福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 林鍵煒 劉 毅 賀健偉

行波法不受線路類型、故障電阻及兩側(cè)系統(tǒng)影響，精確性較高。但存在如信號(hào)獲取、行波強(qiáng)弱、行波波速不確定性、故障電流小導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確等問(wèn)題[1]。其中，由于A、B型行波法需對(duì)故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，而我國(guó)配電網(wǎng)是小電流接地系統(tǒng)，故障行波信號(hào)特征不明顯，所以在故障定位時(shí)會(huì)出現(xiàn)困難；C型行波法則因其在線路首端注入信號(hào)，再通過(guò)因故障點(diǎn)引起的反射波到達(dá)時(shí)間來(lái)確定故障位置，不受故障信號(hào)特征的影響[2]，所以理論上適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的配電網(wǎng)，但無(wú)法解決配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分支眾多的問(wèn)題。

提高配電網(wǎng)供電能力，提高國(guó)民經(jīng)濟(jì)一直是國(guó)家關(guān)注的重點(diǎn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，配電網(wǎng)改造來(lái)到第三階段，即將采集、傳輸、控制裝置無(wú)線和計(jì)算機(jī)結(jié)合的饋線自動(dòng)化系統(tǒng)，能對(duì)故障區(qū)段實(shí)現(xiàn)一次性定位和隔離[3]。所以現(xiàn)階段急需一種有效的方法解決配電網(wǎng)故障定位的問(wèn)題。

1 基于波形差異性的配電網(wǎng)故障定位研究

1.1 注入脈沖在多分支線路中的傳輸過(guò)程研究

行波法在進(jìn)行配電網(wǎng)故障定位時(shí)較為簡(jiǎn)單，只需注入脈沖的起始時(shí)間、故障特征波的到達(dá)時(shí)間以及行波在線路上的傳播速度，即可通過(guò)公式：XL=1/2（t2-t1）v計(jì)算得到，如圖1所示。

圖1 C型行波定位

1.1.1 正常情況下的傳輸過(guò)程研究

但是配電網(wǎng)的分支眾多，進(jìn)行定位時(shí)，難以區(qū)分故障分支，會(huì)出現(xiàn)偽故障點(diǎn)，所以判斷故障出現(xiàn)在哪個(gè)分支是注入脈沖法的關(guān)鍵[4]。因此，對(duì)注入脈沖在多分支線路的三種不同傳輸過(guò)程進(jìn)行研究。如圖2所示，在線路以及分支線首端設(shè)置檢測(cè)器，在M端注入幅值為U0的脈沖，假設(shè)線路為均勻無(wú)損線路且參數(shù)相同，即波阻抗相等，都為Z0，根據(jù)行波折反射原理，可得到每個(gè)分支線檢測(cè)的脈沖幅值為：。

圖2 脈沖在三分支線路的傳輸過(guò)程

推廣到m個(gè)分支點(diǎn)且每個(gè)還有n條分支線，線路參數(shù)一致，則以注入脈沖傳輸方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，從

1.1.2 金屬性單相接地情況下的傳輸過(guò)程研究

根據(jù)行波折反射原理，若MA段發(fā)生金屬性單相接地短路，則UA1=UA2=0，即A、B、C三點(diǎn)都檢測(cè)不到脈沖信號(hào)；當(dāng)AB段發(fā)生該故障時(shí)，則,即B、C兩點(diǎn)檢測(cè)不到信號(hào)，以此類推到m個(gè)分支點(diǎn)且每個(gè)還有n條分支線時(shí)，根據(jù)金屬性故障時(shí)哪個(gè)分支點(diǎn)檢測(cè)不到脈沖信號(hào)，可推出故障發(fā)生在哪一條分支線路上。

1.1.3 經(jīng)電阻單相接地情況下的傳輸過(guò)程研究

根據(jù)行波折反射原理，當(dāng)MA段發(fā)生經(jīng)電阻單相接地短路時(shí)，脈沖幅值U0會(huì)衰減，則在A點(diǎn)檢測(cè)到的脈沖幅值小于正常情況下的幅值，同理，在B、C點(diǎn)檢測(cè)到的也是如此；當(dāng)AB段發(fā)生該故障時(shí)，在A點(diǎn)檢測(cè)到脈沖幅值應(yīng)與正常情況下一致，但在B、C點(diǎn)檢測(cè)到的幅值會(huì)小于正常情況下的；以此類推到m個(gè)分支點(diǎn)且每個(gè)還有n條分支線，根據(jù)分支點(diǎn)故障與正常情況下檢測(cè)到的幅值的差異，以及前一分支點(diǎn)檢測(cè)到的幅值是否有差異，可判斷故障發(fā)生的范圍。

