侯奎迎

（國網(wǎng)山東省電力公司平原縣供電公司，山東 德州 253100）

0 引 言

就我國當(dāng)前的配電網(wǎng)建設(shè)與運行狀態(tài)來看，多采用架空線與電纜混合線路。這種輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在變電站或開關(guān)站的母線上存在多條出線。在配電網(wǎng)運行期間，單相接地故障發(fā)生次數(shù)在小電流接地電網(wǎng)中故障總數(shù)中的占比能夠達(dá)到70%～80%。若配電網(wǎng)長期處于帶故障運行的狀態(tài)，系統(tǒng)安全將會受到嚴(yán)重威脅。因此，探究配電混合線路雙端行波故障測距技術(shù)，確保在配電網(wǎng)故障期間能夠快速選擇故障線路、確定故障點，維護(hù)配電網(wǎng)運行安全。

1 雙端行波故障測距原理概述

行波故障測距主要有A、B、C、D四種基本類型，其中A與C是單端原理，B與D為雙端原理。本文圍繞雙端行波測距方法展開研究，其中B型行波測距的原理如下：

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障后，初始故障行波會以速度V從故障點出發(fā)向線路的兩端即N端與M端傳播。式中，表示故障的發(fā)生時刻；表示故障初始行波到達(dá)N端的時間；N端啟動記時器后進(jìn)行計時記時時刻為則表示初始行波到達(dá)M端的時間，此后M端啟動元件動作及發(fā)信機(jī)發(fā)信后，N端的收信機(jī)會讓記時器停止記時，停止時刻即為tm；tD表示兩端元件的啟動時間；τ表示被測線路的行波時間；tC表示兩端收信機(jī)與發(fā)信機(jī)動作時間的總和。

根據(jù)式（1），能夠得到τm的表達(dá)式，即：

據(jù)此計算故障距離LK如下：

D型行波測距方法的基本原理：利用線路內(nèi)部故障產(chǎn)生的初始行波，當(dāng)其浪涌到線路兩端的測量點時，通過對到達(dá)時間的絕對差，能夠?qū)收宵c與兩測量點之間的距離進(jìn)行準(zhǔn)確計算，過程如下：

式中的tm與tn分別表示故障初始行波傳播到M端與N端時的絕對時間；V表示故障初始行波的傳播速度；L表示故障所處線路的全長。需要注意的是，式（4）只適用于線路內(nèi)部故障。實際應(yīng)用過程中，應(yīng)事先利用故障方向法或電流極性比較法來確定故障類型是否為內(nèi)部故障。

兩種雙端行波故障測距技術(shù)均是利用故障初始行波。所以，實際運用過程中不會出現(xiàn)識別各反射波等問題，相對于單端行波故障測距方法，可靠性更高；而自動得出測距結(jié)果的方式，能夠獨立構(gòu)成測距裝置與系統(tǒng)，并顯著提升測距準(zhǔn)確性，實現(xiàn)對故障的快速、準(zhǔn)確定位，簡化線路故障檢測與維修難度。

2 配電混合線路雙端行波故障測距技術(shù)的實現(xiàn)方法

B型行波測距方法與D型行波測距方法均屬于雙端行波原理。其中，B型行波測距方法的實現(xiàn)，需要在借助通信通道的基礎(chǔ)上，利用初始行波與波速。為保證實現(xiàn)結(jié)果得到線路故障診斷當(dāng)中的測距要求，應(yīng)有效保證通信通道穩(wěn)定可靠，且傳輸時間的測定需足夠精確[1]。而D型行波測距方法的實現(xiàn)主要利用線路長度、初始行波達(dá)到線路兩端測量點的絕對時間差和波速。對比兩種測距原理，D型行波測距方法對信道的要求相對較低，微波、載波、公共電話網(wǎng)等都可以作為相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸通道。因此，本文選擇D型行波測距原理展開對配電混合線路雙端行波故障測距技術(shù)的實現(xiàn)研究。

