基于智能饋線終端和行波時(shí)差的故障定位技術(shù)研究

費(fèi) 陽(yáng)，萬(wàn)德春，但富中，王淑艷，葛佳盛

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

配網(wǎng)是電力系統(tǒng)中與用戶(hù)直接接觸的部分，同時(shí)也是電力系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的部分，配網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行直接影響用戶(hù)的用電體驗(yàn)。在配網(wǎng)故障發(fā)生時(shí)，能夠快速準(zhǔn)確地定位故障點(diǎn)，能夠提高用電用戶(hù)的滿(mǎn)意度，降低電網(wǎng)的維護(hù)成本，減少因長(zhǎng)時(shí)間停電導(dǎo)致的損失，對(duì)于整個(gè)輸電系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行具有重要意義［1-5］。

配網(wǎng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，大部分饋線都有許多分支線路，造成三相不是標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)稱(chēng)形式，對(duì)故障定位信息分析產(chǎn)生很大影響，且許多配網(wǎng)的線路長(zhǎng)度較短，對(duì)定位精度要求更高。目前主流的配網(wǎng)故障定位方法主要有阻抗法、注入法和行波法［6-10］。文獻(xiàn)［11］通過(guò)計(jì)算配網(wǎng)阻抗算法進(jìn)行故障定位，由于該方法沒(méi)有考慮到配網(wǎng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的電流和電壓傳輸特性異常、配網(wǎng)三相不是標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)稱(chēng)等情況，這些因素嚴(yán)重地影響定位精度，同時(shí)配網(wǎng)復(fù)雜的分支線路在很多工況下可能導(dǎo)致阻抗法發(fā)生誤判。注入法［12］是利用線路的某一相發(fā)生接地短路時(shí)短接原邊。此時(shí)，故障相的電壓互感器向接地點(diǎn)處發(fā)射一個(gè)電流信號(hào)，該信號(hào)會(huì)從接地點(diǎn)處流入大地，然后通過(guò)跟蹤該信號(hào)就可以確定故障的相別并找出故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的定位，但連續(xù)性接地電弧和過(guò)渡電阻會(huì)對(duì)該方法產(chǎn)生干擾，不適用于實(shí)際配電線路。行波法［13-15］是近年來(lái)的研究重點(diǎn)，在配網(wǎng)故障定位中行波法已經(jīng)被應(yīng)用。目前應(yīng)用較多的是基于單端行波法進(jìn)行定位，該方法安裝的設(shè)備較少，同時(shí)進(jìn)行故障測(cè)距也較為簡(jiǎn)單穩(wěn)定，但是由于行波的特性，在配網(wǎng)有大量分支的情況下行波會(huì)進(jìn)行不斷反射和折射，導(dǎo)致識(shí)別波頭和反射波十分困難。文獻(xiàn)［16］通過(guò)線模和零模行波傳播時(shí)間差值對(duì)故障距離進(jìn)行計(jì)算，該種新型的單端行波測(cè)距方法對(duì)行波的傳播速度要求非常精確，不適用于配網(wǎng)中的混合電纜線路。

文獻(xiàn)［17］提出一種針對(duì)只有單一結(jié)構(gòu)配網(wǎng)的故障行波測(cè)距方法，利用行波頻率特征進(jìn)行故障距離計(jì)算，該算法主要依靠行波的頻率特征區(qū)分度，對(duì)于復(fù)雜的配網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其行波頻率成分混疊嚴(yán)重?zé)o法有效區(qū)分；基于雙端行波定位算法［18-21］是通過(guò)行波到達(dá)兩端設(shè)備的時(shí)間差和波速計(jì)算出故障到兩端的距離，但是只適用于主干線上故障距離的計(jì)算，面對(duì)配網(wǎng)中眾多支線的故障也難以精確測(cè)量；文獻(xiàn)［22］提出一種多端法，將行波接受裝置在每個(gè)支線的首位端都進(jìn)行安裝，每臺(tái)裝置都進(jìn)行同步測(cè)量，根據(jù)行波到達(dá)的時(shí)間差進(jìn)行故障距離的計(jì)算，該算法對(duì)于時(shí)間精度要求非常高，若存在微小的誤差時(shí)會(huì)導(dǎo)致定位結(jié)果誤差很大，所以在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。上述方法都是針對(duì)單一結(jié)構(gòu)的線路，無(wú)法應(yīng)用于混合電纜-架空線路。

