农村配电网单相接地故障定位方法研究

严 凤，葛廷利

（1.华北电力大学电力工程系，河北保定 071003；2.华北保定电力职业技术学院，河北保定 071051）

农村配电网单相接地故障定位方法研究

严 凤1，葛廷利2

（1.华北电力大学电力工程系，河北保定 071003；2.华北保定电力职业技术学院，河北保定 071051）

0 引言

我国农村配电网架空线路(6～66kV)一般采用中性点非有效接地方式，线路发生单相永久性接地故障后，如果能快速准确地确定故障位置，将大大缩短用户的停电时间，减少停电造成的损失。随着我国新农村建设的快速进行，农村电网规模逐渐加大，网络结构逐渐复杂，用户对供电稳定的要求也越来越高。

目前，国内外故障定位的研究成果很多，一般是针对110kV及以上的高压输电线路[1-3]，而针对中低压配电网单相接地故障的定位方法较少。普遍采用的寻找故障点的方式是人工巡线的方法，这不仅耗费了大量的人力物力，而且延长了停电时间；因此，农村电网单相接地故障定位技术方法的研究显得越来越重要。

1 农村配电网单相接地故障定位方法

1.1 国内情况

目前，我国农村配电网单相接地故障定位方法可以分为阻抗法、注入法、区段查找法、智能法和行波法；按测量端的多少可分为单端法、双端法和多端法；按在线与否可分为在线测距法和离线测距法[4-6]。

1）阻抗法假设定位线路为均匀线，根据故障时的电压、电流来计算故障回路的阻抗，依据线路长度与阻抗成正比的关系来确定故障距离。在农村配电网中，由于线路的多分支结构，利用阻抗法很难实现准确定位。

2） 注入法是向故障后的系统注入特定低频信号，通过检测注入信号来确定具体的故障点。主要有S注入法[4]、端口故障诊断法和加信传递函数法。

3）区段查找法[8]利用线路上安装的配网自动化设备(如RTU、FTU和BTU)检测得到的各线段的电气量判断故障区段，再将故障区段迅速隔离。该方法的特点是能够查找出发生故障的区段，缩短了故障范围和查找故障点的时间。

4）智能测距法[7]是在分析故障距离时引入了智能方法和手段，包括数据优化方法、卡尔曼滤波技术、模式识别技术、模糊理论、人工神经网络、专家系统等，目前处于研发阶段。

5）行波法主要用于输电线路，有4种[7-9]：A型、B型、C型和E型。与注入法不同，行波法利用的是高频信号来判断故障距离。

A型行波定位法利用故障产生的行波进行单端故障定位。B型行波定位法利用故障产生的行波进行双端故障定位。C型行波定位法是利用人工注入的行波信号进行单端或双端故障定位的离线方法。E型行波定位法利用线路故障后开关重合闸的瞬间，注入一个合闸电流脉冲，检测合闸脉冲与反射脉冲的时间差来确定故障距离。

以上各种故障定位方法都各有优缺点。由于农村配电网线路结构复杂，节点多，分支多，目前各种故障定位方法依然在研究阶段。

1.2 国外情况

欧洲农村中压电网线路通常较长，大部分为放射状。一般馈线长度为10～35km，标准负荷为1～8MV·A，有10回左右的出线[10]。中性点接地方式主要有3种：一是中性点不接地系统，这种方式主要用于意大利、芬兰、丹麦、奥地利和比利时。二是谐振接地系统，这种接地方式主要用于奥地利、德国[11]和部分瑞士、芬兰的电网。三是低阻抗接地系统，在这类系统中，至少有一台变压器的中性点或接地变压器的中性点通过低阻抗接地，当网络中任一点发生接地故障时，形成的故障电流可靠地驱动自动跳闸机构[10]跳闸。

美国农村电网覆盖约70%的国土面积，向约10%的人口提供服务。针对这样的国情，美国农村电网一般是这样的模式：在负荷中心或地理接线中心建设非常简易的公用变电站，将输电电压转变为配电电压后，通过三相配电线路向广袤的农村延伸送电。一般每个农业用户由一台单相变压器供电，如果是动力用户，则由三相配电变压器供电。配电线路上根据需要装设有调压器、电容器和分段器等，在发生故障后，将故障区段隔离，保证其它区段正常运行[10]。

