基于故障反演陣的配電網(wǎng)接地定位終端數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)方法

李亞國，王瑞玨，張 偉，岳彩娟

（1.國網(wǎng)山西省電力公司，山西太原 030000；2.積成電子股份有限公司，山東濟(jì)南 250100）

當(dāng)前的配電網(wǎng)多采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)大電阻接地或不接地等小電流接地運(yùn)行方式。當(dāng)單相接地故障發(fā)生時(shí)，小電流接地運(yùn)行方式雖然可以限制故障電流在較小范圍內(nèi)，但由于變電站出線開關(guān)保護(hù)未速斷跳閘，因此故障線路將保持缺相供電運(yùn)行，長時(shí)間這樣運(yùn)行將會危及人畜生命及設(shè)備安全，因此需要盡快定位接地故障點(diǎn)，快速隔離故障，確保配電網(wǎng)運(yùn)行安全[1-4]。配電網(wǎng)小電流接地定位系統(tǒng)可基于接地定位終端采集的故障信息判定故障區(qū)間，隔離故障區(qū)域和恢復(fù)健全區(qū)域供電，是提高配電網(wǎng)供電可靠性的重要手段[5-8]。

錄波性故障指示器和一二次融合設(shè)備等無源型接地定位終端不依靠注入裝置，僅依靠接地故障前后時(shí)刻零序電流、零序電壓、零序功率等特征量的采集和比對即可實(shí)現(xiàn)對接地故障的定位，在當(dāng)前配電網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用[9-12]。但由于產(chǎn)品質(zhì)量、安裝工藝、運(yùn)行環(huán)境、維護(hù)手段等多種因素的影響，接地定位終端漏報(bào)、誤報(bào)故障信號和錯(cuò)報(bào)故障信息的情況時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了小電流接地故障判定的準(zhǔn)確性。目前，對自動(dòng)化終端的數(shù)據(jù)分析多集中在遙信遙測辨識、終端在線率分析、終端電池活化分析、終端通信分析等方面，對接地故障情況下的終端數(shù)據(jù)質(zhì)量分析研究較少[13-16]。故此，為提升配電網(wǎng)接地故障感知能力，增強(qiáng)配電網(wǎng)供電可靠性，有必要對接地時(shí)終端告警信息、故障信息等數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析評價(jià)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)終端缺陷，為搶修消缺與運(yùn)行維護(hù)提供有力支撐。

文中首先分析了小電流接地情況下的零序電流分布，然后建立了接地終端數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)數(shù)學(xué)模型，最后根據(jù)數(shù)據(jù)模型，提出了一種基于故障反演陣的終端數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)方法。

1 接地終端數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)數(shù)學(xué)模型

配電網(wǎng)接地故障發(fā)生時(shí)，接地相電壓將會降低，非接地相電壓將會升高，電壓的不對稱性引起了各相電容電流的變化，從而產(chǎn)生零序電壓和零序電流。整個(gè)電網(wǎng)是同一連通系，單饋線的電壓變化將會引起其他饋線的電壓變化，但由于變壓器的隔離作用，電壓變化將只會影響變壓器副邊側(cè)同一母線的所有饋線。故此，接地故障的相關(guān)分析不同于短路故障，需考慮故障饋線所在母線連接的所有饋線。

當(dāng)前，基于波形比對的錄波型故障指示器、錄波型終端等被廣泛應(yīng)用在配電網(wǎng)中，當(dāng)接地故障發(fā)生時(shí)，接地終端檢測到對地場強(qiáng)變化后將啟動(dòng)零序電流錄波功能，同時(shí)將向主站上報(bào)接地故障告警信號；當(dāng)主站系統(tǒng)接收到各終端的告警信號和故障錄波文件后，在主站基于饋線拓?fù)潢P(guān)系對各個(gè)接地終端采集的故障時(shí)刻波形進(jìn)行比對，通過故障點(diǎn)上游波形、故障點(diǎn)下游波形及其他非故障點(diǎn)饋線的終端波形差異，確定接地故障點(diǎn)。但由于各種原因的影響，終端誤報(bào)、漏報(bào)和錯(cuò)報(bào)情況時(shí)有發(fā)生。誤報(bào)是指正常運(yùn)行時(shí)接地終端誤報(bào)接地故障信息；漏報(bào)是指故障情況下接地終端漏報(bào)告警信號；錯(cuò)報(bào)是指故障情況下接地終端采集的錄波信息錯(cuò)誤。這些情況皆會嚴(yán)重影響接地故障的判定和快速搶修恢復(fù)。

