基于行波檢測的水電配電網(wǎng)單相接地故障定位

王哲，遲福建，趙志斌，孫闊

（1.國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300000；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電力需求的規(guī)模也日益加大，電力系統(tǒng)必須不斷提高穩(wěn)定性和安全性的重要性也日益明顯[1]。水電建設(shè)的投資少、建設(shè)周期短，可實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，其作為一種清潔能源對環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。水電配電網(wǎng)在迅速發(fā)展的同時(shí)也改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的模式。但是，水電的接入易影響配電網(wǎng)的無功電壓、繼電保護(hù)等環(huán)節(jié)，且水電具有的出力不穩(wěn)定、季節(jié)性明顯等特性，易導(dǎo)致配電網(wǎng)電壓質(zhì)量下降或造成配電網(wǎng)故障。單相接地故障是水電配電網(wǎng)最常見的故障類型之一，多發(fā)生在潮濕、多雨天氣。單相接地故障除了會對供電過程造成影響外，還可能因產(chǎn)生過電壓而造成電力設(shè)備的損壞[3]。因此，對水電配電網(wǎng)單相接地故障進(jìn)行有效定位對于故障修復(fù)和及時(shí)止損都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，可應(yīng)用于水電配電網(wǎng)的單相接地故障定位方法有：阻抗法[4]、信號注入法[5]和行波折反射特征法[6]等。其中，阻抗法的定位原理是在已知配電網(wǎng)線路參數(shù)以及故障發(fā)生后測定的配電線路中的電流、電壓值的基礎(chǔ)上，根據(jù)歐姆定律算出故障點(diǎn)、測量點(diǎn)的線路阻抗，最后結(jié)合故障距離函數(shù)，得出單相接地故障距離，從而明確故障發(fā)生位置。信號注入法定位原理是通過配置專用注入信號源對故障線路輸入信號，然后利用輔助檢測裝置對其進(jìn)行跟蹤、檢測，分析信號的路徑和變化特征，從而實(shí)現(xiàn)故障定位。行波折反射特征法定位原理是采用故障行波線路，反射分支點(diǎn)和線路末端規(guī)律，獲得故障線路行波，利用希爾伯特黃變換標(biāo)定初始波和各反射波到達(dá)時(shí)刻，計(jì)算反射波和初始波的路程差，結(jié)合配電網(wǎng)拓?fù)?，確定行波傳播路徑，從而判斷故障區(qū)段。然而，現(xiàn)階段，由于配電網(wǎng)線路分支較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，再加上單相接地故障發(fā)生時(shí)故障信號本身非常微弱、難以識別，導(dǎo)致經(jīng)傳統(tǒng)方法計(jì)算出的故障距離誤差較大，且對故障檢測的時(shí)間較長，耽誤了故障修復(fù)。

針對上述問題，本研究提出一種新的方法，即結(jié)合行波檢測理論對配電網(wǎng)單相接地故障進(jìn)行定位，采用行波檢測，通過故障點(diǎn)產(chǎn)生的暫態(tài)行波，模擬母線故障、記錄故障行波到達(dá)時(shí)間，能夠從復(fù)雜的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中選出故障線路，并利用雙端法，計(jì)算兩端行波的時(shí)間差，可以確定故障距離，明確故障位置，結(jié)合二進(jìn)小波變換，將信號進(jìn)行更高效的濾波消噪，實(shí)現(xiàn)精確、高效率的故障定位。

1 定位方法設(shè)計(jì)

在小電流接地系統(tǒng)中，配電線路多為10 kV配電線路。由于在實(shí)際運(yùn)行中，配電線路受到雨季、大風(fēng)和雪等惡劣天氣的影響，極易發(fā)生單相接地故障。當(dāng)配電網(wǎng)中存在單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)所在線路的電壓降低，與之相鄰的非故障兩相電路卻相對升高，因而在短時(shí)間內(nèi)不影響對用戶的連續(xù)供電，系統(tǒng)仍可運(yùn)行1～2 h，這就是小電流接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和被廣泛應(yīng)用的原因。

