基于區(qū)段定位的配電網(wǎng)混合線路故障行波測距新方法

王義軍，曹 越，竇鵬志，曹鳳建

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

配電系統(tǒng)是電網(wǎng)中最能體現(xiàn)供電可靠性的一環(huán)，配電網(wǎng)線路長度較短、分支較多、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，且多為電纜—架空線式混合線路[1]，相比于輸電線路，配電線路中行波折反射的情況更加復(fù)雜.傳統(tǒng)的行波測距方法在輸電線路中多有應(yīng)用，定位較為準(zhǔn)確，但在配電網(wǎng)中應(yīng)用時需要加以改進(jìn)[2].

行波法因受系統(tǒng)參數(shù)、接地方式、故障點(diǎn)過渡電阻、線路負(fù)荷等影響小的優(yōu)勢得到良好發(fā)展[3].目前行波法中研究較多的是單端測距、雙端測距和S注入法.文獻(xiàn)[4-5]提出用單端行波法進(jìn)行故障測距，原理簡單且所需測量信息少、經(jīng)濟(jì)性好，但不適用于情況復(fù)雜的有源配電網(wǎng)中；文獻(xiàn)[6-7]提出用線模分量和零模分量的時間差來測距，由于零模分量在線路傳輸過程中衰減嚴(yán)重，零模波速不易獲取，會造成較大的誤差；文獻(xiàn)[8]結(jié)合雙端非同步信息推導(dǎo)出一種修正行波波速的計算方法，通過優(yōu)化波速帶來的誤差提高了測距精度.配電網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行過程中，混合輸電線路的架空線段發(fā)生故障的概率遠(yuǎn)大于電纜段，其中發(fā)生最多的故障是單相接地故障[9-10].故障發(fā)生后，正確判別故障區(qū)段以及精準(zhǔn)故障定位，可以提高重合閘成功率、提高巡線效率和降低巡線難度，保證供電可靠性以及減少停電造成的損失[11-12].

本文以現(xiàn)有區(qū)段定位為基礎(chǔ)，定義一種新的線路劃分方法-1/2n區(qū)段法.即將配電網(wǎng)中每條線路均分為2n段，故障前根據(jù)線路已知信息可以求得每個區(qū)段節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時行波波頭傳遞到兩側(cè)的理論時間差，建立信息基準(zhǔn)量，將其與故障后線路兩側(cè)接收的實(shí)際行波波頭時間差作對比，確定故障點(diǎn)所在線路區(qū)段.再由雙端測距法定位故障點(diǎn)，配合故障區(qū)段搜索真實(shí)故障點(diǎn).本方法不用對線路結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸一化處理，消除了因線路長度導(dǎo)致的測距誤差和混合線路波速不同造成的時間誤差，且n在合適范圍內(nèi)取值越大，故障線路劃分的區(qū)段長度越小，有效提高了巡線效率和供電可靠性.

1 行波法應(yīng)用分析

1.1 配電網(wǎng)故障點(diǎn)定位與區(qū)段定位

在輸電網(wǎng)中，現(xiàn)有研究多運(yùn)用單端和雙端行波法對故障點(diǎn)進(jìn)行直接定位，但是在配電網(wǎng)遇到特殊接線情況時，雙端法會造成誤判.簡單配電網(wǎng)絡(luò)M端和N端裝有行波測量裝置，如圖1所示.以B1P1為中線，系統(tǒng)兩側(cè)對稱，那么F1點(diǎn)與F2點(diǎn)發(fā)生故障時，由雙端行波法得到的測距結(jié)果是相同的，所以雙端法不完全滿足配電網(wǎng)行波定位的要求，需在分支線路加裝行波測量裝置，且對裝置布點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，減少成本，構(gòu)成利用多端接收行波首波頭信息定位故障區(qū)段和故障點(diǎn)的方法.

圖1 簡單配電網(wǎng)絡(luò)

圖2 行波傳輸路徑

圖3 均勻傳輸線路區(qū)段劃分原理示意圖

行波遇不同節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生折反射后的傳輸路徑，如圖2所示.其中AB為電纜區(qū)段，BD為架空線區(qū)段，母線A處裝有行波測量裝置.

可以看出，行波在到達(dá)測量點(diǎn)的傳輸過程中具有唯一最短路徑S1：F→C→B→A.若圖1中的點(diǎn)F1發(fā)生故障，且在P1端和P2端加裝測量裝置，可由多端信息判斷故障線路為C1P2并進(jìn)一步判斷故障區(qū)段.

