配電網(wǎng)故障定位技術(shù)綜述_馬士聰

1、第 37卷 第 11期 電 力 系 統(tǒng) 保 護(hù) 與 控 制 Vol.37 No.11 2009年 6月 1日 Power System Protection and Control June 1, 2009 配電網(wǎng)故障定位技術(shù)綜述馬士聰 1,高厚磊 1,徐丙垠 2,3,薛永端 2,3(1. 山東大學(xué)電氣工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061; 2. 山東理工大學(xué)電氣技術(shù)研究所,山東 淄博 255049;3. 山東科匯電氣股份有限公司,山東 淄博 255087摘要:對(duì)國(guó)內(nèi)外配電線路的故障定位方法進(jìn)行了歸納總結(jié)。按不同故障類(lèi)型分別介紹了短路及接地故障下的定位方法,對(duì)其 中有代表性的方法,重點(diǎn)分析其基本

2、原理、優(yōu)缺點(diǎn)、后續(xù)改進(jìn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。分析了目前定位方法中存在的主要問(wèn)題,并 針對(duì)這些問(wèn)題,結(jié)合配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)及用戶(hù)對(duì)供電可靠性的要求,對(duì)未來(lái)配電網(wǎng)故障定位技術(shù)的研究進(jìn)行了初步展望。 關(guān)鍵詞: 配電網(wǎng);架空線;中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng);故障區(qū)段定位;故障測(cè)距A survey of fault location methods in distribution networkMA Shi-cong1, GAO Hou-lei1, XU Bing-yin2,3, XUE Yong-duan2,3(1.Shandong University, Jinan 250061,China; 2.Shandong

3、 University of Technology,Zibo 255049,China;3.Shandong Kehui Electric,Co.Ltd, Zibo 255087, ChinaAbstract: Various fault location methods for distribution network at home and abroad are summarized. According to the fault type, the location methods for short circuit fault and earthed fault are introdu

4、ced. And the basic theories, characteristics, improvement and applications of the representative methods are analyzed. The main problems in the applications of these methods are analyzed. In view of these questions, users requirements and the development of distribution network, the improvement and

5、research about fault location technical are proposed preliminarily.Key words: distribution network; overhead line ; neutral ineffectively grounding system ; fault section identification ; fault position estimation中圖分類(lèi)號(hào): TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào): 1674-3415(200911-0119-060 引言供電企業(yè)一個(gè)基本任務(wù)是不斷提高供電可靠 性。據(jù)統(tǒng)計(jì),電力用戶(hù)遭受的

6、停電事故 95%以上是 由配電網(wǎng)引起的 (扣除發(fā)電不足因素 , 其中大部分 是故障原因 1。 因此, 準(zhǔn)確地測(cè)定配電網(wǎng)故障位置, 對(duì)于及時(shí)隔離并修復(fù)故障、提高供電可靠性具有十 分重要的意義。根據(jù)測(cè)量時(shí)線路是否帶電,配電網(wǎng)故障定位技 術(shù)可分為在線和離線兩種方式。實(shí)際的配電線路故 障絕大部分是絕緣擊穿故障,在線路停電后,絕緣 恢復(fù),故障電阻上升至數(shù)千歐甚至數(shù)兆歐,難以通 過(guò)直流電阻或注入信號(hào)尋跡等簡(jiǎn)單的方法測(cè)定故障 點(diǎn)位置,通常需要采用高壓設(shè)備將故障點(diǎn)擊穿后測(cè) 尋故障點(diǎn)。目前,離線定位法主要用于電纜故障定 位。對(duì)于架空線路來(lái)說(shuō),由于供電距離較長(zhǎng),通過(guò) 施加高壓擊穿故障比較困難,尤其是線路通常與配

