含D G配電網(wǎng)故障測距技術(shù)綜述

康忠健，田愛娜，馮艷艷

（中國石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，山東青島 266580）

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，與用戶關(guān)系密切，保障配電網(wǎng)的安全對電力系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且所處的環(huán)境具有多樣性，容易發(fā)生故障，因此，對配電網(wǎng)故障的診斷和修復(fù)一直是我國電力工作者研究的重點(diǎn)。傳統(tǒng)配電系統(tǒng)的本質(zhì)是單電源輻射狀。伴隨DG接入，配網(wǎng)由原來的單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫吹幕ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)的運(yùn)行環(huán)境發(fā)生了深刻變化[1-3]。近年來配電網(wǎng)測距方法研究重心已轉(zhuǎn)移到對含DG配電網(wǎng)故障測距方法的研究上。現(xiàn)有的含DG配電網(wǎng)故障測距方法從原理上可以仍然分為阻抗分析法、行波法、注入法、故障區(qū)間定位方法和故障特征匹配測距算法，各種方法均有一定的優(yōu)缺點(diǎn)。尋找一種快速、準(zhǔn)確的故障定位方法具有重要的意義。本文對上述方法進(jìn)行綜述并對含DG配電網(wǎng)故障測距方法進(jìn)行展望。

1 阻抗分析法

阻抗法由故障時(shí)刻測量到的電壓和電流量計(jì)算出故障回路的阻抗，因?yàn)榫€路長度與阻抗成正比，便可求出故障距離，其原理如圖1所示。

圖1 阻抗分析法原理圖Fig.1 The schematic diagram of impendence-based method

傳統(tǒng)配電網(wǎng)在多分支的配電系統(tǒng)中，難以準(zhǔn)確分辨真、偽故障點(diǎn)。在過去已提出的各種配電系統(tǒng)的故障定位方法一般采用迭代求解。文獻(xiàn)[4]提出一種新的架空配電網(wǎng)故障定位算法，該方法減少迭代過程，適用于所有類型的故障定位，利用在當(dāng)?shù)刈冸娬镜碾妷汉碗娏鳒y量，根據(jù)饋線電壓電流量與故障位置和故障電阻的函數(shù)關(guān)系求得故障位置。文獻(xiàn)[5]提出了一個(gè)適合于配電系統(tǒng)的單端阻抗故障定位方法，該方法克服了基于阻抗算法的多估計(jì)問題。文獻(xiàn)[6]提出了一種互聯(lián)系統(tǒng)架空線路單端故障測距的新方法，該方法利用故障前和故障期間的電流電壓信號(hào)，以及精確的線路分布式參數(shù)，將n條母線的系統(tǒng)進(jìn)行戴維南等效，從而完成故障精確定位。該方法對于實(shí)際中的各種故障效果都較好，但在高壓系統(tǒng)的單相接地和線間故障中誤差較大，而且受線路參數(shù)影響顯著。上述幾種阻抗法均未涉及含DG的配電網(wǎng)測距問題。

由于分布式電源的接入，改變了配電網(wǎng)的潮流流向，原有測距方法已不適用。為了考慮配電網(wǎng)中發(fā)電單元的存在，人們對基于阻抗故障定位方法的擴(kuò)展進(jìn)行了研究[7-10]。文獻(xiàn)[7-8]提出了一種基于配電網(wǎng)本地終端數(shù)據(jù)的擴(kuò)展阻抗測距法，該方法適用于對稱和不對稱系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9]提出一種用于分布式配電系統(tǒng)的擴(kuò)展阻抗故障定位方法，該方法只使用本地的電壓和電流輸入數(shù)據(jù)，考慮了負(fù)載變化的影響和不同的故障類型。但該方法對網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求比較嚴(yán)格。文獻(xiàn)[10]介紹了一種采用測量DG聯(lián)網(wǎng)端的同步電壓和電流，并能適應(yīng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的方法。但上述基于改進(jìn)阻抗法的含DG配電網(wǎng)測距方法在建模時(shí)均未考慮測量數(shù)據(jù)誤差及相關(guān)性和接地阻抗的非線性，有較大的測距誤差，需要進(jìn)一步研究。

阻抗法的最大優(yōu)點(diǎn)就是簡單可靠，但是其受系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)參數(shù)、負(fù)荷的復(fù)雜性及接地性質(zhì)的影響較大，僅適用于結(jié)構(gòu)簡單、對測距精度要求不高的場合。

2 行波法

行波法是目前在輸電線路上使用情況較好的測距方法，主要利用三相行波幅值和相位的信息確定故障相，通過測量電壓、電流行波在故障點(diǎn)及母線之間的傳播時(shí)間確定輸電線路的故障距離。行波法主要分為單端行波法和雙端行波法。

