嚴(yán) 鳳，葛廷利

（1.華北電力大學(xué)電力工程系，河北保定 071003；2.華北保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北保定 071051）

農(nóng)村配電網(wǎng)單相接地故障定位方法研究

嚴(yán) 鳳1，葛廷利2

（1.華北電力大學(xué)電力工程系，河北保定 071003；2.華北保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北保定 071051）

0 引言

我國農(nóng)村配電網(wǎng)架空線路(6～66kV)一般采用中性點(diǎn)非有效接地方式，線路發(fā)生單相永久性接地故障后，如果能快速準(zhǔn)確地確定故障位置，將大大縮短用戶的停電時(shí)間，減少停電造成的損失。隨著我國新農(nóng)村建設(shè)的快速進(jìn)行，農(nóng)村電網(wǎng)規(guī)模逐漸加大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜，用戶對供電穩(wěn)定的要求也越來越高。

目前，國內(nèi)外故障定位的研究成果很多，一般是針對110kV及以上的高壓輸電線路[1-3]，而針對中低壓配電網(wǎng)單相接地故障的定位方法較少。普遍采用的尋找故障點(diǎn)的方式是人工巡線的方法，這不僅耗費(fèi)了大量的人力物力，而且延長了停電時(shí)間；因此，農(nóng)村電網(wǎng)單相接地故障定位技術(shù)方法的研究顯得越來越重要。

1 農(nóng)村配電網(wǎng)單相接地故障定位方法

1.1 國內(nèi)情況

目前，我國農(nóng)村配電網(wǎng)單相接地故障定位方法可以分為阻抗法、注入法、區(qū)段查找法、智能法和行波法；按測量端的多少可分為單端法、雙端法和多端法；按在線與否可分為在線測距法和離線測距法[4-6]。

1）阻抗法假設(shè)定位線路為均勻線，根據(jù)故障時(shí)的電壓、電流來計(jì)算故障回路的阻抗，依據(jù)線路長度與阻抗成正比的關(guān)系來確定故障距離。在農(nóng)村配電網(wǎng)中，由于線路的多分支結(jié)構(gòu)，利用阻抗法很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

2） 注入法是向故障后的系統(tǒng)注入特定低頻信號，通過檢測注入信號來確定具體的故障點(diǎn)。主要有S注入法[4]、端口故障診斷法和加信傳遞函數(shù)法。

3）區(qū)段查找法[8]利用線路上安裝的配網(wǎng)自動化設(shè)備(如RTU、FTU和BTU)檢測得到的各線段的電氣量判斷故障區(qū)段，再將故障區(qū)段迅速隔離。該方法的特點(diǎn)是能夠查找出發(fā)生故障的區(qū)段，縮短了故障范圍和查找故障點(diǎn)的時(shí)間。

4）智能測距法[7]是在分析故障距離時(shí)引入了智能方法和手段，包括數(shù)據(jù)優(yōu)化方法、卡爾曼濾波技術(shù)、模式識別技術(shù)、模糊理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等，目前處于研發(fā)階段。

5）行波法主要用于輸電線路，有4種[7-9]：A型、B型、C型和E型。與注入法不同，行波法利用的是高頻信號來判斷故障距離。

A型行波定位法利用故障產(chǎn)生的行波進(jìn)行單端故障定位。B型行波定位法利用故障產(chǎn)生的行波進(jìn)行雙端故障定位。C型行波定位法是利用人工注入的行波信號進(jìn)行單端或雙端故障定位的離線方法。E型行波定位法利用線路故障后開關(guān)重合閘的瞬間，注入一個(gè)合閘電流脈沖，檢測合閘脈沖與反射脈沖的時(shí)間差來確定故障距離。

以上各種故障定位方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)。由于農(nóng)村配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)多，分支多，目前各種故障定位方法依然在研究階段。

1.2 國外情況

歐洲農(nóng)村中壓電網(wǎng)線路通常較長，大部分為放射狀。一般饋線長度為10～35km，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷為1～8MV·A，有10回左右的出線[10]。中性點(diǎn)接地方式主要有3種：一是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，這種方式主要用于意大利、芬蘭、丹麥、奧地利和比利時(shí)。二是諧振接地系統(tǒng)，這種接地方式主要用于奧地利、德國[11]和部分瑞士、芬蘭的電網(wǎng)。三是低阻抗接地系統(tǒng)，在這類系統(tǒng)中，至少有一臺變壓器的中性點(diǎn)或接地變壓器的中性點(diǎn)通過低阻抗接地，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任一點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，形成的故障電流可靠地驅(qū)動自動跳閘機(jī)構(gòu)[10]跳閘。

