基于分布式智能的小電流接地故障定位技術(shù)研究

孫桂花，王敬華，梁學(xué)良，張新慧，王　輝

（1.山東理工大學(xué)，電氣與電子工程學(xué)院，山東　淄博　255049；2.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東　淄博　255087；3.山東電力基本建設(shè)總公司，濟南　250000；4.國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，西安　710065）

·電網(wǎng)技術(shù)·

基于分布式智能的小電流接地故障定位技術(shù)研究

孫桂花1，王敬華2，梁學(xué)良3，張新慧1，王輝4

（1.山東理工大學(xué)，電氣與電子工程學(xué)院，山東淄博255049；2.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東淄博255087；3.山東電力基本建設(shè)總公司，濟南250000；4.國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，西安710065）

配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時，故障點兩側(cè)的暫態(tài)電流信號相似程度低，同側(cè)的相似程度高，以此為基礎(chǔ)提出一種分布式智能的小電流接地故障定位方法。該方法利用相鄰的饋線終端（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU），通過對等通信交換彼此采集的故障信息，并計算暫態(tài)電流信號的相似系數(shù)來實現(xiàn)故障的定位。由于它不依賴主站，故障區(qū)段定位速度快，通信壓力小，可顯著提高供電可靠性。通過靜模試驗驗證了分布式智能故障定位的可行性。

分布式智能；小電流接地故障；饋線終端；相似系數(shù)；故障區(qū)段定位

0　引言

在我國，配電網(wǎng)中性點廣泛采用不接地或小電流接地方式，而小電流接地系統(tǒng)最主要的故障形式是單相接地故障，占總故障的80%以上［1］。線路發(fā)生小電流接地故障后，三相電壓依然對稱，所以系統(tǒng)可運行1～2 h，甚至更長時間，可以提高供電的可靠性。但是不能長期帶故障運行，若運行時間過長容易造成相間短路故障，給電力系統(tǒng)帶來的危害更加嚴重。由此可見，及時找到單相接地故障的位置，并及時處理，對提高供電可靠性、保證配電設(shè)備運行安全具有十分重要的意義。

目前，小電流接地故障定位的方法已有很多參考文獻。文獻［2］利用暫態(tài)功率的極性確定大的故障區(qū)段，再利用暫態(tài)零序電流進一步確定其確切位置。文獻［3］將暫態(tài)零序電流信號凝縮為一個對應(yīng)電流波形復(fù)雜程度的熵值，通過比較電流熵值的大小來確定故障區(qū)段。該方法的缺點是信號熵值與信號復(fù)雜程度之間是非線性的對應(yīng)關(guān)系，且存在非唯一性。文獻［4］為了克服暫態(tài)電流相似性的盲區(qū)，提出了綜合暫態(tài)電流相似性和極性的故障定位方法。文獻［5］介紹了10 kV配電網(wǎng)饋線自動化系統(tǒng)的控制方式并對各種方式進行了比較，最后闡述了各個控制方式適用的場合。文獻［6］為提高配電網(wǎng)故障處理的性能，對各種故障處理的方式進行比較，提出了集中智能和分布智能協(xié)調(diào)控制策略。該方法依賴主站，通信壓力大，速度慢，投資大。

通過對文獻所提技術(shù)進行研究，提出一種基于分布式智能的小電流接地故障定位方法。該方法是饋線終端（FTU）之間通過對等通信交換故障信息，對采集到的暫態(tài)零序電流計算相似系數(shù)來確定故障的位置。這種基于分布式智能的故障定位方法，能適用于所有的檢測點，適應(yīng)范圍廣。除此之外，它不依賴于主站，減小了通信壓力，可提高供電可靠性。

1　故障分析

中性點不接地系統(tǒng)有n條輸電線路，假如故障發(fā)生在其中一條線路上，檢測點在AD線段中，在A、B、C、D四處分別設(shè)置一個負荷開關(guān)，E為故障點，零模等效電路如圖1所示。

圖1　故障的零模等效網(wǎng)絡(luò)

在AB區(qū)段的暫態(tài)零模電流為

由上可知，CD區(qū)段的暫態(tài)零模電流為

由式（1）、（2）得，各個檢測點的暫態(tài)零模電流之差等于它們之間線段的暫態(tài)電容電流。由于AB、CD段的線路比較短，故線段之間的暫態(tài)電流遠遠小于健全線路的零模電流總和，所以可以忽略AB、CD與大地之間的電容電流，則AB、CD段兩端的暫態(tài)零模電流近似相等，即二者的波形相似。

