中压配电网单相接地故障暂态定位技术综述

《电气卄矣》(2019.No.4)1文章编号：1004-289X(2019)04-0001-04
中压配电网单相接地故障暂态定位技术综述
刘民培I,林竞妍'，洪伟彬2,黄超艺I,林文贵'，吴荣福I
(1.国网泉州供电公司，福建泉州362000,2.国网安溪县供电公司，福建泉州362400)
摘要：中压配电网单相接地故障定位技术，是提高配网供电可靠性的关键。

为全面剖析定位算法研究现状，本文从故障暂态信号定位原理、现有定位装置启动方法、装置和信号对时及同步问题三个方面进行了阐述，并对其 特点进行分析。

针对暂态信号定位方法，主要分析了暂态无功功率法、行波法、暂态信号相关法和基于数学信息处理的综合定位法。

然后在此基础上结合配电网发展趋势及用户对供电可靠性的要求，探讨了未来配电网故障定位技术的研究方向和发展前景。

关键词：单相接地;故障定位；暂态信号；装置启动；对时及同步
中图分类号:TM726文献标识码：B
Review of Single-phase Grounding Fault Location Based on Transient
Signals in Medium Voltage Distribution Network
LIU Min-pei),LIN Jing-yan,H0NG Wei-bin2,HUANG Chao-yi',LIN Wen-gui,WU Rong-fu
(1.State Grid Quanzhou Power Supply Company,Quanzhou362000,China；
2.State Grid Anxi Power Supply Company,Quanzhou362400,China)
Abstract:The key to improving power supply reliability lies in single-phase ground fault location based on transient sig-nals in medium voltage distribution network.The paper comprehensively explores the review of single-phase ground fault location algorithm from three aspects:the fault transient signal localization principle；the existing locating device boot method；timing and synchronization.And its characteristic has been pointed.Transient reactive power,traveling-wave, transient signal correlation,synthetic location based on synthetic location Mathematical message processing are mainly an­bined with development of distribution network and power supply reliability,direction for the future research and prospects of grounding fault location in distribution network are discussed.
Key words:single-phase ground;fault location；transient signals；device boot；timing and synchronization
1引言
由于故障稳态电流远小于数十安培到百安培的负荷电流、上千安培的短路电流;故障电弧易于熄灭和重燃形成弧光或间歇性接地，频繁破坏故障稳态电流;消弧线圈补偿作用使谐振接地系统中工频电流失去基本的故障特征等原因，传统利用稳态电气量的故障选线、定位方法存在着故障量不突出、不稳定甚至不确定等问题，无法保证故障检测的可靠性和灵敏度，导致现场仍有借助人工拉路线及用户投诉电话进行定位的现象。

经过近年发展，基于暂态信号的小电流接地故障定位技术已成为研究热点、重点。

由于暂态电流幅值一般是工频的数倍到数十倍，不受消弧线圈补偿及不稳定电弧影响，为配网故障定位提供了可靠的判断依据。

根据目前配网故障定位方法、技术、装置的研究与应用情况,本文从现有基于暂态信号定位算法研究现状、故障定位启动方法、故障定位装置对时和信号同步问题三个方面分析定位研究现状,分析其优缺点，然后结合其发展趋势对未来工作进行展望。

2基于暂态信号定位算法研究现状
在已有的定位方法中，利用暂态信号定位的方法主要有暂态电压作参量的暂态无功功率方向法和利用
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单一暂态信号的相关法、基于数学工具分析的方法。

2.1暂态无功功率方向法
暂态无功功率方向法是以暂态零序电压作参考量、以无功功率方向为判据的定位方法。

暂态无功功率定义为暂态电压信号的希尔伯特变换值与暂态电流信号在暂态时段内的平均功率。

其计算公式如下：<2o(t)=*卜0("“o0)df=
占几⑴广冲dr(1)
TT1J0J-oo t—T
式中：“。

0)=丄广容■dT为暂态电压信号的
TT J-co t-T
希尔伯特变换。

小电流接地系统发生单相接地故障后，系统的零序网络在故障点下游及健全线路都可看作末端开路的简单均匀线路，其输入阻抗不受消弧线圈影响在第一次串联谐振前呈容性⑴。

而故障点上游至母线间的测量点，其输入阻抗等于各健全线路阻抗的并联再与各测量点至母线间的阻抗串联,其输入阻抗在第一次串联谐振也呈容性，由于在频率大于150Hz时消弧线圈的补偿作用已非常小，可忽略其影响，因此在150Hz 至第一次串联谐振间输入阻抗等效呈容性。

基于此,文献［2］选取各线路都呈容性的低频段为特征频段,在特征频段内，故障线路故障点上游所有测量点暂态无功功率小于0,而故障点下游及健全线路的暂态无功功率大于0，利用该特性进行定位,但该方法存在现场实际工程应用时难以确认特征频带范围。

