基于电磁时间反演的铁路配电线路故障定位方法

摘要：针对传统故障定位方法在发生高阻接地故障时不能准确定位的问题，提出了一种适用于高阻故障的电磁时间反演故障定位方法。基于电磁时间反演基本原理，推导了架空线-电缆混合线路中正向时间阶段终端电压信号表达式，设置与原线路拓扑结构镜像的反演线路，分析反向时间阶段流过横向故障分支的电流表达式，充分考虑过渡电阻对故障电流的影响，提出双端频域故障电流最大值判据。利用PSCAD搭建10kV架空线-电缆混合线路，验证了其在故障定位中的适用性。最后，分析了线路在不同故障阻抗、不同猜测故障阻抗、不同采样频率、不同故障类型下定位判据的鲁棒性。仿真结果表明，该方法在过渡电阻达500Ω时仍能准确定位到实际故障位置，且定位精度高，受故障类型和采样频率的影响小。

关键词：电磁时间反演；故障定位；架空线-电缆混合线路；铁路配电网

中图分类号：TM721      文献标识码：ADOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd*****

Abstract：Aiming at the problem that the traditional fault location method cannot accurately locate the actual fault location when a high-resistance ground fault occurs， an electromagnetic time reversal based fault location method is proposed. The expression of the terminal voltage signal in the forward time phase on the overhead line-cable hybrid line is derived， and the reversal mirror is set up， then the property of the current flowing through the lateral fault branch in the reversal time phase is discussed. The effect of transition resistance on fault current is fully considered， and the double-ended frequency domain fault current maximum value criterion is developed. A 10kV overhead line-cable hybrid line is constructed using PSCAD， and its applicability in fault location is verified. Finally， the robustness of the location criterion under different fault impedances， different sampling frequencies and different fault types is analyzed. Simulation results show that the method can still accurately locate the fault for the transition resistance up to 500 Ω， with little influence by the fault type and sampling frequency.

Key words：Electromagnetic time reversal； Fault location； overhead line-cable hybrid line；Rail-way Distribution network

引言

铁路配电线路覆盖区域广、连接结构复杂，且存在大量电缆-架空线路混联的情况，影响了铁路配电网故障定位的准确性和快速性。尤其在小电流接地系统中，经高阻接地故障的定位效果进一步恶化，造成故障处理时间长，降低系统供电的安全性和可靠性。因此，实现快速、精确的故障定位具有重要的意义[1]。

目前，铁路配电网常用的故障定位方法包括基于电压/电流相量的阻抗法[2-4]、利用故障暂态行波信号的行波法[5-7]以及人工智能算法[8，9]。阻抗法实现简单，但其定位精度受到故障电阻、线路参数、负载不平衡等影响，特别是在构建以新能源为主体的新型电力系统中，大量分布式电源接入配电系统，会对阻抗法的定位精确性造成更大的影响。行波法作为目前主流的定位方法，主要分为单端法和多端法，具有不受线路类型和过渡电阻影响的优点，但行波法受网络拓扑结构、线路特征参数与行波波速影响较大，单端行波法存在定位死区，多端行波法对同步要求较高。人工智能算法具备一定的容错性，但需要大量的历史数据训练模型。

近年来，电磁时间反演（electromagnetic time reversal， EMTR）逐渐应用于电力系统的故障定位。它具有定位精度高，且不受噪声、行波波速等因素影响。文献[10]首次将时间反演算法应用于线路故障定位，证明了时间反演算法在故障定位中的可行性，并提出了基于信号能量的定位判据。文献[11]研究了三种不同的反向传播模型的定位性能，分析了发生单相接地故障时，接地支路对定位精度的影响。文献[12]研究了时间反演算法对行波高频分量的依赖性，并考虑了线路参数误差对故障定位结果的影响。文献[13-17]将 EMTR故障定位方法应用于多端 HVDC 网络、串补传输线系统、网状交直流网络，分析了考虑传输线损耗时，电报方程不完全满足时间反转不变性情况下EMTR的定位鲁棒性，讨论了采用不同判据来量化时间反转算法在故障定位中的聚焦性能。与上述频域时间反演方法不同，文献[18]提出了基于时域反演计算的单端故障定位方法，并且通过数十米的同轴电缆试验模型、IEEE 34 节点模型以及三相架空线-电缆混合模型验证了该方法在不同故障类型和故障阻抗下的定位有效性。文献[19]中将自适应滤波和 EMTR 相结合，并将其应用到简单铁路配电线路。