7、電變壓器直接相連,外加高電壓會(huì)對(duì)用戶(hù)用電設(shè)備 帶來(lái)危害。因此,離線定位不適用于架空線路。 在具體實(shí)現(xiàn)方式上,故障定位方法可分為利用 多個(gè)線路終端(FTU /或故障指示器(FPI 的廣 域故障區(qū)段定位法以及直接利用線路出口處測(cè)量到 的電氣量信息計(jì)算故障距離的故障測(cè)距法。前者用 于交通便利、自動(dòng)化水平較高的城區(qū)配電網(wǎng)完成快 速故障隔離;后者用于供電距離較長(zhǎng)、不易巡檢的 鄉(xiāng)鎮(zhèn)配電網(wǎng)或鐵路自閉 /貫通系統(tǒng)完成故障點(diǎn)查找。 針對(duì)不同故障類(lèi)型,本文將詳細(xì)介紹實(shí)際應(yīng)用 中的短路故障定位技術(shù)和小電流接地故障定位技 術(shù)。并根據(jù)目前定位技術(shù)中存在的問(wèn)題,對(duì)未來(lái)故 障定位研究進(jìn)行初步展望。1 短路故障定位方法電力系

8、統(tǒng)短路故障是指引起電流急劇增大,電 壓大幅度下降,并進(jìn)一步導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞的相與 相或相與地之間的短接 2。短路分為三相短路,兩 相短路、兩相對(duì)地短路和單相對(duì)地短路(發(fā)生于大- 120 - 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制電流接地系統(tǒng),即中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)小電阻接地 的系統(tǒng) 。 短路故障特征明顯, 故障定位的實(shí)現(xiàn)相對(duì) 簡(jiǎn)單。1.1故障區(qū)段定位法短路故障電流幅值較大,易于檢測(cè),通常采用 “過(guò)電流法” 3,4實(shí)現(xiàn)架空線路短路故障的區(qū)段定 位,原理與過(guò)流保護(hù)相同。 圖 1 典型饋線自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The diagram of a FA system“過(guò)電流法”需要借助饋線終端裝置(FTU 或故障指示器

9、 (FPI 定位故障區(qū)段。 以圖 1所示的 手拉手環(huán)網(wǎng)饋線自動(dòng)化(FA 系統(tǒng)為例,在線路出 現(xiàn)短路故障時(shí), FTU 檢測(cè)到過(guò)流現(xiàn)象并上報(bào)至 FA 控制主站。主站分析故障信息,確定故障區(qū)段。在 變電所保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)故障線路后,遙控分段開(kāi)關(guān)隔 離故障,恢復(fù)非故障區(qū)段供電。“過(guò)電流法”原理簡(jiǎn)單,判據(jù)明確,同時(shí)具有 較好的靈敏度。 FPI 在故障定位實(shí)現(xiàn)上與 FTU 相同, 其測(cè)量方式分為直接測(cè)量和非接觸式測(cè)量(測(cè)量電 磁場(chǎng)兩種。采用非接觸式測(cè)量 5監(jiān)測(cè)故障信息具 備一定的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì),測(cè)量裝置的靈敏度和可靠 性是該研究能否推廣的關(guān)鍵。1.2 故障測(cè)距法對(duì)于郊區(qū)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)配電網(wǎng),供電距離長(zhǎng),采用故 障測(cè)距的

10、定位方法既可以降低成本,又可以減輕尋 線負(fù)擔(dān)。阻抗法 6,7是利用故障時(shí)測(cè)到的電壓和電流求 取故障回路的阻抗,又因故障回路阻抗與故障距離 成正比,從而據(jù)此定位故障。阻抗法原理簡(jiǎn)單,投 資少, 但配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 分支線、 混合線路較多, 且負(fù)荷影響較大,故阻抗法不能簡(jiǎn)單的直接用于測(cè) 距計(jì)算,實(shí)際應(yīng)用中常常作為輔助測(cè)距方法,結(jié)合 “ S 注入法”計(jì)算故障距離或配合行波法確定故障 距離 8。為克服阻抗法對(duì)負(fù)荷影響考慮不足的缺點(diǎn),歐 洲一些發(fā)達(dá)國(guó)家采取了一些改進(jìn)措施 3,在計(jì)算中 考慮實(shí)時(shí)采集的負(fù)荷電流,通過(guò)電流對(duì)比定位故障 區(qū)段。該方法對(duì)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)程度要求較高,它是利 用 SCADA/EMS/DM