配電網(wǎng)單線接地故障雖然在短時(shí)間內(nèi)不會影響正常供電，但是若不及時(shí)進(jìn)行修理，配電網(wǎng)長時(shí)間在有故障的狀態(tài)下運(yùn)行，會造成變電設(shè)備的損壞或提前老化，從而影響配電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定。為此，本研究利用行波檢測原理，設(shè)計(jì)水電配電網(wǎng)單相接地故障定位過程，研究思路如下：

第一階段：故障選線，即確定故障發(fā)生的線路；

第二階段：故障準(zhǔn)確定位，即確定故障發(fā)生在線路上的具體位置。

1.1 配電網(wǎng)單相接地故障選線

配電網(wǎng)單相接地故障選線基本流程如圖1所示。

圖1 故障選線基本流程示意圖Fig.1 Basic flow diagram of fault line selection

為滿足社會生產(chǎn)和生活需要，配電網(wǎng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，線路分支眾多，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，出現(xiàn)了環(huán)型、放射型和兩端型等眾多形式的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]。因此，若想直接從中確定故障發(fā)生的具體位置，無疑十分困難。為方便后續(xù)操作，首先進(jìn)行配電網(wǎng)單相接地故障選線，即從復(fù)雜的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中選出出現(xiàn)故障的線路[7]。

水電配電網(wǎng)單相接地故障發(fā)生后，故障點(diǎn)處會產(chǎn)生暫態(tài)行波，暫態(tài)行波會沿著與故障點(diǎn)相連的線路傳播。傳播過程分為兩種：第一種是故障線路上的傳播路徑：以故障發(fā)生點(diǎn)為起點(diǎn)，向與之相連的最短配電網(wǎng)線路的各個(gè)分支傳播暫態(tài)行波，并通過安裝在分支末端的各個(gè)行波記錄裝置，記錄行波從故障點(diǎn)到分支末端的時(shí)間[8]。第二種是非故障線路上的傳播路徑：以故障發(fā)生點(diǎn)為起點(diǎn)，向變電站母線傳播暫態(tài)行波，然后再由母線傳輸?shù)椒枪收暇€路的各分支末端，最后記錄行波到達(dá)的時(shí)間[9]。在非故障線路上的傳播路徑上，由于母線與故障點(diǎn)之間的距離非常短，因此在該段上的行波傳播時(shí)間非常短，則這段行波傳播時(shí)間可以忽略不計(jì)，僅需要計(jì)算母線到各分支末端行波傳播的時(shí)間即可。

1.2 故障準(zhǔn)確定位

在故障選線后并不能確定配電網(wǎng)單相接地故障發(fā)生的精確位置，因此，需要通過行波檢測法，確定故障的具體位置，利用雙端測距法，計(jì)算兩端行波時(shí)間差，確定故障距離，結(jié)合二進(jìn)小波變換，識別故障分量，高效濾波消噪信號，從而準(zhǔn)確確定故障位置[10-11]。

1.2.1 雙端測距定位

根據(jù)定位原理的不同，可將行波法分為單端法和雙端法兩種。單端法的原理是利用檢測到的初始行波與來自故障點(diǎn)的第一個(gè)反射波之間的時(shí)間差來進(jìn)行測距[12]。雙端法的原理是設(shè)置兩端行波記錄點(diǎn)，然后在已知行波傳播波速和相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算兩端行波的時(shí)間差來確定故障距離，從而明確故障位置[13-14]。

目前，常用雙端法實(shí)現(xiàn)故障定位。雙端法測距原理示意圖如圖2所示。

圖2 雙端法測距原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of double-end method

雙端法原理計(jì)算過程如下：

式中：Y為故障點(diǎn)距離；ta為行波從故障點(diǎn)到達(dá)測量點(diǎn)1的時(shí)間；tb為行波從故障點(diǎn)到達(dá)測量點(diǎn)2的時(shí)間；v為行波傳播速度；L為線路總長。

