張 璇 ，于 洋，王敬華 ，張新慧，劉國(guó)棟

（1.山東理工大學(xué)智能電網(wǎng)研究中心，山東 淄博 255049；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255032；3.山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司，山東 淄博 255049；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274000）

配電網(wǎng)行波測(cè)距裝置布點(diǎn)研究

張 璇1，于 洋2，王敬華3，張新慧1，劉國(guó)棟4

（1.山東理工大學(xué)智能電網(wǎng)研究中心，山東 淄博 255049；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255032；3.山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司，山東 淄博 255049；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274000）

配電網(wǎng)行波測(cè)距裝置的配置影響著故障測(cè)距的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)有關(guān)于行波測(cè)距裝置配置的研究多集中于輸電網(wǎng)，缺少對(duì)配電網(wǎng)行波測(cè)距裝置配置的研究。分析配電網(wǎng)行波信號(hào)的衰減特性，研究分支數(shù)量對(duì)行波信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸约胺种Ь€對(duì)故障定位的影響，提出在配電網(wǎng)架空線上分散安裝行波測(cè)距裝置的初步配置方案。該方案減小行波測(cè)距裝置檢測(cè)信號(hào)的衰減，并且克服了配電網(wǎng)分支擴(kuò)展時(shí)僅在變電站配置行波測(cè)距裝置會(huì)得到偽故障點(diǎn)的缺陷，為配電網(wǎng)行波測(cè)距裝置的配置提供了一種新思路。最后，使用ATP進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明了分析的正確性以及該方案的可行性。

配電網(wǎng)；架空線；行波測(cè)距裝置；配置；分支線；分支數(shù)量

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，電力系統(tǒng)90%的故障發(fā)生在配電網(wǎng)側(cè)［1］。配電線路發(fā)生故障，不僅危及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重的還會(huì)影響社會(huì)生產(chǎn)、生活。準(zhǔn)確定位故障位置，可以減輕人工巡線的勞動(dòng)強(qiáng)度，盡早恢復(fù)供電，提高供電可靠性的同時(shí)降低經(jīng)濟(jì)損失。綜合比較現(xiàn)有的故障測(cè)距方式，行波法不受過渡電阻以及線路結(jié)構(gòu)的影響，測(cè)距精度高，被廣泛應(yīng)用于電力線路故障測(cè)距。

行波法最終能否準(zhǔn)確測(cè)量故障距離、定位故障位置，取決于測(cè)距裝置的安裝地點(diǎn)是否合適。行波法最先應(yīng)用于輸電線路。輸電線路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，分支少，線路長(zhǎng)，一般采取變電站內(nèi)獲取行波信號(hào)的方式。目前對(duì)于行波測(cè)距裝置配置的研究主要集中在輸電網(wǎng)［2-5］。文獻(xiàn)［2］使用模擬退火法優(yōu)化輸電網(wǎng)中行波測(cè)距裝置的配置，文獻(xiàn)［5］提出一種基于拓展雙端測(cè)距原理的行波測(cè)距裝置最優(yōu)化配置方法。但所提優(yōu)化配置針對(duì)輸電網(wǎng)，且配置地點(diǎn)均為變電站。與輸電網(wǎng)不同，配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多、波阻抗不連續(xù)點(diǎn)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若依舊采用變電站內(nèi)獲取信號(hào)的方式，行波信號(hào)經(jīng)過波阻抗不連續(xù)點(diǎn)發(fā)生多次折射后衰減幅度大，難以準(zhǔn)確記錄行波信息；此外，即使能夠準(zhǔn)確記錄行波信息，但由于分支線路多，僅根據(jù)變電站中采集的行波信息會(huì)得到多個(gè)故障點(diǎn)，無法進(jìn)行精確故障定位，依然不能減少故障巡線的工作量。

針對(duì)配電網(wǎng)的線路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出在配電網(wǎng)架空線上安裝行波測(cè)距裝置的配置方案。根據(jù)行波在分支節(jié)點(diǎn)（波阻抗不連續(xù)點(diǎn)）處發(fā)生衰減的特點(diǎn)，在架空線分支節(jié)點(diǎn)處分散配置行波測(cè)距裝置，結(jié)合多點(diǎn)采集信息，進(jìn)行精確故障定位。該方案克服了僅在變電站配置行波測(cè)距裝置信號(hào)不易獲取以及產(chǎn)生偽故障點(diǎn)的缺陷，實(shí)現(xiàn)了故障的精確定位。

1 行波的傳輸特性

1.1 配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

對(duì)于研究行波測(cè)距技術(shù)而言，與輸電網(wǎng)相比，配電網(wǎng)的主要特點(diǎn)為：出線多，且各線路長(zhǎng)度較短；線路分支較多，波阻抗不連續(xù)點(diǎn)多；農(nóng)村配電網(wǎng)線路以架空線為主，采用電纜—架空線混合線路。