1.2 基于波形差異性的配電網(wǎng)故障定位原理

根據(jù)行波折反射原理，脈沖在遇節(jié)點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生折反射，相應(yīng)的折反射波在遇節(jié)點(diǎn)時(shí)也會(huì)發(fā)生折反射，為了方便區(qū)分，提出節(jié)點(diǎn)特征波以及故障特征波的概念，即行波遇節(jié)點(diǎn)反射回來(lái)的第一個(gè)行波稱為該節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)特征波，同理，行波遇故障點(diǎn)時(shí)第一個(gè)反射回來(lái)的行波稱為故障特征波，其余經(jīng)過(guò)多次折反射產(chǎn)生的行波稱為雜波[5]，由于配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致檢測(cè)器檢測(cè)到的是各個(gè)雜波和故障特征波疊加起來(lái)的波形，無(wú)法直接得到故障特征波。

但如圖3所示，A為線路首端，B為分支點(diǎn)，C為線路末端，F(xiàn)為金屬接地點(diǎn)，在A點(diǎn)注入行波，無(wú)論兩段線路長(zhǎng)短，假設(shè)B-C段發(fā)生故障，可以發(fā)現(xiàn)行波在A-B段上的折反射是不受故障點(diǎn)位置影響的，并且與A-B段線路長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，但從B點(diǎn)向故障點(diǎn)折射的行波會(huì)與正常情況下不同，并且后續(xù)的折反射都會(huì)與正常情況不同。所以利用正常與故障情況下的波形的差異，即可得故障特征波。

圖3 脈沖行波傳輸過(guò)程

為了準(zhǔn)確得到故障特征波，可以將正常與故障情況下的波形相減，即可將雜波以及節(jié)點(diǎn)特征波去除，這樣，就可以得到故障特征波。如圖4所示，利用MATLAB軟件，將仿真的波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入，再利用plot函數(shù)等，繪制出波形相減圖。由圖4（b）所示，將雜波和節(jié)點(diǎn)特征波濾除后，可知第一個(gè)行波即故障特征波，即可得故障特征波到達(dá)時(shí)間，在假設(shè)行波傳輸速度不變的情況下，可以進(jìn)行故障定位。

圖4 故障特征波到達(dá)時(shí)間識(shí)別

2 基于波形差異性的配電網(wǎng)故障定位仿真

2.1 仿真模型建立

利用PSCAD建模，配電網(wǎng)拓?fù)鋱D如圖5所示，該配電網(wǎng)有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，3條支路，A點(diǎn)為信號(hào)注入點(diǎn)，F(xiàn)、G、H、B點(diǎn)各有負(fù)荷連接，將A-B設(shè)為主線路，而分支線A-C、C-F、D-G、E-H線段首端即在線路和分支線路首端分別都放置檢測(cè)器。

圖5 配電網(wǎng)拓?fù)鋱D

2.2 配電網(wǎng)單相接地故障仿真

以A點(diǎn)檢測(cè)波形為例，線路正常情況下波形如圖6（a）所示，再以A-C段距A點(diǎn)10km處發(fā)生金屬性接地為例，圖6（b）是利用MATLAB軟件進(jìn)行波形圖相減得出的波形，從圖中可以看到第一個(gè)行波的到達(dá)時(shí)間即故障特征波的到達(dá)時(shí)間，其余數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2、表3。

表1 各點(diǎn)注入脈沖幅值

表3 各段100Ω電阻故障仿真結(jié)果

圖6 AC段金屬性接地故障對(duì)比圖

根據(jù)仿真結(jié)果可得：當(dāng)分支線發(fā)生金屬性接地時(shí)，該分支點(diǎn)前檢測(cè)到的脈沖幅值不變，故障分支首端檢測(cè)到幅值為0；由表2可知，該方法進(jìn)行故障定位時(shí)，誤差均小于100m，符合實(shí)際；當(dāng)發(fā)生經(jīng)電阻單相接地故障時(shí)，計(jì)算故障距離誤差均小于100m，符合實(shí)際；故障分支線路首端檢測(cè)到脈沖幅值會(huì)小于正常情況下的幅值，而其余分支會(huì)與正常情況下相同。

3 結(jié)語(yǔ)

在PSCAD上搭建了多分支配電網(wǎng)單相接地故障仿真模型，分析注入脈沖法的有效性及合理性，根據(jù)仿真結(jié)果展示，注入脈沖法搭配多個(gè)探測(cè)器，只需觀察各個(gè)探測(cè)器檢測(cè)到的脈沖幅值是否與正常相比發(fā)生了變化即可知故障是否發(fā)生在分支線路上，再利用主線路以及故障分支線上的檢測(cè)到的故障特征波到達(dá)時(shí)間即可定位故障。