實(shí)際的配電線路中,存在大量的分支線路接點(diǎn)與負(fù)荷點(diǎn)。線路發(fā)生故障時(shí),線路上眾多的阻抗不連續(xù)點(diǎn)都會(huì)發(fā)生反射,使測得的行波十分復(fù)雜，難于區(qū)分。文獻(xiàn)[11]采用小波分析方法,利用配電網(wǎng)單相接地故障時(shí),各線路零序電流行波的初始波頭到達(dá)時(shí)刻與正反向反射行波達(dá)到時(shí)刻的時(shí)間差實(shí)現(xiàn)了故障測距。文獻(xiàn)[12]提出一種基于行波固有頻率和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）的架空線——電纜混合線路故障測距方法,在提取故障行波固有頻率主成分之前，先利用EMD進(jìn)行信號(hào)分解,獲取故障測距所需的故障行波成分,再對其進(jìn)行固有頻率頻譜分析、主成分提取和故障測距計(jì)算。文獻(xiàn)[13]利用一套高采樣率的電流互感器和一套常規(guī)的電壓互感器實(shí)現(xiàn)多饋線系統(tǒng)選線和測距。在所有線路長度已知的情況下，利用小波變換獲取電流暫態(tài)行波，根據(jù)暫態(tài)行波波頭計(jì)算出各個(gè)波頭對應(yīng)的距離；根據(jù)已知線路的長度進(jìn)行排除，找出故障線路；給出故障點(diǎn)的位置和故障線路。ATP仿真結(jié)果表明，該方法在配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生單相接地故障時(shí)，能夠正確選出故障線路并且準(zhǔn)確地測得故障點(diǎn)的位置，且不受過渡電阻和系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響。但上述方法并未涉及含DG配電網(wǎng)測距問題，需進(jìn)一步研究。

由于配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分布式電源的滲透更是增加了配電系統(tǒng)的復(fù)雜程度，行波的波形會(huì)更加的復(fù)雜，很難識(shí)別故障點(diǎn)的反射波，因此，行波法在配電網(wǎng)故障測距，尤其是含DG配電網(wǎng)的故障測距中的應(yīng)用受到了很大的限制，適用性不強(qiáng)。

3 注入法

注入法是通過故障后存在故障系統(tǒng)注入特種信號(hào)以定位具體故障點(diǎn)的方法，主要有端口故障診斷法、加信傳遞函數(shù)法和S注入法等。

端口故障診斷法[14]借鑒模擬電路故障診斷理論，從端口方程出發(fā)，通過施加音頻正弦信號(hào)并結(jié)合字典法的概念，用零序故障電流在主支2側(cè)的分布參數(shù)與故障位置的對應(yīng)性實(shí)現(xiàn)故障定位。其缺點(diǎn)是定位范圍只包括主支和第一級分支與主支的交點(diǎn)，無法確定確切的故障距離，且需要數(shù)據(jù)通信采集線路2側(cè)信息。

基于頻譜分析原理和線路分布參數(shù)模型的加信傳遞函數(shù)法[15-16]，在故障出線處加入方波診斷信號(hào)，選擇線路加信端的模量分解中地模電流與電壓的比值構(gòu)造傳遞函數(shù)，獲得故障信息，并由傳遞函數(shù)的頻譜特性構(gòu)造判據(jù)進(jìn)行故障定位。但尚未應(yīng)用于實(shí)際測距工作中。

S注入法是利用故障時(shí)暫且閑置的電壓互感器注入電流信號(hào)，在故障線路中尋找注入信號(hào)的路徑進(jìn)行選線和定位。文獻(xiàn)[17]提出直流結(jié)合60 Hz交流的定位方法以克服高過渡電阻、多分支和大電容的影響,有效解決配電網(wǎng)單相接地故障定位難題。文獻(xiàn)[18]是在單相接地短路發(fā)生后向故障相注入一個(gè)交流信號(hào)，接著利用交流信號(hào)探測器沿著輸電線檢測故障，利用二分法直到確定故障。

注入法在含DG配電網(wǎng)故障測距中的應(yīng)用并未進(jìn)行深入研究。

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，注入法在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中尚可應(yīng)用，但是隨著DG的接入，注入特種信號(hào)產(chǎn)生的激勵(lì)發(fā)生了本質(zhì)性變化，很難實(shí)現(xiàn)精確的配網(wǎng)測距。