1.2 行波的折反射

行波信號(hào)在經(jīng)過波阻抗不連續(xù)點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生折反射［6］，如圖1所示。

圖1 行波的折反射

線路1波阻抗為Z1，線路2波阻抗為Z2，A點(diǎn)為波阻抗不連續(xù)點(diǎn)。當(dāng)入射波沿線路1經(jīng)A點(diǎn)進(jìn)入線路2時(shí)，波阻抗的變化使得兩段線路的電壓與電流比值不同。前行的入射波被分成兩部分：繼續(xù)向前傳輸?shù)恼凵洳ê拖蛳喾捶较騻鬏數(shù)姆瓷洳?。這里，將入射波的電壓和電流記為u0和i0，折射波為uT和iT，反射波為uR和iR。則有：

其中：

聯(lián)立式（1）和式（2），可得：

1.3 配電網(wǎng)行波信號(hào)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)

配電網(wǎng)線路長(zhǎng)度一般較短，約20 km左右，架空線中的行波的傳輸速度一般為 2.92×105km/s［7］。 相比之下，行波在配電網(wǎng)中傳輸時(shí)必然會(huì)發(fā)生多次折反射，尤其配電網(wǎng)分支線路和節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，折反射更為復(fù)雜，其折、反射如圖2所示。

圖2 行波折射波、反射波網(wǎng)格

折射使得行波信號(hào)發(fā)生衰減，當(dāng)信號(hào)衰減程度過大時(shí)，就會(huì)影響測(cè)距裝置對(duì)故障行波信號(hào)的采集，導(dǎo)致測(cè)距失敗。因此，有必要研究經(jīng)波阻抗不連續(xù)點(diǎn)后信號(hào)的衰減情況。

在配電網(wǎng)中，造成行波信號(hào)衰減的主要原因是信號(hào)在分支點(diǎn)發(fā)生折射。分支對(duì)于行波信號(hào)的折射體現(xiàn)在兩個(gè)方面：分支點(diǎn)折射和線路折射。

分支點(diǎn)折射系數(shù)：

線路折射系數(shù)：

2 分支線對(duì)行波傳輸?shù)挠绊?/h2>

2.1 分支數(shù)量對(duì)行波衰減的影響

這里分析分支數(shù)量對(duì)電壓行波的影響。假設(shè)各線路波阻抗相同，即ZL=ZL1=ZL2，故障行波初始電壓為U0。

圖3 帶分支線路

以圖3所示兩分支線路為例，行波信號(hào)采集點(diǎn)采集到的電壓為：

按式（6）計(jì)算，當(dāng)分支數(shù)量不同時(shí)，在信號(hào)采集點(diǎn)采集到的電壓行波信號(hào)如表1所示。

表1 分支數(shù)量對(duì)電壓行波的影響

由表1可知，分支數(shù)量越多，采集點(diǎn)采集到的行波信號(hào)衰減越嚴(yán)重，因此在配置行波測(cè)距裝置時(shí)，要充分考慮分支線的數(shù)量。

在分析分支線數(shù)量對(duì)電流行波的影響時(shí)，除了要考慮分支線路中電流分流比例外，其他分析同電壓行波。

2.2 分支線對(duì)故障點(diǎn)定位的影響

分支線路多是配電網(wǎng)的重要特點(diǎn)之一。由于靠近用戶側(cè)，配電網(wǎng)線路在建設(shè)完成后，分支線擴(kuò)展性較大?；谀壳皟H在變電站安裝行波測(cè)距裝置的測(cè)距裝置布置方案，當(dāng)故障發(fā)生在擴(kuò)展的分支線上時(shí)，進(jìn)行故障測(cè)距會(huì)產(chǎn)生偽故障點(diǎn)。通過圖4說明分支線擴(kuò)展對(duì)故障點(diǎn)定位的影響。

圖4 帶兩級(jí)分支線路

如圖4所示，L1、L2、L3、L4 為初始建設(shè)線路，L5、L6為后期實(shí)際需要所擴(kuò)展的新分支線。初始建設(shè)時(shí)，主干線路兩端A和B安裝了行波測(cè)距裝置。擴(kuò)展分支線路L5、L6后，當(dāng)距離測(cè)距裝置B距離相等的a點(diǎn)或b點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，現(xiàn)有行波測(cè)距裝置的安裝方式只能判斷故障距離，而無法精確判斷故障發(fā)生于a點(diǎn)還是b點(diǎn)，增加了巡線工作量。尤其是當(dāng)分支級(jí)數(shù)以及分支線數(shù)量擴(kuò)展較多時(shí)，偽故障點(diǎn)也會(huì)隨之增加，給故障測(cè)距造成更大困難。