本文通過(guò)各支線與主線的節(jié)點(diǎn)和末端的智能FTU檢測(cè)的零序電流和零序電壓信息進(jìn)行故障區(qū)間定位，然后根據(jù)內(nèi)置的行波采集模塊檢測(cè)故障行波波頭分別到達(dá)故障區(qū)間兩端設(shè)備的時(shí)刻差進(jìn)行故障點(diǎn)精確定位。利用桿塔定位方式避免行波波速和線路長(zhǎng)度的變化對(duì)定位精度的影響，增加了定位精度。

1 基于FTU判斷故障區(qū)間

由于配網(wǎng)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，F(xiàn)TU 設(shè)備被大量地應(yīng)用到配網(wǎng)線路中，該設(shè)備可以檢測(cè)線路的相電壓、電流和零序電壓、電流。根據(jù)配網(wǎng)接地故障時(shí)刻的零序電壓和零序電流特征就可以確定故障點(diǎn)在兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)之間，則確定了故障區(qū)間。

針對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的線路，如圖1所示，在線路中O 點(diǎn)發(fā)生接地故障，則類(lèi)似于一個(gè)零序電壓源在O 點(diǎn)接入，該零序電壓源可以使得線路產(chǎn)生零序容性電流。由于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)線路零序網(wǎng)絡(luò)主要為線路對(duì)地電容組成，所以線路中的零序電流為容性電流，故障時(shí)刻線路中各支路的零序電流方向如圖1所示。

圖1 故障線路的零序電流方向Fig.1 Zero-sequence current direction of the faulty line

上述分析可知，針對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的故障區(qū)間判斷方法為：

1）故障支線判斷。分支線路運(yùn)行情況正常時(shí)，零序電流超前零序電壓90°；若零序電流滯后零序電壓90°，則表明該支線發(fā)生故障。

2）故障區(qū)間判斷。依次比較故障支線上各FTU采集的零序電壓和零序電流，若檢測(cè)到一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的零序電流滯后零序電壓90°，另一個(gè)相鄰檢測(cè)點(diǎn)的零序電流超前零序電壓90°，則故障區(qū)間為兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)之間。

針對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)線路如圖2所示，該接地方式使得消弧線圈能夠?qū)€路的電感電流起到補(bǔ)充的效果，導(dǎo)致線路正常情況下零序電流超前零序電壓90°，所以故障時(shí)線路零序電流方向如圖2所示。

圖2 故障線路的零序電流方向Fig.2 Zero-sequence current direction of the faulty line

此時(shí)零序電流和零序電壓的相位差難以確定故障區(qū)間，需要根據(jù)殘流增量原理進(jìn)行故障區(qū)間定位，調(diào)整消弧線圈的脫諧度產(chǎn)生故障接地時(shí)的殘流增量，由于電感電流的方向是從電源流向接地點(diǎn)，所以發(fā)生故障時(shí)線路上的零序電流會(huì)有一定的變化，但故障下游線路上的零序電流不會(huì)變化。該方式需要注意故障為經(jīng)電阻接地時(shí)，若調(diào)節(jié)消弧線圈會(huì)導(dǎo)致零序電壓幅值發(fā)生變化，需要對(duì)應(yīng)地將零序電流進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)上述分析可知，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)線路的故障區(qū)間判斷方法為：

1）故障分支判斷。故障發(fā)生時(shí)調(diào)整消弧線圈，若調(diào)整前后線路零序電流沒(méi)有任何變化，則為故障分支；若調(diào)整前后，該分支線路零序電流發(fā)生變化，則為正常分支。

