摘 要：針對(duì)配電線路發(fā)生單相接地故障，介紹了一種綜合定位方法，首先向故障線路和正常線路分別發(fā)射行波信號(hào)，比較兩個(gè)信號(hào)波形，使兩波形相減，進(jìn)行小波包分解和重構(gòu)，找到故障特征波時(shí)刻，利用測(cè)距公式計(jì)算故障距離。求取線路節(jié)點(diǎn)特征波能量，利用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)識(shí)別故障區(qū)段，綜合故障距離和故障區(qū)段來(lái)確定故障點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：配電線路；故障定位；C型行波法；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

1 概述

電力系統(tǒng)包括發(fā)電、輸電、變電、配電等幾大部分，配電系統(tǒng)作為重要環(huán)節(jié)直接面向終端用戶(hù)，其安全運(yùn)行直接關(guān)系著廣大用戶(hù)的用電質(zhì)量和可靠性。在整個(gè)配電系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障幾率最高。而配電線路分支較多，所處環(huán)境復(fù)雜，故障定位困難。

配電線路故障定位主要包括三部分：（1）故障選線；（2）確定故障點(diǎn)距離；（3）判斷故障區(qū)段或分支。目前國(guó)內(nèi)外故障選線技術(shù)比較成熟，而如何準(zhǔn)確快速地確定故障點(diǎn)仍是一個(gè)急待解決的難題。

針對(duì)配電線路發(fā)生單相接地故障，文章提出采用C型行波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)故障定位[1-4]。在線路故障后，人工向故障線路和正常線路分別發(fā)射一個(gè)行波信號(hào)，在線路檢測(cè)端采集反射回的信號(hào)，通過(guò)比較故障線路和正常線路波形，使兩波形相減，對(duì)所得的波形差信號(hào)進(jìn)行小波包分解和重構(gòu)，找到故障特征波對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，利用測(cè)距公式來(lái)確定故障距離。在故障距離確定的基礎(chǔ)上，計(jì)算節(jié)點(diǎn)特征波能量，并通過(guò)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)判斷故障區(qū)段。最后對(duì)10kV配電線路單相接地故障進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了該方法的可行性。

2 定位方法介紹

2.1 測(cè)距原理

線路發(fā)生故障后，在線路檢測(cè)點(diǎn)發(fā)射行波信號(hào)，行波信號(hào)遇到波阻抗不連續(xù)點(diǎn)（線路的節(jié)點(diǎn)、端點(diǎn)和故障點(diǎn)）就會(huì)發(fā)生反射和折射，利用行波信號(hào)在波阻抗不連續(xù)點(diǎn)產(chǎn)生的第一個(gè)反射波來(lái)進(jìn)行故障定位，該波稱(chēng)為特征波。而波阻抗不連續(xù)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波形面積，就是特征波能量。

圖1 C型行波法測(cè)距原理示意圖

C型行波法測(cè)距原理是根據(jù)行波信號(hào)在檢測(cè)點(diǎn)與故障點(diǎn)之間往返一次的時(shí)間和行波的波速來(lái)確定故障點(diǎn)的距離。如圖1所示，線路MN上f點(diǎn)發(fā)生接地故障，在檢測(cè)點(diǎn)M發(fā)射一個(gè)行波信號(hào)，由于故障點(diǎn)f為波阻抗不連續(xù)點(diǎn)，當(dāng)行波信號(hào)到達(dá)故障點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，在t時(shí)刻返回到檢測(cè)點(diǎn)M，那么故障距離為

l=■ （1）

其中，v是波速。

2.2 定位步驟

在實(shí)際線路正常時(shí)與接地故障后分別發(fā)射行波信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)反射波，可以發(fā)現(xiàn)：故障點(diǎn)特征波之前的反射波形與正常線路的反射波形相同，而之后則發(fā)生了變化。由此可知，兩個(gè)波形的第一個(gè)差異點(diǎn)必然來(lái)自故障點(diǎn)的特征波。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已知的情況下，節(jié)點(diǎn)特征波到來(lái)的時(shí)間也是可以知道的，那么根據(jù)預(yù)定的時(shí)間可以計(jì)算節(jié)點(diǎn)特征波能量。如果是金屬性接地故障，故障點(diǎn)下游的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的特征波能量將會(huì)消失，如果是經(jīng)電阻接地故障，則此節(jié)點(diǎn)的特征波能量將會(huì)減少；而故障點(diǎn)上游的節(jié)點(diǎn)特征波能量幾乎不會(huì)發(fā)生改變。

