基于箱式变电所低压测量的高速铁路贯通线故障定位方法

《Energies》：Fault Location Method for Continuous Transmission Lines of High-Speed Railway Based on Low-Voltage Measurements at Box-Type Substations

　　

精确的高速铁路贯通传输线（continuous transmission lines）故障定位对于维持供电可靠性和减少停电事故不可或缺。本研究提出一种新颖的故障定位方法，利用沿贯通线分布的箱式变电所（box-type substations）获取的低压信息，该方法基于箱式变电所低压侧测得的正序—负序电压比（positive-to-negative sequence voltage ratio，rPNV）的分布特征。研究结果表明，rPNV幅值在故障上游区域从主变电所至故障点逐渐递减，而在下游区段几乎保持不变。基于此特征，研究人员首先采用最近邻聚类法（nearest neighbor clustering method）初步判定故障区段；随后，通过联立故障点处序电压比与主变电所及故障下游箱式变电所测量值构建方程，求解得到精确故障距离。所提方法仅需异步低压测量数据，无需建立故障阻抗模型，适用于各类不对称故障。在不同故障类型、故障电阻（最高达2000 Ω）、噪声环境及中性点接地方式下的仿真测试表明，该方法具有高准确性和强鲁棒性。

一、研究背景与开展的工作及意义

高速铁路10 kV配电系统中的贯通传输线（continuous transmission lines，又称贯通线）承担着信号、通信等综合用电设备的供电任务，通常采用地下电缆敷设且距离较长，运行中易发生短路或接地故障。传统故障定位方法主要包括阻抗分析法（impedance analysis methods）、行波法（traveling wave-based methods）及智能法（intelligent methods）。阻抗法易受故障过渡电阻影响导致测距误差；行波法需高频采样及双端同步测距装置，成本较高；智能法依赖大量现场故障样本训练且泛化能力有限。此外，既有基于箱式变电所电压信息的定位方案多需10 kV侧电压互感器、依赖电压跌落（voltage sag）特征或需同步相量测量及下游负荷参数，工程应用受限。由于箱式变电所普遍配置RTU/FTU可采集0.4 kV低压侧三相电压，且低压侧测量无需额外高压PT（Potential Transformer，电压互感器），可规避铁磁谐振风险，研究人员据此开展了基于箱式变电所0.4 kV侧测量信息的贯通线不对称故障定位新方法研究，论文发表于《Energies》。研究通过理论推导证明正序—负序电压比r_PNV=V₁/V₂（V₁为正序电压positive sequence voltage，V₂为负序电压negative sequence voltage）沿线的分布特性可用于区段辨识与距离计算，并经PSCAD/EMTDC与MATLAB联合仿真验证了方法的有效性。该方法的提出使得高速铁路贯通线可在不增设专用高压测量设备、不需测量同步、不需故障阻抗建模的前提下实现高精度在线故障定位，具有重要的工程应用价值。

二、主要关键技术方法

研究人员以中国某高速铁路10 kV贯通线（中山西站Zhong Shan Xi Station参照系统）参数为原型，在PSCAD/EMTDC 4.6.2中搭建含多台箱式变电所（Dyn11接线配电变压器）的全尺寸电缆网络模型获取故障及正常运行数据；在MATLAB R2019a平台上编程实现故障定位算法。先依据配电变压器高—低压侧相电压与序电压变换关系，由箱式变电所0.4 kV侧三相电压计算出低压侧正序、负序电压及r_PNV=V₁/V₂。故障区段识别采用改进最近邻聚类法对沿线各节点r_PNV序列聚类，上游递减段与下游恒定段的转折处确定为故障区段两端节点。精确定距时，利用主变电所10 kV侧电压电流及线路阻抗参数推算故障区段首端序电压电流，结合故障下游任一箱式变电所测得的r_PNV值建立关于故障距离x的方程并求解。定位精度以相对误差ε=|d_calc-d_actual|/d_actual×100%评估，测试涵盖不同故障类型（单相接地Ag、两相短路BC、两相接地BCg）、过渡电阻（1–2000 Ω）、噪声干扰、中性点接地方式（小电阻接地SR-grounded、不接地ungrounded、谐振接地R-grounded）、数据缺失及参数偏差等工况。