2）故障區(qū)間判斷。故障發(fā)生時(shí)依次檢測(cè)線路上各FTU 采集的零序電流，若相鄰FTU 的零序電流變化較大，則故障區(qū)間在兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)之間。

2 行波法故障定位

根據(jù)行波原理，若線路發(fā)生故障，線路由于運(yùn)行狀態(tài)的變化會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)電壓和暫態(tài)電流，暫態(tài)信號(hào)會(huì)以故障點(diǎn)為中心向兩端傳播，依據(jù)該原理可以通過(guò)行波信號(hào)的檢測(cè)、分析和計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的精確定位。行波法定位關(guān)鍵在于行波波速、波頭識(shí)別和線路長(zhǎng)度，這些因素對(duì)定位精度影響較大。

2.1 雙端行波故障定位原理

行波法主要根據(jù)故障發(fā)生時(shí)行波波頭到達(dá)兩端設(shè)備的時(shí)間差來(lái)計(jì)算出故障點(diǎn)，兩端FTU 設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)鐘同步和GPS 定位，分別記錄行波波頭到達(dá)兩端FTU的時(shí)刻，行波測(cè)距原理如圖3所示。

圖3 故障測(cè)距原理圖Fig.3 Schematic diagram of fault ranging

設(shè)確定的故障區(qū)間為單一線路，線路長(zhǎng)度為L(zhǎng)，行波在兩個(gè)FTU 之間的傳播速度為v。故障區(qū)間兩端FTU記錄的行波波頭到達(dá)時(shí)刻分別為tM、tN。

故障點(diǎn)距離M端的距離計(jì)算公式

根據(jù)式（1）、式（2）可知，只要準(zhǔn)確得到故障行波波頭到達(dá)兩端的時(shí)刻，就可以進(jìn)行故障點(diǎn)精確定位。

2.2 行波波頭檢測(cè)算法

小波變換［23］由基小波的伸縮和平移組成的函數(shù)組合?a，b=|a|-1/2?[(t-b)/a]，其中?(t)表示基本小波函數(shù)，a表示尺度因子，b表示平移因子。將信號(hào)進(jìn)行小波變化的公式為：

a= 1/2j，則?a，b=|a|-1/2?[(t-b)/a]稱(chēng)為二進(jìn)小波，利用二進(jìn)小波進(jìn)行的變換稱(chēng)為信號(hào)的二進(jìn)小波變換。由a的數(shù)值可知，二進(jìn)小波可以避免信號(hào)分解時(shí)的重疊現(xiàn)象，且僅對(duì)尺度進(jìn)行改變，但是平移參數(shù)沒(méi)有變化，所以二進(jìn)小波變化在平移上具有一致性，該特性使得它對(duì)于一些奇異值的檢測(cè)非常靈敏。利用二進(jìn)小波變換的模極大值來(lái)檢測(cè)信號(hào)中的奇異值。小波模極大值是信號(hào)f(x)進(jìn)行小波變換，一定的尺度S下，在x∈(x-δ，x+δ)中|WSf(x)|≤|WSf(x0)|則x0表示在S尺度下的小波變換模極大值點(diǎn)，WSf(x0)為小波變換模極大值。

通過(guò)小波變換可以得到連續(xù)信號(hào)在相應(yīng)位置的變化率情況，根據(jù)小波變換模極大值點(diǎn)可以得到信號(hào)中變化率最大的點(diǎn)位置，恰好故障行波的波頭就是整個(gè)故障行波中變化最大的點(diǎn)，所以應(yīng)用小波變化可以準(zhǔn)確地找出故障行波波頭，從而得到波頭到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的精確時(shí)刻，為后續(xù)的故障定位奠定基礎(chǔ)。

