配電網故障自動定位技術

配電網故障定位是基於故障指示器技術、G SM /G PR S通信技術和G IS(地理信息系統)技術的一套自動高效的故障點檢測及定位系統，主要用於配電系統各種故障點的檢測和定位，包括相問短路和單相接地故障。配電網故障自動定位技術主要涉及：故障選線、區段定位、故障測距等。故障選線是為了識別判斷母線多條出線中的故障線路。區段定位旨在迅速隔離故障並恢復非故障區域供電。故障測距的目的是直接定位出故障位置。

基本介紹

• 中文名：配電網故障自動定位技術
• 外文名：Automatic LocatingTechnology for Distribution Network
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 功能：故障定位
• 特點：自動性強

背景

2011年，科技部在國家高技術研究發展計畫(863計畫)先進能源技術領域部署的智慧型電網重大項目研究全而展開。智慧型電網成為電網技術發展的必然趨勢和社會經濟發展的必然選擇。作為智慧型電網的重要組成部分，智慧型配電網是推動智慧型電網發展的源頭和動力，也是智慧型電網建設的關鍵技術領域。配電網故障自動定位技術的研究是保證智慧型配電網安全可靠運行的一項基礎性工作，具有重要的現實意義。

一般配電系統電壓等級為6一66 kV，網路結構複雜，線路分支多，中性點接地方式多樣，相對於傳統的輸電網故障定位技術，配電網故障自動定位技術的概念更為寬泛，實現上也更為複雜。

長期以來，國內外學者對配電網故障自動定位技術進行了大量的理論和實驗研究，這些研究工作主要包括3個方而:故障選線，識別判斷母線多條出線中的故障線路，以便採取措施防比故障擴大，重點在於小電流接地配電網發生單相接地故障時的選線;區段定位，確定故障點所在故障區段，以便隔離故障並恢復非故障區域的供電;故障測距，即直接定位出故障位置，避免人工巡查故障點。3個方而的研究本質上均為定位故障，但各自對故障定位的要求不同，目的也有所差異，實現難度上逐漸增加。故障選線已有大量的工業產品套用於現場，但在可靠性與靈敏性方而仍需加強;區段定位有部分產品進入套用階段，尚不成熟，且小電流接地配電網單相接地故障時的區段定位仍而臨諸多問題;配電網故障測距屬於前瞻性研究，在配電網中產品套用較少，需要在算法原理和信號採集上開展更加深入和系統的研究。

採用中性點有效接地方式的配電網，故障特徵明顯，其故障自動定位技術主要解決網路結構複雜、線路分支多帶來的問題；而採用中性點非有效接地方式的配電網(國內主要指中性點不接地和經消弧線圈接地，為小電流接地方式)中，還需解決故障電流微弱的單相接地故障自動定位問題。

將結合最新的研究成果，對配電網故障自動定位技術研究進行分析，從故障選線、區段定位、故障測距3個層而對已取得的研究成果進行論述，分析各方而的研究難點並提出建議。在此基礎上，進一步展望配電網故障自動定位技術的未來發展方向。

故障選線

故障選線的研究重點是小電流接地配電網發生單相接地故障時故障線路的識別判斷，此時故障電流微弱，經消弧線圈接地方式下更是如此。為了確定故障線路，傳統的方法是通過檢測母線上零序電壓的數值來判斷是否發生單相接地故障，若發生接地故障，則採用人工逐條線路拉閘的方式選線，此種方法會使正常線路瞬間停電，易產生操作過電壓和諧振過電壓，且增加了事故的危險性和設備的負擔，嚴重限制了小電流接地方式，特別是經消弧線圈接地方式的套用與發展。因此，長期以來，國內外學者對於故障自動選線裝置開展了大量的研究工作，

提出了多種不同原理的故障選線方法。這些方法按照其利用信息的不同大致分為2類:一是基於外加注入信號的故障選線方法;二是利用單相接地故障時的電氣量變化特徵進行故障選線，其又可分為基於故障穩態分量的故障選線法、基於故障暫態分量的故障選線法和綜合選線方法。