4 故障區(qū)間定位方法

對于分布式電源接入的系統(tǒng)，故障區(qū)段判定是配電網(wǎng)故障定位的必要步驟，文獻(xiàn)[19]的區(qū)段判定方法首先根據(jù)阻抗分類將區(qū)域進(jìn)行劃分，選擇出熔斷器位置后，通過故障電流的波形確定故障發(fā)生區(qū)段。文獻(xiàn)[20]提出了一種基于負(fù)序電流確定不對稱故障方向的新方法。通過結(jié)合通信系統(tǒng)區(qū)別故障方向的方法，提出了一個(gè)新的非對稱故障線路搜索和定位的方法。通過估計(jì)故障方向?qū)⒖偩€分成幾個(gè)不同的類型并提出不同的方法。連接3個(gè)及以上分支的總線用I2SP法，有2個(gè)分支的總線用I1CP法和WWC法。在沒有電壓信號(hào)時(shí)在每個(gè)總線的IED使用相應(yīng)的方法來確定不對稱故障的方向，然后發(fā)送確定的故障方向信號(hào)到集中控制器來搜索和定位故障。文獻(xiàn)[21]提出了一種基于多代理的含DG的配電網(wǎng)絡(luò)故障診斷的方法。位于中繼代理將配電網(wǎng)劃分成幾個(gè)部分。中繼代理測量總線電流，它可以檢測并將故障分類，同時(shí)確定故障位置。該方法是使用測量的總線電流的小波系數(shù)的熵。該故障診斷方法通過了2個(gè)系統(tǒng)的模擬測試。文獻(xiàn)[22]主要研究了配電系統(tǒng)中分布式電源DG對于自動(dòng)重合閘開關(guān)和熔斷器協(xié)調(diào)能力的影響。該研究方法的核心是通過分類技術(shù)對故障條件下自動(dòng)重合閘開關(guān)和熔斷器的協(xié)調(diào)狀態(tài)進(jìn)行分類，以便判定協(xié)調(diào)狀態(tài)是否完好。根據(jù)DG接入配電網(wǎng)后，能通過與多分支母線節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的FTU監(jiān)測點(diǎn)的電流方向和幅值大小判斷故障方向的特點(diǎn)，文獻(xiàn)[23]提出一種利用FTU信息進(jìn)行故障定位的方法，首先判斷FTU監(jiān)測點(diǎn)的電流方向和正方向監(jiān)測點(diǎn)的電流幅值，將故障鎖定在2個(gè)多分支母線節(jié)點(diǎn)之間，然后根據(jù)FTU反饋的故障過電流信息確定故障發(fā)生的具體區(qū)域。該算法原理簡單，判斷準(zhǔn)確，在已有的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上易于實(shí)現(xiàn)。

文獻(xiàn)[24]在FTU故障分區(qū)矩陣算法的基礎(chǔ)上，提出配電網(wǎng)故障定位自適應(yīng)矩陣算法，根據(jù)流入FTU的過電流及其方向，判斷分布式電源是否投入以及是否有其他情況發(fā)生初步確定故障區(qū)間，并在故障區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和FTU過電流的基礎(chǔ)上，自適應(yīng)形成故障矩陣，以確認(rèn)故障區(qū)間。

該類算法已經(jīng)成為含DG配網(wǎng)故障問題的研究熱點(diǎn)，效果也不錯(cuò)。但故障分區(qū)定位方法只能定位出配電線路相應(yīng)的故障區(qū)段，不能確定出具體的線路故障位置，而且對于需要若干測量裝置（FTU）的方法，投資成本高。該類方法可以作為故障測距的基礎(chǔ)，在定位出故障區(qū)間后進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)故障測距。

5 故障特征匹配測距算法

由于智能方法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法，蟻群算法等的優(yōu)越性，這些算法在配電網(wǎng)故障測距中的應(yīng)用越來越廣泛，而且也得到了很好的測距效果。

對于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)文獻(xiàn)[25]通過對零模和線模行波傳輸規(guī)律的分析，發(fā)現(xiàn)了零模-線模行波的傳輸時(shí)間差和零模波頭的Lipschitz指數(shù)隨傳輸距離變化的規(guī)律。以此為基礎(chǔ)，利用小波的時(shí)頻分析能力和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)非線性擬合能力，提出了基于小波和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障測距算法，通過ATP仿真軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[26]針對中壓電纜系統(tǒng)相地故障，提出了一種利用小波分解故障高頻暫態(tài)信號(hào)，從而定位故障位置的方法。該方法利用短的時(shí)間窗分析故障暫態(tài)信號(hào)，使其不受穩(wěn)態(tài)信號(hào)條件的影響。缺點(diǎn)是只針對相-地故障類型，具有一定局限性。文獻(xiàn)[27]針對地下低壓配電系統(tǒng)，利用現(xiàn)有的時(shí)域反射信號(hào)，通過對其預(yù)處理，有效地剔除單相接地故障分支點(diǎn)反射信號(hào)以及三相開路短路故障的影響，從而利用自適應(yīng)濾波準(zhǔn)確定位故障位置。此方法的局限性在于只適用于地下配電系統(tǒng)，并且要求系統(tǒng)裝有TDR裝置。

