基于GIS技術(shù)的配電網(wǎng)高壓電纜接地故障定位方法

王良鋒

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)華東電力試驗(yàn)研究院有限公司，浙江 杭州 311217）

0 引 言

配電網(wǎng)高壓電纜接地裝置是保障電力系統(tǒng)安全性的重要基礎(chǔ)，一旦出現(xiàn)接地故障，需要及時(shí)進(jìn)行維修[1]。雖然現(xiàn)階段已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)高壓電纜接地故障的快速識(shí)別，但是對(duì)于具體故障位置的定位仍然存在一定不足，影響了后續(xù)維護(hù)管理工作的實(shí)施效率，間接影響著電網(wǎng)環(huán)境的安全[2]。針對(duì)配電網(wǎng)高壓電纜接地故障定位問題，文獻(xiàn)[3]以含光伏電源配電網(wǎng)為研究對(duì)象，通過對(duì)暫態(tài)零序電流的屬性特征進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單相接地故障的準(zhǔn)確定位。但是受研究范圍的影響，該方法在實(shí)際應(yīng)用方面存在一定的局限性。文獻(xiàn)[4]以艦船中壓電網(wǎng)為研究對(duì)象，利用小波分析為間歇性的接地故障進(jìn)行定位，定位結(jié)果具有較高的精度，但是當(dāng)接地故障為持續(xù)狀態(tài)時(shí)，該方法的檢測(cè)效果會(huì)受到明顯影響。通過對(duì)上述研究成果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步深化對(duì)電纜接地故障定位技術(shù)的研究很有必要[5]?；诖?，本文提出基于GIS技術(shù)的配電網(wǎng)高壓電纜接地故障定位方法，并在實(shí)際應(yīng)用中分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)技術(shù)定位結(jié)果的可靠性。

1 配電網(wǎng)高壓電纜接地故障定位技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 基于GIS的配電網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

在對(duì)配電網(wǎng)高壓電纜接地故障進(jìn)行定位時(shí)，影響定位結(jié)果可靠性的主要因素是故障數(shù)據(jù)在配電網(wǎng)絡(luò)中的匹配效果不夠理想[6]。針對(duì)該問題，利用地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems，GIS）技術(shù)構(gòu)建配電網(wǎng)絡(luò)模型。將目標(biāo)高壓電纜對(duì)應(yīng)線路的導(dǎo)線段層和各設(shè)備層看作一個(gè)有機(jī)的組合，根據(jù)它們之間的連接關(guān)系構(gòu)建幾何網(wǎng)絡(luò)模型[7]。將原來各層中的線要素作為幾何網(wǎng)絡(luò)的邊線，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建的基于GIS的配電網(wǎng)絡(luò)模型可以表示為

式中：ki表示GIS配電網(wǎng)絡(luò)中的接點(diǎn)；sj表示與接點(diǎn)存在直接連接關(guān)系的導(dǎo)線段。

按照這樣的方式，完成對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)GIS模型的構(gòu)建。

1.2 電纜接地故障定位

為了提高后續(xù)故障定位的可靠性，進(jìn)一步明確GIS配電網(wǎng)中各網(wǎng)絡(luò)要素的具體屬性。將要素的結(jié)構(gòu)統(tǒng)一定義為

式中：ki1表示GIS系統(tǒng)字段，主要負(fù)責(zé)標(biāo)識(shí)空間數(shù)據(jù)及其屬性數(shù)據(jù)；ki2表示要素類，按照實(shí)際的情況為該指標(biāo)設(shè)置了電源、開關(guān)、變壓器、導(dǎo)線段以及T接點(diǎn)5個(gè)可執(zhí)行類；ki3表示要素的運(yùn)行編號(hào)，對(duì)于具體參數(shù)的取值以電力規(guī)范命名的運(yùn)行編號(hào)為準(zhǔn)；ki4表示要素狀態(tài)，利用或門設(shè)置該指標(biāo)具體的參數(shù)，即處于運(yùn)行狀態(tài)或非運(yùn)行狀態(tài)；ki5表示其他，主要用于體現(xiàn)增加功能時(shí)為配電網(wǎng)要素添加的屬性。

對(duì)于已經(jīng)獲得的故障數(shù)據(jù)，按照式（2）對(duì)故障數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的要素進(jìn)行分析。需要注意的是，單一要素的結(jié)構(gòu)并不唯一，在對(duì)已知的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)需要結(jié)合配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)于故障數(shù)據(jù)的分析方式可以表示為

式中：f(x)表示對(duì)于故障數(shù)據(jù)x的屬性分析結(jié)果；sim[·]表示相似函數(shù)；ki(x)表示故障數(shù)據(jù)x的屬性參數(shù)。