2.1 確定行波到達(dá)時間

根據(jù)雙端行波故障測距原理，為有效計算故障距離，應(yīng)優(yōu)先確定行波到達(dá)時間。在確定行波到達(dá)時間的過程中，應(yīng)對行波波頭起始點進(jìn)行準(zhǔn)確識別。采取模態(tài)分解法進(jìn)行識別，其核心在于本征模函數(shù)IMF。實際識別過程中，函數(shù)IMF會對信號的局部極大值與局部極小值連接的上下包絡(luò)線的均值進(jìn)行剔除篩選處理，以得到相關(guān)固有模態(tài)函數(shù)。采用該種方法獲取原始信號S(t)的過程如下：

式中，Ci(t)為第i個模態(tài)函數(shù)；rn(t)表示殘余量，大多數(shù)情況下等同于直流分量。

在仿真研究過程中發(fā)現(xiàn)，采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法進(jìn)行故障測距，相比于使用小波變換方法，得到的測距結(jié)果的精度更高，這主要是因為經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解能夠?qū)崿F(xiàn)高頻分量與高頻速度的有效對應(yīng)。

2.2 確定行波速度

配電混合線路中，電纜與架空線路同時存在。在這兩種線路中，行波的傳播速度并不相同，所以不能在測距過程中使用統(tǒng)一的雙端行波測距公式。對此，可采用波速歸一化的方法，將處于不同線路中的波速進(jìn)行折算，也就是將雙介質(zhì)轉(zhuǎn)化成單介質(zhì)。在此種狀態(tài)下，可使用單介質(zhì)中的測距計算公式計算出相關(guān)故障距離，最后將故障距離折算回雙介質(zhì)下的情況即可。

以電纜和架空線路混合情況為例，假設(shè)行波在電纜與架空線路中的傳播速度分別為VD和VJ，嘗試將行波在架空線路中的傳播折算成在電纜中的傳播速度。若架空線路的長度為L，則折算后的長度應(yīng)該為(VD/VJ)L；完成波速歸一化處理后，采用單介質(zhì)測距公式，即可得到歸一化線路當(dāng)中的故障位置；將其折算回實際路線中的故障位置，能夠消除由于波速不連續(xù)原因而導(dǎo)致的相關(guān)影響。

2.3 確定行波信號

在配電混合線路雙端行波故障測距過程中，可選擇線模分量作為測量信號，然后利用雙線模分量實現(xiàn)故障測距。對于三相系統(tǒng)來說，應(yīng)采用相模變換的方式進(jìn)行解耦計算，由此得到零模分量、模一分量和模二分量。建議采用Karenbauer變換進(jìn)行相關(guān)解耦計算，如此能夠得到兩個線模分量x1、x2與一個零模分量x0：

式中的ya、yb、yc均為向量形式。

在實際測距過程中，采用線模分量能夠?qū)崿F(xiàn)對測量信號的故障測距與保護(hù)。但是，僅單個線模量無法反映線路中存在的所有故障類型。以電流模分量為例，在c相發(fā)生接地故障后，電流線模量的邊界條件為。若電流模一分量il=0，則此時不能反映c相接地故障。同理，電流模二分量也無法反映出B相的接地故障[2]。因此，平衡線路的實現(xiàn)較為困難，尤其對配電線路來說，存在常規(guī)狀態(tài)下不換位的特點，難以通過現(xiàn)有的相模變換矩陣實現(xiàn)理想意義上的解耦。

針對單個線模分量無法反映線路中存在的所有故障類型的問題，建議在故障測距前，通過故障選相的方法實現(xiàn)理想的故障測距目標(biāo)。例如，當(dāng)c相發(fā)生接地故障時，可選擇模二分量；當(dāng)B相發(fā)生故障時，可選擇模一分量。兩個線模分量在線路中的均勻換位，能夠保證各參數(shù)之間處于相等狀態(tài)。即便是非均勻換位，相關(guān)參數(shù)也大致相近。通過選相的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對故障相別的直接利用。

