摘要: 中压配电网是电能供应的重要一环，电网的正常运行对电能的正常供应起着十分重要的作用。线路的单相接地故障是电网的常见故障，在故障发生时快速准确的判定故障点的位置，并对故障进行排除对保障电网的可靠运行十分重要。目前接地故障的单端和双端行波定位法已经应用于实际应用中，但其定位精度比较差，因此本文提出了故障定位的多端行波定位法，有效提高了故障位置的准确度。

关键词：配电网，单相故障接地，多端行波故障定位

 

配电网大都为单电源供电的多分支树形结构，由于其结构的特殊性，在线路发生单相接地故障时单端和双端故障定位法都不能及时准确的计算出故障点的位置。因此针对电网特殊结构的多端行波定位法被提出。如图2.1所示的电网拓扑结构。当在电网的某处有单相接地故障产生时，故障瞬间在接地点会有故障行波产生，故障波会以光速沿线路传播，最终到达线路的所有末端。多端行波定位通过在电网的所有末端加设检测装置，检测故障电压行波波头，从而得出故障行波波头传输到线路末端的时刻，通过对所有的时间数据进行分析计算则可准确的计算出故障点的位置。^[2]

图2.1 配电网拓扑结构图

3.1 多端行波故障定位模型的建立。

在对电网的拓扑结构进行分析时，可以忽略电网元件的特性，把配电网络简化成由对应数量的顶点和边构成的图形，如图3.1所示，其中顶点对应电网支路末端，边对应电网树形支路，用m代表边的数量，n代表顶点的数量，则有，m=2n-3，图中O是电网电源，A至K分别对应线路末端。当有单相接地故障在线路中发生时，故障电压行波在整个电网中传播，由于故障波的整个传输过程十分复杂，在计算中只对行波的第一个波头进行计算分析。^[3]

图3.1 配电网拓扑结构图

如图3.1所示，假设在电网的cd段k点发生接地故障，故障行波会在线路中以箭头所示方向在线路中传播，最终达到电网末端。假定故障波头传输到电网末端的时间分别为Ta、Tb...Tk。

应用GPRS可以将末端编号Ks以及故障波到达该点的时间数据Ts记录并上传到数据处理中心，如图3.2所示，。

图3.2 故障时间数据传输模式

需要注意的是图中的KsTs并不是表示Ks和Ts相乘，而是表示需要进行传送的数据串。多端行波定位的关键在于末端数据的获得方式，最终根据配电网的网络结构进行分析计算，从而计算出故障点的具体位置。

3.2 多端行波定位的运算方法。

下面对电网多端行波定位的具体算法进行详细的介绍：

（1）将控制中心收到的所有KsTs数据根据Ts进行重新排列。这些需要进行排列的数据包括故障波头到达线路末端的时刻以及对应末端在配电网络中的编号。这些数据组被数据中心根据时间的先后顺序重新排列，即Tx≤Ty≤Tz...。

（2）选择两个最前面的时间数据，Tx和Ty。依据B型行波故障定位原理，则有：

                       （3-1）

式中，v是故障波在线路中的传输速度，Lxy是线路末端Kx和Ky之间的线路长度，x1是故障点到线路末端Ky的线路距离。判断该次计算是否为第一次计算，如果是第一次计算则跳转到步骤（3），如果不是则跳转到步骤（5）。

（3）判断故障点是否处于线路的分支上。如图3.1中的点i。当在线路me段发生的故障和交叉点i比较接近或者故障就在点i处发生，这时按照（1）和（2）计算出的和故障点距离最近的两个线路末端为点Ki和Kj。这时求得的故障点处于点i，如果计算出的故障点确实是i，那么转到步骤（4），如果不是那么跳转到步骤（6）。

（4）将该故障点所处的线路支路末端的编号和时间数据保存，把另外一个数舍弃，将故障所在的分支作为中点，在端点数据被舍弃的支路的另一方向的线路选择距离最近的线路末端端点，按照步骤（2）的方式用该点的时间数据和保留的端点的时间数据再次执行故障定位运算。