如圖1 典型饋線接地終端分布所示，F(xiàn)eeder1～Feeder4 為4 條饋線，S1～S4 為變電站出線開關(guān)，也是各條饋線的電源點(diǎn)；L1～L3 為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，F(xiàn)1～F24 為可以上報(bào)接地告警信號和故障錄波信息的終端，Bus1為變電站10 kV 母線，F(xiàn)ault1 為接地故障點(diǎn)。

圖1 典型饋線接地終端分布

當(dāng)Fault1 發(fā)生接地故障時(shí)，整個(gè)Bus1 母線上所有饋線Feeder1～Feeder4 的零序電壓和零序電流皆會發(fā)生變化，各接地終端皆應(yīng)上報(bào)故障告警信號并采集故障波形。故障點(diǎn)上游到母線路徑上的零序電流波形與故障點(diǎn)下游及其他非故障線路（Feeder1、Feeder3、Feeder4）的零序電流波形方向不同。設(shè)故障點(diǎn)上游至母線路徑上的零序電流方向?yàn)橛晒收宵c(diǎn)流向母線，其他線路上的零序電流方向?yàn)閺哪妇€流向饋線，如圖1 中箭頭所示。

建立母線接地終端信息陣BGTM，記錄一條母線所有供電饋線上的接地終端信息，具體描述為：

式中，每行為一條饋線上的所有接地終端編號，i=1,2,…,n，n為母線供電饋線總數(shù)；j=1,2,…,m，m為最大饋線包含的接地終端數(shù)；btij為第i條饋線中第j個(gè)接地終端的編號，若該終端不存在，則用-1 表示。

2 基于故障反演陣的終端數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)方法

接地終端數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)主要是指通過對接地終端上送到主站的故障告警信號和故障錄波波形數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)，辨識存在誤報(bào)、漏報(bào)、錯(cuò)報(bào)等質(zhì)量缺陷的接地終端，以便及時(shí)運(yùn)維和消缺。

當(dāng)配電網(wǎng)無故障正常運(yùn)行時(shí)，上報(bào)接地故障告警信號的終端將存在誤報(bào)告警信號缺陷。建立接地故障信息誤報(bào)終端集合GFAS，用于描述正常運(yùn)行時(shí)主站接收到誤報(bào)接地故障告警信號的終端，具體為：

式中，fag為第g個(gè)誤報(bào)接地故障告警信號的接地終端編號，g=1,2,…,q，q為誤報(bào)故障告警信號的接地終端總數(shù)。

當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，故障點(diǎn)上游的接地終端上報(bào)故障信號，零序電流由線路流向母線；故障點(diǎn)下游及其他非故障線路上報(bào)故障信號，零序電流由母線流向線路。根據(jù)故障搶修人員現(xiàn)場確認(rèn)的實(shí)際接地故障點(diǎn)，逆推每一個(gè)接地終端的故障告警信號和零序電流方向，將這些終端與實(shí)際采集的故障告警信號和零序電流方向進(jìn)行比對，可辨識漏報(bào)與錯(cuò)報(bào)故障信息的接地終端。

從接地故障點(diǎn)開始，沿著潮流逆方向，從電源點(diǎn)向上追溯，直到變電站出線開關(guān)為止，其所經(jīng)歷的接地定位終端定義為該故障點(diǎn)的上游接地終端。建立故障點(diǎn)上游終端設(shè)備集合FUTS，用于記錄該故障點(diǎn)的所有上游接地終端信息，具體為：

