[科普中国]-配电网故障自动定位技术

背景

2011年，科技部在国家高技术研究发展计划(863计划)先进能源技术领域部署的智能电网重大项目研究全而展开。智能电网成为电网技术发展的必然趋势和社会经济发展的必然选择。作为智能电网的重要组成部分，智能配电网是推动智能电网发展的源头和动力，也是智能电网建设的关键技术领域。配电网故障自动定位技术的研究是保证智能配电网安全可靠运行的一项基础性工作，具有重要的现实意义。

一般配电系统电压等级为6一66 kV，网络结构复杂，线路分支多，中性点接地方式多样，相对于传统的输电网故障定位技术，配电网故障自动定位技术的概念更为宽泛，实现上也更为复杂。

长期以来，国内外学者对配电网故障自动定位技术进行了大量的理论和实验研究，这些研究工作主要包括3个方而:故障选线，识别判断母线多条出线中的故障线路，以便采取措施防比故障扩大，重点在于小电流接地配电网发生单相接地故障时的选线;区段定位，确定故障点所在故障区段，以便隔离故障并恢复非故障区域的供电;故障测距，即直接定位出故障位置，避免人工巡查故障点。3个方而的研究本质上均为定位故障，但各自对故障定位的要求不同，目的也有所差异，实现难度上逐渐增加。目前，故障选线已有大量的工业产品应用于现场，但在可靠性与灵敏性方而仍需加强;区段定位有部分产品进入应用阶段，尚不成熟，且小电流接地配电网单相接地故障时的区段定位仍而临诸多问题;配电网故障测距属于前瞻性研究，目前在配电网中产品应用较少，需要在算法原理和信号采集上开展更加深入和系统的研究。

采用中性点有效接地方式的配电网，故障特征明显，其故障自动定位技术主要解决网络结构复杂、线路分支多带来的问题；而采用中性点非有效接地方式的配电网(国内主要指中性点不接地和经消弧线圈接地，为小电流接地方式)中，还需解决故障电流微弱的单相接地故障自动定位问题1。

将结合最新的研究成果，对配电网故障自动定位技术研究进行分析，从故障选线、区段定位、故障测距3个层而对已取得的研究成果进行论述，分析各方而的研究难点并提出建议。在此基础上，进一步展望配电网故障自动定位技术的未来发展方向。

故障选线故障选线的研究重点是小电流接地配电网发生单相接地故障时故障线路的识别判断，此时故障电流微弱，经消弧线圈接地方式下更是如此。为了确定故障线路，传统的方法是通过检测母线上零序电压的数值来判断是否发生单相接地故障，若发生接地故障，则采用人工逐条线路拉闸的方式选线，此种方法会使正常线路瞬间停电，易产生操作过电压和谐振过电压，且增加了事故的危险性和设备的负担，严重限制了小电流接地方式，特别是经消弧线圈接地方式的应用与发展。因此，长期以来，国内外学者对于故障自动选线装置开展了大量的研究工作，

提出了多种不同原理的故障选线方法。这些方法按照其利用信息的不同大致分为2类:一是基于外加注入信号的故障选线方法;二是利用单相接地故障时的电气量变化特征进行故障选线，其又可分为基于故障稳态分量的故障选线法、基于故障暂态分量的故障选线法和综合选线方法。

基于外加注入信号的故障选线基于外加注入信号的故障选线主要有S信号注入法和脉冲注入法等。S信号注入法的原理是通过母线电压互感器向接地线的接地相注入S信号电流，其频率处于n次谐波与n+1次谐波的频率之间，一般选择220 Hz，然后利用专用的信号电流探测器查找故障线路。脉冲注入法的原理与S信号注入法相似，但其注入信号是周期间歇性的，频率更低且可控2。总体而言，基于外加注入信号的故障选线方法需配置专用的注入信号源和辅助检测装置，投资成本高，且注入信号的强度受电压互感器容量限制，同时选线可靠性受导线分布电容、接地电阻等因素的影响较大，如果接地点存在间歇性电弧，注入的信号在线路中将不连续且信号特征将被破坏，给检测带来困难。

基于故障电气量变化特征的故障选线（1）基于故障稳态分量的故障选线

基于故障稳态分量的故障选线方法有：零序电流幅值法、零序电流比相法、零序电流群体比幅比相法、零序无功功率方向法。 上述方法只适用于中性点不接地系统，对于中性点经消弧线圈接地系统则存在适用性问。为克服此缺点，提出了零序电流有功分量或有功功率法、DESIR法、5次谐波法、各次谐波综合法、零序导纳法、残流增量法、负序电流法等3。