現(xiàn)有研究中行波法的定位誤差范圍通常在50 m到500 m之間，若檢修人員根據(jù)定位點(diǎn)向兩側(cè)搜索故障點(diǎn)，則搜索范圍在100 m到1000 m之間，配電網(wǎng)因接線情況復(fù)雜，可能引起更大的誤差，加大搜索范圍，故提出1/2n區(qū)段法，先定位故障線路，并將故障線路等分為多個區(qū)段，進(jìn)而搜尋故障區(qū)段定位故障點(diǎn)，縮小誤差范圍，提高定位精度.

2 混合線路故障區(qū)段確定

2.1 1/2n區(qū)段法定位原理

為配電網(wǎng)中一段長度和類型均已知的輸電線路如圖3所示.端點(diǎn)M、N設(shè)有行波測量裝置，故障前對線路進(jìn)行劃分，將其平均分為2n個區(qū)段，每個區(qū)段長度相等，且有兩個邊界點(diǎn).當(dāng)n=1時，線路MN被分為MO1和O1N兩個區(qū)段，邊界點(diǎn)為M、O1、N；當(dāng)n=2時，線路MN被分為MO2，O2O1，O1O3，O3N四個區(qū)段，邊界點(diǎn)為M、O2、O1、O3、N.定義以上劃分線路區(qū)段的邊界點(diǎn)為區(qū)段節(jié)點(diǎn).

由線路已知參數(shù)可求得行波傳輸速度

(1)

公式中：R、L、G、C分別為單位長度線路的電阻、電感、電導(dǎo)和電容；ω為角頻率[13].

設(shè)線路全長為l，行波速度為Vj，可在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下由線路已知參數(shù)計算第i個節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時，故障行波初始波頭到達(dá)測量端點(diǎn)的理論時間差

(2)

故障后，由行波測距公式

(3)

可測得故障行波初始波頭到達(dá)測量端點(diǎn)的真實(shí)時間差Δt和定位點(diǎn)x，Δt必然在[Δti，Δti+1]內(nèi)，x對應(yīng)距離在[li，li+1]內(nèi).

最后，由測量故障點(diǎn)向兩邊搜索，搜索范圍在[0，li/i+1-lx]內(nèi).實(shí)際中的輸電線路由多段、混合線路組成.

圖4 含有2N段架空線與電纜的混合線路

2.2 主干線路故障區(qū)段定位

配電網(wǎng)典型架空線-電纜交替混合線路，M、N點(diǎn)裝有行波測量裝置.當(dāng)n=1時，設(shè)每段線路的中間節(jié)點(diǎn)為O1、O2、O3…ON-1、ON；每段線路的末端節(jié)點(diǎn)(架空線與電纜連接點(diǎn))為B1、B2、B3…BN-2、BN-1；將這段混合線路分為2N個區(qū)段，當(dāng)節(jié)點(diǎn)O1、B1、O2、…ON-1B2、BN-1、ON分別發(fā)生故障時，記錄初始行波到達(dá)M端與N端的時間并作差，其中架空線的行波傳遞速度為V1、電纜的行波傳遞速度為V2.

當(dāng)線路末端節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時，故障行波初始波頭到達(dá)線路兩端時間差可表示為

(4)

當(dāng)線路中間節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時，故障行波初始波頭到達(dá)線路兩端時間差可表示為

(5)

表1 不同故障區(qū)段內(nèi)各節(jié)點(diǎn)理論與實(shí)際時間差比值

ΔTi為線路MN各節(jié)點(diǎn)故障前理論時間差，由線路長度和對應(yīng)的速度求取，這樣就構(gòu)成了信息基準(zhǔn)量矩陣.

設(shè)Ki=ΔTi/ΔT(i=1，2，…，2N-1)，故障區(qū)段不同時，由故障前理論時間差與故障初始波頭時間差的比值可確定故障區(qū)段.

由表1可以得出結(jié)論：

如果Ki(i=1，2，3，…，2N-1)都>1，則故障發(fā)生在L1區(qū)段；

如果Ki(i=1，2，3，…，2N-1)都<1，則故障發(fā)生在L2N區(qū)段；

如果Ki(i=1，2，3，…，2N-1)等于1，當(dāng)i為奇數(shù)時，故障發(fā)生在線路中間節(jié)點(diǎn)Oj處(j=(i+1)/2)；當(dāng)i為偶數(shù)時，故障發(fā)生在線路末端節(jié)點(diǎn)Bj處(j=i/2)；

如果Ki<1，Ki+1>1，故障發(fā)生在Li+1區(qū)段內(nèi).

