王建元，邢春陽，胡躍旭，鞠默欣

（1.東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林132012；2.吉林省電力科學研究院，長春130600）

0 引 言

配電網是電力系統的重要組成部分，由于配電線路長期處在惡劣的環(huán)境中和線路本身的質量等問題，以致線路故障越來越頻繁地發(fā)生。目前，國內大部分地區(qū)依然是靠人工巡線的方法進行故障定位，只有部分裝設有配電網自動化設備的地區(qū)才能有效地隔離故障，但是不能確定故障發(fā)生的位置，為了盡快排除故障恢復供電，配電網故障測距的研究變得更有意義。

目前，國內外對于配電網故障定位方法［1］的研究已取得顯著成果，從原理上可以劃分為兩大類，分別為數值計算定位法［2］和監(jiān)測定位法［3－4］。數值計算定位法只是在理論研究的基礎上，在配電網中選取測量點，根據測量點所記錄的信息，從各種干擾信息中提取豐富的故障信息的方法。文獻［5］所提到的雙端量測距方法利用故障后故障區(qū)段的電壓電流的信息構造測距方程，避免了過渡電阻對測距精度的影響。文獻［6］中的小波包分析法利用信號相關性進行故障定位，十分具有理論價值。國內配電網還采用監(jiān)測定位法，通過在分結點安裝監(jiān)測設備來監(jiān)測故障信息，從而進行有效地故障切除和定位，文獻［3］中的光纖傳感器是通過故障后分結點的零序電容電流信息來確定故障區(qū)段，然后通過繼電設備切除故障區(qū)段。以上各種方法中很少考慮到數據信息的傳輸問題。針對這個問題需要考慮投資和方法的實用性，傳統的監(jiān)測定位法投資比較大，只能測出故障分支不能確定故障位置。在復雜的配電網絡拓撲結構中，沒有裝設故障定位的裝置，只能記錄供電端的信息，為了減少故障信息傳輸的投資，并能利用故障發(fā)生時變電所記錄的信息進行準確定位，達到工程上的要求。文獻［7］提出了一種新型通信技術TWACS，信號可以直接跨越變壓器臺區(qū)實現兩方的直接通信。與通信載波方法相比，它不需要中間設備，可以節(jié)省很大成本，而且這種技術不受饋線結構、電容和變壓器繞組結構的限制，信號衰減很小，抗干擾能力強，可以傳輸故障信息。

采用文獻［7］中的TWACS技術對配電網實現高精度的故障定位，結合單位正序差流有效值法和基于參數檢測的雙端故障測距算法準確地進行故障定位。把這種方法應用到國內配電網中將很大程度上提高效率以及降低成本，產生巨大的社會效益。

1 TWACS通信技術原理

雙向工頻自動通信（TWACS）是近些年發(fā)展起來的新技術，它利用在基頻電壓過零點處對信號進行調制，以50 Hz作為信號的載波頻率通道，可以有效地跨越變壓器的限制，通過在入站通道調制電流信號，在出站通道調制電壓信號，以實現雙向工頻通信。

對于出站信號，此處以兩個完整的電壓波形作為一個調制信號的周期，在其中一個波形的過零點前30°時，導通晶閘管對波形進行畸變，由于此處電壓過高，因此需要在調制電路中添加隔離變壓器，利用調制位置的不同攜帶不同的信號，分別為“0”或者“1”（見圖1），若兩個周波都無調制信號，那么表示無信息。目前，出站信號的解調主要采用時域方法，本文采用差分算法和閾值判斷的方法進行解調。

圖1 出站信號的編碼方式Fig.1 Encoding mode of the outbound signal

對于入站信號的調制原理與出站信號的調制原理基本相同，都是通過晶閘管的導通來調制信號，兩者之間的不同在于入站信號的調制是通過電流畸變來攜帶信號。入站信號的調制處在用戶低壓端，因此不需要使用隔離變壓器。對于入站信號的編碼相對比較復雜，需要四個周波作為一個調制單元，相互對應的“0”或“1”碼圖一共有 18組，如果在 1、2、3、4位置進行調制表示信息位為“1”，那么在5、6、7、8位置進行調制表示信息位為“0”，編碼示意圖如圖2所示。對于入站信號的解調，由于調制信號比較微弱，所以相對比較困難，需要先把電流信號轉變成電壓信號，再使用FIR濾波器處理信號，然后采用相干解調法進行解調。

圖2 入站信號的編碼示意圖Fig.2 Encoding mode schematic diagram of the inbound signal

2 單位區(qū)段正序差流有效值法

對于配電網接地系統存在零序電流，可以根據區(qū)段零序差流法檢測到故障區(qū)段，進而確定故障的位置。但是對于兩相短路和三相短路等故障，不存在零序電流，故區(qū)段零序差流法不能適用于所有的故障類型。考慮到各類故障都存在正序電流，故可以采用正序電流進行檢測。針對多分支配電網傳統的零序電流比幅法［8］測量精度不夠高，主要原因是在配電網具有多分支線路的情況下，非故障線路與故障線路的零序電流幅值差別不是很明顯，且沒有較強的規(guī)律性，因此容易導致誤判。為了提高區(qū)間定位精度，本文首先提出利用各區(qū)段“差流”與長度的比值來拉大非故障線路與故障線路之間的差距，使得判據更加明顯，其公式如下：

