一種新型配電網(wǎng)單相接地故障定位策略及其應用

丁娟，張衡

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏銀川 750001）

0 引言

中性點小電流接地在未來相當一段時間內(nèi)仍將占據(jù)國內(nèi)中低壓配電網(wǎng)接地方式的主導地位[1-2]。單相接地故障是配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)最常見的故障，約占80%以上[3]?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)中，由于饋線增多且對地電容電流變大，若長時間帶故障運行將導致絕緣擊穿，進而引起相間短路，破壞電力系統(tǒng)安全運行[4]。單相接地故障時電流微弱、電弧不穩(wěn)定，從而導致此類故障可靠檢測和定位困難。近年來，配電網(wǎng)單相接地故障選線技術取得了長足的發(fā)展，基本能夠正確判定單相接地線路，但是，在配電網(wǎng)單相接地故障定位方面，仍缺乏有效的技術手段[5]。

配電自動化系統(tǒng)的大規(guī)模應用為配電網(wǎng)單相接地故障定位創(chuàng)造了有利條件，但是，目前的配電自動化終端一般都不具備有效的單相接地故障信息檢測與判別功能，配電自動化主站系統(tǒng)不具備有效的單相接地故障區(qū)段定位功能。針對上述情況，本文提出一種基于多源信息綜合判斷的配電自動化單相接地定位策略。該策略采用“站內(nèi)選線+站外區(qū)段定位”模式，變電站中性點消弧線圈并聯(lián)中值電阻選線裝置和電纜線路配電自動化終端分別采集故障信息，由主站根據(jù)該故障信息及配電自動化終端提供的零序過流動作等信息進行故障分析。利用配電自動化系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、傳輸與應用方面的優(yōu)勢，并充分研究單相接地故障定位策略，實現(xiàn)配電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段精準定位，通過建立不同接地方式的單相接地故障定位示范工程驗證本方案的可行性。

1 配電網(wǎng)故障數(shù)據(jù)融合

配電網(wǎng)多級別結構按照信息價值的遞進關系將信息融合分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合。這三個層次融合診斷信息的表征水平由低到高，分別滿足故障檢測、故障識別和故障定位的需要，最終通過融合決策得出診斷結果。其結構如圖1所示。

圖1 多級別融合結構

1.1 數(shù)據(jù)層融合

數(shù)據(jù)層融合直接對單相接地監(jiān)測裝置的原始觀測數(shù)據(jù)進行綜合和分析。要實現(xiàn)數(shù)據(jù)層融合，其監(jiān)測裝置必須相同或匹配，并能夠在原始數(shù)據(jù)上實現(xiàn)關聯(lián)，且需保證是對同一目標或狀態(tài)的數(shù)據(jù)融合[6]。數(shù)據(jù)層融合即相當于對單相接地監(jiān)測裝置獲取的信息進行綜合處理。從圖1可以看出，數(shù)據(jù)層融合的結果主要用于故障檢測和為特征層融合提供信息兩個方面。目前，用于故障診斷的數(shù)據(jù)層融合的主要方法有小波變換、FFT、加權平均法、算術平均法和貝葉斯理論等。

1.2 特征層融合

特征層融合通過對單相接地監(jiān)測裝置采集的數(shù)據(jù)進行預處理并獲取數(shù)據(jù)特征信息和數(shù)據(jù)匹配，在此基礎上對所獲特征進行關聯(lián)處理，從而完成目標的融合識別過程,因此，特征層融合本質上是一種模式識別方法。從圖1可知，特征層融合過程主要包括三個方面：對數(shù)據(jù)層的融合結果進行預處理，完成故障識別和為更高級決策層融合提供信息。目前，應用于故障診斷領域的特征層融合方法主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡、卡爾曼濾波、模式識別診斷方法和模糊理論等。

1.3 決策層融合

決策層融合在配電網(wǎng)信息融合故障分析模型層次結構最高。決策層融合基于不同類型的監(jiān)測裝置建立起來的監(jiān)測網(wǎng)絡，通過預處理、特征提取、特征識別和判決來完成對某一目標或狀態(tài)的監(jiān)測和初步?jīng)Q策，通過關聯(lián)處理和決策層融合判決獲得聯(lián)合推斷結果；因此，決策層融合輸出是一個綜合所有信息的診斷結果，完成故障定位，并輸出診斷結果。

2 配電網(wǎng)在線監(jiān)測終端故障區(qū)段定位策略

配電自動化系統(tǒng)主站實時開展故障掃描，當滿足故障啟動判據(jù)時，故障定位分析程序將自動啟動。利用故障信息解析技術提取線路多點間及同母線多線路間各測點的故障特征基因，并通過對不同選線方法提取出的故障特征基因進行歸一化處理，進而構建故障特征基因集并生成配電網(wǎng)在線監(jiān)測終端的故障區(qū)段定位策略。該策略運行如圖2所示。

