配电网行波信号的获取方法研究

刘国栋，刘国树 ，张 璇 ，朱建刚 ，李观阳

（1.国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东 菏泽 274000；2.山东理工大学智能电网研究院，山东 淄博 255000；3.国网山东省电力公司胶州供电公司，山东 青岛 266300）

0 引言

我国配电网线路结构较为复杂，且多为架空线与电缆的混合线路。当线路上发生故障时，不易排查，影响供电可靠性，严重时会影响国家经济与国民生活，因此对线路故障进行快速准确定位具有重要意义。目前，应用于配网故障测距的方法主要有基于稳态量（阻抗法、故障分析法）和暂态量（行波法）的方法，基于稳态量的故障测距方法由于受过渡电阻、故障类型、线路结构以及互感器饱和影响较大，使得测距不准确，而行波法克服了这一缺点。由于配电网线路短、架空电缆线路混合且分支较多，在这些阻抗不连续点无法正确识别故障点反射波，因此我们选择只需识别故障初始行波波头的双端测距方法。利用行波法进行故障测距，要解决的第一个问题就是暂态行波分量准确提取的问题［1］。一般来说为节约投资，要充分利用线路上现有设备进行行波分量的提取。配电线路母线处安装有电流互感器，末端装有电压互感器，若电流互感器及电压互感器能够满足获取行波信号的要求，则不仅会大大减少投资，还会使测距装置的安装方便，为此我们对其行波传变特性进行分析。

本文分析了故障时产生的暂态电压行波特征，得到故障信号对于传播行波信号互感器的要求，并对线路上TA、TV的行波传变特性进行记证。结合配电网结构，使用图论法分析了行波测距装置的安装位置。最后，以铁路线路为例，进行仿真验证。

1 故障产生暂态行波特性

1.1 暂态行波频域特征

故障时产生的暂态行波是具有一定上升时间的直角波，其方程表示如式（1）：

利用MATLAB进行分析，得其幅频特性及相频特性，如图1所示。

图1 故障产生暂态电压行波频率特性曲线

分析图1可知，故障暂态行波频谱连续，因此需要传变行波的互感器有比较好的频率特性。

1.2 对测量互感器的要求

为了能在互感器的二次侧检测到故障行波信号，理想情况下希望测量互感器能反映一次故障信号波形。但是在进行行波测距时，我们只需要对初始行波波头进行检测，因此对于测量互感器的要求并不那么严格。参考文献［2］指出，互感器的截止频率应大于25 kHz，且行波在3.3 μs内上升值不应低于最大值的10%。

2 TA行波传变特性分析

2.1 TA等效电路

TA工频等效电路如图2所示。其中，Lm为励磁电感，Rm为铁芯损耗，Rb为二次负载电阻，Lb为二次负载电感（含线圈电阻与漏感）。

由参考文献［2］可知，TA的励磁电感Lm随频率增大而减小，其损耗相应增加。因此在等效TA高频电路模型时，忽略Lm。而TA的二次绕组对地分布电容Cs吸收的电流随频率增加而增大，在等效TA高频电路模型时，需要将其纳入考虑，其高频等效电路如图3所示。

图2 TA工频等效电路

图3 TA高频等效电路

2.2 TA高频信号传变能力分析

为便于分析，这里我们采用自动控制理论中的的黑盒子技术［3-7］，通过研究输入输出的频域响应，建立TA的传输函数模型，分析TA的高频信号传变能力。

由图3，TA的高频等效电路可得TA的电流传输函数为式（2）：

一般，Rm在数百欧姆左右，Cs在几千皮法左右，Rb则根据二次回路所接负载变化而变化，数值一般在10 Ω 左右。这里我们 Rm取300 Ω，Cs取 2 000 pF，Rb取8 Ω，Lb取 3 mH。

图4 TA的电流传输频率特性曲线

利用MATLAB进行频域分析，得到其幅频特性曲线如图4所示。

分析图4上3个特征点可知，其截止频率（下降到输入值的0.7倍时的频率）为33 kHz，而在100 kHz的时候，TA依旧能传输31.5%的一次电流，根据1.2的分析可知，TA是能够满足行波测量要求的。

3 TV行波传变特性分析

3.1 TV等效电路

在进行TV对高频信号响应建模时，如果利用分布参数，会使分析变得极为复杂。由参考文献［8］可知，利用电压互感器集中参数模型分析其某一特性，会得到与实际相符的结果。其等效电路如图5所示。

图5 TV高频简化等效电路

其中：L为互感器一次侧漏感与折算到一次侧的二次侧漏感之和，C1为TV一次侧的等效分布电容，C2为折算到一次侧的二次侧等效分布电容，Z2为折算到一次侧的互感器二次侧所接负载的波阻。