使故障線路波形和正常線路波形相減，對(duì)波形差信號(hào)進(jìn)行小波包分解和重構(gòu)，分為多個(gè)頻帶，在選定的分頻帶上分別找到波形差的第一個(gè)畸變點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的是故障點(diǎn)特征波時(shí)刻，然后求取平均值，按照公式（1）可求出故障距離。在故障距離確定的情況下，由上述波形差選定的頻帶，根據(jù)預(yù)定的節(jié)點(diǎn)特征波時(shí)刻，采集50個(gè)離散點(diǎn)（電壓或電流幅值）來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)特征波能量。

圖2 定位方法示例圖

如圖2所示，假如線路分支AC上f1點(diǎn)發(fā)生單相接地故障，通過(guò)故障距離可知，故障發(fā)生在分支AC或區(qū)段AB上，在第二、三、六、九、十一、十五每個(gè)頻帶上計(jì)算C、B兩節(jié)點(diǎn)的特征波能量，將C、B兩節(jié)點(diǎn)的能量分別除以?xún)烧吣芰恐?，即求取分頻帶兩節(jié)點(diǎn)所占的能量比例；以此方法對(duì)上述六個(gè)頻帶分別進(jìn)行計(jì)算處理，然后將這些頻帶上的C、B的能量比例相加，之后再求取平均值；在此，C節(jié)點(diǎn)總的頻帶的能量比例就會(huì)大于B節(jié)點(diǎn)的能量比例，使B節(jié)點(diǎn)下游的所有節(jié)點(diǎn)能量值置為“0”，證明故障發(fā)生在AC分支上。如果AB區(qū)段發(fā)生故障，B節(jié)點(diǎn)總的頻帶的能量比例就會(huì)大于C節(jié)點(diǎn)的能量比例，則使B節(jié)點(diǎn)下游的所有節(jié)點(diǎn)能量值置為“1”，證明故障發(fā)生在AB區(qū)段上。將節(jié)點(diǎn)特征波能量數(shù)據(jù)處理后，與訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合來(lái)判斷故障區(qū)段。將圖2單分支配電線路可以推廣到多分支線路，定位方法如上。需要注意的是不需要計(jì)算第一個(gè)節(jié)點(diǎn)（在圖2中指A節(jié)點(diǎn)）的特征波能量，因?yàn)榫€路第一個(gè)區(qū)段發(fā)生故障，直接利用行波測(cè)距就可實(shí)現(xiàn)故障定位，不再需要判斷故障區(qū)段。

BP網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于故障模式識(shí)別效果比較好。用預(yù)定的數(shù)據(jù)樣本對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使其具有識(shí)別節(jié)點(diǎn)特征波能量變化的能力，最后形成基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別功能的故障診斷系統(tǒng)來(lái)判斷故障區(qū)段。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為三層，如果配電線路有m個(gè)區(qū)段，則需要判斷的區(qū)段數(shù)為n=m-1，輸入層有n組數(shù)據(jù)，輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為n，中間層為2n+1；設(shè)輸出狀態(tài)個(gè)數(shù)n，則輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為n。

3 線路仿真分析

利用C型行波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合對(duì)10千伏故障線路進(jìn)行定位，如圖3所示，10千伏配電線路分支AC、主干BE分別發(fā)生單相接地故障，假設(shè)接地電阻都為2000歐姆。其中，MN=18千米，MA=3千米，AB=6千米，BE=5千米，AC=1.5千米，BD=0.9千米，EF=4千米。故障點(diǎn)f1距離A節(jié)點(diǎn)0.6千米，故障點(diǎn)f2距離B節(jié)點(diǎn)3千米。