（5）对所求得的故障点的所在分支进行验证。通常会有如下三种情况发生：（a）如果验证结果是之前计算结果的线路分支点，表明该故障结果计算正确，运算停止，进入步骤（6）；（b）若验算得出的故障点是线路中的非分支点，同样可以证明结果是正确的，运算同样停止，进入步骤（6）；（c）若验算所得的故障点在其他末端所在的线路的分支，则重新按照步骤（4）进行计算。

（6）由于配电网中，两个末端之间只有一条线路，可以根据所得的时间数据和电网的实际结构求得故障点的具体位置。

假定故障在cd段的k点发生，则有：

                    （3-2）

M_kd是故障点k到线路末端D的线路长度；m_ck是故障点k到线路末端C的线路长度。因为故障波在线路中的传输速度是恒定的。则有故障点到各线路末端的距离有：

                         （3-3）

由上式可以看出，在所有的时间数据中，Tc和Td是两个最小的，由B型行波故障定位原理可知：

                       （3-1）

式中，L_DC是端点D和C之间的线路长度，x_D是故障点到线路末端D的线路长度。

在图（3.1）中可以看出，因为x_D＞m₇，所以故障点没有处于dD段中，由m₆+m₅＞x_D可知，故障点k就处于cd段中，具体位置为距离点D为x_D线路长度的位置。

电网单相接地的多端行波故障定位法的判定流程如下图所示：

图3.3 多端行波故障定位流程图

3.3故障行波信号的接收和处理。

通常故障行波信号由工频分量和高频故障行波分量以及不同幅度的噪声分量构成。当故障行波信号传输到线路末端时，需要对信号进行滤波处理。通过电压互感器接收到故障波信号，经过模数转换，然后对信号进行分析处理，处理过程中首先要采取相应手段滤去噪声信号，然后应用小波分析对故障波进行分析。^[4]整个过程如图3.4所示。

图3.4 故障波的接收和处理

故障行波中噪声分量的幅度是不确定的，经过仿真分析可以看出，通过小波滤波之后的波形，即使噪声幅值很大，依旧可以清晰的分辨出故障波波头，并对波头进行分析和计算。

3.4 多端行波定位法的仿真应用。

运用以上介绍的多端行波定位法对故障线路进行分析计算，在故障波形的幅值首次大于某一设定值时作为波头的到达时刻并进行记录，最终记录故障行波在所有端点的波头到达时刻，其中，记录的v1a的故障波波头的到达时间是1.39145，记录的v22a的故障波波头到达时间是1.39145,记录的vl8的故障波波头到达时间是1.3946,记录的vl4a故障波波头到达时间是1.39184,记录的V1la的故障波波头到达时间是1.39223。故障点传输到各个配电网末端的线路长度分别是：vla的线路长度是4km,v22a的线路长度是4km,v18a的线路长度是4km, vl4a的线路长度是5km,vlla的线路长度是6km。经过验证，该方法求得的故障点位置与实际位置的误差值在200m以内，满足误差要求。

在电力系统故障定位中，高压线路的故障定位已经得到解决，并在实际应用中得到验证和推广。但长久以来，中压配电网的单相接地故障定位都是电力系统研究中难以解决的问题。本文在吸取各种高压输电线路故障定位方法经验的基础上，提出了电网单相接地基于多端行波的故障定位法。利用在单相基地故障发生时，故障电压行波会传输到电网的各个末端，记录故障行波的首个波头到达电网末端的时刻，通过相关算法进行计算，最终可求得故障点的准确位置。该方法虽然经过仿真的验证，但是在实际应用中在波形的处理中还存在很多问题需要解决，运算程序还需进一步优化。

[1] 严凤.中性点非有效接地系统单相接地行波定位方法的研究:[博士学位论文],保定,华北电力大学,2003

[2] 徐俊秒.配电网单相接地故障在线定位的研究与实现,[硕士学位论文],保定,华北电力大学,2009