雙端法通過設(shè)置兩端行波記錄點(diǎn)，使得測距結(jié)果的可靠性比單端法更強(qiáng)[15]。

1.2.2 二進(jìn)小波變換與行波故障定位

一般來說，行波信號是一種頻率較高的暫態(tài)信號，其特點(diǎn)是不易與噪聲信號區(qū)分開，導(dǎo)致測距定位結(jié)果不可靠，也在一定程度上增加了測距定位的時(shí)間。而雙端法不易區(qū)分行波信號與噪聲信號，也使得雙端測距定位法還存在一定程度的定位誤差。

小波變換是一種信號分析與處理方式，通過對信號與小波基作卷積運(yùn)算，將信號分解為不同成分。小波變換具有消噪性，可以用于識別故障分量，且小波變換模極大值還能夠表示在相應(yīng)頻帶下的信號強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對故障特征的檢測。小波變換具有多種形式，其中，二進(jìn)小波變換是由二進(jìn)制小波完成的變換，是一種連續(xù)小波變換半離散化的結(jié)果，具有更高效的濾波消噪作用。由于本文研究的目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)更為精確、高效率的故障定位，因此，將雙端測距定位法與二進(jìn)小波變換過程相結(jié)合，更有效實(shí)現(xiàn)水電配電網(wǎng)單相接地故障定位。

一般來說，小波變換的模極大值與信號異常位置直接相關(guān)。對行波檢測信號實(shí)施二進(jìn)小波變換后，當(dāng)其模極大值的位置與故障點(diǎn)（異常點(diǎn)）的位置重合時(shí)，可說明行波到達(dá)檢測點(diǎn)的時(shí)間。

假設(shè)水電配電網(wǎng)單相接地故障的初始行波信號為s(t)，對其實(shí)施二進(jìn)小波變換后可得到：

其中

式中：ω2(t)為基本小波函數(shù)；ki,j(t)為小波基函數(shù)；i為尺度參數(shù)；j為時(shí)移參數(shù)。

式（2）表示當(dāng)二進(jìn)小波變換過程的輸入信號為s(t)時(shí)，ω2(t)對應(yīng)的響應(yīng)。

對s(t)進(jìn)行二進(jìn)小波變換，可根據(jù)不同頻率對信號進(jìn)行分解，再以不同尺度q對分解后的信號進(jìn)行離散處理從而得到二進(jìn)小波模極大值。這一二進(jìn)小波變換過程即為一個(gè)頻率可變的濾波消噪裝置。

在此基礎(chǔ)上，利用二進(jìn)小波變換的模極大值判斷信號的異常點(diǎn)。一般來說，二進(jìn)小波變換的模極大值點(diǎn)與s(t)經(jīng)二進(jìn)小波函數(shù)變換后的信號W2s(t)的極值點(diǎn)是相對應(yīng)的。因此，根據(jù)W2s(t)的極值點(diǎn)位置確定行波信號s(t)到達(dá)線路兩端的時(shí)間T，將這一結(jié)果與雙端法原理計(jì)算結(jié)果相結(jié)合，從而得到最終的故障點(diǎn)距離Z，過程如下：

綜上所述，本研究在完成行波檢測和選線的基礎(chǔ)上，結(jié)合雙端法和二進(jìn)小波變換過程的故障定位具體流程如下：

步驟1：確定存在單相接地故障的水電配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

步驟2：在待檢測的水電配電網(wǎng)上設(shè)置行波記錄裝置；

步驟3：啟動裝置，采集兩端行波；

步驟4：判斷采集的行波是否為故障行波。若不是故障行波，則回到步驟3，重新采集；

步驟5：若檢測到故障行波，根據(jù)故障行波傳輸?shù)絻啥藱z測點(diǎn)的時(shí)間量的不同，計(jì)算故障距離；

步驟6：利用二進(jìn)小波變換過程的濾波消噪作用，根據(jù)其模極大值判斷信號的異常點(diǎn)。

步驟7：將雙端法與二進(jìn)小波變換定位結(jié)果相結(jié)合，然后驗(yàn)證得到的故障點(diǎn)是否為“偽故障點(diǎn)”。若不是偽故障點(diǎn)，則輸出結(jié)果，否則則返回步驟3。

2 實(shí)例分析

為驗(yàn)證基于行波檢測的水電配電網(wǎng)單相接地故障定位方法的實(shí)際應(yīng)用性能，設(shè)計(jì)如下仿真對比實(shí)驗(yàn)。

