基于多參數(shù)的混合線路故障類型識別方法

曹京滎，陳杰 ，譚笑，李陳瑩，胡麗斌，方春華，孫維，陶玉寧

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210000；2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

在電網(wǎng)快速發(fā)展的過程中，輸電線路起到至關(guān)重要的作用[1-2]。一般在城市內(nèi)部和跨海輸送電能時采用電纜[3]，在城市外部輸電時則采用架空線輸電的方式，這樣在保證整體線路經(jīng)濟性的同時，也更靈活地適應(yīng)各類實際情況，架空線-電纜混合輸電的方式得到普遍的應(yīng)用[4-5]。

混合線路由于其工作環(huán)境復(fù)雜，有較多故障發(fā)生，某些情況下會對樹木進行放電，導(dǎo)致接地短路，森林火災(zāi)也可能會使架空線路燃燒，最終導(dǎo)致斷線，雷電、線路結(jié)冰、強風(fēng)等外部氣候情況都會影響架空線路的穩(wěn)定運行[6-7]。電纜在運行過程中存在絕緣受潮或者受到外力破壞等導(dǎo)致的接地或斷線的情況[8-9]。

從目前的研究情況來看，金屬性接地故障和非金屬性接地故障的識別可以通過分析故障后一段時間內(nèi)線路上數(shù)據(jù)采集裝置記錄下的電流波形來實現(xiàn)。文獻[10]通過對線路上實測特定故障發(fā)生后的波形數(shù)據(jù)進行分析，對比電氣量特性以及在各個故障下電氣量變化趨勢，初步把故障發(fā)生后的電氣量變化特性與相對應(yīng)的故障類別聯(lián)系起來。文獻[11]針對金屬性接地故障和阻性接地故障波形形貌進行了一定分析，但沒有形成一個較為系統(tǒng)的理論，無法對線路中多種參數(shù)組合下的故障進行準(zhǔn)確識別。雷擊情況具有較大的隨機性，現(xiàn)在針對雷擊故障的識別多集中于仿真計算[12-15]，較為常見的方法是通過行波從雷電流注入系統(tǒng)后系統(tǒng)故障電流行波的波動性來辨識雷電故障[16-17]。架空線-電纜混合線路運行環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)有方法對線路故障的識別不夠精確，故障識別類型較為不全。

本文通過PSCAD建立混合模型，模擬各種接地故障以及雷擊故障。通過在故障點設(shè)置不同故障相位和距測量點不同距離的各種故障，在測量點測得電流數(shù)據(jù)，將各種故障下的電流波形對比分析；將故障產(chǎn)生機理和仿真得出的各種故障波形分析結(jié)合，得出多參數(shù)的架空-電纜混合線路故障類型識別方法。

1 混合線路系統(tǒng)建模

線路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在架空線A段和電纜段交界點E點左側(cè)某點設(shè)置為故障點X，在架空線B段和電纜交界點F點右0.5 km的D點設(shè)置為監(jiān)測點。在故障點設(shè)置雷擊（反擊、繞擊、感應(yīng)雷）和接地短路故障（單相金屬接地、單相高阻接地、兩相金屬性短路），通過在故障點設(shè)置不同故障相位和距測量點不同距離的各種故障，在測量點測得電流數(shù)據(jù)，將各種故障下的電流波形對比分析。

架空線路段仿真模型采用PSCAD中的仿真采用頻率相關(guān)（phase）模型，防雷計算一般取2.6/50 μs電流波形，仿真模型采用雙指數(shù)雷電波形。接地故障的模擬中，采用PSCAD庫中自帶的接地故障模塊即可較好地實現(xiàn)。

系統(tǒng)仿真設(shè)置電壓等級為220 kV，相角差為20°，電纜長度為0.5 km，架空線B段上測量點距電纜架空線交界點F點為0.5 km，調(diào)整架空線A段上的故障點位置，即可模擬不同故障距離下電流波形變化。系統(tǒng)仿真頻率為1 MHz，為了避免重合閘等裝置對數(shù)據(jù)特性分析造成的影響，仿真模型中不包含繼電保護裝置。

