基于暫態(tài)信號的配電網單相接地故障區(qū)段自動定位方法

摘要：現(xiàn)有的配電網單相接地故障定位方法易受擾動因素和定位線路距離限制的影響，在實際應用中定位結果與實際故障位置偏差較大，且定位時間較長，影響配電網故障排除效率。為此，提出基于暫態(tài)信號的配電網單相接地故障區(qū)段自動定位方法。首先，對配電網單相接地故障暫態(tài)信號進行分析，獲得故障區(qū)段的暫態(tài)信號；然后，獲取故障區(qū)段暫態(tài)信號對應的時域特征；最后，對故障進行定位計算。仿真對比實驗表明，該文提出的方法有效提升了故障位置的定位精度，縮短了故障位置的定位時間，具有較好的穩(wěn)定性。

關鍵詞：單相接地故障；暫態(tài)信號；配電網；自動定位

中圖分類號：TM773" " " " " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：1674-2605（2023）06-0004-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2023.06.004

Automatic Positioning Method of Single-phase Ground Fault Section of Distribution Network Based on Transient Signal

HUANG Canying" YANG Yongjin" NING Zhen

（Jiangxi College of Construction， Nanchang 330200， China）

Abstract： The existing methods for locating single-phase grounding faults in distribution networks are highly susceptible to the combined influence of disturbance factors and distance limitations of the positioning lines. In practical applications， the positioning results obtained deviate significantly from the actual fault location， and the positioning time cost is too high， seriously affecting the overall efficiency of normal fault removal and maintenance in distribution networks. In order to solve the problem of positioning deviation and shorten the fault location time， the transient signal of single-phase grounding fault in the distribution network is analyzed to obtain the transient signal of the fault area; Obtain the corresponding time-domain characteristics of transient signals in the fault section; Perform localization calculations on its faults. The data obtained through simulation and comparative experiments indicate that the proposed method can quickly and accurately locate the fault location， effectively improve the accuracy of fault location， and shorten the positioning time of fault location under the same length and distance. It has good stability and has the value of large-scale promotion and in-depth research.

Keywords： single-phase ground fault; transient signal; distribution network; automatic positioning

0" 引言

配電網單相接地故障占配電網總故障的80%以上。配電網結構比較復雜，一旦發(fā)生單相接地故障，現(xiàn)有方法難以快速、準確地判斷故障區(qū)段，影響供電的安全性和可靠性。

目前，配電網單相接地故障的定位方法主要有基于智能電阻接地成套裝置和節(jié)點零序電流幅值比較模型的故障處理與定位方法[1]、基于注意力機制-卷積神經網絡的故障選線方法[2]、基于曼哈頓平均距離和余弦相似度的定位方法[3]、基于模型預測控制的故障有源消弧處理方法[4]、以暫態(tài)量法為主的故障連續(xù)檢測過程[5]、基于零序分量的故障定位方法[6]等。但在實際應用中發(fā)現(xiàn)，在線路較長的情況下，上述方法需要多次采集數據才能實現(xiàn)精確定位，且定位過程受線路兩端電壓互感器（potential transformer， PT）的影響，抗干擾性較差。

為此，本文提出基于暫態(tài)信號的配電網單相接地故障區(qū)段自動定位方法。首先，分析配電網單相接地故障區(qū)段的暫態(tài)信號，并獲取該暫態(tài)信號的時域特征；然后，對故障區(qū)段暫態(tài)信號的時域特征進行故障關聯(lián)，從而實現(xiàn)故障區(qū)段的精準定位。

1" 暫態(tài)信號

1.1" 利用暫態(tài)信號表示配電網單相接地故障

一般情況下，當配電網出現(xiàn)單相接地故障時，故障區(qū)段各線路的電流特征符合零序電流特征，電流暫態(tài)信號屬于暫態(tài)零序電流，其構成參量主要包括容錯指標和電感指標。單相接地故障等效電路下的暫態(tài)電路如圖1所示。

圖1中：、分別為配電網單相接地電路中，支回路對地端的零序即時電感與即時電阻；為配電網對地線路對應的零序電容總值；與分別為配電網單相接地時，支路消弧線圈電感與部分電阻轉化的熱損耗；為故障位置的超標阻值系數。

由圖1可知，配電網單相接地故障區(qū)段的等效電路可表達為

式中：為配電網單相接地故障區(qū)段的零序電源，為故障區(qū)段任意一點的角頻率，為故障位置點的初始相位角。

1.2" 故障暫態(tài)信號時域特征計算

一般情況下，配電網單相接地故障區(qū)段的電流幅值應為正常運行狀態(tài)下電路狀態(tài)幅值的2倍，且在疊加作用下，電流方向呈反向特征。由此，可通過暫態(tài)階躍電壓波下寬頻帶對應的暫態(tài)分量，計算得到故障區(qū)段線路的電阻值與熱損耗衰減系數。根據暫態(tài)分量頻率越高，傳播速度越快的特性[9-10]，暫態(tài)信號的故障特征主要包括故障區(qū)段原始暫態(tài)信號指標量、單相接地線路阻值、暫態(tài)分量熱損耗與故障區(qū)段的傳輸函數，其對應的數學關系式為

根據上述約束條件，可得到故障區(qū)段暫態(tài)信號分量系數最大值所在的位置區(qū)域。為了更加精準地定位故障位置，將暫態(tài)信號特征分量的識別尺度閾值設定為0.3[15]。

