基于配電自動化技術(shù)的小電流接地故障區(qū)段定位方法

姜建，劉家齊，李燕青，宋樂，

（1.杭州供電公司，杭州310000；2.華北電力大學(xué) 河北 保定071003）

0 引 言

小電流接地故障選線的研究歷經(jīng)多年，采用的方法主要集中在暫態(tài)選線法［1-4］、穩(wěn)態(tài)選線法［5-8］、智能算法［9-11］等方面。暫態(tài)選線法的主要思想是利用信號處理工具對配電網(wǎng)發(fā)生接地故障后產(chǎn)生的暫態(tài)零序電流進行分析，通過制定一種判據(jù)，找出故障特征最明顯的線路，其選線成功與否的關(guān)鍵在于特征判據(jù)的制定。穩(wěn)態(tài)選線法主要是利用故障進入穩(wěn)態(tài)后線路零序電流電壓的幅值、相位信息進行選線，面臨的主要問題是要全面統(tǒng)一的分析配電網(wǎng)在各處故障線路、非故障線路的不同特點，以正確區(qū)分二者。智能算法主要指粗糙集理論、模糊集理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，這種方法綜合多種選線判據(jù)，在選線準確度方面有所提升，但算法龐大復(fù)雜，系統(tǒng)開銷大是其主要缺點。

文章提出的是一種穩(wěn)態(tài)選線法，利用現(xiàn)有的配電自動化技術(shù)，在饋線自動化終端FTU上嵌入DFT相位檢測算法［12］，對故障發(fā)生后零序電流電壓相位差進行計算并將結(jié)果上傳給配電管理中心，中心計算機對各處FTU上傳的相位差進行檢查判斷以選出故障區(qū)段。選線方法全面利用了故障后不同線路的零序電流電壓相位關(guān)系，仿真驗證了所提方法的有效性。

1 選線原理

中性點非有效接地配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后線路的零序網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，開關(guān)K閉合時對應(yīng)中性點經(jīng)消弧線圈接地方式，打開時對應(yīng)中性點不接地方式。

圖1 配電網(wǎng)零序網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 Zero-sequence circuit diagram for DS

下面著重分析在兩種接地方式下，故障線路與非故障線路零序電流與零序電壓的相位關(guān)系。

（1）中性點不接地時故障線路特征

中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后故障線路的零序等效電路如圖2（a）所示。圖中u0為在故障點加入的零序電壓源，電阻、電容為線路等效參數(shù)，虛線框內(nèi)為線路末端接的等效負荷。根據(jù)正弦穩(wěn)態(tài)電路的知識，在圖中所示的參考方向下，電壓電流相量圖如圖3（a）所示，在空載時，電流I0空載超前電壓u0一角度，由于電阻的存在，該角度小于90度；負載時，由于負荷一般是阻感性，可能會使零序電流I0負載滯后零序電壓u0一角度，該角度也小于90°。由于實際采集到的零序電流方向都是以母線流向負荷為正方向，與圖中I0方向相反，當(dāng)改變正方向后，零序電流-I0與零序電壓 U0的相位差在 -90°～-270°之間。

圖2 線路等效零序電路Fig.2 Equivalent circuit for transmission line

（2）中性點經(jīng)消弧線圈接地故障線路特征

中性點經(jīng)消弧線圈接地時故障線路的等效零序網(wǎng)絡(luò)如圖2（b）所示，其零序電流電壓相位關(guān)系如圖3（b）所示。由于配電網(wǎng)中消弧線圈一般都裝設(shè)成過補償方式，所以圖3（b）中IL與求∑i0非和后得到的I0在第四象限，改變正方向后-I0在第二象限，也即當(dāng)以母線流向負荷為正方向后，故障線路的零序電流與零序電壓的相位差在-180°～-270°之間。

圖3 線路零序電流電壓相位關(guān)系圖Fig.3 Phase relation diagram of zero voltage and current

（3）兩種接地方式下非故障線路的特征

非故障線路零序電流與零序電壓的相位關(guān)系不受中性點消弧線圈的影響，因為非故障線路零序電流并不經(jīng)過消弧線圈。非故障線路在末端空載情況下，零序等效電路如圖2（c）所示，零序電流電壓相位關(guān)系如圖3（c）中I0空載所示；在末端帶有負荷的情況下，零序等效電路如圖2（d）所示，零序電流電壓相位關(guān)系如圖3（c）中I0負載所示，綜上，非故障線路零序電流與零序電壓的相位差在-90°～90°之間。