2 故障電流波形特征

本文仿真了線路上常見的故障：單相金屬性接地、單相高阻接地、兩相金屬性短路以及雷電過電壓的故障（直擊雷和感應(yīng)雷），其中直擊雷又包括了反擊和繞擊兩種情況。下面以單相金屬性接地、繞擊、感應(yīng)雷為例，分析其波形特征。

2.1 單相金屬性接地

設(shè)置A相發(fā)生單相金屬性接地故障，故障距離為2 km，系統(tǒng)故障時相位為45°，故障點和測量點波形如圖2所示。系統(tǒng)電流由之前穩(wěn)態(tài)的1.82 kA快速階躍到了11.2 kA，通過圖2a可以觀察到故障發(fā)生后，系統(tǒng)有比較明顯但幅度較小的過渡過程。將圖2a和圖2b對比，故障行波經(jīng)過線路傳播后，電流的波動性已經(jīng)降低，測量點數(shù)據(jù)震蕩過程相較于故障點有所減弱，可見故障行波在混合線路中的折反射和損耗對波形有較大影響。

圖2 單相金屬性接地情況下故障點和測量點波形Fig.2 Waveforms of fault points and measurement points under single-phase metallic grounding

2.2 繞擊

在繞擊故障中，設(shè)置A相為故障相，雷電流幅值40 kA，故障距離為2 km，波形為2.6/50 μs，系統(tǒng)相位為0°，其波形如圖3所示。由圖可知，系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重震蕩，在0.05 s后才逐漸恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，在混合線路的傳播過程中，故障行波發(fā)生幅值上的衰減和多次的折反射。

圖3 繞擊情況下故障點和測量點波形Fig.3 Waveforms of fault points and measurement points under winding strike

2.3 感應(yīng)雷故障

設(shè)置故障距離為8 km，雷電源幅值為40 kA，波形為0.26/100 μs，A相故障時相位為0°，波形如圖4所示。

圖4 感應(yīng)雷故障情況下故障點和測量點波形Fig.4 Waveforms of fault points and measurement points in case of induced lightning fault

三相導(dǎo)線可以看作距離落雷點相同的距離，由圖4可知系統(tǒng)受到了感應(yīng)電壓沖擊，產(chǎn)生嚴(yán)重震蕩，大約在0.03 s后，系統(tǒng)恢復(fù)正常，且三相波形的相似度較高，變化趨勢較為一致。改變系統(tǒng)A相故障時相位為90°，其他參數(shù)保持不變，與相位為0°波形相似，只是幅值上有些許不同。

3 架空-電纜混合線路故障類型識別

3.1 雷擊故障和接地故障的識別

當(dāng)線路發(fā)生雷擊故障時，在較短時間段內(nèi)，系統(tǒng)會發(fā)生較為劇烈的震蕩，而發(fā)生短路接地故障時，無論是單相金屬性接地、單相高阻接地還是兩相金屬性短路，經(jīng)過一個較小波動便快速過渡到新的穩(wěn)態(tài)下[18]?；旌暇€路結(jié)構(gòu)不同于單一線路，行波傳遞過程中會出現(xiàn)折反射，因此選取數(shù)據(jù)分析時不能分析某一時間點的數(shù)據(jù)，需要對故障發(fā)生后一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理。

根據(jù)雷電故障和接地故障形成性質(zhì)的不同，先對電流信號進行Clark變換解耦[19]，求取故障相電流的線模分量I（k），然后對線模分量定義震蕩指數(shù)，用特征量MA來表示，即

式中：I（k）為故障相電流數(shù)據(jù)線模分量；MA為故障發(fā)生后的0.002 s內(nèi)故障相電流數(shù)據(jù)線模分量的方差值。

通過震蕩指數(shù)即可反映故障數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)變量和該組數(shù)據(jù)均值的偏離程度。接地故障中，系統(tǒng)故障相位選取0°和90°，對2 km和8 km的故障距離進行仿真，然后計算數(shù)據(jù)的震蕩指數(shù)。各種故障參數(shù)下的震蕩指數(shù)如表1所示。

表1 接地故障在不同故障參數(shù)下的震蕩指數(shù)Tab.1 Oscillation index of ground fault under different fault parameters