11、S/D-SCADA計(jì)算各條線路的 故障電流并與各點(diǎn)測(cè)量上報(bào)的故障電流進(jìn)行對(duì)比, 判斷故障位置。此方法將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的故障信息與 SCADA 等系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的負(fù)荷電流等電網(wǎng)運(yùn)行信息綜 合運(yùn)用,故障判斷更為準(zhǔn)確,在芬蘭實(shí)際運(yùn)行效果 良好,但由于僅以電流作為判據(jù),定位精度受故障 電阻影響較大,需要作進(jìn)一步的改進(jìn)。2 接地故障定位方法接地故障是指中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)發(fā)生的單 相對(duì)地短接,又稱(chēng)小電流接地故障。其工頻故障電 流微弱,故障電弧不穩(wěn)定,而由線路電容充放電引 起的暫態(tài)信號(hào)幅值較大,信息量豐富。針對(duì)小電流 接地故障的特點(diǎn),故障定位研究中采用了多種解決 策略。2.1故障區(qū)段定位法“ S 注入法”是利用故障時(shí)

12、暫時(shí)“閑置”的接 地相電壓互感器注入一個(gè)特殊信號(hào)電流,通過(guò)對(duì)該 信號(hào)進(jìn)行尋跡來(lái)實(shí)現(xiàn)故障選線和定位 9。在實(shí)際工 程應(yīng)用中可以在線路節(jié)點(diǎn)和分支點(diǎn)安裝信號(hào)探測(cè) 器,通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的路徑來(lái)定位故障區(qū)段,也可以 通過(guò)手持探測(cè)儀沿線巡檢,信號(hào)消失的點(diǎn)即為故障 點(diǎn)。文獻(xiàn) 10提出了基于注入信號(hào)原理的“直流開(kāi) 路、交流尋蹤”的離線故障定位方法,該方法致力 于解決停電情況下故障點(diǎn)絕緣有可能恢復(fù),必須外 加直流高壓使接地點(diǎn)保持擊穿狀態(tài),從而保證注入 信號(hào)的流通回路,通過(guò)信號(hào)尋跡確定故障位置,還 要注意外加高壓對(duì)用戶(hù)的影響。 “ S 注入法” 原理先 進(jìn),不受消弧線圈影響,適用于只安裝兩相 CT 的 架空線路;但該

13、方法需要附加信號(hào)注入設(shè)備,且注 入信號(hào)強(qiáng)度受 PT 容量限制,對(duì)于高阻接地及間歇 性故障,檢測(cè)效果不好。零序電流法利用線路零序電流的幅值及相位特 征進(jìn)行故障區(qū)段定位 11。對(duì)于諧振接地系統(tǒng),由于 消弧線圈的補(bǔ)償作用,故障線路零序電流的變化特 征不明顯,幅值和相位判據(jù)失效,文獻(xiàn) 12提出對(duì)馬士聰,等 配電網(wǎng)故障定位技術(shù)綜述 - 121 -諧振系統(tǒng)故障后的穩(wěn)態(tài)零序電流增量進(jìn)行分解,根 據(jù)分解后的電流增量的相位定位故障區(qū)段; 文獻(xiàn) 13提出在故障發(fā)生后通過(guò)改變消弧線圈的補(bǔ)償度,監(jiān) 測(cè)線路零序電流的增量變化來(lái)判斷故障區(qū)段,文獻(xiàn) 14詳述了零序電流增量法的基本原理及配合 FTU 的定位策略,這幾種措施從