由圖1可知，在故障點處有一個虛擬電壓源，它產(chǎn)生的暫態(tài)零序電流為

通過對故障點處的暫態(tài)電流分析可知，故障點的電流一部分從故障點流向母線，即i2；另一部分是從故障點流向線路末端，即i3。因為故障點左右側(cè)的諧振頻率有差異，使得故障點左右側(cè)的暫態(tài)電流得差異很大［7］。由此可見，故障點左側(cè)和右側(cè)的暫態(tài)電流流向相反，二者差異很大，相似性低。

在諧振系統(tǒng)中，可以不考慮消弧線圈給暫態(tài)電流的故障特性帶來的影響。因為消弧線圈不會改變暫態(tài)電流的故障特性。在故障點右側(cè)相鄰檢測點的暫態(tài)電流仍具有相似性，在故障點左側(cè)的相鄰檢測點同右側(cè)一樣。在故障點左右側(cè)的暫態(tài)電流差異依然很大，二者不具有相似性。

2　相似系數(shù)理論

相似系數(shù)是描述2個函數(shù)之間在任意時刻的相似程度。相似系數(shù)能分析函數(shù)中每一個分量的大小和角度關(guān)系，是描述隨機變量的重要統(tǒng)計數(shù)學(xué)特征［8］。因此，可以求相鄰檢測點暫態(tài)電流之間的相似系數(shù)來分析它們之間的相似程度。

由公式（4）可知，相似系數(shù)就是2個不同信號的相乘［9］，若ρ=1，則說明兩檢測點的相似程度高；若ρ=0，則說明兩檢測點的相似程度低［10］。因此，相關(guān)系數(shù)的取值范圍為［0，1］。

對于健全區(qū)段相鄰兩檢測點的FTU檢測到的暫態(tài)電流相似系數(shù)接近于1，相似程度高；對于故障點兩側(cè)的FTU檢測到的暫態(tài)零模電流相似系數(shù)接近于0，相似程度極低。

3　分布式智能故障定位

3.1工作原理

分布式智能控制技術(shù)［11］，不依賴配電網(wǎng)主站或配電網(wǎng)子站，通過饋線終端（FTU）收集故障信息，然后與相鄰的饋線終端所收集的故障信息實現(xiàn)對等通信，計算相鄰饋線終端的暫態(tài)電流波形相似系數(shù)，來為故障點右側(cè)所有正常線路的暫態(tài)零模電確定小電流單相接地故障的位置，并將定位區(qū)段上報給主站。當(dāng)線路發(fā)生故障時，F(xiàn)TU檢測到故障電流等信息，當(dāng)故障電流消失后，F(xiàn)TU與相鄰的FTU通過對等通信相互交換檢測結(jié)果，以實現(xiàn)故障區(qū)段的定位。

分布式饋線的結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中S1、S2為斷路器，是變電站的出線開關(guān)，有4個檢測點，每一個檢測點對應(yīng)一個FTU，然而每一個FTU都采集相對應(yīng)的線路范圍內(nèi)的故障信息，并與附近的FTU通過對等通信進行相互交換檢測結(jié)果，以確定故障位置。

圖2　分布式饋線的結(jié)構(gòu)示意

3.2故障電流的檢測及FTU的啟動

3.2.1故障電流的檢測［12-14］

配電網(wǎng)線路上的每個檢測點都對應(yīng)一個FTU，主要功能是監(jiān)視每個檢測點零序電流的變化。當(dāng)饋線上發(fā)生故障時，記錄各個檢測點的暫態(tài)零序電流變化。將FTU記錄的故障信息與相鄰的FTU進行交換，可實現(xiàn)故障定位。

饋線終端（FTU）接入TA的零序電流端子上，可以直接采集零序電流。采集到的暫態(tài)零序電流可以啟動FTU，啟動的流程如圖3所示。

圖3　FTU啟動流程

3.2.2FTU的啟動

設(shè)置FTU裝置啟動的門檻值Ist。把檢測點下游線路與大地之間電容電流的有效值作為門檻值，F(xiàn)TU啟動的門檻值Ist為

式中：Krel為可靠性系數(shù)；I0i為i段下游線路與大地之間電容電流的有效值；U0i為檢測點i的零序電壓的有效值；C0i為檢測點i下游線路與大地之間的電容。

將FTU采集的暫態(tài)零序電流信號與FTU設(shè)置啟動的閾值進行比較，若在3個連續(xù)的采樣點中有2個及以上采樣點的幅值大于閾值，則FTU啟動并記錄故障信息；不然，F(xiàn)TU不會啟動，繼續(xù)對暫態(tài)電流進行采樣。