圖2 策略運行

故障定位策略運行的整體思路如下：

第一步，當主站系統(tǒng)接收到配電網(wǎng)在線監(jiān)測終端錄波啟動動作信號后，主動召喚母線下所有線路故障錄波文件。

第二步，利用波形解析技術，將收集的波形文件進行進一步解析，將抽取出的三相電流、三相電壓、零序電流等電氣量采樣值繪制出波形圖，以供人工分析。

第三步，對波形文件進行深度解析，定量計算相電流突變值、波形相似度以及基于EMD分解技術的固有模態(tài)能量值，提取出故障特征基因。

第四步，對通過不同故障診斷方法計算出的故障特征量進行歸一化處理，構建特征基因集。

第五步，將特征基因最明顯的配電網(wǎng)在線監(jiān)測終端特征基因轉換成配電網(wǎng)在線監(jiān)測終端接地翻牌動作信號，并發(fā)送給短路故障處理機制。

第六步，根據(jù)前幾步提取的故障信號量，沿用短路故障處理的拓撲算法和處理機制完成單相接地故障定位的閉環(huán)處理。

2.1 提取故障特征基因

通過解析波形文件可獲取各電氣量的采樣值并完成波形還原，此外，需要通過定量計算來輔助故障區(qū)段定位，并利用基于EMD分解技術的固有模態(tài)能量法，對單相接地故障進行仿真分析，進而提取出不同接地方式、不同接地過渡電阻、不同的故障初相角等條件下配電網(wǎng)單相接地故障穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)特征原始數(shù)據(jù)。

2.2 構建故障特征基因集

由于不同選線方法所提取出的故障特征基因沒有橫向可比性，因此需要將不同維度下提取的基因值進行歸一化處理，構建不同級別的故障特征基因集以提高定位故障區(qū)段的可信度。構建基因集如圖3所示。其中，黃色代表特征基因組號B，故障特征最明顯；紅色代表特征基因組號A，故障特征僅次于組號B的特征；藍色代表特征基因組號C，故障特征不明顯。

圖3 故障特征基因集

基于EMD分解技術的固有模態(tài)能量法仿真數(shù)據(jù)，可以得出，故障區(qū)段的固有模態(tài)能量值最大。根據(jù)該特點，可提取出其特征基因并構建成基因集，具體實施方法如下：

（1）將所有的固有模態(tài)能量值組成一個集合{i0_emd}，從中獲取到該集合中的最大能量值i0_emd_max，最小能量值i0_emd_min；

（2）計算兩個最值之間的中間值i0_emd_mid，即i0_emd_mid=（i0_emd_max-i0_emd_min）÷2，歸集原則：特征基因落在[i0_emd_min，i0_emd_mid]區(qū)間，特征基因組號置為1；落在[i0_emd_mid,i0_emd_max]區(qū)間，特征基因組號置為3。

最后，綜合波形相似度和固有模態(tài)能量值構建的故障特征基因集，如果至少有兩種方法構建的某一配電網(wǎng)在線監(jiān)測終端波形特征基因組號都為3，就確定該配電網(wǎng)在線監(jiān)測終端代表的是故障點，并將其作為故障區(qū)段定位的一個策略發(fā)送給短路故障處理機制，供后續(xù)定位分析。

3 配電網(wǎng)單相接地故障定位

配電網(wǎng)的多級別分析中，數(shù)據(jù)層來源于配電網(wǎng)在線監(jiān)測終端對接地故障的錄波文件，通過解析技術提取錄波文件中的故障特征因子和故障基因集并組成特征層，并利用調度自動化主站和配電自動化主站系統(tǒng)的相關數(shù)據(jù)集構建決策層，進而完成對單相接地故障分析定位。

單相接地故障研判采用“站內(nèi)選線+站外區(qū)段定位”的模式，由變電站中性點消弧線圈并聯(lián)中值電阻選線裝置和電纜線路配電自動化終端分別采集故障信息，并由主站進行綜合研判。主站研判所需信號來源主要分為兩部分：由主網(wǎng)EMS系統(tǒng)轉發(fā)變電站母線接地故障指示信號、母線3U0和并聯(lián)中值電阻選線裝置選線結果，由配電自動化終端提供包含零序電流峰值的零序過流動作信息。