总体而言，基于故障稳态分量的故障选线方法存在的主要问题是，当故障点电弧不稳定，特别在间歇性接地故障时，由于没有稳定的稳态信息，选线可靠性不高。此外，当采用消弧线圈接地方式时，经补偿后的稳态故障电流值很小，难以满足实际应用要求。

（2）基于故障暂态分量的故障选线

基于故障暂态分量的故障选线方法可以克服稳态分量选线法的灵敏度低、受消弧线圈影响大、间歇性接地故障时可靠性差等缺点，该方法的实施关键是暂态特征分量的提取和选线判据的建立。目前基于故障暂态分量的故障选线方法主要有2种。

a.首半波法。利用接地故障暂态电流与暂态电压首半波相位相反的特点进行故障选线，为提高可靠性，通常分析暂态量在一定频段即所选频带内的相频特性，此时极性相反的特性将保持一段更长的时间。

b.小波法。利用合适的小波和小波基对暂态零序电流进行小波变换，根据故障线路上暂态电流某分量的幅值包络线高于健全线路的幅值包络线，且二者极性相反的关系等特征选择故障线路4。

由于暂态信号受过渡电阻、故障时刻等多种因素影响，暂态信号呈随机性、局部性和非平稳性特点，有可能出现暂态过程不明显的情况圈，此时暂态分量方法选线的可靠性与灵敏性将会受到一定的影响。

（3）综合选线

综合选线方法同时利用故障稳态和暂态信息进行故障选线，主要有如下方法。

a.能量法。定义线路零序电压与零序电流乘积的积分为能量函数，则故障前所有线路的能量为零，故障后故障线路的能量恒小于零，健全线路的能量恒大于零，且故障线路能量幅值等于所有健全线路能量幅值和消弧线圈能量幅值之和，据此可选出故障线路。由于故障电流中有功分量所占比例较小，且积分函数易累积一些固定误差，限制了其检测灵敏度的提高。

b.基于信息融合技术的选线方法。小电流接地系统单相接地故障情况复杂，单一的选线判据往往不能覆盖所有的接地工况。此种方法多运用智能控制理论来构造每种选线方法的适用域，以实现多种选线方法的综合和判据最优化。

研究的难点和建议尽管已有大量故障选线方法被提出并应用到现场，但实际效果并不理想，究其原因，难点在于下3个方面。

a.故障特征不明显。小电流接地系统单相接地时故障稳态电流微弱，故障暂态信号虽然幅值比稳态信号大，但持续时间短。

b.不稳定故障电弧的影响。现场的单相接地故障中，对于弧光接地，特别是间歇性电弧接地，没有一个稳定的接地电流(包括注入的电流)信号。

c.随机因素的影响。我国配电网运行方式多样，变电站出线长度和数量频繁改变。

针对以上难点并综合已有研究成果，故障选线技术应主要从以下方而展开深入研究。

a.理论与实际的结合。深入研究小电流接地系统单相接地故障产生的原因、发展过程及各种环境因素的影响，特别是绝缘丧失、树木倒塌等引起的弧光间歇接地下的稳态和暂态过程，为提高故障选线方法的灵敏性及可靠性提供理论基础与实践经验。

b.多判据的信息融合选线。深入研究每种选线方法的有效域，利用信息融合技术实现多种方法的综合与判据最优化，发挥各选线方法的互补性，提高选线准确性。

c.现代信号处理技术的引入。现代信号处理技术如小波分析、Prong算法、希尔伯特一黄变换、S变换、数学形态学、卡尔曼滤波、分形理论等的提出与应用，将提高对微弱故障信号的辨识及特征提取能力。

d.微弱故障信号的采集。故障信号的精确可靠采集是选线技术的基础，特别是经消弧线圈接地系统单相接地时故障信息的采集。

区段定位区段定位是为了及时准确地定位故障区段，以便隔离故障区域并尽快恢复非故障区域供电，对于提高供电可靠性具有重要意义。虽然采用重合器和分段器相互配合的方式能够达到目的，但这种方法开关设备配合困难，对开关性能要求高，适用于结构相对简单、运行方式相对固定的配电网络，且多次重合对设备及系统冲击大。因此，新的区段定位方法被提出并应用于现场，这些方法中，故障特征明显的情况下，研究主要集中在判断准确、快速且具有高容错性的定位算法上，故障特征微弱的情况(小电流接地方式单相接地故障)下，还需研究解决故障识别判断的方法。

区段定位算法区段定位算法的目的是使定位判断更准确、快速且具有更高的容错性，国内外学者提出了多种不同原理的区段定位方法，按照其利用信息的不同大致分为2类:基于沿线装设的现场设备馈线终端单元FTU (Feeder Terminal Unit)或者故障指示器FI(Fault Indicator)采集的故障实时信息，实现故障区段定位功能;利用电力用户打来的故障投诉电话TC( Trouble Call )，同时根据相关信息，如用户电话号码、用户代码与终端配电变压器连接的资料、地理信息和设备信息等，最终实现故障区段定位5。

