配电网单相接地故障综合定位方法的研究

摘要：随着社会的发展，电力用户对供电的可靠性要求越来越高，对配电网单相接地故障进行快速、准确的故障定位，可减少供电事故发生所带来的损失。本文提出了一种利用C型行波法对配电线路进行故障测距，对其采用小波包分解与重构的方法进行精确定位，并结合人工神经网络对故障区段进行判断的故障综合定位方法。

关键词 ：故障定位，C型行波法，小波分析，神经网络，ATP

1 综合定位方法的理论基础

1.1 行波测距理论

电力线路上发生故障时，由于故障点电压突变，在线路上将出现电弧暂态行波过程，故障行波运动到波阻抗不连续点时发生透射和反射[1]。对带分支的故障线路，其波阻抗不连续点包括故障点、母线与线路的终端、分支的节点和端点。

1.2 小波分析理论

小波分析是种时频分析方法，具有多分辨率分析的特点，在时域和频域都有表征信号局部信息的能力。信号奇异性指信号间断或某阶导数不连续。小波变换具有时频局部化特性，恰可以有效分析信号的奇异性，确定奇异点的位置与奇异度大小。

1.3 人工神经网络

反向传播网络（BP网络）是对非线性可微分函数进行权值训练的多层网络，具有一层或多层隐含层。BP网络的训练，通过计算网络加权输入矢量以及网络输出和误差矢量，求得误差平方和，并与误差目标对比以确定是否需要重复训练过程，并最终以泛化方式给出输出结果。

1.4 故障综合定位过程

故障综合定位过程包括故障距离与区段的确定。根据C型行波法原理并使用小波包分析检测奇异点，算得故障距离，利用BP网络确定故障区段。此方法是传统方法与现代信息处理技术的融合。

2 算例仿真及结果分析

利用电磁暂态仿真软件ATP搭建网络模型并仿真，将结果导入Matlab中进行小波包分解与重构，最终利用神经网络输出故障测距结果。

10kV带分支配电线路在分支AB和主干AC上分别发生单相接地故障，接地电阻设为1000Ω，如图1。线路长度如下：MN=16km，MA=3km，AB=3.6km，AC=5km，CD=2.8km，CN=8km。故障点f1在分支AB上，距离A点2km；故障点f2在主干AC段上，距离A点3km。

利用ATP软件搭建上述10kV配电线路仿真模型。根据C型行波原理确定信号源为高压脉冲信号，幅值10kV，宽度2。线路使用分布参数的单相线路模拟，线路波阻抗460Ω。行波在架空线路中的波速接近光速，取300。变压器对行波的影响主要是其入口电容的反射影响，用500pF的电容来等效线路末端变压器。根据线路最大长度计算仿真时间，取200，采样点共20000个。

按以上参数进行仿真，得到正常波形、分支AB上发生单相接地故障时波形及波形差，如图2。

同样，在主干AC上发生单相接地故障时，算得故障距离为5994.06m，相对误差5.94m，绝对误差0.099%。故本方法也适用于主干上发生单相接地故障的情况。

为了采集各不同区段发生单相接地故障时的节点特征波能量数据，本研究分别模拟四个区段的长度点上发生故障的情况，对12组波形差进行三层小波包分解，在各频带上计算各节点能量比例并求和取平均，进而得到训练样本节点特征波能量数据，如式（2），四列分别对应B、C、D、N四点能量。

采用三层网络，输入层、输出层神经元数均为4；隐含层在取8个神经元时，已能得到较好结果，设置其神经元数为9，以加快误差收敛速度。三层间传函为tansig和logsig。使用trainlm训练以达到较大收敛速度。设定目标误差范围限定在0.00001。

3 结论

C型行波法、小波包分析与人工神经网络相结合的配电网单相接地故障综合定位方法，在理论上以及建模仿真方面都具有其准确性，且比传统方法更精准、快速，是很有发展空间的综合定位法。

在实际应用中，如何利用普通的电流互感器进行电流行波的测量，如何实现超高速数据采集等，都是在其实现方面需进一步解决的问题。

参考文献

[1] 季涛.中性点非有效接地系统行波故障测距技术[M].北京：北京理工大学出版社，2008.