综上，目前时间反演定位算法的研究主要针对单一类型线路、多分支与低故障阻抗的网络，而考虑高阻接地故障的定位方法研究较少。因此，本文在分析传统EMTR算法不能准确定位高阻接地故障原因的基础上，提出一种改进电磁时间反演算法，分析传统电磁时间反演算法在高阻故障中不能准确定位的原因；详细介绍了电磁时间反演算法在架空线-电缆混合线路中实现故障定位中的理论；通过仿真实验，验证了所提方法在高阻故障中的有效性。

1传统时间反演算法适用性分析

基于EMTR的故障定位方法主要包括以下三个步骤[10]：

步骤1，正向时间阶段：在一个或多个测量点对线路某处故障产生的暂态信号进行测量。

步骤2，反演时间阶段：将测量到的信号进行反演变换，再将反演信号从测量点注入到与正向时间阶段镜像的线路中。

步骤3，故障位置估计：通过不同的判据计算反演时间阶段不同猜测故障位置的反演信号能量。

首先考虑双导体无损线路，线路某点发生金属性接地故障后的等效电路如图1所示。其中，L 为线路总长；Z1和 Z2为线路两端变压器的等效阻抗，在高频下其阻值通常较大；xf为故障位置；为传输线的传播常数；UA1（s）和UA2（s）分别为正向传播阶段线路首、末端测量到的电压。反演时间阶段，用电流源表示故障线路等效电路，如图2所示。I*A1（s）和I*A2（s）分别为经反演变换后线路两端的电流信号。

由表1可知，双端电压能量最大值判据在线路不同位置发生故障时均能准确定位到实际故障位置，误差最大为0.4%。

3.3不同采样频率

理论上，采样频率越高，故障暂态信号中包含行波的折、反射特性以及故障信息越多，对故障信息的获取就越完整，对数据处理以及相关设备的要求越高。在仿真中设置不同的采样频率，过渡电阻同样设置为500Ω，故障位置设置在3km处，故障定位结果如表2所示。

由表2可知，采样频率在1MHz-10MHz之间均能准确定位到实际故障位置，故障定位结果的误差会随着采样频率的降低而增加。

3.4不同故障类型

线路发生不同类型故障下进行故障定位，其结果如表3所示。其中，AG代表A相接地故障，AB代表A、B相短路故障，ABG代表A、B相接地故障，ABC表示A、B、C三相短路故障。

如表3所示，不同故障类型不会对定位结果造成太大的影响，最大误差为0.7%，能够准确定位到故障位置。

3.5实际线路验证

以内蒙古某铁路配电架空线-电缆混合线路发生故障为例进行分析。其线路结构如图9所示。采样频率为10MHz，选择使用M处和N处的测量数据，实际故障位置离M约300m。

M、N处测量到的故障电流如图10所示，其定位结果如图11所示。由图11可知，计算到的故障位置为365m，相对误差为0.41%，能够准确反应实际故障位置，证明该方法在实际应用中仍有较好的定位效果。

4结论

本文基于EMTR推导了混合线路中正向时间阶段终端电压的频域表达式和反向时间阶段故障电流的频域表达式，提出了基于双端频域的EMTR故障定位改进判据。10kV铁路配电线路仿真结果表明本文所提方法适用于高阻单相接地故障。此外，该方法不受故障类型和采样频率的影响，具有较高的鲁棒性。实际混联线路的定位结果误差仅为0.41%，验证了本文方法在实际应用中的有效性。

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