三、研究结果

4.1. Method Effectiveness Analysis（方法有效性分析）

研究人员在DK₄段中点设置A相接地故障（R_f=10 Ω），计算得沿线箱式变电所r_PNV序列呈上游递减、下游恒定分布，经最近邻聚类判定故障位于T₃–T₄之间，代入下游r_PNV求解得到故障距离994.2 m（实际1000 m），相对误差1.7%，证明方法可有效识别故障区段并计算故障距离。

4.2. Method Sensitivity to the Fault Resistance（方法对故障电阻的敏感性）

分别在DK₂、DK₈段中点施加A相接地故障，过渡电阻取1–2000 Ω。结果表明各电阻下均能正确识别故障区段且测距误差满足要求，说明所提方案对高阻故障具有强适应性。

4.3. Method Sensitivity to the Fault Type（方法对故障类型的敏感性）

在DK₄、DK₁₀段中点分别设置Ag、BC、BCg故障（R_f=10 Ω），各类不对称故障下均准确完成区段辨识与距离计算，表明方法对不同不对称故障类型具良好适用性。

4.4. Result of Signals with Noise（含噪信号下的定位结果）

对BCg故障加入≤0.52%测量误差噪声及≤1周期相移噪声，各做10次实验取均值，最大故障距离误差在50 m以内，表明方法对测量噪声和相位偏移具较强抗干扰能力。

4.5. Result of Different Neutral Grounding Mode（不同中性点接地方式下的结果）

分别在小电阻接地、不接地及谐振接地方式下对Ag故障进行测试，方法在各接地模式下均能准确定位，说明其不受配电变压器中性点接地电阻影响。

4.6. Result of Missing Measurement Data（测量数据缺失下的结果）

当故障区段内箱式变电所未缺失数据时可正确定位；若故障区段内测量点缺失过多可能导致区段判错，但只要故障下游至少保留一个测量点，距离计算结果不受影响。

4.7. Result of Load Variation（负荷变化的影响）

改变下游负荷，故障定位结果基本不变，原因是所定义r_PNV可消除故障下游线路拓扑及负荷的影响。

4.8. Result of Cable Parameter Errors（电缆参数误差的影响）

区段识别不涉及线路参数故不受参数误差影响；精确定距依赖单位长度阻抗参数，1%及2%的参数误差会使测距误差相应增大，建议通过在线参数辨识更新线路数据。

4.9. Comparison Results with Existing Methods（与现有方法的对比结果）

与基于阻抗法[3]、电压跌落法[1]及既有低压测量法[2,20]对比显示：阻抗法受过渡电阻影响较大（仅适于≤100 Ω），既有低压测量法在高阻故障识别与测距精度上弱于所提方法，本文方法在高中阻故障下优势明显。

四、讨论与结论翻译

讨论部分指出算法依赖各箱式变电所测量数据上传通信链路，通信中断影响可类比数据缺失情形分析；高速铁路贯通线拓扑通常固定，但若大规模新能源接入致动态拓扑变化需进一步研究，未来需用现场FTU/RTU实测数据验证算法。

结论翻译如下：

本文提出了一种基于箱式变电所低压测量的高速铁路贯通传输线精确故障定位方法。该方法的核心是利用不对称故障时贯通线上正序—负序电压比（r_PNV）的独特分布特征。所提方法分两个阶段实施：故障区段辨识与精确距离计算。故障区段通过采集所有箱式变电所的r_PNV序列并采用最近邻聚类算法获取故障下游节点来辨识；随后通过联立故障点处正序—负序电压比与主变电所及故障下游箱式变电所测量数据所构建的方程求解故障位置。全面的案例研究验证了方法的有效性，其可准确识别多种故障类型，且在高故障电阻（可达2000 Ω）、不同中性点接地方式、实测噪声及相移误差下保持高可靠性。值得注意的是，第二阶段故障距离计算依赖于准确的线路阻抗参数，因此后续研究将侧重于基于监测单元的线路参数辨识，以增强算法对参数偏差的鲁棒性。