美國農(nóng)村電網(wǎng)覆蓋約70%的國土面積，向約10%的人口提供服務(wù)。針對這樣的國情，美國農(nóng)村電網(wǎng)一般是這樣的模式：在負(fù)荷中心或地理接線中心建設(shè)非常簡易的公用變電站，將輸電電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榕潆婋妷汉螅ㄟ^三相配電線路向廣袤的農(nóng)村延伸送電。一般每個(gè)農(nóng)業(yè)用戶由一臺單相變壓器供電，如果是動力用戶，則由三相配電變壓器供電。配電線路上根據(jù)需要裝設(shè)有調(diào)壓器、電容器和分段器等，在發(fā)生故障后，將故障區(qū)段隔離，保證其它區(qū)段正常運(yùn)行[10]。

2 反射行波分析法

2.1 反射行波分析法的特點(diǎn)

針對我國農(nóng)村電網(wǎng)的特點(diǎn)，提出了反射行波分析法來進(jìn)行線路單相接地故障定位。該方法屬于C型行波定位法，其原理是：在故障后由人工向故障線路發(fā)射脈沖信號，通過檢測來自線路的反射波進(jìn)行故障定位。與其它方法相比，其優(yōu)點(diǎn)在于，不需要在各條線路裝設(shè)采集裝置，可以節(jié)省投資；在進(jìn)行故障定位時(shí)可以重復(fù)判斷故障點(diǎn)，即可以多次發(fā)信號進(jìn)行故障定位。通過大量仿真試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了該方法的可行性。

2.2 反射行波分析法的數(shù)學(xué)表示

線路發(fā)生故障時(shí)，如果在出線端向線路發(fā)射行波信號，那么，在線路出線端與接地故障點(diǎn)之間會有往返傳播的信號出現(xiàn)，直至信號衰減為0。在線路出線端檢測時(shí)，這些往返傳播的行波信號可以分為兩大類：一類是由波阻抗不連續(xù)點(diǎn)產(chǎn)生的到達(dá)檢測點(diǎn)的第一個(gè)反射波；另一類是在線路的節(jié)點(diǎn)之間經(jīng)多次折反射后的波。波阻抗不連續(xù)點(diǎn)包括線路上的分支點(diǎn)、分支末端點(diǎn)和接地故障點(diǎn)。反射行波分析法利用第一類波，即行波在波阻抗不連續(xù)點(diǎn)產(chǎn)生的第一個(gè)反射波來進(jìn)行故障定位，該波被稱為節(jié)點(diǎn)的特征波。其余的反射波被稱為雜波，不參與故障定位的計(jì)算。

為了與故障線路上的反射信號進(jìn)行比較，先在正常線路上注入脈沖信號，并檢測其反射波。線路發(fā)生接地后，在故障線路上注入脈沖信號，并檢測其反射波，該信號與線路正常時(shí)的信號相比，可以看出：在故障點(diǎn)第一個(gè)反射波到達(dá)之前，故障線路的反射過程與線路正常時(shí)一致，而之后則不同。據(jù)此可知，2個(gè)波形的第一個(gè)差異點(diǎn)必然是來自故障點(diǎn)的反射波，稱之為故障特征波。確定了來自故障點(diǎn)的反射波，那么，故障距離可以按下式計(jì)算：

2.3 信號處理方法

由于從外部注入的是脈沖信號，因此返回到檢測點(diǎn)的反射行波信號在時(shí)域上為突變奇異點(diǎn)，如何檢測到突變點(diǎn)是個(gè)難題。小波變換作為一個(gè)新興數(shù)學(xué)分支為解決這一難題提供了有力工具。作為一種時(shí)頻分析方法，小波變換具有良好的時(shí)頻局部特性。信號在時(shí)域上的突變奇異點(diǎn)包含豐富的高頻信息，信號在小波變換后的模極值對應(yīng)于突變點(diǎn)，所以可以利用小波變換奇異性檢測理論來得到反射波的位置和時(shí)刻。

通過故障點(diǎn)的特征反射波，計(jì)算出故障點(diǎn)的電氣距離L，但是，對于多分支的農(nóng)村配電網(wǎng)線路，線路上距離等于L的地方不止一個(gè)，其中只有一個(gè)是真正的故障點(diǎn)，其余的為偽故障點(diǎn)。只有找到真正的接地故障點(diǎn)，排除偽故障點(diǎn)，才能提高定位的準(zhǔn)確性。

