基于瞬時(shí)電流極性法對(duì)配電網(wǎng)故障線路的定位

李 慧，王 奔

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都610031）

0 引 言

線路發(fā)生故障后，快速切除故障線路并且準(zhǔn)確地確定故障的位置，讓巡檢員能夠及時(shí)地修復(fù)、快速地供電，這對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有十分重要的作用。配電網(wǎng)一旦發(fā)生故障對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和人們的生活都存在影響。目前，配電網(wǎng)故障檢測(cè)和診斷的研究主要是傾向于離線故障檢測(cè)和診斷，并且研究對(duì)象主要是低阻故障，即配電網(wǎng)發(fā)生故障后通過某種檢測(cè)方法來識(shí)別和定位故障的位置，但是對(duì)于配電網(wǎng)線路中一些瞬時(shí)性故障和故障特征不明顯的高阻故障仍然是一個(gè)難題。

故障后的負(fù)序電流有明顯特征，即故障線路與非故障線路電流的流向是不同的，從而導(dǎo)致負(fù)序電流的極性也不相同。本文提出了利用負(fù)序電流極性對(duì)故障線路進(jìn)行定位的方法，該方法既能確定發(fā)生低阻故障的線路也能確定發(fā)生高阻故障的線路。

1 基于負(fù)序電流極性方法的提出

從配電網(wǎng)線路故障的特征分析可以得知，在發(fā)生故障瞬間，故障信號(hào)的暫態(tài)分量中含有豐富的故障信息，并且暫態(tài)分量的幅值要比穩(wěn)態(tài)量大得多。配電網(wǎng)線路發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，配電網(wǎng)等效的負(fù)序結(jié)構(gòu)圖中，故障點(diǎn)的負(fù)序電壓最高，相當(dāng)于在故障點(diǎn)接入了一個(gè)負(fù)序電壓源，距離故障點(diǎn)越遠(yuǎn)負(fù)序電壓越低。

單相接地故障的等效電路圖如圖1所示。圖中只列出故障線路相鄰線路圖，Z12＿14f2為故障線路兩母線中非故障線路的負(fù)序阻抗；Z11＿12f2、Z14＿10f2為非故障線路的負(fù)序阻抗；Z12f2為母線12到故障點(diǎn)間的負(fù)序阻抗；Z14f2為母線14到故障點(diǎn)間的負(fù)序阻抗；i2為故障點(diǎn)的電流；Rf為故障點(diǎn)的接地電阻（過渡電阻）。

圖1 單相接地故障負(fù)序電流分布

顯然，在故障發(fā)生的瞬間，負(fù)序瞬時(shí)電流很大，故障線路和非故障線路的電流方向不同；隨著暫態(tài)完成，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，故障線路與非故障線路的負(fù)序電流方向還是不同的，只是電流的數(shù)值發(fā)生了變化。本文提出了基于負(fù)序瞬時(shí)電流極性對(duì)故障線路定位方法，利用故障路徑與非故障路徑的負(fù)序電流極性的不同來確定故障線路的位置。

2 負(fù)序電流極性判據(jù)的建立

系統(tǒng)故障時(shí)，故障線路負(fù)序電流的特征頻帶分量與所有健全線路極性都相反，可以此作為選線的依據(jù)。選用某一條出現(xiàn)的負(fù)序電流作為參考線路。其他所有線路的負(fù)序電流分量和參考線路的負(fù)序電流進(jìn)行特征頻帶分量的內(nèi)積運(yùn)算：

式中，當(dāng)Ijm＞0時(shí)，表明第j條出線的負(fù)序電流與所選參考線路的負(fù)序電流的極性相同；當(dāng)Ijm＜0時(shí)，表明該線路的負(fù)序電流極性與參考線路負(fù)序電流的極性是相反的。如果參考線路只與某一條出線反極性，則該出線為故障線路；如果與其它所有出線都反極性，則參考線路為故障線路；如果與其它所有出線都同極性，則為母線接地故障。

據(jù)此，配電網(wǎng)可以根據(jù)線路負(fù)序電流與參考電流的內(nèi)積建立0-1模型，本文中用x表示，定義為：

式中，j＝1，2，…，n，L且j≠m；xj表示第j條線路上的負(fù)序電流與參考線路負(fù)序電流內(nèi)積的判據(jù)值；當(dāng)線路j發(fā)生故障時(shí)線路的負(fù)序電流與參考線路負(fù)序電流的內(nèi)積為負(fù)，則xj＝1，否則其值為零；當(dāng)線路j＝1，2，…，n，L且j≠m，負(fù)序電流與參考線路的負(fù)序電流的內(nèi)積判據(jù)值都為1時(shí)，表示參考線路為故障線路；反之，當(dāng)所有線路的負(fù)序電流與參考線路負(fù)序電流內(nèi)積的判據(jù)值都為0時(shí)，表示該母線發(fā)生故障。