（1）基于现场设备的区段定位

基于现场设备采集的故障信息的区段定位方法主要有以下2种。 a.矩阵法。有文献中提出统一矩阵算法，其基本过程是首先根据配电网的拓扑结构构造一个网络描述矩阵，根据过流信息生成一个故障信息矩阵，由此得出故障判断矩阵，从而准确地判断故障区间。

b.人工智能法。此类方法在网络结构改变、上传的实时信息出现信息畸变或不完备等情况下依然能够准确地定位故障区段，主要有人工神经网络、遗传算法、粗糙集理论、数据挖掘、Petri网、仿电磁学等算法。

基于现场设备采集故障信息的区段定位方法判断快速、准确，具有一定的信息容错能力，但由于矩阵法采用的故障定位信息仅为区段两端设备的过流信息，信息容错能力较弱，而以人工智能为基础的定位方法存在模型构建相对复杂、定位效率不高以及模型不够完善等缺点。

（2）基于故障投诉电话的区段定位

基于现场设备采集的故障信息的区段定位方法投资较大，需要高质量的通信通道与大量的现场设备，目前一般只在负荷密集地区采用此种方法。对于不满足条件的地区，可通过故障投诉电话定位故障区段，主要有如下5种方法。

a.人工神经网络。利用人工神经网络的模式识别能力对故障投诉电话进行分析来定位故障区段。

b.专家系统。其通过专家知识库及推理来模拟人类专家进行区段定位。

e.模糊集。使用模糊集理论，按照隶属度函数确定各个设备隶属于故障的隶属度，找到隶属度大于某个阂值的可开断设备，从而定位故障区段。

d.粗糙集理论。利用粗糙集方法对故障定位决策表进行化简并导出区段定位的最小约简形式，从而快速准确地进行定位。

e.贝叶斯算法。利用贝叶斯不精确推理方法排除故障投诉中错误信息的不利影响，从而实现区段的高效定位。

故障识别判断故障特征微弱情况(小电流接地方式单相接地故障)下，为使现场设备能够采集并上传故障信息，区段定位还需解决好现场设备对故障的识别判断问题。此时可借鉴故障选线的诸多方法，但为便于现场实现，故障识别判断算法应尽量基于本地信息。目前提出的方法有基于注入法，稳态量方法中的残流增量法、零序电流相位法、故障电阻测量法、负序电流法、谐波法，暂态量方法中的小波法等。基于注入法在发生接地故障时，向故障线路发出具有明显特征的电流信号，现场设备对检测到的电流信号解码，判断是否为信号源注入的特征电流信号以确定故障区段6。残流增量法在故障发生后调节消弧线圈的补偿电流，利用调节前后现场设备或移动式设备测量到的零序电流变化量信息确定故障区段。零序电流相位法一般利用零序电流与电压在故障路径与非故障路径的不，通过磁场检测及现代通信等技术定位故障区段。故障电阻测量法通过测量接地故障电阻来保护高阻接地，可用于现场设备的故障识别判断以进行区段定位。以上方法而临的问题在故障选线中已多有讨论，不再赘述。

研究的难点和建议目前区段定位已有部分产品应用于现场，但尚不成熟，其难点在于:故障特征微弱、不稳定故障电弧以及随机因素的干扰给现场设备对故障的识别判断带来诸多问题;配电网接线方式复杂、结构改变频繁等给区段定位算法带来了适用性等问题;现场设备上传的故障信息出现信息畸变时造成的定位问题。

针对以上难点并综合已有研究成果网，区段定位技术应主要从以下方而展开深入研究。

a.借鉴故障选线技术，研究小电流接地方式单相接地故障时，现场设备对故障的识别判断方法，应尽量基于本地信息，必要时可使用本线路相邻现场设备的信息，但应尽量避免使用其他线路上的现场设备信息。

b.融合矩阵法和各智能算法，提高区段定位的综合性能。矩阵法和各智能算法有各自的优缺点，将它们有选择地组合运用，有望在故障区段判断准确迅速的前提下具备较高的容错能力。

c.结合基于现场设备采集的故障信息和基于故障投诉电话的区段定位方法，提高定位的容错能力、适用范围等。基于现场设备采集的故障信息区段定位方法对通信通道及现场设备要求高，在硬件设施不充分的情况下，可结合基于故障投诉电话的区段定位方法定位故障区段。

d.研究适应分布式电源接入下的配电网区段定位方法。随着智能电网的发展，配电网中分布式电源的比重将逐步增加，故障情况下的电流分布将发生变化，对故障区段定位方法提出了新的要求。