單一的單位零序電流法也存在著一定的缺陷，它只能反映某單一時刻或者某些時刻的故障零序電流，在此本文結合零序電流有效值法來提高故障區(qū)段定位的準確度。針對電力系統發(fā)生故障時會存在大量的非周期分量以及多次、高次諧波，因此用單一的對稱分量法不能滿足計算要求，本文在對稱分量法的基礎上采用全周波傅式算法［9］進行序分量計算，零序、正序和負序分量計算公式如下：

式中 xak、xbk、xck為各相采樣值；N為一個周期的采樣點數；Wk、Wk′、Wk“的計算公式如下：

針對以上得到的數據利用離散的有效值公式來計算正序電流有效值，根據各區(qū)段電流有效值與平均值的比值Tk1進行故障區(qū)段判斷：

由故障時電流特征可知故障區(qū)段的Tk1最大，這樣通過比較Tk1的大小就可確定故障區(qū)段。

3 基于參數檢測的雙端故障測距算法

3.1 故障測距計算

在配電網中參數的準確性對計算結果極為重要，本文采用分布參數模型［10］進行故障測距研究，以減小誤差?，F以單相為例，其故障后的模型如圖3所示。

圖3 發(fā)生故障后的參數模型Fig.3 Model parameters after the fault happens

圖中Zm、Zn分別為系統阻抗；l為線路總長度；Vm、Vn為 M、N端的電壓，Im、In分別為 M、N端的電流。

根據線路分布參數模型可知故障點f的電壓向量，得到：

由以上兩式可以得到測距公式如下：

式中i可取正序分量或正序故障分量，通過上式可測各類型的故障距離。

3.2 線路參數和非同步角計算

在配電網正常運行時，電氣量只存在正序分量，因此可采用正序分量計算兩端的非同步角，計算公式如下：

在故障測距的計算公式中傳播常數γ、波阻抗Zc的準確度直接影響到測距的精度，然而這些參數容易受到外部因素的影響，因此需要對這些參數［11－12］進行實時計算，以確保測距的準確性，在得到非同步角的基礎上，可由線路模型得到相應序分量的γ和Zc。

4 算例分析

為了驗證以上所述方法的有效性，現采用MATLAB／SIMULINK進行數據仿真采樣。所選的線路參數如表1所示。

表1 線路參數Tab.1 Line parameters

建立如下模型，以C相接地故障為例，如圖4所示。

圖4 仿真簡化模型Fig.4 Simplified model of simulation

模型中M端表示發(fā)電機端，N表示用戶端，1、2、3…7表示配電網中的7個分支。仿真采樣頻率為5 000 Hz，即每個周波采樣100個點。在N端設置調制模塊，本次仿真中只對A相電流進行調制，設定用戶端入站信號的調制信號為“1011”，調制波形如圖5所示。當未發(fā)生故障時，首先對采集到的數據進行加噪處理，由于存在噪聲和諧波，需要用FIR濾波器來提取信號，然后用數字差分算法對提取到的信號進行相干解調，最后求和并根據相干解調法的閾值判斷準則得到信號，解調過程如圖6。當發(fā)生單相接地故障時信號的輸出結果如圖7。

圖5 電流調制波形圖Fig.5 Waveform diagram of current modulation

圖6 未發(fā)生故障時的解調結果Fig.6 Demodulation result when a failure doesn’t occur

圖7 發(fā)生故障后的解調結果Fig.7 Demodulation result when a failure occurs

對比圖6和圖7的解調結果，可以看出故障檢測的信號幅值不滿足閾值判斷條件，因此可以判斷出故障是否發(fā)生。

根據單位區(qū)段正序差流有效值法可以得到各區(qū)段的有效值如表2～表3所示。

表2 過渡電阻為0Ω發(fā)生單相接地故障Tab.2 Single-phase ground fault occurs when transition resistance is equal to 0Ω

表3 過渡電阻為100Ω發(fā)生單相接地故障Tab.3 Single-phase earth ground occurs when transition resistance is equal to 100Ω

由以上兩表可以準確判斷出故障發(fā)生在區(qū)段5，而且該方法不受過渡電阻的影響。

采用區(qū)段5故障前一周波的數據按照以上公式計算非同步角以及其他參數，由于故障剛發(fā)生后有各種復雜的諧波和衰減直流分量，因此選擇遠離故障發(fā)生的時刻以提高精度，采用故障發(fā)生后線路兩端第三個周波的正序基頻分量進行故障測距計算。表4給出了不同過渡電阻、不同故障實際距離情況下的測量結果。

表4 故障測距仿真結果Tab.4 Simulation results of fault location

5 結束語

以多種方法為基礎，提出基于TWACS通信技術的配電網故障定位算法，具有以下優(yōu)點：

（1）通過對比雙向工頻通信系統和電力線載波通信系統，其特殊的優(yōu)點，能夠在配電網絡中得到很好的應用，大大提高效率，同時也能降低通信成本；

（2）單位區(qū)段正序差流有效值法既可以加大非故障線路和故障線路的差距，也能通過傅式算法消除三相電壓、電流中含有大量的多次、高次諧波和非周期分量，還能利用一個周期內所有數據的有效值來減小誤差；

（3）非同步角和實時參數對雙端測距十分關鍵，本文采用基于參數檢測的雙端故障測距算法，考慮了這幾種參數對故障定位的影響，在最大程度上減小了誤差，滿足實際工程的需要。