2.3 桿塔定位

桿塔可以看作將線路近似均勻等分的節(jié)點(diǎn)［24］，如圖4 所示，桿塔之間的連接線與配電線路長(zhǎng)度是呈一定比例的，故障點(diǎn)距離占線路長(zhǎng)度的百分比與桿塔數(shù)量之間存在一定的關(guān)系。在安裝設(shè)備時(shí)可以根據(jù)桿塔之間的直線距離，判斷各桿塔線路長(zhǎng)度占總線路長(zhǎng)度的百分比，根據(jù)該方式可以將各桿塔進(jìn)行編號(hào)制作表格。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可以由故障定位算法計(jì)算出故障點(diǎn)，然后再通過(guò)表格找到故障附近桿塔，快速找出故障點(diǎn)的地理位置。

圖4 桿塔分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of the distribution of pole towers

由于實(shí)際線路受溫度［25］、負(fù)荷波動(dòng)［26］等因素的影響，很難準(zhǔn)確估計(jì)線路長(zhǎng)度，該方法只要確定故障附近桿塔號(hào)，就可以知道故障點(diǎn)的直線距離，該距離是固定不變的，方便線路運(yùn)檢人員進(jìn)行巡檢［27］，大幅降低了線路長(zhǎng)度精確性對(duì)故障點(diǎn)位置的影響，在實(shí)際應(yīng)用中更加具有實(shí)用性。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 基于FTU的故障區(qū)間定位試驗(yàn)

為驗(yàn)證智能FTU和行波信息應(yīng)用于故障精確定位的可行性，搭建了智能FTU行波動(dòng)態(tài)增補(bǔ)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如圖5 所示，主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備有PF1000A 暫態(tài)電流輸出裝置、PF 系列配線故障指示器檢測(cè)平臺(tái)、行波采集裝置和PH02型行波測(cè)距校驗(yàn)儀，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備環(huán)境如圖5（a）所示。在PF系列配線故障指示器檢測(cè)平臺(tái)設(shè)置線路參數(shù)，線路全長(zhǎng)10 km，接地點(diǎn)位于距離小號(hào)側(cè)2 km位置處，線路首末各安裝智能FTU 設(shè)備，如圖5（b）所示為實(shí)驗(yàn)線路結(jié)構(gòu)示意圖，接地電阻設(shè)置為0 Ω、50 Ω、100 Ω、500 Ω、1 000 Ω，分別監(jiān)測(cè)不同接地電阻下，行波的形態(tài)特征變化及FTU監(jiān)測(cè)故障的能力。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置及設(shè)備安裝位置圖Fig.5 Experimental apparatus and equipment installation location diagram

設(shè)置中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)配網(wǎng)試驗(yàn)線路在FTU-A和FTU-B之間發(fā)生單相接地故障，觀察安裝在線路上的智能FTU設(shè)備檢測(cè)的零序電壓和零序電流的變化特征，為驗(yàn)證上節(jié)提出的相位差理論，將零序電流和零序電壓的幅值進(jìn)行對(duì)齊，如圖6所示。

圖6 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)線路故障各智能FTU檢測(cè)的零序電壓和零序電流幅值對(duì)齊后的融合圖Fig.6 Fusion diagram of the zero-sequence voltage and zero-sequence current amplitude detected by each intelligent FTU for line fault of neutral point ungrounded system

由圖6 可知，在故障點(diǎn)前FTU 檢測(cè)到的零序電流超前零序電壓90°，故障點(diǎn)后零序電流滯后零序電壓90°，在無(wú)故障線路上所有FTU檢測(cè)到的零序電流都超前零序電壓90°，驗(yàn)證了上節(jié)提出的針對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)線路利用零序電流和零序電壓相位來(lái)進(jìn)行故障區(qū)間定位的可行性。

設(shè)置中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)配網(wǎng)試驗(yàn)線路在FTU-A 和FTU-B 之間發(fā)生單相接地故障，如圖7 所示。觀察安裝在線路上的智能FTU設(shè)備檢測(cè)零序電流的變化特征，為驗(yàn)證上節(jié)提出的零序電流變化理論，將所有FTU 故障時(shí)刻檢測(cè)到的零序電流進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

圖7 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地線路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of the grounding line at the neutral point through arc suppression coil

