从波形上看，每个特征对应一个波峰或波谷。 当传播前方波阻抗大于传播后方波阻抗时，返回正 向特征波，即产生一个波峰，反之返回负向特征波， 即产生一个波谷。同时，这些特征波也反映了线路 中存在阻抗不连续点的位置，从而可以由其确定出 线路拓扑结构。图 2 表述了故障定分支的程序流程。
进入程序
结束
图 1 故障测距程序流程图 Fig. 1 Flow chart of fault distance fixing
既然行波在传输过程中只有遇到阻抗不连续点 才会发生反射和折射，那么录波波形中最有特点的 波形部分一定是阻抗不连续点。因此，提出特征波 的概念。特征波指线路最末端点返回前的所有线路 中的阻抗不连续特殊点返回的波形，这些特殊点包 括线路始端、分支节点、各分支末端及故障点。在 分支不多，且分支间隔较远的情况下，所有特征点 对应的特征波都能在录波中表现为明显波包。
导入故障相故障前 开路波形
导入故障相故障后 离线录波
提取开路特征波 1
提取故障特征波 2
对比
2 与 1 相比 是否有缺失？
N 重新精确 提取特征波
Y 分析该缺失特征波对应分支
输出结果
结束
图 2 故障定分支流程图 Fig. 2 Flow chart of fault branch fixing
88
中国电机工程学报
较 常 用 的 自 适 应 滤 波 算 法 有 最 小 均 方 (least mean-square, LMS)算法和递归最小二乘(recursive least square, RLS)算法[13-14]。经过对多种算法在对实 验数据处理速度和精度的比较后，选用了 LMS 自 适应有限冲击响应(finite impulse response, FIR)滤波 器，其原理如图 3 所示。自适应滤波器有 2 个输入 端(主输入和参考输入)及 2 个输出端(滤波器输出和 误差输出)。信号源 S(n)中包含期望信号和噪声信 号，经过传输系统 H(z)的频率特性影响，信号 x(n) 将与主信号 S(n)不同，利用自适应滤波器可以从信 号 x(n)中提取原来的主信号 S(n)，而噪声干扰被滤 波作用抑制了，即在普通 FIR 滤波器中加入了反馈。
波形一致？
N
Y 相减找出突变点及对应时刻
故障不在该相 换相比较
计算故障距离并输出结果
和短路点 3 类，分别返回负向、同向和负向行波。 在只有一个分支点的线路中，信号遇到带有 N
个分支的节点会分成 N+1 股，当一处发生接地故障 时，只有一股可以到达故障点。从故障点返回的信 号遇到该分支节点再次折反射，经历了第 2 次衰减 后只有一股回到检测点。在带有多个分支点的线路 中，每经过一个分支点，信号就要按上段所述衰减 一次，故障点距线路始端越远，其衰减就会更强烈， 在经过一定量的分支后，可能导致返回信号太小以 致无法辨识。同时，由于行波在线路传输过程中受 线路自身电感、电容及阻抗的影响，会逐渐衰减， 而且配电网的末端多变压器，会对波形产生异化作 用。如何从衰减和异化后的波形中提取有用信息并 加以利用，是故障定位能否成功的关键。 1.2.2 线路拓扑特征波概念的提出
KEY WORDS: traveling-wave scheme; adaptive filter; line structure feature-waveform
摘要：通过分析多种现有的配电网故障定位方法，针对单相 接地故障确定出将配电网故障定位理论转为实际应用的合 适方法，并提出线路拓扑特征波的概念。该方法分 2 步进行， 首先利用 C 型行波法对故障线路进行高采样率的离线录波， 并采用自适应滤波法与数值差分法进行有效的数据处理，从 而计算故障距离；再通过对录波的峰值扫描以及伪特征的排 除提取线路拓扑特征波，从而确定故障分支。故障测距与故 障分支结果相结合达到精确定位。经现场试验验证，证明了 该方法的正确性及在配电网故障定位中有良好的应用前景。
SCADA 系统的数据，利用各种数学算法[2-5]进行寻 址，从而找到故障位置。而对于发生最为频繁的单 相接地故障却一直没有较好的解决方式。由于配网 终端负荷的影响，使应用于输电网络故障定位的阻 抗法不再适用。而另一故障定位的经典理论体系行 波法得到关注[6-10]。行波法是基于故障距离与行波 从故障点传输到检测点的时间成正比的原理，分为 A、B、C、D、E、F 6 型方法。其中只有 C 型方法， 即单端注入行波法，可适用于多终端的配电网络。
第 28 卷 第 28 期 86 2008 年 0 月 5 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.28 No.28 Oct. 5, 2008 ©2008 Chin.Soc.for Elec.Eng.