3 行波測(cè)距裝置布點(diǎn)

僅在變電站安裝行波測(cè)距裝置，故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波信號(hào)只能在變電站中獲取。由第2節(jié)分析可知，該配置方式在配電網(wǎng)中進(jìn)行故障測(cè)距時(shí)存在兩個(gè)問題：多分支造成的行波信號(hào)過度衰減以及分支線后期擴(kuò)展導(dǎo)致不能精確定位故障點(diǎn)。

針對(duì)這兩個(gè)問題，提出在架空線上就地分散安裝行波測(cè)距裝置的方法，其安裝原則為：在每一個(gè)分支點(diǎn)處安裝行波測(cè)距裝置，以便就近獲取行波信號(hào)，減少信號(hào)衰減；根據(jù)線路實(shí)際情況，在每一條擴(kuò)展的重要分支線路末端安裝行波測(cè)距裝置，實(shí)現(xiàn)精確故障定位。對(duì)于對(duì)供電可靠性要求較低的分支線路末端可不安裝行波測(cè)距裝置，離線測(cè)距進(jìn)行故障定位。安裝如圖5所示。

圖5 架空線行波測(cè)距裝置安裝示意

線路未進(jìn)行后期建設(shè)時(shí)，在位置1~8安裝行波測(cè)距裝置，以滿足線路上任意一點(diǎn)故障能進(jìn)行雙端測(cè)距的需要。當(dāng)擴(kuò)展線路4、線路5時(shí)，若僅在分支點(diǎn)A左側(cè)安裝行波測(cè)距裝置，線路4、5上發(fā)生故障無法精確定位。若按圖5方式，根據(jù)線路擴(kuò)展情況，在擴(kuò)展線路末端安裝行波測(cè)距裝置，分析8、9或8、10采集到的行波信號(hào)即可準(zhǔn)確定位故障位置。

4 仿真分析

4.1 行波衰減分析

在ATP中搭建小電流接地系統(tǒng)仿真模型，模型如圖6所示，故障點(diǎn)設(shè)為F點(diǎn)，行波測(cè)距裝置置于分支線上N點(diǎn)。改變分支線條數(shù)，測(cè)得其故障點(diǎn)與線路末端N點(diǎn)的電壓行波信號(hào)。圖7為當(dāng)分支線數(shù)量不同時(shí)，分別在故障點(diǎn)與N點(diǎn)測(cè)得的電壓行波。

圖6 簡(jiǎn)單配電網(wǎng)仿真模型

圖7 分支數(shù)量對(duì)于行波信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

圖7中，綠色線為故障點(diǎn)電壓行波波形，紅色線為N端電壓行波波形。分析圖7可知，隨著分支線增多，行波信號(hào)隨之衰減，與第2節(jié)的分析相符。

4.2 故障定位對(duì)比分析

利用小電流接地系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。在ATP中搭建四級(jí)分支配電網(wǎng)模型，如圖8所示。

圖8 4級(jí)分支配電網(wǎng)仿真模型

仿真模型中L5、L6為后期擴(kuò)展分支線路，其他線路為初期建設(shè)線路。各參數(shù)如下：電源為三相110 kV交流電，變壓器采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式， 變比為 110/10.5。 線路參數(shù)：R1＝0.17 Ω/km，R0＝0.23 Ω /km，L1=0.38 mH /km，L0＝1.72 mH /km，C1＝3.045 μF /km，C0＝1.884 μF /km，MP=45 km，PF=8 km，F(xiàn)N=15 km。在F點(diǎn)設(shè)置t=0.05 s時(shí)發(fā)生單相接地故障，采樣頻率為1 MHz。

按照第3節(jié)的配置方案，在P、N兩點(diǎn)采集電壓行波信號(hào)，在M、P點(diǎn)采集作對(duì)比分析，將采集到的波形導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行處理，得到其線模分量如圖9所示。

圖9 電壓行波線模分量

圖9中將行波波頭的起始點(diǎn)時(shí)刻作為行波到來的時(shí)間參數(shù)［8］。經(jīng)分析，故障行波到達(dá)P端為50 028點(diǎn)，到達(dá)M端為50 154點(diǎn)，到達(dá)N端為50 052點(diǎn)。根據(jù)線路參數(shù)，L1＝0.38 mH/m，C1=3.045 μF/m，可得波速度為2.939 8×105km/s，由此計(jì)算測(cè)距結(jié)果可得：利用M、P兩點(diǎn)進(jìn)行雙端測(cè)距時(shí)，可得故障點(diǎn)距離M端45.27km，距離P端8.23km，由于分支線L5、L6上兩個(gè)點(diǎn)均滿足該結(jié)果，因此不能精確定位故障位置。而利用P、N兩點(diǎn)進(jìn)行雙端測(cè)距時(shí)，利用雙端測(cè)距原理計(jì)算可得，故障點(diǎn)距離N端15.28 km，僅定位一個(gè)故障點(diǎn)。