基於外加注入信號的故障選線

基於外加注入信號的故障選線主要有S信號注入法和脈衝注入法等。S信號注入法的原理是通過母線電壓互感器向接地線的接地相注入S信號電流，其頻率處於n次諧波與n+1次諧波的頻率之間，一般選擇220 Hz，然後利用專用的信號電流探測器查找故障線路。脈衝注入法的原理與S信號注入法相似，但其注入信號是周期間歇性的，頻率更低且可控。總體而言，基於外加注入信號的故障選線方法需配置專用的注入信號源和輔助檢測裝置，投資成本高，且注入信號的強度受電壓互感器容量限制，同時選線可靠性受導線分布電容、接地電阻等因素的影響較大，如果接地點存在間歇性電弧，注入的信號線上路中將不連續且信號特徵將被破壞，給檢測帶來困難。

基於故障電氣量變化特徵的故障選線

（1）基於故障穩態分量的故障選線

基於故障穩態分量的故障選線方法有：零序電流幅值法、零序電流比相法、零序電流群體比幅比相法、零序無功功率方向法。 上述方法只適用於中性點不接地系統，對於中性點經消弧線圈接地系統則存在適用性問。為克服此缺點，提出了零序電流有功分量或有功功率法、DESIR法、5次諧波法、各次諧波綜合法、零序導納法、殘流增量法、負序電流法等。

總體而言，基於故障穩態分量的故障選線方法存在的主要問題是，當故障點電弧不穩定，特別在間歇性接地故障時，由於沒有穩定的穩態信息，選線可靠性不高。此外，當採用消弧線圈接地方式時，經補償後的穩態故障電流值很小，難以滿足實際套用要求。

（2）基於故障暫態分量的故障選線

基於故障暫態分量的故障選線方法可以克服穩態分量選線法的靈敏度低、受消弧線圈影響大、間歇性接地故障時可靠性差等缺點，該方法的實施關鍵是暫態特徵分量的提取和選線判據的建立。基於故障暫態分量的故障選線方法主要有2種。

a.首半波法。利用接地故障暫態電流與暫態電壓首半波相位相反的特點進行故障選線，為提高可靠性，通常分析暫態量在一定頻段即所選頻帶內的相頻特性，此時極性相反的特性將保持一段更長的時間。

b.小波法。利用合適的小波和小波基對暫態零序電流進行小波變換，根據故障線路上暫態電流某分量的幅值包絡線高於健全線路的幅值包絡線，且二者極性相反的關係等特徵選擇故障線路。

由於暫態信號受過渡電阻、故障時刻等多種因素影響，暫態信號呈隨機性、局部性和非平穩性特點，有可能出現暫態過程不明顯的情況圈，此時暫態分量方法選線的可靠性與靈敏性將會受到一定的影響。

（3）綜合選線

綜合選線方法同時利用故障穩態和暫態信息進行故障選線，主要有如下方法。

a.能量法。定義線路零序電壓與零序電流乘積的積分為能量函式，則故障前所有線路的能量為零，故障後故障線路的能量恆小於零，健全線路的能量恆大於零，且故障線路能量幅值等於所有健全線路能量幅值和消弧線圈能量幅值之和，據此可選出故障線路。由於故障電流中有功分量所占比例較小，且積分函式易累積一些固定誤差，限制了其檢測靈敏度的提高。

b.基於信息融合技術的選線方法。小電流接地系統單相接地故障情況複雜，單一的選線判據往往不能覆蓋所有的接地工況。此種方法多運用智慧型控制理論來構造每種選線方法的適用域，以實現多種選線方法的綜合和判據最最佳化。