3.2 TV高频传变能力分析

由图5 TV的高频简化等效电路可得TV的电压传输函数为式（3）：

由参考文献［9］可知，TV一次侧所接线路波阻Z1一般为几百欧姆，二次侧所接线路的波阻Z2一般为几十到一百多欧姆。TV一次、二次绕组的漏感数值从电压互感器生产厂家即可获得。对于TV的等效分布电容，可以利用TV的结构参数，根据其相应的分布电容计算得到。这里我们以实际应用的TV 为例，Z1取 300 Ω，Z2取 150 Ω， 经计算得 L 为23.571 mH，C1为 504 pF，C2为 5 pF。计算后得到其截止频率为320 kHz，上升时间为3.5 μs， 根据1.2 μs的分析可知，TV是能够满足行波测量要求的。

4 测距装置布点方案

在进行完信号提取研究之后，就要进行行波测距装置的安装工作。由于行波测距装置设备价格昂贵，所以不能在配电网所有支路都安装行波测距装置，需要对行波测距装置的安装地点进行选择。

行波测距装置能否可靠地检测行波信号进行故障测距，主要看其是否满足可观性的要求。可观性指在配电网系统中，如果其任一支路发生故障，该故障产生的行波信号能被直接检测或间接检测，则称该配电网是完全可观测的［10］。可观测包括直接可观和间接可观。直接可观，发生故障的线路末端安装有行波检测装置；间接可观，发生故障的线路末端没有安装行波检测装置，但是起于另一安装有行波检测装置的线路之间分支节点数为1。

根据行波信号在配电网线路中的传播特点，结合配电网结构，我们采用基于图论的行波测距配置方法，配电网中的各个设备用图6来表示。

图6 配电网拓扑图

其中：AB 称为主馈线，Ca、Dc、Ed 等称为单一分支，Fb称为多分支。

为满足可测性的要求，主馈线两端必须安装行波测距装置；为节省投资，单一分支节点末端不需安装行波测距装置，多分支节点视情况选择其中某分支节点末端安装。

以图7配电网实例进行分析，验证优化方法的正确性。

在图7所示的中性点经消弧线圈接地的配电网中，A、B 安装行波测距装置，C、D 不安装，E、F 选择其一安装，这里我们选择E进行安装，根据行波在母线处电流行波明显、线路末端电压行波明显以及配网中电压互感器、电流互感器的安装位置，采取母线处使用电流行波，线路末端使用电压行波的双端测距方案。在Fd之间设置U相接地故障，利用ATP进行仿真，得到各个测距装置安装点仿真结果如图8－10所示。

图7 简单配电网拓扑结构图

图8 E端U相电压行波

图9 B端U相电压行波

图10 A端电流行波

由图 9、图 10、图 10（a）、图10（b）可知，当在 0.05 s发生U相接地故障以后，B、E端U相电压发生突变，A端电流发生突变。因此可以根据检测到故障信号的时间结合双端测距原理进行故障测距，即该方法可用。

5 仿真分析

5.1 铁路线路结构

铁路电力系统工作于电网的末端，属于供配电环节，影响着铁路行车安全，自闭／贯通线路是铁路电力系统的重要组成部分，因此对其供电可靠性有着更高的要求。与一般的配电网相比，铁路距离更长，一般约为40～60 km左右，特殊情况下能达上百公里，且供电线路呈线状，无分支，接线相对简单，当使用行波法进行故障测距时，影响其测距精度的因素更少，因此在铁路中更适合用行波法进行故障测距。

由参考文献［11］可知，10 kV铁路自闭／贯通线路电压电流互感器配置如图11所示。

图11 自闭／贯通线路电压电流互感器配置图

母线处装有三相TV，以测量母线三相对地电压。出线处装有两相TA（U相和W相），同时为了实现失压备自投，出线处还装有TV，以测量线路上电压。

5.2 仿真分析

根据济南段莱芜东-新汶所线路中的一段线路搭建仿真模型，如图12所示。该区间线路长度近60 km，混接线路，全线电缆有43段，架空线45段，比较复杂。线缆材质为钢芯铝绞线，架空线多为LGJ-50裸线，夹杂少量JKLGYJ-50绝缘线，电缆多为 YJV22-10kv／3*70。

图12 线路示意图

这里我们选取莱芜东到莱钢箱变这一段利用MATLAB搭建单相接地故障的仿真模型，其中测距装置分别安装在莱芜东所和莱钢箱变处，在莱芜东所选择电流行波为测距信号，在莱钢箱变选择电压行波作为测距信号。

其仿真波形图如图13－16所示。

图13 TA一次侧电流波形

图14 TA二次侧电流波形

图15 TV一次侧电压波形

图16 TV二次侧电压波形

从以上4个图形分析可知，在行波测距装置安装处均能检测到故障行波信号，且当电流行波信号经过TA、电压行波信号经过TV后均保持原来波形不失真，因此本文所提方法可行。

6 结论

通过分析TA、TV的等值电路得到的传递函数，得到TA、TV均能有效传变故障行波波头信号。因此在配电网中使用行波法进行故障测距时，可以利用线路上现有的TA、TV来获取行波信号。在配电网中使用图论法研究行波测距装置的安装位置，采用单分支线路上不安装、多分支线路上选择性安装、主馈线两端都安装行波测距装置的方案，并结合配电网线路结构选择行波测距方案的测距方法具有可行性。

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