基于多维信息关联分析的含分布式电源低电阻接地系统不对称潜伏电缆故障区段定位方法

《Symmetry》：Location Method for Asymmetrical Latent Cable Faults in Low-Resistance Systems Based on Multidimensional Information

　　

针对含分布式电源（DG）的主动低电阻接地配电网络中，潜伏电缆故障作为典型不对称故障，因故障电流微弱、持续时间短且易受分布式电源影响而难以定位的问题，本研究提出了一种基于多维信息关联分析的故障区段定位方法。首先，通过将Kizilcay电弧模型与绝缘缺陷电阻相结合，建立了等效潜伏故障模型，从而同时表征间歇性电弧行为与退化绝缘的导电通道；随后，利用广义S变换（GST）从暂态零序电流中提取三类特征，即暂态电流能量指标、群相位角极性和波形相似性；在此基础上，构建多维特征向量与综合相似系数以识别故障区段，并引入辅助下游能量比较规则以区分实际故障区段与分布式电源接入引起的伪故障区段。该方法在MATLAB/Simulink R2025a中针对不同故障位置、分布式电源接入条件、渗透率水平、噪声水平及关键参数变化进行了验证。测试条件下的仿真结果表明，所提方法能够有效识别主动低电阻接地配电网络中的不对称潜伏电缆故障区段。

该论文发表于《Symmetry》，针对含分布式电源的主动低电阻接地配电网络中潜伏电缆故障定位难题开展研究。随着城市电网向更高可靠性与安全性发展，地下电力电缆因其占地面积小、抗环境干扰能力强及运行安全性高等优势，已逐步取代传统架空线路，广泛应用于中压（MV）配电网络。然而，电缆化率的快速提升导致系统对地电容电流显著增加，传统小电流接地系统（如不接地系统或经消弧线圈接地系统）在单相接地故障时难以保证检测灵敏度。低电阻接地方式可为单相接地故障提供足够的零序电流以利于检测，同时限制故障过电压水平，因此成为城市电缆为主的中压配电网络的主流选择。

在电缆为主的低电阻接地系统中，潜伏故障问题日益突出。此类故障通常表现为短时自清除的间歇性电弧放电，其根源在于电缆绝缘在长期运行中因电应力、热老化、潮气侵入及机械损伤等因素导致的退化，进而形成局部放电、水树枝和电树枝等缺陷。潜伏故障具有持续时间短、电流幅值低、暂态能量小的特点，往往无法触发传统保护装置。若不能及时发现和处理，这些故障将反复出现并逐渐恶化，最终发展为永久性击穿并导致大规模停电。尤其在低电阻接地系统中，故障电流包含显著流经接地电阻的零序分量，加剧了潜伏故障对系统安全运行的威胁。

现有关于潜伏故障检测与定位的研究主要基于暂态特征提取与信号相似性分析，这些方法在传统辐射状配电网络中表现良好，但其理论基础大多基于单一电源和唯一小电流路径的假设。当分布式电源接入系统后，该假设不再成立：分布式电源的接入改变了零序电流的分布路径，可能使健康区段出现"伪故障"特征；同时，基于逆变器的分布式电源快速控制环路改变了暂态响应的时间尺度，导致暂态能量分布和相位角特征发生畸变，使得基于单一维度特征的传统定位方法失效。此外，现有研究在分布式电源接入场景下仍存在以下局限：多数研究仅关注故障暂态信号的单一特征（如能量或相位角差），未能从多维特征角度综合刻画故障点上下游的差异；传统判据多依赖故障电流幅值或暂态能量比，当分布式电源注入路径与主电网中性点形成并联通道时，这些判据易因功率分流效应而失效；现有模型主要采用理想电弧或固定等效阻抗进行近似，忽略了电缆绝缘缺陷通道的动态导电特性，难以准确反映潜伏故障的底层机理。