同理可得雷擊故障的震蕩指數(shù)，統(tǒng)計上述特征量MA數(shù)值如圖5所示。

圖5 震蕩指數(shù)分布圖Fig.5 Oscillation index distribution

由圖5可知，特征量MA以0.6為閾值，可較好區(qū)分雷擊故障和接地故障，數(shù)據(jù)分布有較好的邊界性。

3.2 接地故障類型的識別

將A相金屬性接地、A相高阻接地（接地電阻為200 Ω）、A，B兩相金屬性接地三種故障時刻的A相電流波形圖放大發(fā)現(xiàn)，三種故障下相同時間段內(nèi)的波形形貌有較大區(qū)別，可以根據(jù)此特點，來定義每種故障類型故障后0.005 s的波形畸變率（total harmonics distortion，THD），即諧波含量的均方根與其基波分量的均方根之比。將波形畸變率定義為特征量MB，根據(jù)MB值來區(qū)別接地故障中確切的故障類型。

設(shè)置故障相位為0°，在不同的故障距離下計算三種接地故障0.005 s后電流的畸變率，數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知兩相金屬性短路電流畸變率最大，單相高阻接地電流畸變率最小，且隨著故障距離的增加，三種故障畸變率都是遞減的趨勢。

表2 0°故障相位各故障畸變率Tab.2 Distortion rate of each fault in 0°fault phase

混合線路故障相位為45°時，計算其故障畸變率，故障編號為4～6；混合線路故障相位為90°時，編號記為7～9。具體故障畸變率數(shù)值如圖6所示。

圖6 各種接地故障情況下THD折線圖Fig.6 Line chart of THD under various ground fault conditions

在圖6中，特征量MB設(shè)置3%，10%，20.5%三個閾值，則將折線圖可以分為4個區(qū)域。除了故障相位45°、故障距離24 km的單相高阻接地點和故障相位90°、故障距離為2 km的兩相金屬短路點，邊界有些模糊以外，其他情況可以明確區(qū)分出三種接地故障類型。

3.3 感應(yīng)雷和直擊雷的識別

圖7為感應(yīng)雷下三相感應(yīng)電流波形。從圖7中測量點所測得波形來看，三相電流在感應(yīng)雷故障后，三相波形有較高的相似度，這是由于含有較強能量的雷擊源雷擊線路附近地面造成周圍電磁場突變。落雷點距離A，B，C三相線路的距離點近似相等，三條線路上的感應(yīng)電壓、電流也較為相似。

圖7 感應(yīng)雷下三相感應(yīng)電流Fig.7 Three-phase induction current under induced lightning

當(dāng)反擊桿塔頂端避雷線時，避雷線距離A，B，C三相的距離也不相同，所以在A，B，C三相上感應(yīng)出的電流也不盡相同。

根據(jù)此特點，可以求出A，B，C三相的電流波形中的任意兩相的相似程度的均值，如下式：

式中：IA（k），IB（k）分別為A，B相故障電流線模分量。用一個特征量MC來區(qū)分感應(yīng)雷和直擊雷，MC根據(jù)下式計算：

通過式（2）求出兩相電流波形的相似程度，選取測量點測量故障后0.002 s內(nèi)的數(shù)據(jù)，計算A，B，C三相的電流波形任意兩相之間的相似度，然后根據(jù)式（3）取三個相似度的均值MC作為特征量。

在繞擊情況下，各種故障參數(shù)組合下三相波形的相似度如表3所示。

表3 繞擊情況下波形相似度均值Tab.3 Mean value of waveform similarity in case of detour

由表3可知，發(fā)生繞擊時，三相波形的相似度較小，基本在0.4左右；同理，通過計算反擊情況下三相波形的相似度，發(fā)現(xiàn)在反擊MC還是維持在一個較低的水平，但整體略高于繞擊；感應(yīng)雷三相波形的MC值則遠大于繞擊和反擊。