14、一定程度上提高了零序 電流法的檢測(cè)靈敏度,但對(duì)于高阻故障,檢測(cè)仍然 比較困難。另外可以利用暫態(tài)零序電流 5幅值較大,且判 據(jù)不受中性點(diǎn)運(yùn)行方式影響的特點(diǎn),直接比較各點(diǎn) 的暫態(tài)零序電流幅值實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段定位。利用暫態(tài) 信號(hào)充分提高了檢測(cè)靈敏度,但缺點(diǎn)是故障暫態(tài)信 號(hào)的獲取和判斷不太穩(wěn)定,導(dǎo)致定位可靠性不高, 需要進(jìn)一步改進(jìn)。中電阻法是對(duì)穩(wěn)態(tài)零序電流法的一種成功改 進(jìn)。由于諧振接地系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)故障電流無(wú)法用于故 障檢測(cè),需要在中性點(diǎn)投入中電阻產(chǎn)生足夠大的零 序電流, 通過(guò)比較沿線 FTU 檢測(cè)到的零序電流幅值 判斷故障區(qū)段。該方法適用于諧振接地系統(tǒng),從根 本上克服了穩(wěn)態(tài)法靈敏度低的缺點(diǎn),但需要改動(dòng)變

15、電所的中性點(diǎn)接地方式,同時(shí)也帶來(lái)了一定的成本 問(wèn)題。功率方向法是通過(guò)檢測(cè)零序功率的有功分量或 無(wú)功分量進(jìn)行故障定位。對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng), 檢測(cè)沿線零序無(wú)功功率的方向即可判斷故障區(qū)段, 但不適用于諧振接地系統(tǒng),文獻(xiàn) 15提出的零序有 功分量(或稱(chēng)有功功率適用于諧振接地系統(tǒng),但 有功分量較小,不易檢測(cè),且受 CT 不平衡電流的 影響,可靠性低。除上述方法外, 早期研究中的端口故障診斷法, 是對(duì)可及端口施加激勵(lì),通過(guò)檢測(cè)端口故障電流源 是否為零判斷故障端口,故障端口包含故障分支, 進(jìn)而通過(guò)分支判據(jù)判別故障分支 18。在此基礎(chǔ)上, 文獻(xiàn) 19借鑒模擬電路故障診斷理論,結(jié)合字典法 的概念,提出了改進(jìn)的

16、端口比值分支定位法。該方 法屬于離線測(cè)量法,應(yīng)用于架空線路難度很大,且 需要獲取線路兩端的信息,應(yīng)用有所局限。此外,加信傳遞函數(shù)法通過(guò)在故障線路出口處 施加高頻信號(hào) (單位階躍波、 窄脈沖波、 方波 , 在 頻域內(nèi)構(gòu)建配電系統(tǒng)的傳遞函數(shù),由傳遞函數(shù)的頻 譜特性構(gòu)造判據(jù)進(jìn)行故障定位 20。傳遞函數(shù)法取用 地模分量作為故障定位的信息依據(jù),因此具有不受 負(fù)載參數(shù)變化影響的優(yōu)點(diǎn),且能夠?qū)崿F(xiàn)多分支輻射 網(wǎng)的故障定位問(wèn)題,但同時(shí)存在無(wú)法處理只有線模 分量的短路故障的定位問(wèn)題,目前尚未投入實(shí)際運(yùn) 行。2.2 故障測(cè)距法“ S 注入法”除用于故障區(qū)段判斷外,也可以 用于故障測(cè)距。通過(guò)檢測(cè)注入信號(hào)的電壓電流,計(jì)