针对上述问题，本研究提出了一种基于多维信息关联分析的故障区段定位方法，以应对主动低电阻接地系统中电缆潜伏故障电流小、持续时间短以及分布式电源集成导致传统定位方法失效的挑战。研究建立了考虑电弧特性与绝缘缺陷通道阻抗的等效潜伏故障模型，以表征故障暂态的形成机理；利用广义S变换（GST）从零序电流中提取暂态电流能量指标、相位角极性和波形相似性三类特征，进而构建综合相似性判据实现故障区段识别。该研究通过仿真验证了所提方法在典型故障位置、分布式电源接入位置、渗透率水平及扰动条件下的有效性。

研究采用的关键技术方法包括：第一，基于Kizilcay电弧模型与绝缘缺陷电阻串联的等效潜伏故障建模方法，其中Kizilcay电弧模型通过弧时间常数τ、瞬时电导g(t)、静态等效电导G及特征弧电压u₀与特征弧电阻r₀等参数描述间歇电弧的动态特性，绝缘缺陷电阻R₀则表征水树枝、电树枝及潮湿导电路径等未完全击穿区域的残余导电性；第二，基于广义S变换的时频分析方法，通过调整因子g优化时频分辨率，从采样零序电流中获取幅值矩阵S和相位矩阵φ，并选取最大GST幅值-能量响应对应的频率作为特征频率；第三，多维特征提取与综合相似系数构建方法，从能量幅值、相位方向和波形形状三个维度构建三维特征向量，利用欧氏距离矩阵和综合相似系数D(i,i+1)识别故障区段；第四，针对分布式电源接入导致多候选区段的辅助下游能量比较规则，通过比较疑似区段下游检测点的暂态电流能量区分实际故障区段与分布式电源接入引起的伪故障区段。仿真基于MATLAB/Simulink R2025a平台，构建10 kV中压低电阻接地系统模型，系统接地电阻为10 Ω，采样频率为10 kHz，采用1/4周期数据窗。

研究结果部分，"高暂态特征仿真分析"表明，经广义S变换处理后的暂态零序电流能量分布显示，故障点上游检测点F1-F4的特征频率约为150 Hz，而下游检测点F5、F6的特征频率约为600 Hz，且故障点上下游暂态幅值存在显著差异，最终形成不同区段的明显故障特征。

"不同故障区段下的仿真分析"中，在分布式电源固定接入区段(4,5)的条件下，分别对区段(1,2)、(2,3)、(3,4)、(4,5)和(5,6)设置潜伏故障进行测试。结果表明：故障位于区段(1,2)时，区段(1,2)和区段(4,5)的综合相似系数均显著大于1，但通过能量W比较可正确判定故障区段为(1,2)；故障位于区段(2,3)时可正确判定；故障位于区段(3,4)时其判据值显著高于其他区段，体现了多维特征关联方法对中部故障位置的适应性；故障位于末端区段(4,5)或(5,6)时，对应区段的D值仍显著大于1。总体而言，无论故障发生于馈线中部还是末端，各区段的判据值均能显著区分故障区段与健康区段，且分布式电源接入不影响定位判据的有效性。

"不同分布式电源接入位置下的仿真分析"中，将故障位置固定于区段(3,4)，分别将容量为8 MVA的分布式电源接入区段(2,3)、(3,4)、(4,5)和(5,6)。结果显示，分布式电源接入位置的变化仅轻微影响故障判据，但不影响定位结果，证明该方法具有较强的适应性。

"不同分布式电源渗透率下的仿真分析"中，将故障位置固定于区段(3,4)，分别设置分布式电源渗透率为20%、30%和40%，并考虑多分布式电源接入情况。结果表明，在不同渗透率及多分布式电源接入情况下，所提方法均能准确定位故障区段，适用性不受影响。