暂态无功功率方向法提取暂态信号中主要特征分量，包含了故障的大部分信息,此外,不需比较其他测量点的故障信息,只需检测自身的暂态无功功率方向即可判断故障点在上游还是下游，克服了信号不同步和信号大批量传输的缺点，独立性较好。

但该方法需要在各终端设备安装零序电压互感器，投资较大，对于终端设备无附加零序电压互感器接口则该方法不再适用。

基于此，文献［3］提出在故障信号不易获取的测量点用电磁场感应获取故障暂态电压和电流信号，并结合其他测量点的暂态电压电流信号利用暂态无功功率方向法进行区段定位，但该方法只适用于架空线路。

2.2暂态信号相关法
相关法为利用相邻测量点的暂态故障信号的相似程度用值量化来确定故障区段。

在故障点同侧测量点的暂态故障信号初始极性一样，幅值相近，波形变化趋势相似,而故障点两侧暂态故障信号初始极性相反,波形幅值和变化趋势相差较大，二者相关性较小,可利用此特性进行区段定位，故障点同侧测量点相关系数值接近1,故障点异侧检测点相关系数值接近于0.相关系数计算公式如下：
N
X i0i(n)«02(n)
p=才-----------(2)尸OV N
V n=1n=1
式中:6和心为两相邻终端检测点的暂态零模电流;采样点数n=l-N o
基于相关法的故障区段定位方法避免了加装零序电压互感器带来的麻烦，节约了成本适用范围较广，且其原理简单,成为众多学者研究的热点。

文献［4］引入相关性测度理论，以两信号相似性越高则相关系数值越大为评判标准，针对信号同步问题，采用GPS实现精确对时,该方法需能很好解决信号同步问题，但实际现场仍缺乏满足精确对时提供必要条件的硬件设施，有待进一步考量。

文献［5］在比较各检测点相关系数值的基础上，针对两测量点信号不同步问题,提出以其中一个测量点信号作基准,另一测量点信号数据窗前向平移求出相关系数，相关系数达到最大值时两信号可近似同步,该方法避免了两信号不同步而带来的误差，但仅考虑信号超前正偏,没有考虑信号滞后的影响。

文献［6］在研究暂态零模电流相关系数的基础上，首次提出暂态功率相关系数法，并引入相关系数比例因子综合评价两种方法性能并得出最佳区间，对相关法进行了进一步完善。

但是以上所提方法对系统的通信要求高,传输数据量大，定位算法存在诸多局限，实际应用效果需经更进一步改进和完善。

2.3行波法
行波法是利用线路故障时产生的向故障点两端传播的暂态行波进行故障定位,发展到现在从原理上可以分为:单端行波和双端行波、三端行波。

(1)单端行波原理是利用线路故障时在测量端检测到的第一个正向电压或电流行波浪涌与其在故障点反射波之间的时延计算出测量点与故障点间距离，如下所示⑺:
x =yvAr(3)
式中，v为波速，G为经过检测到反射波所用时间。

单端行波法精确度髙,但可靠性不能保证,主要在于其故障点反射波波头的准确识别。

文献［8］利用零
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模与线模中的第二个反向行波间的极性判别来确定故障点,能够很好适用于单相接地故障定位，但其未能很好考虑零模分量频散现象的影响。

文献［9］针对现有配网缆线混合线路波阻抗不连续，提出利用经验模态分解提岀高频特征部分及对波头进行相关性分析的方法识别初始行波波头与故障点发射波的时间长度，针对不同的线路类型对测距公式做出相应修正的单端组合测距法。

此外,针对电流行波波头在发射过程中减弱导致定位准确性低，提出结合电压行波进行验证的方法。

但该方法计算过程较复杂，现场实际应用有待进一步验证。

(2)双端行波原理是利用线路故障产生的初始电压或电流行波浪涌到达线路两端测量点时的绝对时间之差值计算故障点到两端测量点的距离，如下所示：
x=y［L+V1(/M1-^)］(4)
相对于单端法,双端行波无需识别故障发射波仅依靠初始行波到达两端的时间差实现定位，其核心问题在于如何实现两端同步对时问题。

文献［10］采用附加北斗定位信号模块实现高精度对时，此外采用超宽频带电缆互感器提取高频率信号,该方法虽原理可行,但仅在硬件条件上进行更新，实际现场仍不能满足。

(3)三端法在双端行波的基础上，利用检测初始行波到达故障线路上M、N两端以及相邻线路P端的时间心、乩、4进行定位,其核心问题在于如何准确这三个时间差。

三端行波式子如下肮)：
式中上I为故障线路上2为故障相邻线路。

由于检测点M、N波头突变性较大提取方便,而检测点P检测所需行波需经N折射，因此文献［11］重点研究检测点N处的不同种岀线情况分析问题,并结合GPS实现对时。

文献［12］建立三端行波故障定位理论，仅利用故障后短时间的暂态行波信号，覆盖了暂态分量的主要成分,排除了后期信号扰动对行波信号的影响，较为快速准确找到故障位置。

2.4基于数学信息处理的综合定位法
经过十几年的发展,众多学者在利用暂态信号的区段定位方法上获得了较多成果，特别突出的是暂态信号的数学分析上，综合数学分析方法实现多判据融合的智能定位方法成为研究重点、热点。