將f(x)代入到GIS配電網(wǎng)絡(luò)模型中，實(shí)現(xiàn)對(duì)具體故障位置的匹配，即

式中：s(x)表示電纜故障位置的定位結(jié)果。

2 測(cè)試與分析

2.1 測(cè)試環(huán)境

在對(duì)基于GIS技術(shù)的配電網(wǎng)高壓電纜接地故障定位方法的定位效果進(jìn)行分析時(shí)，選擇的仿真建模對(duì)象為ATP/EMTP。對(duì)于測(cè)試結(jié)果的分析與計(jì)算，選擇的工具為MATLAB。在具體的測(cè)試環(huán)境設(shè)置階段，根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況，為了降低測(cè)試環(huán)境構(gòu)建階段的難度，本文并未完全采用原始復(fù)雜的母線接線方式搭建測(cè)試環(huán)境，而是對(duì)電纜的線路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。最終搭建的綜合測(cè)試模型如圖1所示。

圖1 綜合測(cè)試模型

在構(gòu)建的測(cè)試配電網(wǎng)環(huán)境中，采用理想電源作為電壓源，為了有效模擬無窮大三相電源的特性，將電壓的起始角設(shè)置為初始狀態(tài)。變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗分別為5.5 kW和37 kW，電纜正序參數(shù)的阻值為0.026 8 Ω/km、電感為0.87 mH/km、電容為0.04 F/km，負(fù)序參數(shù)的阻值為0.268 Ω/km、電感為3.2 mH/km、電容為0.008 72 μF/km。與母線直接相連的元件為測(cè)量模塊，其作用是獲取測(cè)試環(huán)境中的電壓和電流數(shù)據(jù)。同時(shí)，電纜接地故障暫態(tài)信號(hào)也是利用該裝置采集。在母線段的分接設(shè)置上，共搭建了3條線路，3條電纜線路的長(zhǎng)度分別為4.0 km、5.0 km以及6.0 km。其中線路l和線路2運(yùn)行正常，線路3為故障狀態(tài)。利用2根獨(dú)立電纜（3-1和3-2）模擬線路3的故障段。在測(cè)試過程中，通過改變2根獨(dú)立電纜（3-1和3-2）的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電纜接地故障位置的模擬。

2.2 測(cè)試結(jié)果

按照100 kHz的采樣頻率獲取綜合測(cè)試模型的實(shí)時(shí)信號(hào)，在故障持續(xù)時(shí)間為0.125 s的條件下，分別測(cè)試設(shè)計(jì)方法對(duì)不同故障的定位結(jié)果?？紤]到對(duì)測(cè)試結(jié)果分析的需求，分別將文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]提出的方法作為對(duì)照組，分別統(tǒng)計(jì)3種方法的定位結(jié)果。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)表1中的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，文獻(xiàn)[3]所提方法對(duì)于不同程度電纜接地故障定位結(jié)果的誤差存在明顯的差異。當(dāng)電流線模、零模分量的幅值變化不大時(shí)，定位結(jié)果的誤差基本穩(wěn)定在0.1 km以內(nèi)；當(dāng)電流線模、零模分量的幅值明顯增加后，對(duì)應(yīng)的定位誤差逐漸增大至0.2 km。在文獻(xiàn)[4]所提方法的測(cè)試結(jié)果中，電纜接地故障定位結(jié)果的誤差具有較高的穩(wěn)定性，基本穩(wěn)定在0.1 km范圍內(nèi)，并未受到故障狀態(tài)的顯著影響。

在本文所提定位方法的測(cè)試結(jié)果中，對(duì)于不同程度故障位置的定位結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，對(duì)應(yīng)的誤差始終穩(wěn)定在0.05 km范圍內(nèi)，并且表現(xiàn)出了較高的穩(wěn)定性。結(jié)合上述測(cè)試結(jié)果，基于GIS技術(shù)的配電網(wǎng)高壓電纜接地故障定位方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜接地故障位置的準(zhǔn)確判斷，對(duì)于實(shí)際的故障定位和故障檢修工作而言具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

在對(duì)配電網(wǎng)高壓電纜接地故障進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，除了要實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)故障狀態(tài)的有效診斷外，還要準(zhǔn)確判斷具體故障位置。通過將GIS技術(shù)融入到對(duì)應(yīng)的故障定位研究中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電纜接地故障位置的有效分析，具有較高的定位精度。通過基于GIS技術(shù)的配電網(wǎng)高壓電纜接地故障定位方法的應(yīng)用，為實(shí)際的配電網(wǎng)高壓電纜維護(hù)和檢修工作提供幫助，促進(jìn)配電領(lǐng)域的長(zhǎng)久發(fā)展。