通過(guò)ATP軟件進(jìn)行仿真，信號(hào)源選用幅值為10千伏，寬度為2微秒的高壓脈沖信號(hào)。其中，設(shè)行波的傳播速度為光速，即300米/微秒，線路波阻抗為500歐姆。在線路檢測(cè)點(diǎn)采用100兆赫茲的采樣率進(jìn)行采樣，得到的正常線路波形、f1點(diǎn)故障波形、f2點(diǎn)故障波形分別如圖4中（a）、（b）、（c）所示。

使故障線路與正常線路波形相減，得到的f1點(diǎn)、f2點(diǎn)故障波形差如圖5所示。

當(dāng)f1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，對(duì)圖5（a）波形差進(jìn)行四層小波包分解和重構(gòu)，分為16個(gè)頻帶，利用第二、三、六、九、十一、十五頻帶上的第一個(gè)波形畸變點(diǎn)時(shí)刻，分別為23.94微秒、23.95微秒、24.13微秒、23.98微秒、24微秒、24.12微秒，將這六個(gè)數(shù)據(jù)相加求取平均值可得到故障點(diǎn)特征波時(shí)刻t=（23.94+23.95+24.13+23.98+24+24.12）/6=24.02微秒。利用測(cè)距公式（1），可求出故障距離3603米，與實(shí)際距離相差3米。同理，當(dāng)f2點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，得到故障時(shí)刻t=80.03微秒，求出故障距離12004.5米，與實(shí)際距離相差4.5米?？梢?jiàn)，測(cè)距精度滿(mǎn)足實(shí)際要求。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本采用預(yù)設(shè)的節(jié)點(diǎn)特征波能量數(shù)據(jù)，如下所示

訓(xùn)練目標(biāo)設(shè)置為t=[1 0 0 0 0 0；0 1 0 0 0 0；0 0 1 0 0 0；0 0 0 1 0 0；0 0 0 0 1 0；0 0 0 0 0 1 ]'，分別表示AC、AB、BD、BE、EF、EN區(qū)段發(fā)生故障，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，如圖6所示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

當(dāng)f1點(diǎn)發(fā)生故障，處理得到的特征波數(shù)據(jù)p=[0.66 0.34 0 0 0 0]，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷為t=[0.9979 0.0001 0.0012 0.0001 0.0028 0.0064]，故障發(fā)生在AC分支上；當(dāng)f2點(diǎn)故障時(shí)，特征波數(shù)據(jù)為p=[0 0 0.35 0.65 1 1]，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷為t=[0.0000 0.0000 0.0004 0.9671 0.0000 0.0015]，故障發(fā)生在BE區(qū)段上?？梢?jiàn)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷故障區(qū)段是準(zhǔn)確的。

4 結(jié)論與展望

C型行波法具有測(cè)距速度快，精度高的優(yōu)點(diǎn)，它屬于離線測(cè)距，當(dāng)一次不能識(shí)別特征波反射信號(hào)時(shí)，可以重發(fā)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行再次測(cè)距。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在確定基本結(jié)構(gòu)后，運(yùn)用學(xué)習(xí)算法對(duì)預(yù)定樣本進(jìn)行訓(xùn)練，可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)的自我組織和自我學(xué)習(xí)能力，在學(xué)習(xí)完成之后具有一定的泛化能力，容錯(cuò)能力比較強(qiáng)，即使輸入信號(hào)帶有一定的干擾噪聲，仍能給出正確的輸出結(jié)果；神經(jīng)元之間的對(duì)應(yīng)具有相對(duì)獨(dú)立性，便于并行處理，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行速度較快，它的這些優(yōu)點(diǎn)在配電線路故障定位和故障類(lèi)型識(shí)別中具有重要的意義。同時(shí)，C型行波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合在配電自動(dòng)化故障診斷研究中具有很好的研究?jī)r(jià)值和發(fā)展前景。

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作者簡(jiǎn)介：徐汝俊（1986-），男，河南周口人，工程師，河南檢修公司員工。

劉晨（1986-），女，河南安陽(yáng)人，工程師，河南安陽(yáng)供電公司員工。

宋嵐（1979-），女，河南安陽(yáng)人，工程師，河南檢修公司員工。