"关键参数与实际扰动的灵敏度分析"中，将故障区段固定于区段(3,4)、分布式电源接入区段(4,5)，分别考察广义S变换调整因子g、绝缘缺陷电阻R₀、信噪比（SNR）以及同步误差或通信时延导致的时间对齐误差的影响。关于广义S变换调整因子g的分析表明，虽然各区段的综合相似系数随g略有波动，但实际故障区段(3,4)的系数始终显著大于健康区段；分布式电源接入区段(4,5)可能因伪故障暂态特征而呈现较大系数，但通过下游能量比较规则仍可与实际故障区段区分，所提判据对g的选取在测试范围内不敏感。关于绝缘缺陷电阻R₀的分析表明，R₀表征水树枝、电树枝、潮气侵入或其他绝缘退化机制在完全击穿前形成的等效导电路径，随着R₀增大，故障区段(3,4)的综合相似系数略有降低，因为较大的缺陷电阻削弱了暂态零序电流，但D(3,4)仍大于1且显著高于健康区段，在测试的R₀取值下定位结果不变。关于信噪比的分析表明，随着信噪比降低，健康区段的综合相似系数略有增加而故障区段系数降低，噪声在一定程度上削弱了区段特征间的区分度，但当信噪比不低于10 dB时，实际故障区段系数仍为最大且大于1，所提方法在测试噪声条件下可保持正确结果（注：仅考虑加性高斯白噪声，电流互感器饱和等更复杂的现场扰动需进一步研究）。关于时间对齐误差的分析表明，随着对齐误差增大，D(3,4)逐渐降低而健康区段略有增加，这主要是因为波形相似特征对时间偏差更为敏感，但在测试范围内D(3,4)仍为各区段中最大，故障区段可被正确识别，所提方法对毫秒级时间对齐误差具有一定容忍度。

"与其他方法的对比分析"中，将所提方法与Zhang等提出的基于暂态重心频率聚类分析的故障区段定位方法、以及Xu等针对暂态重心频率选取困难而提出的基于峰度分析的零序电流分量处理方法进行了比较。故障位置设于区段(3,4)，分布式电源接入区段(4,5)。结果表明，Zhang等和Xu等的方法在含分布式电源的潜伏电缆故障典型工况下，可能无法区分故障区段与分布式电源接入的伪故障区段，导致定位结果偏差；而所提方法能够在该测试条件下区分实际故障区段与分布式电源接入区段，验证了多维判据在所研究系统中的有效性。

"计算负担与实现可行性"部分指出，对于具有M个区段的馈线，特征提取后构建区段距离矩阵的运算复杂度约为O(M²)，由于每个区段仅以三维特征向量表示，综合相似系数的计算较为简单，主要计算负担在于短数据窗的广义S变换处理，因此所提判据在馈线保护和配电自动化系统中具有在线实施潜力，但嵌入式处理器层面的验证仍需未来工程应用研究。

研究结论部分总结如下：针对含分布式电源的主动低电阻配电网络中潜伏电缆故障电流小、持续时间短以及分布式电源接入导致传统方法失效的问题，本研究提出了基于多维信息关联分析的故障区段定位方法。基于电缆绝缘老化机理和电弧特性，构建了由Kizilcay电弧与缺陷电阻串联组成的等效潜伏故障模型，以表征零休和鞍形波形等典型故障特征。通过应用广义S变换提取暂态电流能量指标、相位角极性和波形相似性三类特征，构建三维特征向量和综合相似系数判据识别故障区段。测试条件下的仿真验证结果表明，不同区段的故障均可被识别；当分布式电源接入引起伪故障特征时，辅助下游能量比较规则有助于区分实际故障区段与分布式电源接入区段。所提方法能够在所仿真的含分布式电源低电阻接地配电网络中定位潜伏电缆故障，为改进故障检测和自愈控制提供参考。需要指出的是，目前研究主要基于MATLAB/Simulink R2025a仿真，虽然已验证所提方法在不同故障区段、分布式电源接入位置、分布式电源渗透率、噪声水平、关键参数变化和时间对齐误差下的有效性，但尚未涵盖现场数据和硬件在环测试。此外，不同分布式电源技术的详细暂态特性、电流互感器饱和等复杂测量链扰动，以及环网、分布式电源-储能混合系统等更复杂网络拓扑，仍需进一步研究，这些问题将在未来工作中解决。