為了找到真正的故障點(diǎn)，采用特征矩陣法來提取有關(guān)故障點(diǎn)的信息。因?yàn)闄z測點(diǎn)至故障點(diǎn)之間的上游線路分支對行波的反射影響大，而在故障點(diǎn)后面的下游線路分支對行波的反射影響很小，可以忽略；根據(jù)來自分支節(jié)點(diǎn)及分支線路末端特征反射波的變化，可以確定故障區(qū)段。

2.4 信號的局部能量和特征矩陣

故障區(qū)段的確定需要構(gòu)造一個(gè)由特征波局部能量組成的大矩陣[9]。為了確定大矩陣中的數(shù)據(jù)，需要計(jì)算特征波的局部能量并以此構(gòu)造特征矩陣。局部能量是相對于整個(gè)取樣時(shí)間范圍內(nèi)信號的總能量而言的，它是信號在某一小的時(shí)間范圍內(nèi)的能量，能反映該時(shí)間范圍內(nèi)信號的強(qiáng)弱，由這些局部能量組成一個(gè)特征矩陣，為了比較局部能量的大小，特征矩陣中使用的是歸一化的局部能量。

對于行波信號，線路上阻抗不連續(xù)點(diǎn)產(chǎn)生的反射波波頭是信號的奇異點(diǎn)，在利用小波包分解系數(shù)重構(gòu)的高頻信號中，奇異點(diǎn)的信號能量會高于附近信號的能量，所以，根據(jù)信號的局部能量可以找到來自阻抗不連續(xù)點(diǎn)的反射波波頭。大矩陣中“1”和“0”數(shù)據(jù)由特征波的局部能量決定，局部能量高于門限值的為有效數(shù)據(jù)，在大矩陣中用“1”表示；局部能量為0或低于門限值的為無效數(shù)據(jù)，在大矩陣中用“0”表示。在特征波到達(dá)首端的時(shí)刻，對信號求取局部能量e，當(dāng)線路上有P個(gè)分支時(shí)，特征波的數(shù)量為m=2p+1，一個(gè)特征矩陣中需要計(jì)算的局部能量數(shù)量為2p+1，與線路上阻抗不連續(xù)點(diǎn)的數(shù)量相同。如果用一個(gè)特征波到達(dá)首端時(shí)刻20個(gè)離散點(diǎn)的幅值X來計(jì)算局部能量，則第i個(gè)特征波的局部能量如公式(1)所示。所有特征波的總能量E和每個(gè)特征波的歸一化局部能量e的計(jì)算如式 (2)和式(3)所示。

式中，i=1,2,L,2p+1為大矩陣中第i個(gè)特征波。

為了降低誤判概率，一般使用多個(gè)頻帶信號進(jìn)行局部能量計(jì)算，由這些局部能量組成一個(gè)特征矩陣。利用小波包對原始信號進(jìn)行多層分解，得到分解系數(shù)重構(gòu)信號；重構(gòu)的信號由多個(gè)頻帶組成，對其中的n個(gè)頻帶信號進(jìn)行局部能量計(jì)算，得到n組局部能量；由這n組特征波的歸一化局部能量組成一個(gè)新的矩陣，這就是特征矩陣。因?yàn)榇缶仃囍刑卣鞑ǖ臄?shù)量為(2p+1)，當(dāng)取n個(gè)頻帶中的信號進(jìn)行局部能量分析時(shí)，需要計(jì)算的局部能量數(shù)量為n×(2p+1)，因此，特征矩陣是一個(gè)n行、2p+1列的矩陣，如公式(4)所示。

特征矩陣中每一列的數(shù)據(jù)表示一個(gè)阻抗不連續(xù)點(diǎn)在不同頻帶特征波的局部能量，由這n個(gè)數(shù)據(jù)可以綜合確定該點(diǎn)是否有特征波信號，所以，最后大矩陣的有效數(shù)據(jù)“1”和無效數(shù)據(jù)“0”是綜合多頻帶特征波信息的結(jié)果。

3 仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該行波定位法的正確性，在帶分支的線路上進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，而且對線路上不同區(qū)段故障進(jìn)行了定位分析。

下面以一條10kV線路為例來驗(yàn)證反射行波法。線路如圖1所示。

圖1 仿真線路(10kV)

利用ATP進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)線路為架空線，建立了分布參數(shù)模型。在線路出線端的O點(diǎn)發(fā)射一個(gè)三角形脈沖，脈沖寬度為2μs，設(shè)行波在線路上的傳播速度為3×108m/s，在O點(diǎn)檢測電壓行波的反射波信號。分別在線路正常情況和發(fā)生單相接地故障時(shí)進(jìn)行仿真分析；2種情況下，在O點(diǎn)檢測到的電壓行波波形如圖2、圖3所示。