由仿真結(jié)果可知，如果僅在M點(diǎn)安裝行波測(cè)距裝置，雖然能在誤差準(zhǔn)許范圍內(nèi)確定故障距離，但是會(huì)得到多個(gè)故障點(diǎn)，無法完成精確故障定位。如果在配電網(wǎng)架空線上分散安裝行波測(cè)距裝置，在每條主線路的首端和末端均安裝行波測(cè)距裝置，則可以精確定位故障位置。

5 結(jié)語

配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜且分支數(shù)量較多，不宜采用輸電網(wǎng)中僅在變電站中配置行波測(cè)距裝置的方法。通過分析可知故障點(diǎn)行波信號(hào)在經(jīng)過多個(gè)分支點(diǎn)后會(huì)衰減，衰減信號(hào)將會(huì)給檢測(cè)和識(shí)別帶來困難，且當(dāng)配電網(wǎng)分支線進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)故障定位不準(zhǔn)確。提出架空線上配置行波測(cè)距裝置的方案，該方案較好地克服了上述問題，能夠進(jìn)行精確定位。該配置方案開拓了配電網(wǎng)行波測(cè)距裝置配置的新思路，為以后研究適用于配電網(wǎng)的行波測(cè)距裝置提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。接下來，將繼續(xù)研究適用于配電網(wǎng)架空線的行波測(cè)距裝置，嘗試對(duì)其配置進(jìn)行優(yōu)化，以滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。

［1］陳時(shí)飛.基于行波的配電網(wǎng)的故障測(cè)距技術(shù)研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2016.

［2］李澤文，姚建剛，曾祥君，等.電網(wǎng)行波故障定位裝置的優(yōu)化配置［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（3）：64-68.

［3］鄧豐，陳楠，曾祥君，等.基于圖論的電網(wǎng)故障行波定位裝置最優(yōu)配置算法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（11）：87-92.

［4］馬雪，曾祥君，鄧豐.電網(wǎng)故障行波定位裝置優(yōu)化配置方法［J］.電力科學(xué)與工程，2014，30（5）：23-27.

［5］梁睿，徐成，王飛，等.復(fù)雜輸電網(wǎng)中基于全網(wǎng)行波信息的測(cè)距裝置最優(yōu)配置［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，31（21）：30-38.

［6］葛耀中.新型繼電保護(hù)和故障測(cè)距的原理與技術(shù)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

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［8］徐偉宗.基于雙端行波原理的輻射狀配電線路故障測(cè)距［D］.重慶：重慶大學(xué)，2010.

Research on Location of Traveling Wave Distance Measuring Devices in Distribution Network

ZHANG Xuan1，YU Yang2，WANG Jinghua3，ZHANG Xinhui1，LIU Guodong4
（1.Shandong University of Technology，Zibo 255049，China；2.State Grid Zibo Power Supply Company，Zibo 255032，China；3.Shandong Kehui Power Automation Co.，Ltd.，Zibo 255049，China；4.State Grid Heze Power Supply Company，Heze 274000，China）

The reasonable configuration and distribution of the distribution network fault location devices for detecting traveling waves affect the accuracy of fault locating and the cost efficiency of the system.The existing researches of traveling wave device configuration are mostly aiming at the problem of the transmission network while the research on the configuration of traveling wave distance measuring device in distribution network is little.In this paper，the attenuation characteristics of the traveling wave signals in the distribution network are analyzed.The influence to the fault location due to the branch numbers as well as that due to the character of the branch line is studied.A preliminary scheme of distributing the travel wave detecting devices along over-head lines of the distribution network is proposed.The attenuation of detected fault traveling wave signal is reduced.The shortcoming of the incorrect fault point calculation frequently happened in case that the traveling wave ranging device is only installed in the substation when distribution network branch expansion is eliminated.The ATP simulation is used to verify the feasibility of the analysis and the proposed configuration scheme.This research provides a new idea to improve the distribution network fault location based on traveling wave configuration.

distribution network；overhead lines；traveling wave ranging devices；configuration；branch lines；branch quantities

TM744

A

1007－9904（2017）10－0012－05

淄博市校城融合發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2016ZBXC076）

2017-06-12

張 璇（1992），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)自動(dòng)化；于 洋（1986），男，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化；王敬華（1972），男，高工，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榕潆娮詣?dòng)化；張新慧（1971），女，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)保護(hù)與控制；劉國(guó)棟（1990），男，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)故障分析與計(jì)算。