由圖8 可知，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，正常支線上的FTU 檢測(cè)到的零序電流不會(huì)有大的變化，對(duì)應(yīng)的故障支線上FTU 檢測(cè)到的零序電流會(huì)發(fā)生變化，F(xiàn)TU-A 零序電流會(huì)增大，F(xiàn)TU-B 零序電流變化不大，故障點(diǎn)在兩者之間，即故障區(qū)間。

圖8 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)線路故障零序電流變化圖Fig.8 Zero-sequence current change diagram of grounding system line fault at neutral point through arc suppression coil

3.2 基于FTU行波故障精確定位試驗(yàn)

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)線路中驗(yàn)證行波時(shí)差對(duì)故障位置的精確定位試驗(yàn)，F(xiàn)TU-A和FTU-B分別表示M側(cè)和N 側(cè)，設(shè)線路MN 中距離母線M 側(cè)2 km 處發(fā)生單相接地故障，接地電阻R= 100 Ω，兩側(cè)母線端的具有行波監(jiān)測(cè)能力的FTU 采集到故障相行波，經(jīng)過(guò)連續(xù)小波變換后如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)行波波頭位置處的變化量最大，到達(dá)兩端MN 時(shí)有明顯的異常突變信號(hào)。計(jì)算其連續(xù)小波變換后的模極大值起始突變時(shí)刻分別為t1= 41 116 μs、t2= 41 125 μs。

圖9 兩側(cè)故障行波及模極大值Fig.9 Fault traveling wave and modulus maximum value on both sides

因?yàn)楣收宵c(diǎn)距離母線M 側(cè)較近，所以行波波頭最先被M側(cè)的設(shè)備監(jiān)測(cè)到，根據(jù)準(zhǔn)確識(shí)別行波波頭來(lái)精確定位故障點(diǎn)。計(jì)算兩端同步設(shè)備監(jiān)測(cè)的行波波頭時(shí)間差值，計(jì)算的故障點(diǎn)距離M側(cè)母線端L=2 082.93 m，計(jì)算結(jié)果較為精確。

為驗(yàn)證不同接地電阻故障下的定位結(jié)果，為進(jìn)行不同接地電阻下，監(jiān)測(cè)到行波的幅值、時(shí)間差、定位距離等參數(shù)的匯總表，如表1所示。

表1 不同接地電阻行波參數(shù)匯總表Table 1 Summary table of traveling wave parameters of different grounding resistors

通過(guò)表1可知：

1）接地電阻越大，行波幅值越??；

2）利用行波監(jiān)測(cè)單相接地故障，接地電阻為1 000 Ω時(shí)行波仍然有較明顯的特征。因此，基于行波的單相接地監(jiān)測(cè)耐過(guò)渡電阻能力≥1 000 Ω；

3）小波變換識(shí)別行波波頭在高阻接地時(shí)仍然具有較好的應(yīng)用效果，可以準(zhǔn)確識(shí)別波頭位置；

4）由于行波波形形態(tài)存在差異，行波定位存在一定誤差，但FTU總體最大誤差不超過(guò)±300 m。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種基于智能FTU行波監(jiān)測(cè)模塊信息的故障定位方法，該方法可以有效降低波速和線路結(jié)構(gòu)對(duì)故障診斷精度的影響，適用于配網(wǎng)中的電纜-架空線路，解決了形態(tài)不好的故障行波波頭難以識(shí)別的問(wèn)題，同時(shí)建立快速識(shí)別故障區(qū)間和桿塔定位機(jī)制。通過(guò)仿真驗(yàn)證得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)零序電流與零序電壓的相位特征和零序電流的變化，對(duì)不同中性點(diǎn)接地系統(tǒng)線路故障區(qū)間進(jìn)行定位，使得故障區(qū)間定位算法能夠適用更多不同類(lèi)型線路，增強(qiáng)了該方法的適用性。

2）利用故障行波中的突變分量消除了波形中諧波對(duì)波頭的影響，通過(guò)小波變換模極大值得到故障行波波頭的精確位置，再通過(guò)故障點(diǎn)距離與線路總長(zhǎng)的比值應(yīng)用到桿塔定位中，經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。