計算FTU記錄的故障信息。利用暫態(tài)零序電流來啟動FTU，不僅提高了FTU啟動的靈敏性，而且保證了故障信息的完整性。相比其他利用零序電流信號作為啟動信號的方法，能避免一定因素的干擾，提高了FTU對現(xiàn)場的適應(yīng)性、工作效率及準確性。

3.3故障定位判據(jù)

FTU記錄饋線上故障的暫態(tài)零序電流信息，并與相鄰的FTU通信，利用故障點兩側(cè)的暫態(tài)電流相似系數(shù)低而故障點上游或下游的暫態(tài)零序電流相似系數(shù)高，實現(xiàn)故障區(qū)段定位。相鄰的FTU進行比較確定故障區(qū)段后，把定位結(jié)果上報給主站，能提高故障定位的速度及供電可靠性。

在實際應(yīng)用中，對FTU暫態(tài)電流波形的提取很難做到同步［15］。因此，使用數(shù)據(jù)窗平移的方法來解決數(shù)據(jù)不同步的問題，即先固定住其中一個暫態(tài)電流的波形，讓另一個暫態(tài)電流波形進行平移。波形每平移一次就計算一次相關(guān)系數(shù)；繼而求出一系列暫態(tài)電流的相關(guān)系數(shù)，然后取絕對值最大者作為暫態(tài)電流相似系數(shù)［16］。即公式（4）改為

式中：Tt為FTU信息交換最大的時間誤差；對超過記錄范圍［0，T］的電流數(shù)據(jù)用0補上。

比較配電網(wǎng)線路上相鄰FTU的暫態(tài)電流相似系數(shù)就能實現(xiàn)故障定位。但是饋線上最后一個區(qū)段只有一個FTU或者FTU位于線路的最末端，因為故障電流太小而不能啟動，此時的故障定位方法為：

1）若相鄰FTU的暫態(tài)電流系數(shù)都小并且小于我們預(yù)先設(shè)定的閾值，閾值一般為0.5～0.8，則該區(qū)段就是故障區(qū)段。

2）若配電線路上所有的FTU的暫態(tài)電流系數(shù)都大于預(yù)先設(shè)定的閾值，閾值一般為0.5～0.8則饋線上最后一個FTU的下游為故障區(qū)段。

這種分布式智能的故障定位方法，不用暫態(tài)電壓信號，只采用暫態(tài)電流信號，能適用于所有的檢測點，適應(yīng)范圍廣。

3.4故障區(qū)段定位

分布式智能的定位方法是利用相鄰饋線終端通過對等通信交換故障信息實現(xiàn)故障區(qū)段定位。這種方法速度快，不依賴主站或子站的全局信息，對配電網(wǎng)具有更好的適應(yīng)性。

故障發(fā)生后，離故障點上游最近的FTU故障電流大，先啟動；FTU啟動后，故障定位的步驟如下。

1）對暫態(tài)電流采樣頻率進行一致性處理。如果相鄰兩個或多個檢測點暫態(tài)電流采樣頻率不一致，需要對數(shù)據(jù)進行處理。

2）對各監(jiān)測點的暫態(tài)電流進行濾波。濾除各監(jiān)測點記錄暫態(tài)電流信號的直流分量，之后再進行帶通濾波。

3）計算各相鄰檢測點的相似系數(shù)。主控FTU啟動后，向所有的FTU發(fā)出索要零序電流波形的命令，然后在主控FTU里面計算各個相鄰FTU之間的暫態(tài)電流波形相似系數(shù)。

4）計算相關(guān)系數(shù)閾值。設(shè)置步驟3）中暫態(tài)電流波形系數(shù)相似度最低的值為閾值ρT，一般為0.5～0.8。

5）確定故障區(qū)段。故障發(fā)生后，離故障點上游最近的FTU先啟動，作為一個主控FTU，然后向所有的FTU發(fā)出索要暫態(tài)電流波形的命令；主控FTU得到暫態(tài)電流波形后，計算他們各自相鄰FTU的相似系數(shù)。故障區(qū)段的確定分以下幾種情況：a）對于有2個檢測點的線路，若故障點上游的FTU與相鄰的FTU的暫態(tài)電流相似系數(shù)不大于ρT，則為故障區(qū)段；否則為非故障線路，繼續(xù)比較其他相鄰FTU暫態(tài)電流相似系數(shù)直到線路的末端。b）對于3個及以上檢測點組成的區(qū)段，若故障點上游檢測點與各個下游檢測點對應(yīng)的暫態(tài)零序電流相似系數(shù)都不大于ρT，則為故障區(qū)段；否則為非故障區(qū)段，繼續(xù)比較其他相鄰FTU暫態(tài)電流的相似系數(shù)直到線路末端。c）對于最后一個檢測點的上游都是非故障線路，則它的下游就是故障線路。