研究的難點和建議

儘管已有大量故障選線方法被提出並套用到現場，但實際效果並不理想，究其原因，難點在於下3個方面。

a.故障特徵不明顯。小電流接地系統單相接地時故障穩態電流微弱，故障暫態信號雖然幅值比穩態信號大，但持續時間短。

b.不穩定故障電弧的影響。現場的單相接地故障中，對於弧光接地，特別是間歇性電弧接地，沒有一個穩定的接地電流(包括注入的電流)信號。

c.隨機因素的影響。我國配電網運行方式多樣，變電站出線長度和數量頻繁改變。

針對以上難點並綜合已有研究成果，故障選線技術應主要從以下方而展開深入研究。

a.理論與實際的結合。深入研究小電流接地系統單相接地故障產生的原因、發展過程及各種環境因素的影響，特別是絕緣喪失、樹木倒塌等引起的弧光間歇接地下的穩態和暫態過程，為提高故障選線方法的靈敏性及可靠性提供理論基礎與實踐經驗。

b.多判據的信息融合選線。深入研究每種選線方法的有效域，利用信息融合技術實現多種方法的綜合與判據最最佳化，發揮各選線方法的互補性，提高選線準確性。

c.現代信號處理技術的引入。現代信號處理技術如小波分析、Prong算法、希爾伯特一黃變換、S變換、數學形態學、卡爾曼濾波、分形理論等的提出與套用，將提高對微弱故障信號的辨識及特徵提取能力。

d.微弱故障信號的採集。故障信號的精確可靠採集是選線技術的基礎，特別是經消弧線圈接地系統單相接地時故障信息的採集。

區段定位

區段定位是為了及時準確地定位故障區段，以便隔離故障區域並儘快恢復非故障區域供電，對於提高供電可靠性具有重要意義。雖然採用重合器和分段器相互配合的方式能夠達到目的，但這種方法開關設備配合困難，對開關性能要求高，適用於結構相對簡單、運行方式相對固定的配電網路，且多次重合對設備及系統衝擊大。因此，新的區段定位方法被提出並套用於現場，這些方法中，故障特徵明顯的情況下，研究主要集中在判斷準確、快速且具有高容錯性的定位算法上，故障特徵微弱的情況(小電流接地方式單相接地故障)下，還需研究解決故障識別判斷的方法。

區段定位算法

區段定位算法的目的是使定位判斷更準確、快速且具有更高的容錯性，國內外學者提出了多種不同原理的區段定位方法，按照其利用信息的不同大致分為2類:基於沿線裝設的現場設備饋線終端單元FTU (Feeder Terminal Unit)或者故障指示器FI(Fault Indicator)採集的故障實時信息，實現故障區段定位功能;利用電力用戶打來的故障投訴電話TC( Trouble Call )，同時根據相關信息，如用戶電話號碼、用戶代碼與終端配電變壓器連線的資料、地理信息和設備信息等，最終實現故障區段定位。

（1）基於現場設備的區段定位

基於現場設備採集的故障信息的區段定位方法主要有以下2種。 a.矩陣法。有文獻中提出統一矩陣算法，其基本過程是首先根據配電網的拓撲結構構造一個網路描述矩陣，根據過流信息生成一個故障信息矩陣，由此得出故障判斷矩陣，從而準確地判斷故障區間。

b.人工智慧法。此類方法在網路結構改變、上傳的實時信息出現信息畸變或不完備等情況下依然能夠準確地定位故障區段，主要有人工神經網路、遺傳算法、粗糙集理論、數據挖掘、Petri網、仿電磁學等算法。

基於現場設備採集故障信息的區段定位方法判斷快速、準確，具有一定的信息容錯能力，但由於矩陣法採用的故障定位信息僅為區段兩端設備的過流信息，信息容錯能力較弱，而以人工智慧為基礎的定位方法存在模型構建相對複雜、定位效率不高以及模型不夠完善等缺點。