文獻(xiàn)[28]提出一種利用Hilbert-huang變換提取故障特征，通過自動(dòng)遺傳匹配算法實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)單相接地故障測距的新方法。該方法應(yīng)用Hilbert-huang變換提取故障零序電流在不同頻率段內(nèi)不同時(shí)刻的能量分布特征，以故障距離、接地電阻和故障時(shí)刻為變量，以不同頻率段內(nèi)能量分布匹配程度為適應(yīng)度函數(shù)，對Matlab/Simulink配電網(wǎng)模型仿真各種不同故障條件下故障零序電流特征并與原始故障信號(hào)進(jìn)行特征匹配，利用遺傳算法對故障條件進(jìn)行自動(dòng)搜索，以能量分布最為匹配的故障點(diǎn)作為輸出，故障特征最為匹配的故障條件下的故障點(diǎn)位置即為輸出的故障距離。但該方法不適用于含DG配電網(wǎng)故障測距，且需要計(jì)算時(shí)間長，其實(shí)用性受到限制，需進(jìn)一步改善系統(tǒng)模型和優(yōu)化算法，加快收斂速度。

由于DG的接入，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了本質(zhì)性的變化，故障測距方法也要適應(yīng)這一變化。文獻(xiàn)[29]提出了在含分布式電源的配電系統(tǒng)，使用多層感知(MLP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定確切的故障類型和位置的新方法。該方法在確定故障類型后，歸一化主要電源的故障電流，輸入相應(yīng)的訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到發(fā)生故障的確切位置。文獻(xiàn)[30]提出了一種新型的含DG配電網(wǎng)故障定位和保護(hù)方法。這種方法使用MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠得到準(zhǔn)確的故障類型、故障位置。文獻(xiàn)[31]提出了一種在含DG的配電網(wǎng)中使用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RBFNN）的新的自動(dòng)故障定位方法。這種方法使用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確的確定故障類型和故障位置。文獻(xiàn)[32]提出了基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RBFNN）的含DG配電網(wǎng)故障測距方法，該方法與基于MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障定位方法相似，但具有更好的測距精度。文獻(xiàn)[33]研究發(fā)現(xiàn)每個(gè)電源貢獻(xiàn)的短路電流的連續(xù)性和單調(diào)性且與其他DG無關(guān)，該文獻(xiàn)在這個(gè)特性的基礎(chǔ)上提出了一種新的故障線路定位方法，主要包括通過故障前的離線計(jì)算形成故障匹配表和匹配某個(gè)故障過程。

智能算法實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)故障測距，結(jié)果較準(zhǔn)確，但上述方法需要對特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的含DG配電網(wǎng)在某種運(yùn)行方式下進(jìn)行大量的預(yù)先事故仿真計(jì)算，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)或運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)并不適用，方法的通用性和實(shí)用性需進(jìn)一步研究提高。

6 結(jié)語

綜上所述，由于配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分支多，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化多等因素，現(xiàn)有的配電網(wǎng)故障測距方法都具有一定的局限性。傳統(tǒng)配電網(wǎng)的精確測距不易實(shí)現(xiàn)。而隨著分布式電源越來越多的接入配電網(wǎng)，新型配電網(wǎng)的故障測距更是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。本文介紹了幾類現(xiàn)有效果較好的測距技術(shù)，但是局限性仍很明顯。

計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值仿真技術(shù)、人工智能理論和故障診斷恢復(fù)理論的發(fā)展為故障測距提供了新的方法和手段。理想的新型配電網(wǎng)故障測距方法應(yīng)該是基于多端故障數(shù)據(jù)測距方法，能夠識(shí)別故障線路、故障類型、故障分支及故障點(diǎn)，并且不受系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、DG接入與否、系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化等因素的影響。

在考慮了負(fù)荷特性、接地電阻非線性和系統(tǒng)不對稱性的含分布式電源配電網(wǎng)的模型基礎(chǔ)上，利用饋線首端和各個(gè)分布式電源端的故障數(shù)據(jù)特征與模型故障數(shù)據(jù)特征進(jìn)行快速自動(dòng)匹配，實(shí)現(xiàn)含DG配電網(wǎng)的故障精確定位。研究出具有測距準(zhǔn)確性、快速性、魯棒性和實(shí)用性的含DG配電網(wǎng)故障精確測距方法，是未來的研究方向。

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