故障测距配电网故障测距是为了迅速准确地定位故障位置，避免人工巡查故障点，对及时修复线路和保证可靠供电、保证系统的安全稳定和经济运行都有重要作用。现有的故障测距方法中，对于故障特征明显的情况，研究主要集中于解决多分支下基于有限测量点的精确定位问题;对于故障特征微弱的情况，测距中基于故障稳态量方法将基本失效，研究主要集中于暂态量方法和注入法测距等7。

注入法故障测距注入法是在系统故障后通过电压互感器等向系统注入某种特殊信号，利用检测到的信号定位故障位置，主要有S注入法、单端注入行波法、端口故障诊断法和加信传递函数法等。S注入法是利用故障时暂时闲置的电压互感器注入特殊信号，通过寻踪注入的信号定位故障的准确位置。单端注入行波法是在线路始端注入检测信号，通过注入信号时刻与故障点返回信号时刻的时差来确定故障位置，同时从录波波形中分析提取线路特殊点的特殊波形，分析出正常情况和故障情况下的网络拓扑结构，从而判定故障分支。

目前只有S注入法测距有部分产品应用，总体而言，注入法测距需配置专用注入信号源和辅助检测装置，投资成本高，且注入信号的强度受电压互感器容量限制，测距精度受导线分布电容、接地电阻等因素的影响较大，如果接地点存在间歇性电弧，注入的信号在线路中将不连续且信号特征将被破坏，给测距带来困难。

基于故障稳态量的测距法基于故障稳态量的测距法目前主要针对故障特征明显情况下的测距。其基本原理是先假设故障前后负荷电流没有变化，由此得出故障电流，然后结合待分析配电网独有的特性，如多分支、不对称线路、不平衡运行及时变的负荷，迭代计算出故障实际位置。这种方法受路径阻抗、终端负荷和电源参数等因素影响较大，且不适用于小电流接地配电网单相接地故障时的测距，因此国内研究较少。

基于故障暂态量的测距法配电网基于故障暂态量的测距法主要指以测量故障产生的行波为基础的行波测距法。基于行波的故障测距受电流互感器饱和、故障电阻、故障类型及系统运行方式影响小，定位精度高，在输电网获得了成功的应用。近年来，大量的研究工作集中于行波在配电网中应用的可能性。有文献分析了单相接地故障时的行波传输特性；也有文献论证了利用配电变压器传变行波的可行性并给出了利用故障初始电流、电压行波线模分量实现配电线路双端故障测距的方法。

总体而言，基于故障暂态量的测距法适用范围广、测距精度高，对实现配电网故障测距具有重要研究意义，但需在信号获取、有限测量点定位故障位置和复杂结构下定位算法适用性等实用化方向展开深入研究。

研究的难点和建议配电网的故障测距属于前瞻性研究，目前仍处于理论研究阶段。多分支的配电网故障测距对测量误差及伪根的识别要求更高，故障信号微弱下的故障测距更是难点，同时从实用方而考虑，配电网故障测距需提供易大而积推广的低成本故障测距技术。针对以上难点并综合已有研究成果，提出了3点建议:基于故障暂态量的行波测距法定位精确，且能适应小电流接地单相接地故障情况，满足智能电网的发展需求;行波测距法应研究有限测量点下的配电网精确定位技术，需重点研究利用暂态数据的突变点(波头)、频率值、零模线模时间差等特征量进行故障测距;需研究配电网暂态数据的获取方式，考虑各种抗干扰措施以适应现场故障随机与多变的特性(如间歇性接地等)的实用化测距方案。

展望对于目前的配电网故障定位技术而言:故障选线技术相对较成熟，但仍需在实际应用中提高其可靠性及灵敏性;适用于故障特征明显时的区段定位算法研究较多，但仍需在容错性、适用性等方而进一步研究，故障特征微弱时的区段定位是难点;故障测距属于前瞻性研究，需在算法及信号获取上开展更加广泛而深入的研究;状态监测技术可用于配电网的故障自动定位，如文献提出的高压电缆用分布式光纤传感检测系统即可用于电缆故障定位;由于配电网自身特点，配电网故障自动定位技术中的故障选线与继电保护功能相似，一般也可称为接地保护，区段定位与配电系统自动化技术结合紧密，是馈线自动化实施的基础;现有配电网故障自动定位技术往往脱离实际配电网结构来讨论，需研究放射式与树型、拉手式与环式等各自结构特性对区段定位和故障测距带来的影响;随着分布式电源的接入，需研究其对配电网故障自动定位技术的影响;在配电网系统中，还需特别针对架空线路与电力电缆混合线路[fap、铁路供电线路[4A]的故障定位技术展开研究。