17、 算變電站至故障點(diǎn)的故障阻抗,以故障距離與故障 阻抗成正比為判據(jù)計(jì)算故障點(diǎn)位置 21。該方法靈敏 度受注入信號(hào)強(qiáng)度影響,定位效果需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn) 行以進(jìn)一步驗(yàn)證。根據(jù)行波理論,線路上的任何擾動(dòng),其電氣量 均以行波的形式向系統(tǒng)的其它部分傳播,因此在理 論上可以利用測(cè)量到的暫態(tài)行波信號(hào)實(shí)現(xiàn)各種類(lèi)型 故障測(cè)距。其基本原理是通過(guò)測(cè)量故障產(chǎn)生的行波 在故障點(diǎn)與母線之間往返一次的時(shí)間(單端法或 利用故障行波到達(dá)兩端的時(shí)間差(雙端法來(lái)計(jì)算 故障距離。輸電線路輸電距離長(zhǎng),利用 GPS 同步對(duì) 時(shí)可以準(zhǔn)確計(jì)算故障距離,配電線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,分 支點(diǎn)多,在配網(wǎng)中應(yīng)用行波測(cè)距關(guān)鍵要解決故障波 頭的識(shí)別及混合線路波阻抗變化

18、的問(wèn)題,同時(shí)需要 考慮其經(jīng)濟(jì)成本。 文獻(xiàn) 22所采用的 C 型故障測(cè)距是- 122 - 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制根據(jù)脈沖發(fā)射測(cè)距原理提出的,它可以在停電條件 下對(duì)線路離線測(cè)量, 但信號(hào)發(fā)射接收裝置成本較高, 還需要解決抗干擾問(wèn)題,實(shí)用化難度大。文獻(xiàn) 23針對(duì)帶分支線配電網(wǎng)提出先定位故障區(qū)段,再計(jì)算 故障距離的行波測(cè)距方法, 仿真顯示測(cè)距結(jié)果準(zhǔn)確, 但仍然存在偽故障點(diǎn)的判斷問(wèn)題。文獻(xiàn) 24提出利 用適用于各種故障類(lèi)型的行波線模分量實(shí)現(xiàn)故障測(cè) 距,為解決分支線路定位,需要在主線路及各分支 線路末端安裝測(cè)距裝置,應(yīng)用成本過(guò)高。文獻(xiàn) 25開(kāi)發(fā)出低成本的行波信號(hào)傳感器,沿線安裝在容性 裝置的接地線上,通過(guò)雙端

19、測(cè)距計(jì)算故障距離,但 裝置的安裝條件對(duì)方法的應(yīng)用有一定限制。綜合上 述幾種方法,在配電網(wǎng)中應(yīng)用行波測(cè)距必須使用雙 端測(cè)距,單端測(cè)距是不可行的,而雙端測(cè)距又會(huì)增 加成本,其應(yīng)用受到局限。參數(shù)辨識(shí)是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已知的前提下,建立其 等效數(shù)學(xué)模型,通過(guò)線路首端檢測(cè)到的電氣量求取 模型內(nèi)各元件參數(shù)的辦法,在電力系統(tǒng)一般應(yīng)用時(shí) 域 26和頻域 27兩種參數(shù)識(shí)別, 求解工具通常為最小 二乘法。輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,參數(shù)均勻,求解過(guò)程只 需要辨識(shí)少量參數(shù), 故障測(cè)距比較準(zhǔn)確 28。 文獻(xiàn) 29對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)建立零序網(wǎng)絡(luò)等效模型,利用 零序電流、電壓信號(hào),辨識(shí)各出線對(duì)地電容,與已 建模型電容比較選出故障線路,再辨

20、識(shí)故障線路電 感計(jì)算故障距離,由于小電流接地系統(tǒng)零序分量較 小,僅能保證一定程度的選線判斷,用于故障測(cè)距 會(huì)大大降低計(jì)算精度,實(shí)際應(yīng)用效果有待進(jìn)一步驗(yàn) 證。3 配電網(wǎng)故障技術(shù)展望(1 用戶(hù)對(duì)供電可靠性要求不斷提高。下一步 提高供電可靠性的必然途徑,就是通過(guò)準(zhǔn)確的故障 定位應(yīng)對(duì)故障停電問(wèn)題。 從國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看, 配電網(wǎng)在提高供電可靠性上顯得越來(lái)越重要,其故 障檢測(cè)也受到越來(lái)越多的重視。(2 現(xiàn)有的故障定位技術(shù)相對(duì)成熟。適用范圍 也涵蓋了各種接地方式及故障情況,且具備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng) 用的條件。實(shí)際應(yīng)用中,要因地制宜,選擇合理的 定位策略,并積極地推廣應(yīng)用,摸索經(jīng)驗(yàn)。(3 建立故障管理系統(tǒng)。通過(guò)故障管