式中，utk為故障點(diǎn)上游終端設(shè)備集合FUTS中第k個(gè)接地終端編號，k=1,2,…,h，h為故障點(diǎn)上游終端設(shè)備集FUTS中所含接地終端總數(shù)。

建立故障反演標(biāo)準(zhǔn)信息陣FISM，記錄真實(shí)接地故障發(fā)生時(shí)，各接地終端應(yīng)該上報(bào)的接地故障告警信號和零序電流方向信息，具體為：

式中，每行為一條饋線上的所有接地終端的標(biāo)準(zhǔn)故障信息，i=1,2,…,n，n為母線供電饋線總數(shù)；j=1,2,…,m，m為最大饋線包含的接地終端數(shù)；fsij為第i條饋線中第j個(gè)接地終端的標(biāo)準(zhǔn)故障信息，即接地終端btij上報(bào)的接地故障告警信號和零序電流方向信息。當(dāng)接地終端btij與故障點(diǎn)上游終端設(shè)備集合FUTS中任一元素utk相同時(shí)，表示該接地終端處于故障點(diǎn)上游路徑，其零序電流方向?yàn)閺木€路流向母線，fsij取值為3；當(dāng)接地終端btij與故障點(diǎn)上游終端設(shè)備集合FUTS中所有元素皆不相同，且不為-1 時(shí)，表示該接地終端處于故障點(diǎn)下游或非故障線路上，其零序電流方向?yàn)閺哪妇€流向線路，fsij取值為2；當(dāng)接地終端btij為-1 時(shí)，fsij取值為-1。

建立故障反演實(shí)時(shí)信息陣FIRM，用于記錄接地故障發(fā)生時(shí)，各接地終端實(shí)際上報(bào)主站的接地故障告警信號和零序電流方向信息，具體為：

式中，每行為一條饋線上所有接地終端的實(shí)時(shí)故障信息；frij為第i條饋線中第j個(gè)接地終端的實(shí)時(shí)故障信息，即接地終端btij上報(bào)的實(shí)時(shí)接地故障告警信號和零序電流方向信息。當(dāng)接地終端btij未上報(bào)故障信息時(shí)，frij取值為0；當(dāng)接地終端btij采集的零序電流方向?yàn)榫€路流向母線時(shí)，frij取值為3；當(dāng)接地終端btij采集的零序電流方向?yàn)槟妇€流向線路時(shí)，frij取值為2；當(dāng)接地終端btij為-1 時(shí)，frij取值為-1。

建立故障反演缺陷信息陣FIDM，用于記錄接地故障發(fā)生時(shí)主站系統(tǒng)實(shí)際采集信息與故障標(biāo)準(zhǔn)信息之間的偏差，具體為：

式中，每行為一條饋線上所有接地終端的故障偏差信息；fdij為第i條饋線中第j個(gè)接地終端的標(biāo)準(zhǔn)故障信息fsij與實(shí)時(shí)故障信息frij的差值，其取值有0、2、3、1、-1 五種情況。當(dāng)fdij為0 時(shí)，表示接地終端btij上報(bào)的故障信息完全正確；當(dāng)fdij為2 或3時(shí)，表示接地終端btij存在漏報(bào)故障信息的情況；當(dāng)fdij為1 或-1 時(shí)，表示接地終端btij錯(cuò)報(bào)零序電流故障波形。

建立接地故障信息漏報(bào)終端集合FMTS，以記錄母線所供饋線中所有存在漏報(bào)故障告警信號的接地定位終端，具體為：

式中，fma為接地故障信息漏報(bào)終端集合FMTS中第a個(gè)漏報(bào)故障告警信號的接地終端編號，即fdij為2 或3 時(shí)對應(yīng)的接地終端btij；a=1,2,…,b，b為漏報(bào)故障告警信號的接地終端總數(shù)。

建立接地故障信息錯(cuò)報(bào)終端集合FWTS，以記錄母線所供饋線中所有存在錯(cuò)報(bào)故障錄波信息的接地定位終端，具體為：

式中，fwd為接地故障信息錯(cuò)報(bào)終端集合FWTS中第d個(gè)錯(cuò)報(bào)故障錄波信息的接地終端編號，即fdij為1 或-1 時(shí)對應(yīng)的接地終端btij；d=1,2,…,e，e為錯(cuò)報(bào)故障錄波信息的接地終端總數(shù)。