2 反射行波分析法

2.1 反射行波分析法的特点

针对我国农村电网的特点，提出了反射行波分析法来进行线路单相接地故障定位。该方法属于C型行波定位法，其原理是：在故障后由人工向故障线路发射脉冲信号，通过检测来自线路的反射波进行故障定位。与其它方法相比，其优点在于，不需要在各条线路装设采集装置，可以节省投资；在进行故障定位时可以重复判断故障点，即可以多次发信号进行故障定位。通过大量仿真试验，充分验证了该方法的可行性。

2.2 反射行波分析法的数学表示

线路发生故障时，如果在出线端向线路发射行波信号，那么，在线路出线端与接地故障点之间会有往返传播的信号出现，直至信号衰减为0。在线路出线端检测时，这些往返传播的行波信号可以分为两大类：一类是由波阻抗不连续点产生的到达检测点的第一个反射波；另一类是在线路的节点之间经多次折反射后的波。波阻抗不连续点包括线路上的分支点、分支末端点和接地故障点。反射行波分析法利用第一类波，即行波在波阻抗不连续点产生的第一个反射波来进行故障定位，该波被称为节点的特征波。其余的反射波被称为杂波，不参与故障定位的计算。

为了与故障线路上的反射信号进行比较，先在正常线路上注入脉冲信号，并检测其反射波。线路发生接地后，在故障线路上注入脉冲信号，并检测其反射波，该信号与线路正常时的信号相比，可以看出：在故障点第一个反射波到达之前，故障线路的反射过程与线路正常时一致，而之后则不同。据此可知，2个波形的第一个差异点必然是来自故障点的反射波，称之为故障特征波。确定了来自故障点的反射波，那么，故障距离可以按下式计算：

2.3 信号处理方法

由于从外部注入的是脉冲信号，因此返回到检测点的反射行波信号在时域上为突变奇异点，如何检测到突变点是个难题。小波变换作为一个新兴数学分支为解决这一难题提供了有力工具。作为一种时频分析方法，小波变换具有良好的时频局部特性。信号在时域上的突变奇异点包含丰富的高频信息，信号在小波变换后的模极值对应于突变点，所以可以利用小波变换奇异性检测理论来得到反射波的位置和时刻。

通过故障点的特征反射波，计算出故障点的电气距离L，但是，对于多分支的农村配电网线路，线路上距离等于L的地方不止一个，其中只有一个是真正的故障点，其余的为伪故障点。只有找到真正的接地故障点，排除伪故障点，才能提高定位的准确性。

为了找到真正的故障点，采用特征矩阵法来提取有关故障点的信息。因为检测点至故障点之间的上游线路分支对行波的反射影响大，而在故障点后面的下游线路分支对行波的反射影响很小，可以忽略；根据来自分支节点及分支线路末端特征反射波的变化，可以确定故障区段。

2.4 信号的局部能量和特征矩阵

故障区段的确定需要构造一个由特征波局部能量组成的大矩阵[9]。为了确定大矩阵中的数据，需要计算特征波的局部能量并以此构造特征矩阵。局部能量是相对于整个取样时间范围内信号的总能量而言的，它是信号在某一小的时间范围内的能量，能反映该时间范围内信号的强弱，由这些局部能量组成一个特征矩阵，为了比较局部能量的大小，特征矩阵中使用的是归一化的局部能量。

对于行波信号，线路上阻抗不连续点产生的反射波波头是信号的奇异点，在利用小波包分解系数重构的高频信号中，奇异点的信号能量会高于附近信号的能量，所以，根据信号的局部能量可以找到来自阻抗不连续点的反射波波头。大矩阵中“1”和“0”数据由特征波的局部能量决定，局部能量高于门限值的为有效数据，在大矩阵中用“1”表示；局部能量为0或低于门限值的为无效数据，在大矩阵中用“0”表示。在特征波到达首端的时刻，对信号求取局部能量e，当线路上有P个分支时，特征波的数量为m=2p+1，一个特征矩阵中需要计算的局部能量数量为2p+1，与线路上阻抗不连续点的数量相同。如果用一个特征波到达首端时刻20个离散点的幅值X来计算局部能量，则第i个特征波的局部能量如公式(1)所示。所有特征波的总能量E和每个特征波的归一化局部能量e的计算如式 (2)和式(3)所示。