2.3 分支線路故障區(qū)段定位

若混合輸電線路帶有T接分支，1/2n區(qū)段法依舊可以判斷故障區(qū)段.當(dāng)n=1時，混合輸電線路帶有多條分支的情況，如圖5所示.圖5中，C11—CN-1N-1為分支線路中架空線路區(qū)段與電纜區(qū)段連接點(diǎn)；D11—DNN-1等為架空線路區(qū)段或電纜線路區(qū)段中點(diǎn)；P1—PN為各分支線路末端測量點(diǎn).ΔT為故障前兩節(jié)點(diǎn)若發(fā)生故障的理論時間差，Δt為故障后測量端接收到兩節(jié)點(diǎn)行波波頭對應(yīng)的真實(shí)時間差.

圖5 含T接多分支網(wǎng)絡(luò)區(qū)段節(jié)點(diǎn)劃分原理示意圖

圖6 10 kV配電網(wǎng)線路模型

計算原理同公式(4)、公式(5)，可推得：

當(dāng)ΔtMN=ΔTMN，ΔtNPi=ΔTNPi，ΔtPiM=ΔTPiM時，故障發(fā)生于T型線路連接點(diǎn)Bi處.

當(dāng)ΔtMN<ΔTMN，ΔtNPi=ΔTNPi，ΔtPiM>ΔTPiM時，故障發(fā)生于主干線路Bi-1Bi區(qū)段上.

若ΔtMN=ΔTOiMN時，故障發(fā)生于Bi-1Bi中點(diǎn)Oi處；若小于故障發(fā)生于Bi-1Oi區(qū)段；若大于則故障發(fā)生于OiBi區(qū)段.

當(dāng)ΔtMN>ΔTMN，ΔtNPi<ΔTNPi，ΔtPiM=ΔTPiM時，故障發(fā)生于主干線路BiBi+1區(qū)段上.

若ΔtNPi=ΔTOi+1NPi時，故障發(fā)生于BiBi+1中點(diǎn)Oi+1處；若小于則故障發(fā)生于Oi+1Bi+1區(qū)段；若大于則故障發(fā)生于BiOi+1區(qū)段.

3 仿真分析

采用PSCAD/EMTDC搭建10 kV配電網(wǎng)混合線路仿真模型，如圖6所示.L1為變電站至配電網(wǎng)接線，長度為15 km；L5、L17、L21為電纜線路，長度為3 km；其余線路為架空線，長度5 km.變電站Α處與各線路末端配有行波同步測量裝置，采樣頻率10 MHz.由線路分布參數(shù)可知架空線路的行波波速為295 km/ms，電纜線路的行波波速為195 km/ms.

表2 線路參數(shù)

采用1/2n區(qū)段法，取n=3，每條線路分為8個區(qū)段，區(qū)段節(jié)點(diǎn)為O0-O8，如L1O2-O3表示為線路L1的3.75 km至5.625 km區(qū)段內(nèi).

設(shè)線路L15的2 km處發(fā)生單相接地故障，任選兩測量端對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，限于篇幅，表中僅含部分?jǐn)?shù)據(jù).

表3 故障線路定位

(續(xù))表3

根據(jù)仿真結(jié)果，可以看出當(dāng)測量端按一定規(guī)律排列的情況下，連續(xù)測距結(jié)果對應(yīng)的支路不相同或無測距結(jié)果，則對應(yīng)的最短傳輸路徑不包含故障支路；若可由兩測量端初始行波到達(dá)時差得到定位結(jié)果，且多個數(shù)據(jù)顯示對應(yīng)的最短傳輸路徑包含同一支路時，則該支路為故障支路.定位故障支路后，對線路區(qū)段進(jìn)行合理劃分，真實(shí)測量的初始行波波頭時差會落在某兩個節(jié)點(diǎn)故障理論時差區(qū)間內(nèi)，進(jìn)一步縮小故障搜索范圍，若真實(shí)波頭時差靠近理論時差區(qū)間邊界，則考慮搜索相鄰線路.

表4 不同故障位置定位結(jié)果

4 結(jié) 論

本文分析了行波測距在配電網(wǎng)應(yīng)用時可能出現(xiàn)的問題，在此基礎(chǔ)上提出了一種區(qū)段劃分方法，有效縮短了故障查找范圍，并配合傳統(tǒng)行波法進(jìn)一步定位故障點(diǎn)，原理簡單，提高了線路檢修效率，仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性；

本文提出的測距方法需要每條分支末端裝有同步測量裝置，這樣加大了成本，但是隨著對布點(diǎn)優(yōu)化的研究及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，可以降低成本過高的問題；當(dāng)測量結(jié)果落在理論區(qū)段邊界時，可能出現(xiàn)故障支路誤判，可以通過降低誤差解決這一問題.