摘要：社会经济水平不断提升，我国电力水平也得到了很大程度上的提升，各种电网的建设也逐渐增多，配电网是其中一种，而配电网如果出现故障，对于电力用户的影响是可想而知的，怎样快速将故障定位，及时处理，对于提升电网供电稳定性有着积极促进作用。本文主要分析了基于行波理论的配电网故障定位方法。
关键词：电力工程；配电线路；行波信号；故障定位
配电线路的故障会造成对电力客户供电的中断，快速准确的故障定位方法能缩短用户的停电时间，减少因停电造成的损失。配电线路的故障定位方法一般分为两种，第一种，以测量故障线路的阻抗为基础的阻抗法；第二种，以测量故障（或人工）产生的行波为基础的行波法。下面内容就配电网的故障行波理论定位法做简要分析。
1、研究背景
阻抗法受路径阻抗、线路负荷和电源参数等因素的影响较大，而且配电线路的特点是带有许多分支，阻抗法无法排除伪故障点，所以该方法不适合于配电线路的故障定位。行波法在原理上分为两种，一种是单端法，在已知行波波速时，利用检测到的初始行波与来自故障点的第一个反射波之间的时间差，计算得到故障距离；另一种是双端法，在已知波速和参考时间相同的情况下，在线路两端检测故障产生的初始行波波头，利用2个波头的时间差来计算故障位置。行波法原理简单，准确度高，是输电线路故障定位的重要方法。但是，对于带有多个分支的配电线路，显然不适合使用双端行波法，对于单端行波法，由于来自故障点的反射波与来自线路分支节点和负荷变压器端点的反射波混杂在一起，很难从中找到来自故障点的第一次反射波，所以，行波法在配电网故障定位的具体应用需要进一步深入研究。
基于上述背景，提出了使用行波对带有分支的配电网故障线路做准确定位的方法。其是一种通过两个步骤确定故障点的定位方法：先要对故障产生的暂态行波进行检测，通过识别来自故障点和不连续点的反射波来确定故障区段；然后确定了故障区段的基础上，找到与故障点相关的2个反射波，并由这2个波的最大相关时间计算得到故障点到检测端的距离。
2、故障行波在带分支线路上的传播特点
线路上发生故障时，故障信号沿线路向远离故障点的方向传播，在阻抗不连续点发生透射和反射法。对于带分支的故障线路，除了故障点，不连续点还包括母线、线路的终端及分支的节点和端点。如图一所示，在分支节点A的下方，点发生故障时，故障产生的行波向F点两侧传播。考虑故障点接地电阻很小或金属性接地情况时，，点两侧的行波将以F点为界，在各自范围内传播，穿过F点向对方传播的信号能量很小，可以不予考虑。在F点与母线肘之间传播的行波信号，遇到阻抗不连续点A和C时，会发生透射和反射，在这些透射和反射的波中，其中有下面几个特殊的行波：直接透射过A点，第一个到达母线M的行波SF，传播路径为F-A-M；SF在M点发生反射，一部分回到A点，在A点又反射回M点的行波SA，其传播路径为M（SF）-A-M。初始故障行波信号在A点一部分透射到C点，经C点反射回A点，又由A点到达母线M的波SC1，传播路径为，F-A-C-A-M；除此以外，还有其它透射和反射的行波，只要信号未衰减到零，信号在阻抗不连续点的透射和反射就会一直持续下去，在M点检测到的行波信号包含了许多透射波和反射波。
图一 故障信号沿线路传播路径
3、小波对信号的奇异性检测理论
电力线路故障时产生的暂态行波信号是一种突变性的、非平稳的高频暂态信号，阻抗不连续点造成的透射和反射波头是暂态行波信号的奇异点，可以利用小波对信号的奇异性检测理论来检测暂态行波信号中突变点的位置和时刻。利用小波分析检测信号突变点的方法是：对信号进行多尺度分析，在信号出现突变时，其小波变换后的系数具有模量极大值，由小波变换系数重构的信号由多个分频带组成，在高频带中信号的奇异点附近有较大的幅值。线路故障时行波信号中包含的各个阻抗不连续点反射来的行波波头是信号中的奇异点，因而可以通过对高频带信号的分析来寻找行波中的反射波。
4、故障定位新方法
4.1故障定位的基本原理
行波定位方法的原理是识别相继到达线路母线端的行波波头，可利用它们来确定故障位置。定位工作的第一步是确定故障区段，在已知故障区段的基础上，利用与故障点相关的2个反射波，然后才能将故障位置确定出来。
4.2故障区间的确定
如图二所示，在母线M端检测故障。F点发生故障，故障产生的行波遇到阻抗不连续点时会发生透射和反射，在膨点能相继检测到这些波。当波的传播速度已知时，根据线路的结构和各区段的长度，可以确定各个波头到达检测端的时刻。如果能检测到某分支端点的反射波，就可以确定故障在它的下方区段：如果不能检测到某分支端点的反射波，就可以确定故障在它的上方区段，可由此来确定区间。
图二 B-C区段故障时特征波传播路径
4.3故障点的确定
在已知故障区段的前提下，利用与故障相关的2个反射波，可以确定故障位置。对利用单端行波法对带分支的配电线路故障定位原理的分析，可以看出，故障定位需要找到一些特殊反射波的信息并构造一个判断故障发生区段的大矩阵，下面介绍的局部能量和特征矩阵就是用来寻找反射波的信息并确定大矩阵中的数据。
4.4信号的局部能量与特征矩阵
为了确定大矩阵中的数据，需要计算特征波的局部能量并构造特征矩阵。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；局部能量为零或低于门限值的为无效数据，在大矩阵中用“0”表示。
5、仿真试验
为了进一步验证本文提出的行波定位方法的正确性，设计了一个试验系统。该系统主要由带2个分支的试验线路及其端点连接的电容组成，电容用来模拟母线处和线路上变压器在高频下的杂散电容效应。测距的精度与行波在线路上的传播速度和信号的采样频率密切相关。用采样频率为100MHz的数字示波器作为信号采样和记录设备，电阻作为信号的取样元件。使用该系统对，行波理论方法做了验证，结果表明，该定位方法主要与故障位置、线路结构有关，有较高的准确性。
结束语：
综上所述，原有研究中，对于行波理论故障定位方法并不能实现，但是经过研究人员的努力，得出新型的行波定位法，其有着较高的准确性，可行性比较更高，极大提高了配电线路故障定位的效率，对于稳定电力系统有着积极意义。
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论文作者:郭文杰,张成龙,王栋业
论文发表刊物:《电力设备》2018年第7期
论文发表时间:2018/7/9
标签：故障论文; 信号论文; 反射论文; 线路论文; 阻抗论文; 能量论文; 区段论文; 《电力设备》2018年第7期论文;