21、理系統(tǒng)可 以充分利用獲取的各種故障信息,如配合故障投訴 系統(tǒng) 30,31采用信息融合技術(shù)做出最優(yōu)判斷。同時(shí)可 以記錄各種定位方法的運(yùn)行性能及準(zhǔn)確率,有助于 對(duì)比分析,為改進(jìn)及開(kāi)發(fā)提供可信的數(shù)據(jù)。(4 根據(jù)分布式電源的并網(wǎng)要求,制定合適的 保護(hù)方案。 隨著分布式電源在系統(tǒng)中比重越來(lái)越大, 使傳統(tǒng)配電網(wǎng)的運(yùn)行和管理更加復(fù)雜。在分布式電 源規(guī)模占系統(tǒng)比例較大的情況下,其接入會(huì)影響到 系統(tǒng)保護(hù)的定值及定位判據(jù),需要建立相應(yīng)的保護(hù) 方案及定位策略。各國(guó)對(duì)分布式電源接入的要求有 著不同的規(guī)定,包括有條件接入、積極接入及有源 網(wǎng)絡(luò)等。帶分布式電源的配電網(wǎng)故障定位也要根據(jù) 不同的并網(wǎng)要求選擇合適的定位策略,國(guó)

22、外已開(kāi)始 了相關(guān)研究 32。4 結(jié)束語(yǔ)本文介紹了國(guó)內(nèi)外實(shí)際應(yīng)用中的配電網(wǎng)故障定 位技術(shù),并對(duì)未來(lái)故障定位技術(shù)的研究方向做出了 展望。從綜述中可以看出,不同的定位技術(shù)都有各 自的特點(diǎn)及適用范圍,工程上應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)的 結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)條件綜合選擇最合適的定位方案。同時(shí) 可以看出,可靠性要求的不斷提高,使配電網(wǎng)故障 定位技術(shù)受到越來(lái)越多的重視,獲取現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行經(jīng) 驗(yàn),改進(jìn)并完善各種定位技術(shù)將是下一步的研究重 點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1 李天友 , 金文龍 , 徐丙垠 . 配電技術(shù) M.北京 :中國(guó)電力出 版社 ,2008.LI Tian-you, JIN Wen-long, XU Bing-yin. The Tec

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42、n America: 2006.1- 6. 收稿日期：2008-07-17； 修回日期：2008-08-19 作者簡(jiǎn)介： 馬士聰（1980-） ，男，博士研究生，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng) 故障測(cè)距及暫態(tài)分析；E-mail:mashicong2002 高厚磊（1963-） ，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電 力系統(tǒng)繼電保護(hù)、故障測(cè)距、廣域同步測(cè)量及廣域保護(hù)方面 的研究; 徐丙垠（1961-） ，男，教授，博士生導(dǎo)師,主要從事電 力線路故障監(jiān)測(cè)，配電網(wǎng)自動(dòng)化，及開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在風(fēng)力發(fā) 電方面的研究。 Traveling Wave for Power Method in Non-grounded Univer

43、sity of Hefei: Hefei YAN Feng. Research on Traveling Wave-based Fault Location Schemes for Single-phase-to-earth Faults in Neutral Ineffectively Grounded SystemsD. Beijing: North China Electric Power University,2003. 24 季濤 . 基于暫態(tài)行波的配電線路故障測(cè)距研究 D. 濟(jì) 南：山東大學(xué),2006. JI Tao. Study on Fault Location of Distribution Feeders Based on Transient Traveling WavesD. Jinan: Shandong University,2003. 25 ZENG Xiang-jun, LI K K, LIU Z