（2）基於故障投訴電話的區段定位

基於現場設備採集的故障信息的區段定位方法投資較大，需要高質量的通信通道與大量的現場設備，一般只在負荷密集地區採用此種方法。對於不滿足條件的地區，可通過故障投訴電話定位故障區段，主要有如下5種方法。

a.人工神經網路。利用人工神經網路的模式識別能力對故障投訴電話進行分析來定位故障區段。

b.專家系統。其通過專家知識庫及推理來模擬人類專家進行區段定位。

e.模糊集。使用模糊集理論，按照隸屬度函式確定各個設備隸屬於故障的隸屬度，找到隸屬度大於某個閡值的可開斷設備，從而定位故障區段。

d.粗糙集理論。利用粗糙集方法對故障定位決策表進行化簡併導出區段定位的最小約簡形式，從而快速準確地進行定位。

e.貝葉斯算法。利用貝葉斯不精確推理方法排除故障投訴中錯誤信息的不利影響，從而實現區段的高效定位。

故障識別判斷

故障特徵微弱情況(小電流接地方式單相接地故障)下，為使現場設備能夠採集並上傳故障信息，區段定位還需解決好現場設備對故障的識別判斷問題。此時可借鑑故障選線的諸多方法，但為便於現場實現，故障識別判斷算法應儘量基於本地信息。提出的方法有基於注入法，穩態量方法中的殘流增量法、零序電流相位法、故障電阻測量法、負序電流法、諧波法，暫態量方法中的小波法等。基於注入法在發生接地故障時，向故障線路發出具有明顯特徵的電流信號，現場設備對檢測到的電流信號解碼，判斷是否為信號源注入的特徵電流信號以確定故障區段。殘流增量法在故障發生後調節消弧線圈的補償電流，利用調節前後現場設備或移動式設備測量到的零序電流變化量信息確定故障區段。零序電流相位法一般利用零序電流與電壓在故障路徑與非故障路徑的不，通過磁場檢測及現代通信等技術定位故障區段。故障電阻測量法通過測量接地故障電阻來保護高阻接地，可用於現場設備的故障識別判斷以進行區段定位。以上方法而臨的問題在故障選線中已多有討論，不再贅述。

研究的難點和建議

區段定位已有部分產品套用於現場，但尚不成熟，其難點在於:故障特徵微弱、不穩定故障電弧以及隨機因素的干擾給現場設備對故障的識別判斷帶來諸多問題;配電網接線方式複雜、結構改變頻繁等給區段定位算法帶來了適用性等問題;現場設備上傳的故障信息出現信息畸變時造成的定位問題。

針對以上難點並綜合已有研究成果網，區段定位技術應主要從以下方而展開深入研究。

a.借鑑故障選線技術，研究小電流接地方式單相接地故障時，現場設備對故障的識別判斷方法，應儘量基於本地信息，必要時可使用本線路相鄰現場設備的信息，但應儘量避免使用其他線路上的現場設備信息。

b.融合矩陣法和各智慧型算法，提高區段定位的綜合性能。矩陣法和各智慧型算法有各自的優缺點，將它們有選擇地組合運用，有望在故障區段判斷準確迅速的前提下具備較高的容錯能力。

c.結合基於現場設備採集的故障信息和基於故障投訴電話的區段定位方法，提高定位的容錯能力、適用範圍等。基於現場設備採集的故障信息區段定位方法對通信通道及現場設備要求高，在硬體設施不充分的情況下，可結合基於故障投訴電話的區段定位方法定位故障區段。

d.研究適應分散式電源接入下的配電網區段定位方法。隨著智慧型電網的發展，配電網中分散式電源的比重將逐步增加，故障情況下的電流分布將發生變化，對故障區段定位方法提出了新的要求。

故障測距

配電網故障測距是為了迅速準確地定位故障位置，避免人工巡查故障點，對及時修複線路和保證可靠供電、保證系統的安全穩定和經濟運行都有重要作用。現有的故障測距方法中，對於故障特徵明顯的情況，研究主要集中於解決多分支下基於有限測量點的精確定位問題;對於故障特徵微弱的情況，測距中基於故障穩態量方法將基本失效，研究主要集中於暫態量方法和注入法測距等。

注入法故障測距

注入法是在系統故障後通過電壓互感器等向系統注入某種特殊信號，利用檢測到的信號定位故障位置，主要有S注入法、單端注入行波法、連線埠故障診斷法和加信傳遞函式法等。S注入法是利用故障時暫時閒置的電壓互感器注入特殊信號，通過尋蹤注入的信號定位故障的準確位置。單端注入行波法是線上路始端注入檢測信號，通過注入信號時刻與故障點返回信號時刻的時差來確定故障位置，同時從錄波波形中分析提取線路特殊點的特殊波形，分析出正常情況和故障情況下的網路拓撲結構，從而判定故障分支。