單相接地故障多源信息處理流程如圖4所示，流程處理如下：

圖4 單相接地故障定位流程

（1）收到母線發(fā)生接地故障指示信號；

（2）啟動分析，分析母線下游所有線路是否有配電網(wǎng)在線監(jiān)測終端上送的接地故障告警信號；

（3）找到有接地故障告警信號的線路，與變電站提供的選線結果進行比對；

（4）比對結果符合，開始進行故障定位并提供相應的建議操作步驟；

（5）比對結果不符，按照配網(wǎng)動作信號的結論進行故障定位并給出相應的建議操作步驟，同時提示結果與變電站選線結果不符，提示調度人員加以分析；

（6）沒有找到配網(wǎng)保護動作信息，檢查變電站是否有選線結果；

（7）變電站有選線結果，提示故障接地區(qū)域為選線線路的出線電纜故障；

（8）變電站沒有選線結果，提示有接地故障，但是無法判定故障區(qū)域。

單相接地故障分析功能與傳統(tǒng)故障定位功能的區(qū)別在于需要對保護關聯(lián)關系進行更正，這是由于指示短路故障的指示信號與指示接地故障的指示信號所對應的設備列表可能不相同；因此，需要對設備關聯(lián)的保護/配電網(wǎng)在線監(jiān)測終端的類型做區(qū)分，接地故障時讀取接地故障類型的信號關聯(lián)關系，短路故障時，讀取短路故障類型的信號關聯(lián)關系，從而滿足多類型故障的需求。

3.1 站外區(qū)段定位

站外區(qū)段定位結果由并聯(lián)中值電阻投入期間配電自動化終端采集零序電流幅值經(jīng)主站分析后給出。主站對零序過流峰值量測信息的分析邏輯如下：

（1）系統(tǒng)收到母線接地信號，等待一定時間收集信號；

（2）系統(tǒng)開始對母線下游到聯(lián)絡開關的所有設備進行拓撲搜索，搜索設備中零序過流電流峰值最大的設備，并根據(jù)該設備搜索到上游斷路器，確定接地線路；

（3）對該條線路上的保護動作信號有效值進行比對；

（4）校驗下游設備動作的電流峰值與緊鄰的上游設備動作的電流峰值之差是否大于規(guī)定限值（限值由用戶根據(jù)經(jīng)驗給出）；

（5）大于規(guī)定限值的保護動作認為無效；

（6）沒有大于規(guī)定限制的保護動作認為有效；

（7）完成零序保護信號的有效值分析，開始進行故障定位。

具體流程如圖5所示。

圖5 基于零序過流的單相接地主站研判流程

3.2 站內(nèi)選線

站內(nèi)選線的結果由消弧線圈并聯(lián)中值電阻選線裝置獨立給出。并聯(lián)中值電阻并聯(lián)在消弧線圈兩端，在接地時快速投入并聯(lián)電阻，投入時間不超過1 s，通過這種方式向接地點注入有功分量，使接地線路的電流幅值與相位都有比較明顯的變化，以便與其他正常線路相區(qū)分。與以往的小電流選線相比，該選線方法選線時流入接地點的電流幅值大，相位變化明顯。單相接地發(fā)生后，系統(tǒng)等效電路見圖6，通過理論計算得到各回出線線路系數(shù)K和電阻投切有關的系數(shù)δ，根據(jù)系數(shù)δ判定是母線接地還是非母線接地，通過線路系數(shù)K找出接地故障線路。

圖6 并聯(lián)中值電阻選線

消弧線圈并聯(lián)中值電阻選線方式綜合了調匝式消弧線圈補償速度快和電阻選線兩種方式的優(yōu)點，既保持了電阻接地可以準確選線的優(yōu)點，又采用預調式消弧線圈減少接地點殘流，限制弧光接地過電壓，確保對瞬時性接地進行有效補償，對于永久性接地故障準確選線，必要時可以跳閘。

4 應用效果

為了驗證本文所提策略的可行性，某供電公司在78座變電站內(nèi)配置小電流接地選線裝置49座，在221條架空線路安裝暫態(tài)錄波型故障指示器301套。配電網(wǎng)架空線路中，通過2021年的實際應用，截至到2021年6月，累計反饋架空線路接地148次，暫態(tài)故指動作148次，正確率由小于30%提高到100%。

在配電網(wǎng)電纜線路中，累計發(fā)生跳閘369次，經(jīng)檢查均因單相接地造成，根據(jù)調研結果，累計判斷接地365次，正確率由小于30%提高到98?91%，可靠性提高到99?991%。

5 結語

隨著國網(wǎng)公司對配電自動化實用化加速推進，各種類型的配電終端、故障指示器接入配電自動化主站，為單相接地在線定位提供了條件。本文充分利用配電自動化系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、傳輸與應用方面的優(yōu)勢，結合配電自動化主站，提出一種新型配電網(wǎng)單相接地故障定位策略。該策略采用“站內(nèi)選線+站外區(qū)段定位”模式，由主站根據(jù)該故障信息及配電自動化終端提供的零序過流動作等信息進行綜合研判。通過建立不同接地方式的單相接地故障定位工程應用，驗證了該策略可有效提升配電網(wǎng)的接地故障準確率，對實際的工程應用具有很強的推廣作用。