分布式智能小電流接地故障的主要處理流程如圖4所示。

圖4　分布式智能小電流接地故障的主要處理流程

4　試驗分析

在山東理工大學(xué)靜態(tài)模擬實驗室進行分布式智能小電流接地故障的試驗。靜模試驗屏上故障線路如圖5所示。出線7由閉合CB13、斷開CB32、S14、S15、S16、S17構(gòu)成；該系統(tǒng)由電源1進行供電，在出線7的D14、D15點進行小電流接地故障的試驗。線路7中的S14、S15、S16、S17為線路中FTU測量點，主要監(jiān)視各個檢測點的變化。CB13的暫態(tài)電流等于站內(nèi)終端線路的暫態(tài)電流。

圖5　故障線路的示意

在出線7中，分別對D14、D15接地點進行接地故障的試驗。為了避免偶然性，對故障點進行若干次試驗，并記錄每次試驗的故障時間、暫態(tài)電流波形、FTU與相鄰FTU之間波形的相似系數(shù)、FTU處理故障的結(jié)果等。

當(dāng)故障點分別為 D14、D15時，S14、S15、S16、S17的暫態(tài)電流波形如圖6、圖7所示。

圖6　D14為故障點時的波形

圖7　D15為故障點時的波形

通過對圖6、圖7中S14、S15、S16、S17旁邊的FTU采集到的暫態(tài)電流波形計算，分別求出相鄰FTU的相似系數(shù)如表1所示。

表1　相鄰FTU之間波形的相似系數(shù)

由表1數(shù)據(jù)可知，當(dāng)故障點為D14時，D14、D15間的FTU計算的暫態(tài)電流相似系數(shù)為0.49小于ρT，而D15、D16之間的暫態(tài)電流相似系數(shù)分別為0.87大于ρT；則故障區(qū)段為S14～S15；同理得，當(dāng)故障點為D15時，故障區(qū)段為S15～S16。通過相鄰FTU交換計算結(jié)果定位出故障區(qū)段，之后再上報給主站。可見，通過對相鄰FTU采集到的暫態(tài)電流波形比較并計算出相似系數(shù)能實現(xiàn)小電流故障的準確定位。

5　結(jié)語

提出一種基于分布式智能的小電流接地故障定位方法，即饋線終端（FTU）之間通過對等通信交換故障信息，通過對采集的暫態(tài)電流計算相似系數(shù)來實現(xiàn)故障區(qū)段定位。該方法只需要暫態(tài)電流信號，不用暫態(tài)電壓信號，能適用于所有的檢測點，適應(yīng)范圍廣。通過靜模試驗驗證了分布式智能故障定位的可行性，與傳統(tǒng)的定位方法相比，分布式智能故障定位不依賴于主站，能減小通信壓力，可以更加迅速、精確地找到故障位置，提高供電可靠性。

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Small Current Grounding Fault Location Technology Based on Distributed Intelligence

SUN Guihua1，WANG Jinghua2，LIANG Xueliang3，ZHANG Xinhui1，WANG Hui4
（1.Shandong University of Technology，Zibo 255049，China；2.Shandong Kehui Power Automation Co.，Ltd.，Zibo 255087，China；3.Shandong Electric Power Construction Corporation，Jinan 250000，China；4.State Grid Technical Economic Research Institute of Shanxi Power Company，Xi'an 710065，China）

When the single phase to earth fault occurs in the small current grounding system of the distribution network，the similarity degree of the transient current signals is low on both sides of the fault point，but that of the same side is high.Based on this，a distributed intelligent fault location method for small current grounding is proposed.The method utilizes the feeder terminalunit（FTU），whichisadjacenttothefeederterminal，tocollectthefaultinformationfromeachother，andthentocalculate the similarity coefficient of the transient current signal to realize the fault location.Because it does not rely on the master station，the fault section location speed is fast，and the communication pressure is small，thus the reliability of power supply can be significantly improved.The feasibility of the distributed intelligent fault location is verified by the static model test.

distributed intelligence；small current grounding fault；feeder terminal；correlation coefficient；fault section location

TM77

A

1007-9904（2016）08-0001-05

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2012AA050213）

2016-03-08

孫桂花（1988），女，碩士，研究方向為配電網(wǎng)自動化。