只有S注入法測距有部分產品套用，總體而言，注入法測距需配置專用注入信號源和輔助檢測裝置，投資成本高，且注入信號的強度受電壓互感器容量限制，測距精度受導線分布電容、接地電阻等因素的影響較大，如果接地點存在間歇性電弧，注入的信號線上路中將不連續且信號特徵將被破壞，給測距帶來困難。

基於故障穩態量的測距法

基於故障穩態量的測距法主要針對故障特徵明顯情況下的測距。其基本原理是先假設故障前後負荷電流沒有變化，由此得出故障電流，然後結合待分析配電網獨有的特性，如多分支、不對稱線路、不平衡運行及時變的負荷，疊代計算出故障實際位置。這種方法受路徑阻抗、終端負荷和電源參數等因素影響較大，且不適用於小電流接地配電網單相接地故障時的測距，因此國內研究較少。

基於故障暫態量的測距法

配電網基於故障暫態量的測距法主要指以測量故障產生的行波為基礎的行波測距法。基於行波的故障測距受電流互感器飽和、故障電阻、故障類型及系統運行方式影響小，定位精度高，在輸電網獲得了成功的套用。近年來，大量的研究工作集中於行波在配電網中套用的可能性。有文獻分析了單相接地故障時的行波傳輸特性；也有文獻論證了利用配電變壓器傳變行波的可行性並給出了利用故障初始電流、電壓行波線模分量實現配電線路雙端故障測距的方法。

總體而言，基於故障暫態量的測距法適用範圍廣、測距精度高，對實現配電網故障測距具有重要研究意義，但需在信號獲取、有限測量點定位故障位置和複雜結構下定位算法適用性等實用化方向展開深入研究。

研究的難點和建議

配電網的故障測距屬於前瞻性研究，仍處於理論研究階段。多分支的配電網故障測距對測量誤差及偽根的識別要求更高，故障信號微弱下的故障測距更是難點，同時從實用方而考慮，配電網故障測距需提供易大而積推廣的低成本故障測距技術。針對以上難點並綜合已有研究成果，提出了3點建議:基於故障暫態量的行波測距法定位精確，且能適應小電流接地單相接地故障情況，滿足智慧型電網的發展需求;行波測距法應研究有限測量點下的配電網精確定位技術，需重點研究利用暫態數據的突變點(波頭)、頻率值、零模線模時間差等特徵量進行故障測距;需研究配電網暫態數據的獲取方式，考慮各種抗干擾措施以適應現場故障隨機與多變的特性(如間歇性接地等)的實用化測距方案。

展望

對於配電網故障定位技術而言:故障選線技術相對較成熟，但仍需在實際套用中提高其可靠性及靈敏性;適用於故障特徵明顯時的區段定位算法研究較多，但仍需在容錯性、適用性等方而進一步研究，故障特徵微弱時的區段定位是難點;故障測距屬於前瞻性研究，需在算法及信號獲取上開展更加廣泛而深入的研究;狀態監測技術可用於配電網的故障自動定位，如文獻提出的高壓電纜用分散式光纖感測檢測系統即可用於電纜故障定位;由於配電網自身特點，配電網故障自動定位技術中的故障選線與繼電保護功能相似，一般也可稱為接地保護，區段定位與配電系統自動化技術結合緊密，是饋線自動化實施的基礎;現有配電網故障自動定位技術往往脫離實際配電網結構來討論，需研究放射式與樹型、拉手式與環式等各自結構特性對區段定位和故障測距帶來的影響;隨著分散式電源的接入，需研究其對配電網故障自動定位技術的影響;在配電網系統中，還需特別針對架空線路與電力電纜混合線路[fap、鐵路供電線路[4A]的故障定位技術展開研究。