文章编号：0258-8013 (2008) 28-0086-05 中图分类号：TM 72 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40
够确定故障位置。
行波法的基本原理是在波速已知的情况下确定
行波从故障点传播到检测点的时间差，再乘以波速
得到故障距离。C 型行波法是在始端同时测量注入 信号和返回信号，并记信号注入时刻为 0 时刻，则 故障点返回信号的波头到达始端时刻值的 1/2 就是 行波从故障点到检测点的时间差。用公式描述如下：
S = ∆t / 2 ⋅ v
普通滤波器在滤波时需设定通带、阻带范围等 参数。但对于 C 型行波法的故障定位来说，为了得 到更好的线路特征波，必须发出窄脉冲，因而有用 信号和噪声信号都处在高频。这对通带频率的选取 产生了障碍，从而影响计算结果。自适应滤波器只 需知道很少或根本不需要任何关于信号与噪声的先 验统计知识，其参数即可自动调整至最优状态[10]， 实现简单，滤波性能好，因此选用了自适应滤波。
1.2 故障分支的判断 1.2.1 注入行波在配电线路中的传输和变化
华北地区配电网络的电压等级为 35 和 10 kV。 与输电网络相比，配电网络的供电半径较小，且其 中 35 kV 网络带有少量分支线路，10 kV 网络带有 较多分支。这就需要首先对行波在分支处的传输过 程进行分析。行波在传输过程中遇到阻抗不连续点 会发生反射和折射。当传播前方波阻抗大于传播后 方波阻抗时，返回同向行波，反之返回负向行波。 在配电网中，阻抗不匹配点主要为分支点、开路点
(1)
式中：S 为故障距离；∆t 为故障点返回信号的波头 到达始端的时刻值；v 为波速。
现场使用时，首先在离线状态下记录每一相的
开路波形(之所以要对每一相都分别录波，是因为虽 然三相的网络拓扑结构基本一致，但三相不可能绝
对平衡，尤其 B 相由于同时用于传输通信，与其他 两相波形存在明显差异)。故障发生后，记录注入行 波后的三相波形，并与各相开路波形相比较，有波
2 数据处理
2.1 自适应滤波提纯信号 利用 C 型行波法进行故障定位的第 1 步是故障
测距。现场所录波形虽然形态清晰，却包含一定量 的高频噪声，由于行波在线路中的传输速度与光速 相当，寻找的突变点只要有 1 µs 的偏差就会使故障 测距结果出现近 150 m 的误差。所以一定要滤除干 扰噪声。而合适的滤波器成为决定计算结果精度的 一个重要因素。此外，滤波之后如何对数据进行进 一步处理得到有用信息也是一个重要问题。
1 实用定位方法
1.1 注入行波信号测定故障距离 精确的故障定位建立在正确选线的基础之上。
经过多年的研究，小电流接地选线技术已经比较成 熟，选线的正确率可达到 95%以上[11-12]。因此，得 到故障测距和故障定分支 2 方面的精确结果后就能
第 28 期
于盛楠等： 配电线路故障定位的实用方法
87
C 型行波法的基本原理是在线路始端注入检测 信号，通过注入信号时刻与故障点返回信号时刻的 时差来确定故障位置，这种方法理论上可行，但也 遇到了实际问题。由于配电网络多分支的特点，C 型行波法的注入信号在线路中衰减很大，从故障点 返回的信号变得微弱；同时又有外界噪声的干扰， 使本来就已微弱的有用信号被淹没，给数据处理带 来很大困难。但是，通过提高信号源幅值，即发出 高幅值窄脉冲的方法，可很大程度弥补分支带来的 信号衰减；再使用数字滤波等方法进行数据处理， 就可恢复信号的本来面目，进行故障测距。同时从 录波波形中分析提取线路特殊点的特征波形，就可 以分析出正常情况和故障情况下的网络拓扑结构， 从而判定故障分支。因此，利用 C 型行波法进行故 障测距和故障定分支来实现故障定位，是一种具有 很强的实用性的方法。
关键词：行波法；自适应滤波；线路拓扑特征波
0 引言
配电网故障主要有 2 大类：单相接地故障和相 间故障。对于后者的故障定位现阶段主要采用基于 配网自动化[1]的方法，即通过各个馈线自动化远方 智能终端(feeder terminal unite, FTU)和远方终端 (remote terminal unit, RTU) 的 返 回 信 号 或 通 过
形差异的相即为故障相。此时，将故障相的开路波
形与短路波形相减，并进行适当的滤波处理，得到
使两波形出现差异的第一个波形突变点。找出该点
对应的时刻，即可用式(1)得到故障距离。图 1 详细 描述了故障测距的程序流程。
记录正常情况下 三相开路波形
记录故障情况下 的三相波形
导入同一相在两个 状态下的波形
滤除波形中的噪声
第 28 卷
1.3 适用范围 对于行波法，过大接地电阻(几百 kΩ)产生的波
形相当于该点开路，而当接地电阻为几十 kΩ时，对 输入信号的分压就会导致返回特征不明显。经过多 次实验验证，此方法适用于接地过渡电阻较小(3 kΩ 以内)，且线路均匀(即全架空线或全电缆)，线路原 始长度参数已知的配电网络单相接地故障定位。
ABSTRACT: Via analyzing modern methods for fault location in distribution lines, a proper method aiming at single-phase to ground is put forward to transfer theory to practice, as well as the concept of line structure feature-wave. Two steps are in this method. Firstly, high rate waveform picking from the fault line is recorded utilizing C-type traveling-wave scheme, and by adaptive filter and differencing the data is processed and fault distance is calculated. Secondly, scanning the peak value of recorded waveform and excluding pseudo-features, so the line structure feature waveform is extracted, thus the fault branch is fixed. The combined two results of fault distance and fault branch make fault location accurately. After experiments on spot, this method is proved correctly, as well as its good practicality prospect.