2.1 仿真環(huán)境及方法設(shè)計(jì)

利用Matlab仿真系統(tǒng)搭建仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境、搭建三相線路，設(shè)置模擬單相接地故障后，通過ANALOG DEVICES數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和信號處理，利用開口式行波傳感器、行波定位裝置及不同的定位方法共同完成對比實(shí)驗(yàn)，并利用Matlab仿真系統(tǒng)將所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成.mat格式文件，然后對行波進(jìn)一步處理。

仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30 s，裝置采樣間隔為1 ms。實(shí)驗(yàn)選用的輸電線路為三相線路，圖3為在仿真環(huán)境下搭建的10 kV配電線路在無故障狀態(tài)下的仿真模型。

圖3 無故障狀態(tài)下配電線路仿真模型Fig.3 Simulation model of distribution line under no fault condition

配電線路相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：配電線路總長20 km，電阻1 Ω，電感1.08 mH，電容0.011 μF，線間電感0.1 μF，線間電容0.1 nF。

實(shí)驗(yàn)所用的行波采集與定位裝置如圖4所示。

圖4 行波采集與定位裝置Fig.4 Wave acquisition and positioning device

2.2 測試結(jié)果與分析

由于單相接地故障的發(fā)生具有很多的隨機(jī)性，即可能發(fā)生在任何時(shí)間、任何位置，因此在這里假設(shè)故障發(fā)生的初相角為30°，金屬性接地，故障分別發(fā)生在圖3中[1]，[2]，[3]，[4]四點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，分別利用本文所提的行波檢測法和傳統(tǒng)的阻抗法、信號注入法以及行波折反射特征法，計(jì)算這四個(gè)故障點(diǎn)距離與實(shí)際故障距離的誤差以及故障檢測定位所花費(fèi)的時(shí)間。

首先對比不同方法的故障定位誤差，結(jié)果如表1所示。分析表1可知，利用本研究設(shè)計(jì)的行波檢測法對水電配電網(wǎng)四個(gè)位置的單相接地故障進(jìn)行定位，定位誤差分別為1.2 m，1.9 m，3.8 m，2.6 m。

表1 不同方法對配電網(wǎng)單相接地故障定位的誤差對比Tab.1 Error comparison of different methods for single phase to ground fault location in distribution network

上述結(jié)果均小于阻抗法、信號注入法和行波折反射特征法的測量誤差，表明行波檢測法能夠有效實(shí)施對配電網(wǎng)單相接地故障的定位，且定位結(jié)果精準(zhǔn)度較高。在此基礎(chǔ)上，對比以上四種方法對故障的檢測定位時(shí)間，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同方法對故障檢測定位時(shí)間對比Fig.5 Comparison of fault detection location time by different methods

分析圖5可知，與傳統(tǒng)的基于阻抗法的故障定位方法、基于信號注入法的故障定位方法和基于行波折反射特征法的故障定位方法相比，利用行波檢測法進(jìn)行故障定位，可以明顯縮短故障檢測定位時(shí)間，最高的故障檢測定位耗時(shí)僅為1.5 s，說明行波檢測法具有較高的檢測定位效率。

綜上所述，本研究設(shè)計(jì)的基于行波檢測的水電配電網(wǎng)單相接地故障定位方法無論是在定位結(jié)果準(zhǔn)確性方面，還是在故障檢測定位時(shí)間方面均具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

3 結(jié)論

隨著小電流接地系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，單相接地故障時(shí)有發(fā)生，不僅給電力企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失，也給用戶正常用電帶來了嚴(yán)重影響。因此為減少該故障帶來的損失，有必要進(jìn)行有效的配電網(wǎng)單相接地故障定位研究。為此，針對當(dāng)前阻抗法、信號注入法定位誤差大，時(shí)間長的問題，提出一種基于行波法進(jìn)行單相接地故障定位的方法，并將其應(yīng)用于水電配電網(wǎng)中。經(jīng)實(shí)例測試，該方法定位誤差和檢測定位耗時(shí)均更小，證明了方法的有效性。