式中，i=1,2,L,2p+1为大矩阵中第i个特征波。

为了降低误判概率，一般使用多个频带信号进行局部能量计算，由这些局部能量组成一个特征矩阵。利用小波包对原始信号进行多层分解，得到分解系数重构信号；重构的信号由多个频带组成，对其中的n个频带信号进行局部能量计算，得到n组局部能量；由这n组特征波的归一化局部能量组成一个新的矩阵，这就是特征矩阵。因为大矩阵中特征波的数量为(2p+1)，当取n个频带中的信号进行局部能量分析时，需要计算的局部能量数量为n×(2p+1)，因此，特征矩阵是一个n行、2p+1列的矩阵，如公式(4)所示。

特征矩阵中每一列的数据表示一个阻抗不连续点在不同频带特征波的局部能量，由这n个数据可以综合确定该点是否有特征波信号，所以，最后大矩阵的有效数据“1”和无效数据“0”是综合多频带特征波信息的结果。

3 仿真试验

为了验证该行波定位法的正确性，在带分支的线路上进行了仿真试验，而且对线路上不同区段故障进行了定位分析。

下面以一条10kV线路为例来验证反射行波法。线路如图1所示。

图1 仿真线路(10kV)

利用ATP进行仿真试验，试验线路为架空线，建立了分布参数模型。在线路出线端的O点发射一个三角形脉冲，脉冲宽度为2μs，设行波在线路上的传播速度为3×108m/s，在O点检测电压行波的反射波信号。分别在线路正常情况和发生单相接地故障时进行仿真分析；2种情况下，在O点检测到的电压行波波形如图2、图3所示。

图2 正常线路的波形

图3 线路故障时的波形

利用小波包对上述波形进行3层分解，通过分解系数重构的信号由8个频带组成；对其中的第2、3、4、7共4个分频带信号进行局部能量计算，得到4组局部能量；由这4组特征波的归一化局部能量构成一个特征矩阵。仿真线路的分支数量为2，由局部能量构成一个5列、4行的特征矩阵。计算局部能量时，在奇异点附近取样数据为20个，F1点和F2点故障时，特征向量矩阵分别为式（5）和（6）：

式中每列数据分别是阻抗不连续点A、B、C、D、E反射特征波的局部能量。设0.01为局部能量的门限值，综合每列的数据。由公式(4)得到大矩阵数据为[10010]，表示可以检测到来自A和D点的反射波，不能检测到来自B、C和E点的反射波，证明故障发生在AB区段。同理,由公式(6)确定的大矩阵数据为[11110]，表示可以检测到来自A、B、C和D点的反射波，不能检测到来自E点的反射波，可以断定BE段发生了故障。

下一步是确定故障点，通过比较正常和故障时的波形可以得到图4的波形。

在图4(a)中，第一个突变点即为故障点F1的反射波，通过小波包变换和数据处理，我们可以确定出现最大值的时刻为77.72μs。根据已设定的波速，可以据测距公式计算得到故障距离为：L=300m/μs×(77.72-1)μs/2=11508m与实际的故障距离仅差8m。

图4 正常线路与故障线路的相减波形

在图4(b)中，同样，第一个突变点即为故障点F2的特征反射波。经过数据处理，出现最大值的时刻为104.39μs。计算得到的故障距离为：L=300m/μs×(104.39-1)μs/2=11508.5m与实际故障距离相差仅差8.5m。

4 结论

针对农村配电网线路的结构特点和现行的故障定位原理，结合最新的应用数学中信号的处理技术，提出了利用反射行波分析法来进行故障定位的新方法。仿真计算和实验证明，该方法技术先进，定位准确性高，有很好的应用前景。

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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

介绍了国内外农村配电网单相接地的故障定位方法，提出了一种基于小波变换对信息进行处理的反射行波分析法。利用农村配电网架空线路带有分支的特点，对各个分支点的反射波进行信号分析，根据小波变换后的模极值和矩阵特征值来确定故障位置。结果表明反射行波分析法能准确地确定故障位置。

农村电网；故障定位；行波；小波包

国家自然科学基金资助项目（50177007）。

1674-3814（2010）04-0016-05

P692

A

2009-10-31。

严 凤（1965—），女，博士，硕士生导师，研究方向为配电网自动化；

葛廷利（1979—），男，硕士，研究方向为配电网自动化。

（编辑 董小兵）