海上救助離不開人道主義救援國的配合與加入，為有效整合救助資源，搜救責(zé)任區(qū)內(nèi)的締約國往往也要協(xié)調(diào)并組織前來進行道義性援助的國家，以保障它們順利從事海上救助。然而，即使是出于道義上的幫助，人道主義救援國本身也是有組織、有計劃地參與救助且享有協(xié)調(diào)權(quán)。當(dāng)這種權(quán)利面臨搜救責(zé)任區(qū)內(nèi)締約國的協(xié)調(diào)權(quán)，且人道主義救援國是有意進入他國責(zé)任區(qū)內(nèi)進行救助時，兩者之間就會產(chǎn)生一種配合與被配合、指揮與被指揮的關(guān)系。需要明確的是，這兩種協(xié)調(diào)權(quán)的競合往往是隨機、臨時的，而并不涉及主權(quán)或是條約和協(xié)定的遵守等問題。因此，契約與道義權(quán)源間的競合具有一般性和機動性。

2 選線算法

算法的基本思想是借助配電自動化技術(shù)在各線路出口處安裝FTU元件，通過內(nèi)嵌的DFT相位檢測算法算出本處的零序電流與電壓相位差，將相位差信息上傳至配電管理中心計算機，中心計算機執(zhí)行選線算法，找出故障區(qū)段。

現(xiàn)對算法的具體實現(xiàn)結(jié)合圖4說明如下：

（1）將實際的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)映射到選線算法系統(tǒng)中，記錄各個FTU之間的上下級關(guān)系，并給每個FTU編號；

（2）故障發(fā)生后，觸發(fā)各處FTU單元采集故障穩(wěn)態(tài)后一個周期內(nèi)零序電壓電流信息，得到兩個正弦波序列，對這兩個序列做DFT變換，記錄其中幅值最大的頻率序號值m，此頻率序號對應(yīng)的實部和虛部按照公式（1）運算，得到電流和電壓的相位，二者相減得到相位差，將相位差結(jié)果上傳至中心計算機；

圖4 裝有FTU的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.4 DS structure with FTU equipped

（3）中心計算機根據(jù)預(yù)先建立的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)從母線側(cè)開始依次檢查每個FTU上傳的相位差，若該值在-90°～90°之間，則該FTU安裝處及其下游為非故障線路，停止檢查其下游的FTU上傳的數(shù)值；若該值在-90°～-270°之間，則該FTU安裝處及其下游為故障線路，但還不能確定故障區(qū)段，建立一個存儲故障區(qū)段始端FTU編號的單元，存入該FTU的編號，繼續(xù)檢查其下游的與其直接相連的FTU的數(shù)值；

（4）若該值在-90°～90°之間，則建立一個存儲故障區(qū)段末端FTU編號的單元，存入該FTU的編號；若該值在-90°～-270°之間，則更新步驟3中的存儲單元，存入該FTU編號，繼續(xù)檢查其下游的與其直接相連的FTU的數(shù)值；

（5）重復(fù)執(zhí)行步驟4直到與故障區(qū)段始端直接相連的所有FTU的值都在-90°～90之間；

3 仿真試驗

為了驗證算法的有效性，在SIMULINK平臺上進行了仿真試驗，仿真模型的結(jié)構(gòu)如圖4所示，假設(shè)在f處發(fā)生單相接地故障，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5（a）為中性點經(jīng)消弧線圈接地線路末端負載時的仿真結(jié)果；圖5（b）為中性點不接地線路末端負載時的仿真結(jié)果；圖5（c）為中性點經(jīng)消弧線圈接地線路末端空載時的仿真結(jié)果；圖5（d）為中性點不接地線路末端空載時的仿真結(jié)果。

由仿真結(jié)果可以看出，各種情況下零序電流與零序電壓相位差與選線原理中所分析的結(jié)果符合良好，在兩種中性點接地方式下，線路空載或負載時，算法均能正確選出故障區(qū)段，證明了所提算法的有效性。

圖5 仿真結(jié)果圖Fig.5 Simulation result diagram

4 結(jié)束語

文章全面分析了配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后各處線路的零序電流與零序電壓的相位關(guān)系，通過零序電流位于不同的象限很好地區(qū)分了兩種接地方式下（中性點不接地和經(jīng)過消弧線圈接地）故障線路和非故障線路的特點，仿真驗證了所提算法能夠有效地選出故障區(qū)段。

本文提出的算法要求能夠準確地得到零序電流與電壓的相位差，且只考慮了配電網(wǎng)在同一時刻僅有一處發(fā)生單相接地故障的情況。