綜上所述，可用0-1模型判據(jù)來定位配電網(wǎng)故障線路，這里用S表示，其定義為：

式中，j＝1，2，…，n，L且j≠m；S2m為參考線路故障的判據(jù)值；S2j為線路j故障的判據(jù)值；?表示邏輯乘法運(yùn)算；－表示非運(yùn)算。這里的負(fù)序瞬時(shí)分量利用瞬時(shí)對(duì)稱分量法進(jìn)行提取，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的對(duì)稱分量法是基于穩(wěn)態(tài)分量，而瞬時(shí)對(duì)稱分量法是基于時(shí)域內(nèi)定義的。

3 仿真測(cè)試

基于負(fù)序瞬時(shí)電流極性對(duì)配電網(wǎng)輸電線路故障的定位步驟如下：

（1）采集故障后各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的電流；

（2）利用小波變換提取各線路的瞬時(shí)負(fù)序電流；

（3）選取參考線路的負(fù)序電流，將各個(gè)線路的負(fù)序電流與參考負(fù)序電流進(jìn)行內(nèi)積計(jì)算并轉(zhuǎn)換成0-1模型；

（4）根據(jù)線路0-1模型值建立基于負(fù)序電流極性的判據(jù)確定配電網(wǎng)的故障線路。

3.1 仿真模型建立

本文通過PSCAD針對(duì)單相接地、兩相接地、兩相短路進(jìn)行故障仿真。仿真模型選擇以14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例對(duì)所提出的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)模型

設(shè)故障線路為圖2中的TLine7＿14和TLine7＿11，其中TLine7＿11的負(fù)序電流設(shè)置為參考電流，測(cè)量點(diǎn)設(shè)在輸電線路兩端，規(guī)定電流方向?yàn)槟妇€流向線路為正。

3.2 故障仿真驗(yàn)證

由于篇幅原因，仿真時(shí)只在bus7的出線TLine7＿14和TLine7＿11上進(jìn)行故障設(shè)置，仿真圖形只列出了與bus7相連接的4條出線的負(fù)序電流極性判據(jù)值的圖形。假設(shè)故障線路中A相發(fā)生故障，采樣頻率為2 MHz，故障發(fā)生在0.2 s。圖3是線路TLine7＿14發(fā)生故障時(shí)，母線7所有出線負(fù)序電流的邏輯判據(jù)值；圖4是參考線路TLine7＿11發(fā)生故障時(shí)母線7所有出線負(fù)序電流的邏輯判據(jù)值。

圖3 母線7的出線負(fù)序電流邏輯值

從圖3中可以看出，只有線路TLine7＿14的負(fù)序電流與參考線路負(fù)序電流內(nèi)積的邏輯判據(jù)值在0.2 s后變?yōu)?，TLine7＿11、TLine7＿8、TLine4＿7的判據(jù)值為0，從而可以判斷是線路TLine7＿14在t＝0.2 s時(shí)發(fā)生故障，與事實(shí)相符。

圖4 參考線路故障的邏輯判據(jù)值

圖4 中可以看出，參考線路的邏輯判據(jù)值發(fā)生變化，其它線路負(fù)序電流的邏輯值相同為0，從而可以得出一個(gè)結(jié)論，即故障線路為參考線路，與實(shí)際相符。仿真驗(yàn)證說明基于負(fù)序電流極性對(duì)配電網(wǎng)故障線路的檢測(cè)是適用的。

4 結(jié) 論

在分析配電網(wǎng)故障特征的基礎(chǔ)上，本文提出了基于負(fù)序瞬時(shí)電流的極性對(duì)配電網(wǎng)故障線路的定位，以母線出線的負(fù)序瞬時(shí)電流的極性作為判據(jù)確定故障線路。結(jié)果顯示，該方法不僅能定位發(fā)生高阻抗故障接地，也能夠?qū)Φ妥杩构收辖拥鼐€路進(jìn)行定位；既不受接地電阻的大小影響，也不受線路電容分布的影響；同時(shí)不受中性點(diǎn)接地方式的影響，具有很強(qiáng)的可靠性。

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