2.4 設(shè)定采樣頻率

在配電混合線路雙端行波故障測距技術(shù)應(yīng)用過程中，采用頻率對行波測距精度能夠產(chǎn)生較大影響。行波速度與光速相同，根據(jù)測距公式能夠得出其中Δl與Δt的單位分別為“m”和“s”。故障測距結(jié)果的計算可能存在一定誤差，而Δt的誤差為2Ts，Ts表示采樣周期。除此之外，采用頻率也能對測距結(jié)果的精確度造成不同程度的影響。若輸電線路在1 000 m以內(nèi)，則要求采樣頻率控制在300 kHz以上[3]。從配電混合線路的角度來看，由于線路的長度值普遍不大，為滿足相關(guān)維修工程對故障測距精度的高標(biāo)準(zhǔn)需求，本文將測距誤差精度設(shè)定為100 m，此時采樣頻率應(yīng)控制在3 MHz以上。若有可能，應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)手段及設(shè)備，可進(jìn)一步提升采樣頻率為10 MHz。

總結(jié)測距經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，采樣頻率越高，故障初始行波的波頭初始位置越準(zhǔn)確，能夠保證授時系統(tǒng)的實踐誤差大幅降低，標(biāo)定故障初始行波波頭誤差時產(chǎn)生的誤差也就越小。需要注意的是，實際測算過程中，無論是理論分析還是仿真實驗，均說明測距精度與采樣頻率之間雖存在一定關(guān)系，但這種關(guān)系不存在規(guī)律性。

3 配電混合線路雙端行波故障測距技術(shù)應(yīng)用的仿真分析

利用ATP仿真軟件，針對配電混合線路故障的暫行波特征及使用初始行波，實現(xiàn)相關(guān)線路定位的全過程進(jìn)行仿真，目的在于檢驗所述配電混合線路雙端行波故障測距技術(shù)的應(yīng)用可行性。仿真模型中建立一個110/10 kV變電站，擁有6條出線，包括純架空線、純電纜線路、電纜與架空線路組成的混合線路。建模過程中，對消弧線圈接地系統(tǒng)的仿真采用過補(bǔ)償方式，且補(bǔ)償度設(shè)為8%。

仿真過程中，行波經(jīng)過一段混合線路后，初始行波的幅值發(fā)生明顯衰減。這一現(xiàn)象與故障初始行波經(jīng)歷兩次波阻抗變化有關(guān)，與其在單介質(zhì)中傳播造成的衰減無關(guān)。根據(jù)混合線路的暫行波和故障仿真結(jié)果、誤差，能夠得出以下仿真結(jié)論：相比于單介質(zhì)的線路故障測距，配電混合線路的故障測距精度要低。分析造成這種問題的原因，在采用雙端行波故障測距技術(shù)的過程中，行波的高頻分量經(jīng)過混合線路發(fā)生了大幅度衰減，且在進(jìn)行波速歸一化的工程中，由于數(shù)據(jù)換算也會造成不同程度的誤差，大大降低了測距的準(zhǔn)確性。

上文分析中提到，采用頻率越高，故障初始行波的波頭初始位置越準(zhǔn)確。經(jīng)過仿真，這種關(guān)系確實存在，但測距的精度與采樣頻率之間不是正比關(guān)系[4]。同一線路中，若采樣頻率由1 MHz升至10 MHz，此時觀察測距精度明顯提高；繼續(xù)提高采樣精度到25 MHz，測距精度并未發(fā)生明顯變化，甚至存在些許下滑現(xiàn)象?？梢?，在一定范圍內(nèi)，采用頻率越高，故障初始行波的波頭初始位置越準(zhǔn)確，但測距精度與采樣頻率并不是正比關(guān)系。

4 結(jié) 論

綜上所述，探究配電混合線路雙端行波故障測距技術(shù)，對提升配電網(wǎng)故障檢修水平作用顯著。針對配電混合線路特點采用雙端行波故障測距技術(shù)，不僅能夠快速、準(zhǔn)確地對線路故障進(jìn)行有效定位，為維修工作提供可靠參考，減少停電損失，還能進(jìn)一步提升配電網(wǎng)的供電可靠性。因此，應(yīng)不斷深入對配電混合線路雙端行波故障測距技術(shù)的研究，進(jìn)而大力推進(jìn)配電網(wǎng)綜合自動化的發(fā)展。