基于CDO-VMD与行波零值聚焦的配电网故障定位方法

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：A Fault Location Method for Distribution Networks Based on CDO-VMD with Traveling Wave Zero-Value Focusing

　　

- 提出了一种CDO-VMD方法，可自适应优化模态数量和惩罚系数，消除了行波分解中的手动试错过程。
- 行波差值矩阵的零值聚焦实现了无需依赖波到达时间检测的精确故障区段识别。
- 该方法在各种故障类型和过渡电阻条件下保持较高的定位精度，并通过MATLAB/Simulink仿真与现场试验进行了验证。

**引言**

作为电力系统的末端，配电网向最终用户提供电力，其运行可靠性对供电保障具有重要意义（Xiaolong et al., 2024）。在可再生能源快速接入和用电需求增长的双重驱动下，配电网拓扑比以往更加复杂（Zhigao, 2025; Wan et al., 2025）。因此，准确的故障定位对于保障供电可靠性和实现故障后快速恢复供电至关重要（Jiang et al., 2021）。

现有配电网故障定位技术通常分为三类：行波法（Tashakkori et al., 2019; Chen et al., 2025a）、基于阻抗的方法（Chang et al., 2026）和基于人工智能的方法（Zhang et al., 2020）。由于其精度高，且对系统运行工况变化、故障类型及过渡电阻变化具有鲁棒性，行波法已成为最广泛采用的方案（Feng et al., 2024; Chen et al., 2025b）。其原理是将故障引起的暂态视为沿线路传播的电磁波。故障定位的关键在于行波头的精确校准，而这又依赖于高频行波信号的精确分解。文献（?uczak, 2023）采用小波变换（CWT）对高频故障信号进行分解。然而，配电网故障期间产生的行波信号成分复杂，小波基的选择与最终定位结果密切相关。文献（Wang and Hou, 2020; Ping et al., 2026）采用Hilbert-Huang变换对故障行波信号进行时频分解。该算法的分解过程包括经验模态分解（EMD）和Hilbert变换（HT）。通过对EMD所得分量施加HT，确定各分量的幅值和频率，并基于信号的时频特征识别行波头（Dai et al., 2025）。然而，EMD存在固有缺陷，如模态混叠、过度包络和欠包络，这些问题在一定程度上不可避免地影响故障定位精度。文献（Hao et al., 2022）采用互补集合经验模态分解（CEEMD）处理线模行波信号，获得一系列本征模态函数，然后将这些函数与NTEO结合以识别行波头。该方法通过向原始信号添加正负成对的辅助白噪声来提高分解效率。与集合经验模态分解（EEMD）相比，CEEMD减少了计算负担。然而，若添加噪声的幅度和迭代次数选择不当，可能会产生冗余模态分量，导致过度分解，进而影响波头识别精度。文献（Jiaxiang et al., 2023; SK et al., 2026; Wenjian et al., 2021）采用变分模态分解（VMD）提取高频行波信号。该算法不仅保证了行波信号的稳定分解，还有效解决了模态混叠等问题，同时对噪声和复杂运行工况表现出良好的适应性。然而，VMD分解精度严重依赖于关键参数的设置，不同信号需要不同的参数，这极大影响分解结果。因此，合理准确的参数选择对于VMD算法的实现至关重要。

现有基于行波的故障定位方法通常分为单端法和双端法。文献中提出的单端法利用全行波波形的主导频率分量检测初始波头和反射波头的到达时间（Feng et al., 2021; Li et al., 2026a），然后通过单端反射和折射原理实现故障定位。然而在复杂配电网中，难以准确识别反射波头，降低了该方法的可靠性。此外，随着分布式电源的大规模接入，并网逆变器和滤波器会影响行波的折射与反射。因此，传统单端法在精确定位故障方面面临更大挑战（Jupeng et al., 2026）。相比之下，文献（Liu et al., 2025）中提出的方法利用零模与线模分量之间的单端波速差确定故障位置，从而避免了识别反射波头的需要，适用于配电网故障定位。文献（Yan et al., 2026）将传统双端行波法应用于配电网故障定位。尽管该方法比单端法更可靠，但线路两端的通信设备增加了开发成本，且两端时钟的任何不同步都会显著影响定位结果。文献（Jun et al., 2025）和（Yulin et al., 2025）通过使用两端测得的零模与线模时间差改进了双端法，从而消除对同步的依赖并减小定位误差。综上所述，基于零模与线模波头到达时间差的行波法仅需识别初始波头（Xia et al., 2026），不受反射波分辨困难的限制，也不需要时间同步（Tao et al., 2025; Bai et al., 2025）。因此，该方法在配电网故障定位中具有显著优势。