使用的数学分析工具方法包括小波变换法、S变换法、HHT变换、近似爛法等。

如文献［13］利用小波变换提取暂态电压信号的特征频率，并利用特征频率根据行波测距原理确定故障位置。

文献［14］总结非故障相暂态零模电流随故障点位置的变化规律，并利用BP网络映射故障点位置与模极大值的对应关系；文献［15］各馈线终端上传故障零模电流信息，主站运用S变换获取主导特征频率，通过比较故障线路各终端特征差异实现定位。

文献［16］利用小波包对暂态零序电流进行分解得到频谱能量的分布,并利用相邻测量点频谱能量作相对爛，爛值的最大的两测量点即为故障区段，在信号同步方面，利用能量最大的一段暂态零序电流数据作分析数据,实现不同测量点数据的大体同步。

文献［17］以暂态线电压方向作为定位判据,根据健全线路及故障点下游暂态线电压在各频率分量下相角超前暂态零模电流90。

，而故障点上游至母线各测量点暂态线电压的各频率分量下相角滞后暂态零模电流90。

，结合希尔伯特变换(HHT)得到方向参数，根据方向参数的极性进行区段定位。

综上所述，由上述众多基于暂态分量的定位方法可看出，利用单一暂态零序电流的定位方法由于受信号无法精确同步的限制，且受不同种故障工况影响明显，定位往往比较困难，特别在故障点前后线路等效参数差异不大的情况下，故障点前后的暂态零序电流的频率分布相似，波形变化相近，二者只存在相位的差异，此时将很难区分出故障区段。

因此,结合上述定位方法，加以修正改进或采取数学信息处理融合的定位方法称为下一步研究重点、热点。

3定位装置启动方法研究现状
目前大部分故障定位装置启动条件设置为阀值条件，主要是针对电压或电流的瞬时值或有效值。

而系统电流易受负荷等因素影响，设定阀值可靠性不高，且多以电压信号为主。

文献［17］以线电压为启动判据，以线电压的暂态和工频稳态有效值进行综合分析，判别虚假接地，但实际应用准确性有待商榷。

文献［18］通过检测零序电压超过阀值来启动故障定位功能。

文献［19］通过计算相邻两周期工频零序电压之差的有效值大于10%相电压作为装置启动判据。

可以确定，合适的启动条件需要综合考虑实际应用可行性，保证装置的选择性、灵敏性和可靠性，同时要兼顾速动性，这就要求算法不应较为复杂而导致延迟。

目前该方面的研究较少，普遍采用零序电压阀值作为启动判据，可靠性不髙，且忽略现场实际应用可行
4《电%什矣＞(2019.No.4)
性。

4装置对时和信号同步问题研究现状
目前大多数文献故障区段定位方法的前提条件是建立在数据信号同步的基础上,然而在实际电网运行中，受故障信号采集、主站与终端间通信，都可能造成各终端间信号采样不同步。

在取固定数据窗长的情况下，信号不同步改变了原始零模电流波形关系,将导致定位结果的准确性。

现有对信号不同步的处理方法可分为三种：
(1)由各终端迦)对信号进行特征提取后,将不同区段带有不同的特征量上传主站,如此无需进行对时,不存在信同步问题。

但各终端计算能力有限,通常算法应较为简便。

(2)在终端硬件上进行升级,如文献[21]采用广域测控技术实现信号采集，通过GPS实现各检测点间信号同步，运用GPRS实现使数据传输中时延最小化,该方法误差精度达us级,但投资成本大，若是对现有终端进行改造方案不可行。

文献[22]根据IEEE1588设计实现对时，同样能够使精度在us级。

从设备硬件本身入手进行升级改造虽可靠性大幅提升，但成本随之增加，对我国如此庞大的配电网来说,方案不可行。

(3)从定位算法本身入手，削弱信号不同步对算法可靠性的影响。

文献[23]通过波形微移检测最大相关系数，以此使不同步问题限制在最小范围内，但算法性能受偏移幅度影响较大，应合理把握偏移度的影响。

文献[24]通过具有边缘检测的小波模极大值法确定信号突变点，以此突变点作为故障时刻，该方法精度较髙，但小波变换存在难以确定基函数的问题。

5结束语
利用EMD经验模态分解对故障暂态零模电流进行多频带分解，求取不同频带内信号分量,对该分量进行近似爛计算，并求取相关性系数，实现在线故障定位，适用于配电自动化分布较广的区域内。

该方法灵敏度高，所需数据短，克服幅值小、时间不同步和定位可靠性差等不利因素，为现场的实际应用提供了理论支持。

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收稿日期:2019-03-05。