具體故障參數(shù)組合下三相波形相似度分布如圖8所示。

圖8 各種雷擊故障下相似度分布Fig.8 Similarity distribution under various lightning strikes

由圖8可知，在感應(yīng)雷下，A，B，C三相近似于同時出現(xiàn)感應(yīng)電壓，相似度特征值MC維持在一個較高的水平，反擊和繞擊下的相識度均值較低，特征量MC取0.5時，感應(yīng)雷和直擊雷整體數(shù)據(jù)分布有較好的邊界性。

3.4 直擊雷中反擊和繞擊故障的識別

由之前的MC值作為特征量來進行雷擊故障識別時，并不能對繞擊和反擊這兩種情況來進行識別，根據(jù)文獻[20]能量算子（teager energy operator，TEO）能夠有效地反映數(shù)據(jù)的幅值和頻率的變化，對于時域信號能量算子的定義為

圖9為最后進行能量算子運算后得到的瞬時能量圖。繞擊下，雷電流直接注入輸電線路，系統(tǒng)的電流值直接發(fā)生大幅改變；反擊時，雷電流經(jīng)桿塔或避雷線流入大地，空間電場變化速度相對緩慢，沒有繞擊的能量變化迅速，所以反擊瞬時能量圖的第1個極大值并不是能量的最大值。因此定義特征量MD，當(dāng)能量指數(shù)圖的第1個極大值為該時間段內(nèi)能量的最大值，取MD=1，該次故障為繞擊故障；當(dāng)瞬時能量圖的第1個極大值不是該時間段內(nèi)能量的最大值時，取MD=0，該次故障為反擊故障。

圖9 反擊繞擊能量指數(shù)對比圖Fig.9 Comparison chart of counterattack twist energy index

4 多參數(shù)識別方法

圖10為故障識別流程圖。

圖10 故障識別流程圖Fig.10 Fault identification flowchart

將故障產(chǎn)生機理和仿真故障波形分析結(jié)合，以上文設(shè)定的MA，MB，MC，MD四個特征量為“多參數(shù)”；當(dāng)滿足各自特征量閾值時則判斷對應(yīng)故障發(fā)生。

圖10分層分級依次對四個特征量閾值進行比對，實現(xiàn)對混合線路故障類型的識別，具體步驟如下：

1）對原始數(shù)據(jù)處理后，求取震蕩指數(shù)MA值。MA＞0.6，為雷擊故障；MA＜0.6，則為接地故障。

2）當(dāng)確定故障為接地故障時，通過定義諧波畸變率MB來識別三種接地故障。MB＜3%，為單相高阻接地故障；3%＜MB＜10%，為單相金屬接地故障；10%＜MB＜20.5%，為兩相金屬性短路；MB＞20.5%，為單相高阻接地。

3）當(dāng)確定為雷擊故障后，根據(jù)三相電流波形相似度均值MC將直擊雷和感應(yīng)雷進行區(qū)分。當(dāng)MC＞0.5時，為感應(yīng)雷故障，當(dāng)MC＜0.5時，為直擊雷故障。

4）針對直擊雷故障中繞擊、反擊的識別，對數(shù)據(jù)進行能量算子運算。當(dāng)能量指數(shù)分布圖中第1個極值為最大值時，MD=1，為繞擊故障；當(dāng)能量指數(shù)分布圖中第1個極值不是最大值時，MD=0，為反擊故障。

通過以上四個步驟對混合線路故障進行識別。

5 結(jié)論

1）系統(tǒng)故障時相位越大，故障初段整體的電流波形畸變越嚴(yán)重，相同情況下高阻接地比金屬接地有著更為明顯的震蕩；通過對比相同故障參數(shù)的波形數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩相金屬性短路時，系統(tǒng)波動要比單相金屬性接地時要明顯。

2）在雷擊故障中，感應(yīng)雷情況下三相感應(yīng)電流波形相似度較高，繞擊和感應(yīng)雷對線路的影響較大，且各種故障參數(shù)組合下都比接地故障波形波動劇烈，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定時間也要比接地故障要長。

3）通過對震蕩指數(shù)（特征量MA）、諧波畸變率（特征量MB）、電流波形相似度均值（特征量MC）以及特征量MD進行分層定量分析，可達到對混合線路上發(fā)生的故障進行識別的目的。