为应对配电网基于行波的故障定位中的关键挑战——VMD参数自适应设置困难、反射波头识别挑战以及时间同步依赖——本研究提出了一种基于云漂移优化变分模态分解（CDO-VMD）的零值聚焦故障定位方法。首先，CDO以最小包络熵为目标自适应优化VMD参数，从而准确提取零模与线模行波之间的到达时间差。其次，利用初步故障距离构建故障距离对矩阵和行波差值判别矩阵，通过聚焦矩阵中的零元素并取线段集的交集，实现故障区段定位，无需识别反射波头。最后，采用改进的双端行波法完成精确故障定位。通过参数自适应、零值聚焦策略与改进双端法的协同作用，该方法有效解决了配电网行波定位的三大挑战：参数敏感性、反射波分辨困难和同步依赖性。本研究的主要创新点广泛包括：基于CDO的自适应VMD参数优化、CDO-VMD-DEO3S波头检测框架，以及通过零值聚焦消除反射波识别需求的行波差值矩阵，并通过仿真与现场试验进一步验证。总结而言，首要目标如下：

I. 开发VMD自适应参数优化方法。
II. 提出一种鲁棒的波头检测技术以准确识别到达时间。
III. 建立故障区段识别策略以克服先前的挑战。
IV. 通过集成初步测距结果与改进双端行波法实现高精度故障定位。

**故障定位原理**

对于三相输电线路，电压与电流的传播特性满足波方程，如公式(1)所示。

其中 u = [u_A, u_B, u_C]^T 和 i = [i_A, i_B, i_C]^T 分别为各相电压和电流列向量；x 表示从起始端到测量点的间距；L 和 C 分别代表线路的单位长度串联电感矩阵和并联电容矩阵。为实现解耦并便于……

**行波差值矩阵**

配电网络的固有复杂性，很大程度上源于分支电路中故障识别的困难，由此激发了本研究提出的策略。进一步研究引入了一种基于构建行波差值矩阵的故障定位方法，以解决这一根本问题。例如，具有单分支电路的配电网基本拓扑如图3所示。该简化网络包含三个……

**仿真验证与现场试验**

在MATLAB/Simulink中建立了10 kV配电网仿真模型，其拓扑如图5所示。系统由110 kV/10 kV降压变压器供电，采用全线架空线配置，这代表了行波传播的最不利情形，因为架空线具有较低的衰减和较高的波速。网络包含五个测量终端（M1–M5）和三个分支点（T型接头），构成……

**研究局限性**

尽管基于CDO-VMD-DEO3S的故障定位方法取得了令人鼓舞的结果，但仍需承认一些局限性，以提供客观视角并指导未来研究。首先，由于试验平台限制，验证仅限于单一故障距离（1000 m）和故障电阻（500 Ω）。尽管涵盖了故障距离达10 km、电阻达3000 Ω的广泛仿真已验证了方法的鲁棒性，但现场试验并未……

**结论**

本研究提出了一种基于CDO-VMD-DEO3S与行波差值矩阵零值聚焦的配电网故障定位新方法。主要结论如下：

I. CDO-VMD-DEO3S技术显著提高了初始零模与线模行波分量的识别精度，为精确故障分析提供了可靠基础。通过CDO算法自适应优化VMD参数，并应用DEO3S进行暂态……

**CRediT作者贡献声明**

赵亚敏：撰写——原始草稿，方法论，资金获取，形式分析，数据整理，概念构思。
安博：软件，方法论，形式分析。
刘江伟：撰写——审阅与编辑，验证，方法论。
孔祥林：撰写——审阅与编辑，软件，方法论。
张大鹏：撰写——审阅与编辑，资源，项目管理，数据整理。

**未引用参考文献**

Jun et al., 2025.

**利益冲突声明**

作者声明不存在利益冲突。

**数据可用性**

数据应请求提供。

**利益冲突声明**

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响本论文所报告的工作。

**致谢**

本研究部分得到国网河北省电力有限公司资助，项目编号：KJ2024-008。同时感谢匿名审稿人的建设性建议，这些建议有助于提高本手稿的质量。

赵亚敏 | 安博 | 刘江伟 | 孔祥林 | 张大鹏