圖2 正常線路的波形

圖3 線路故障時(shí)的波形

利用小波包對上述波形進(jìn)行3層分解，通過分解系數(shù)重構(gòu)的信號由8個(gè)頻帶組成；對其中的第2、3、4、7共4個(gè)分頻帶信號進(jìn)行局部能量計(jì)算，得到4組局部能量；由這4組特征波的歸一化局部能量構(gòu)成一個(gè)特征矩陣。仿真線路的分支數(shù)量為2，由局部能量構(gòu)成一個(gè)5列、4行的特征矩陣。計(jì)算局部能量時(shí)，在奇異點(diǎn)附近取樣數(shù)據(jù)為20個(gè)，F(xiàn)1點(diǎn)和F2點(diǎn)故障時(shí)，特征向量矩陣分別為式（5）和（6）：

式中每列數(shù)據(jù)分別是阻抗不連續(xù)點(diǎn)A、B、C、D、E反射特征波的局部能量。設(shè)0.01為局部能量的門限值，綜合每列的數(shù)據(jù)。由公式(4)得到大矩陣數(shù)據(jù)為[10010]，表示可以檢測到來自A和D點(diǎn)的反射波，不能檢測到來自B、C和E點(diǎn)的反射波，證明故障發(fā)生在AB區(qū)段。同理,由公式(6)確定的大矩陣數(shù)據(jù)為[11110]，表示可以檢測到來自A、B、C和D點(diǎn)的反射波，不能檢測到來自E點(diǎn)的反射波，可以斷定BE段發(fā)生了故障。

下一步是確定故障點(diǎn)，通過比較正常和故障時(shí)的波形可以得到圖4的波形。

在圖4(a)中，第一個(gè)突變點(diǎn)即為故障點(diǎn)F1的反射波，通過小波包變換和數(shù)據(jù)處理，我們可以確定出現(xiàn)最大值的時(shí)刻為77.72μs。根據(jù)已設(shè)定的波速，可以據(jù)測距公式計(jì)算得到故障距離為：L=300m/μs×(77.72-1)μs/2=11508m與實(shí)際的故障距離僅差8m。

圖4 正常線路與故障線路的相減波形

在圖4(b)中，同樣，第一個(gè)突變點(diǎn)即為故障點(diǎn)F2的特征反射波。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，出現(xiàn)最大值的時(shí)刻為104.39μs。計(jì)算得到的故障距離為：L=300m/μs×(104.39-1)μs/2=11508.5m與實(shí)際故障距離相差僅差8.5m。

4 結(jié)論

針對農(nóng)村配電網(wǎng)線路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)行的故障定位原理，結(jié)合最新的應(yīng)用數(shù)學(xué)中信號的處理技術(shù)，提出了利用反射行波分析法來進(jìn)行故障定位的新方法。仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明，該方法技術(shù)先進(jìn)，定位準(zhǔn)確性高，有很好的應(yīng)用前景。

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Studies on the Method of Single-Phase-to-Earth Fault Location in Rural Distribution Networks

YAN Feng1,GE Ting-li2
（1.Department of Electric Power Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,Hebei Province,China；2.North China Baoding Electric Power Voc.&Tech.College,Baoding 071051,Hebei Province,China）

This paper introduces methods for the single -phase-to-earth fault location in the rural distribution networks both at home and abroad, and presents a new fault -location method based on the traveling -wave scheme. Given that the overhead transmission line in the rural distribution network has the branching-out node, signal analysis is done for the reflected wave from each of such nods, and then the fault point is located according the modeled exterma and matrix eigenvalue. The result proves that the method can precisely locate the fault point.

rural power networks;fault location;traveling wave;wavelet packets

介紹了國內(nèi)外農(nóng)村配電網(wǎng)單相接地的故障定位方法，提出了一種基于小波變換對信息進(jìn)行處理的反射行波分析法。利用農(nóng)村配電網(wǎng)架空線路帶有分支的特點(diǎn)，對各個(gè)分支點(diǎn)的反射波進(jìn)行信號分析，根據(jù)小波變換后的模極值和矩陣特征值來確定故障位置。結(jié)果表明反射行波分析法能準(zhǔn)確地確定故障位置。

農(nóng)村電網(wǎng)；故障定位；行波；小波包

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50177007）。

1674-3814（2010）04-0016-05

P692

A

2009-10-31。

嚴(yán) 鳳（1965—），女，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)自動化；

葛廷利（1979—），男，碩士，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)自動化。

（編輯 董小兵）