基于上述計算參量，配電網單相接地故障區(qū)段自動定位步驟如下：

1） 將故障區(qū)段已知的暫態(tài)信號分量頻率的衰減系數設為，并代入公式（19），得到不同區(qū)段位置上對應的約束和；

２） 通過對故障區(qū)段內個測量單元中的暫態(tài)信號回波進行變換解耦處理，使；

３） 計算不同待測量單元所在線路的暫態(tài)信號回波幅值，以此獲得的對應量；

４） 將對應的暫態(tài)信號回波幅值疊加后，查看故障區(qū)段的暫態(tài)信號回波是否滿足約束區(qū)間，若滿足約束區(qū)間，說明區(qū)間為配電網單相接地故障區(qū)間；若不滿足，則進入下一區(qū)間計算，直至定位到具體的故障位置。

3" 實驗測試

利用本文提出方法（測試方法0）、基于智能電阻接地成套裝置和節(jié)點零序電流幅值比較模型的故障處理與定位方法（比對方法1）、基于零序分量的故障定位方法（比對方法2）3種不同的故障定位方法，在相同的測試環(huán)境及條件下進行對比實驗測試。

3.1" 測試條件

利用PSCAD/EMTDC測試工具搭建500 kV仿真輸電線路模型作為測試場景，并在測試場景中配置暫態(tài)信號采集裝置。每個線路模擬故障點的采集頻率為0.8 MHz，每個故障采集的時間窗為3 ms。仿真故障數據庫中樣本參量的配置如表1所示。

3.2" 故障識別率測試

隨機抽取故障類型BG、AC、CBG各240組，組成故障識別率測試樣本。分別利用測試方法0、比對方法1、比對方法2進行故障識別率測試，測試時間為300 s，測試結果如圖3所示。

由圖3（a）可知：3種定位方法初始故障識別率差異不大，比對方法2的初始故障識別率為90.8%，測試方法0的初始故障識別率為89.8%，比對方法1的初始故障識別率為87.2%；但隨著樣本數量與測試時間的增加，比對方法2變化最為劇烈，曲線抖動嚴重，整體波動區(qū)間變化不大，終止時故障識別率為90.6%；比對方法1與測試方法0曲線均呈快速增長趨勢，終止時，比對方法1的故障識別率為94.2%，測試方法0的故障識別率為97.6%；由此可以看出，在BG類型故障識別中，測試方法0取得的效果更好。

由圖3（b）可知：比對方法2的初始故障識別率僅為86.3%，下滑程度最大，測試方法0的初始故障識別率為96%，提升最大，比對方法1的初始故障識別率為88.6%，相較BG類型故障識別效果略有提升；但是隨著樣本數量與測試時間的增加，比對方法1整體抖動的次數較多，且幅值較大，曲線呈下降趨勢，終止時故障識別率為88.4%；比對方法2與測試方法0的曲線均呈增長趨勢，比對方法2增長趨勢較快，但擾動壓力較大，終止時故障識別率為95.7%，測試方法0增長緩慢，但較為平穩(wěn)，終止時故障識別率為98.0%；由此可以看出，在AC類型故障識別中，測試方法0表現(xiàn)穩(wěn)定，故障識別效果最好。

由圖3（c）可知，比對方法1與比對方法2的識別率曲線相似度較高，均出現(xiàn)較為密集的抖動現(xiàn)象，從抖動頻率上分析二者的性能可知，比對方法1優(yōu)于比對方法2；測試方法0的曲線指標最大，抖動幅值最小，識別率更好。

綜上分析，測試方法0的綜合表現(xiàn)最好，故障識別率最高，所得結果滿足測試相關要求。

3.3" 故障定位誤差測試

在表1所示的不同故障類型中，各抽取10組數據，分別利用測試方法0、比對方法1、比對方法2對其進行故障定位，由仿真測試工具Keysight EEsof提取不同定位方法的定位結果，并對其結果進行誤差統(tǒng)計，結果如表2所示。

由表2可知：在配電網單相接地故障不同類型下，測試方法0的定位均值誤差最小，最穩(wěn)定；比對方法1，比對方法2均值誤差較大。

結合測試結果分析，可以看出比對方法1與比對方法2均存在不同程度的擾動因素。其中，比對方法2的擾動因素具有不確定性，根據暫態(tài)信號的方向性判斷，大概率由線圈耦合過程中熱損耗偏差所導致。由此進一步表明，測試方法0對故障區(qū)段暫態(tài)信號定位的正確性。

4" 結論

本文通過引入暫態(tài)信號定位策略，實現(xiàn)單相接地故障區(qū)段的準確定位，在提高定位精度的同時，縮短了單位故障區(qū)段故障點的定位時間。為電力故障定位深入研究與暫態(tài)信號實際應用，提供了可行的方案。

在日后的應用與研究中，嘗試與發(fā)電機變壓器保護（generator transformer protection， GTP）相結合，不斷優(yōu)化定位方法的故障感知能力、識別能力、適應能力等。通過人工智能的數據學習技術，優(yōu)化故障定位環(huán)境，削弱擾動數據對定位參量的干擾等。

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作者簡介：

黃燦英，女，1975年生，碩士研究生，副教授，主要研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護、工業(yè)機器人。E-mail： hcyeyes131419@163.com

楊墉金，男，1974年生，本科，講師/工程師，主要研究方向：市政工程。E-mail： 497732321@qq.com

寧珍，女，1985年生，碩士研究生，講師，主要研究方向：熱能工程、工業(yè)機器人。E-mail： 409894226@qq.com