的幅值，而其余分支会与正常情况下相同。