綜上所述，接地故障信息誤報(bào)終端集合GFAS、接地故障信息漏報(bào)終端集合FMTS、接地故障信息錯(cuò)報(bào)終端集合FWTS中所含設(shè)備即是配電網(wǎng)中存在誤報(bào)、漏報(bào)、錯(cuò)報(bào)等數(shù)據(jù)質(zhì)量缺陷的接地定位終端，需及時(shí)派遣運(yùn)維人員進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)或更換，以確保接地情況下故障信息采集的正確性，確保小電流接地故障研判及隔離的準(zhǔn)確性。

3 實(shí)例分析

對于圖1 中所示的配電饋線，在正常無故障運(yùn)行方式下，主站接收到表1 中所示終端的接地告警信號；某日發(fā)生接地故障，主站接收到各接地終端的告警信號和零序電流波形信息，如表2 所示，根據(jù)接地定位研判方法，故障發(fā)生在接地終端F9 下游區(qū)域，但是經(jīng)搶修人員現(xiàn)場勘查后，確定接地故障發(fā)生在接地終端F8、F10 圍成的區(qū)域，如圖1 中的Fault1。接地終端故障告警信息的漏報(bào)和錯(cuò)報(bào)嚴(yán)重影響了接地故障研判的準(zhǔn)確性。

表1 接地終端無故障正常運(yùn)行下的告警信息

表2 接地終端故障運(yùn)行方式下的告警信息

根據(jù)第1 節(jié)所述方法，由式（1）建立母線接地終端信息陣BGTM為：

根據(jù)第2 節(jié)所述方法，由式（2）、（3）建立接地故障信息誤報(bào)終端集合GFAS、故障點(diǎn)上游終端設(shè)備集合FUTS，分別為：

由式（4）～（7）建立故障反演標(biāo)準(zhǔn)信息陣FISM、故障反演實(shí)時(shí)信息陣FIRM，分別為：

由式（8）建立故障反演缺陷信息陣FIDM，為：

由式（9）、（10）生成接地故障信息漏報(bào)終端集合FMTS及接地故障信息錯(cuò)報(bào)終端集合FWTS，分別為：

如此，運(yùn)維檢修人員可根據(jù)接地故障信息誤報(bào)終端集合GFAS、接地故障信息漏報(bào)終端集合FMTS、接地故障信息錯(cuò)報(bào)終端集合FWTS中所列設(shè)備盡快到現(xiàn)場進(jìn)行定點(diǎn)精準(zhǔn)化檢修及維護(hù)更換，以便確保小電流接地故障感知的準(zhǔn)確性，從而達(dá)到提升供電可靠性的目的。

4 結(jié)論

文中首先分析了接地故障發(fā)生時(shí)配電網(wǎng)各饋線零序電流的潮流分布及接地終端告警情況，建立了接地終端數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)數(shù)學(xué)模型，通過母線接地終端信息陣BGTM描述一條母線所有供電饋線上的接地終端信息；然后建立接地故障信息誤報(bào)終端集合GFAS，用于記錄正常運(yùn)行時(shí)的誤報(bào)終端。基于母線接地終端信息陣BGTM與故障點(diǎn)上游終端設(shè)備集合FUTS生成了故障反演標(biāo)準(zhǔn)信息陣FISM，并通過該陣與故障反演實(shí)時(shí)信息陣FIRM的差值生成了故障反演缺陷信息陣FIDM。最后通過故障反演缺陷信息陣FIDM確定了接地故障信息漏報(bào)終端集合FMTS與接地故障信息錯(cuò)報(bào)終端集合FWTS。實(shí)例分析表明，所述方法可對接地終端的上報(bào)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，對存在誤報(bào)、漏報(bào)、錯(cuò)報(bào)的終端進(jìn)行辨識，方法簡單可靠，可較好地滿足現(xiàn)場運(yùn)維檢修的需求。