利用暫態(tài)信號(hào)的配電網(wǎng)單相接地故障定位方法研究

黃燦英，楊墉金，晏慧敏

（1.江西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330200；2.江西農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院，江西 宜春 331200）

0 引 言

基于暫態(tài)信號(hào)的配電網(wǎng)單相接地故障定位方法的主要原理為確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)電流流量計(jì)故障區(qū)域范圍后，通過(guò)與相鄰監(jiān)控點(diǎn)之間的零模輸出電壓波形的相似性來(lái)測(cè)量并確定最終的故障區(qū)域。目前，我國(guó)的城市供電網(wǎng)絡(luò)大都通過(guò)小額定電流進(jìn)行連接，城市配電網(wǎng)系統(tǒng)單相接地故障準(zhǔn)確定位問(wèn)題仍普遍存在，且尚未得到針對(duì)性的解決。暫態(tài)分量定位模式下，由于暫態(tài)信號(hào)明顯大于穩(wěn)態(tài)信號(hào)，意味著故障區(qū)段與非故障區(qū)段的差異性更加明顯，因此就有定位靈敏度高且受消弧設(shè)備不良影響較輕等優(yōu)勢(shì)。

1 暫態(tài)信號(hào)與穩(wěn)態(tài)信號(hào)故障定位比對(duì)分析

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷增大，且配電網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋范圍明顯擴(kuò)大，由于配電網(wǎng)系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜變化，因此在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)各種故障問(wèn)題。當(dāng)前關(guān)于配電網(wǎng)故障定位技術(shù)的研究主要側(cè)重于配電自動(dòng)化系統(tǒng)區(qū)段定位方面，即通過(guò)在配電線(xiàn)路上安裝故障檢測(cè)終端的方式將配電網(wǎng)線(xiàn)路科學(xué)劃分為不同區(qū)段，借助檢測(cè)終端來(lái)獲取接地故障信號(hào)。

1.1 穩(wěn)態(tài)分量定位技術(shù)

利用穩(wěn)態(tài)信號(hào)進(jìn)行故障定位主要指在故障問(wèn)題持續(xù)狀態(tài)中連續(xù)獲取相對(duì)穩(wěn)定的信號(hào)量，依據(jù)信號(hào)量的產(chǎn)生方式對(duì)故障區(qū)段進(jìn)行定位分析。其中主要包括憑借故障問(wèn)題本身產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)信號(hào)量和借助其他設(shè)備產(chǎn)生的特定穩(wěn)態(tài)電流信號(hào)兩種，前者為被動(dòng)定位方式，而后者則具有較明顯的主動(dòng)定位特性。

目前，利用故障被動(dòng)式穩(wěn)態(tài)信號(hào)定位主要包括零序電流幅值比較法與零序無(wú)功功率方向法兩種。零序電流幅值比較法指將相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)工頻零序電流幅值與整定值進(jìn)行比對(duì)，利用消弧線(xiàn)圈對(duì)故障線(xiàn)路工頻零序電流進(jìn)行補(bǔ)償，多適用于中性點(diǎn)不接地配電系統(tǒng)。零序無(wú)功功率方向法主要通過(guò)計(jì)算穩(wěn)態(tài)零序無(wú)功功率來(lái)顯示零序電流極性的差異性，從而準(zhǔn)確進(jìn)行故障定位，適用于范圍相對(duì)較小的配電系統(tǒng)[1]。

采用故障主動(dòng)式故障定位方法時(shí)，通常需要借助其他設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作配合。通過(guò)改變配電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，增加工頻附加電流。借助相關(guān)設(shè)備向配電系統(tǒng)中注入附加電流信號(hào)，配電線(xiàn)路內(nèi)部的附加電流信號(hào)經(jīng)過(guò)母線(xiàn)故障線(xiàn)路后順利抵達(dá)故障點(diǎn)，隨后立即經(jīng)過(guò)大地返回原位置，以此實(shí)現(xiàn)檢測(cè)終端檢測(cè)附加電流信號(hào)的目的。主動(dòng)式穩(wěn)態(tài)故障定位主要指消弧線(xiàn)圈并聯(lián)，包括并聯(lián)電阻法、注入特定頻率信號(hào)方向法以及短接非故障相法。

1.2 暫態(tài)分量定位技術(shù)

相較于穩(wěn)態(tài)信號(hào)，暫態(tài)信號(hào)主要指不連續(xù)、瞬間出現(xiàn)的特定頻率信號(hào)，具有持續(xù)時(shí)間短且頻率波動(dòng)幅度較高的特點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生單相接地故障問(wèn)題時(shí)，暫態(tài)配電系統(tǒng)單相接地故障瞬間出現(xiàn)的暫態(tài)信號(hào)頻率和幅值要明顯大于穩(wěn)態(tài)信號(hào)，故障線(xiàn)路特征發(fā)生變化，往往難以精確電流定值，導(dǎo)致故障定位的精確度與可靠度無(wú)法得到有效保障。與穩(wěn)態(tài)分量定位技術(shù)相比，暫態(tài)分量定位不需要借助其他一次設(shè)備、信號(hào)注入設(shè)備，能夠同時(shí)兼顧配電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性。暫態(tài)分量定位技術(shù)主要是對(duì)各檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零模電流特征進(jìn)行準(zhǔn)確定位，對(duì)此可以采用暫態(tài)零模電流方向比較法、電流幅值比較法以及電流波形相似法來(lái)達(dá)到故障定位的目的[2]。我國(guó)中性點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)施工建設(shè)過(guò)程中主要采用不接地和消弧線(xiàn)圈接地2種方式，當(dāng)發(fā)生單相接地故障問(wèn)題時(shí)，會(huì)導(dǎo)致中性點(diǎn)與大地間存在較強(qiáng)的阻抗。從配電網(wǎng)線(xiàn)路結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特征來(lái)看，暫態(tài)信號(hào)分量故障定位技術(shù)有著更多的優(yōu)勢(shì)和較好的適用范圍。

2 系統(tǒng)單相接地故障定位難點(diǎn)分析

對(duì)于已經(jīng)提出并投入使用的故障定位方法，普遍用于配電系統(tǒng)故障線(xiàn)路零序電流或電壓信號(hào)的檢測(cè)，在獲取所需信號(hào)方面不太便利。尤其對(duì)于安裝在戶(hù)外的配電線(xiàn)路檢測(cè)裝置，在獲取信號(hào)時(shí)更容易受到限制，導(dǎo)致最終的檢測(cè)效果往往難以達(dá)到實(shí)際的應(yīng)用要求。

配電線(xiàn)路光纖覆蓋率普遍不高，且各類(lèi)檢測(cè)裝置大多采用公共網(wǎng)絡(luò)通信的方式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。使用故障指示器來(lái)檢測(cè)故障信號(hào)，其中三相采集單元需要借助短距離無(wú)線(xiàn)通信來(lái)完成數(shù)據(jù)信息的匯總和傳輸，最終發(fā)送傳輸至配電自動(dòng)化系統(tǒng)主站。整個(gè)傳輸過(guò)程存在信號(hào)傳輸不穩(wěn)定、信號(hào)易受干擾等問(wèn)題，導(dǎo)致配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)最終接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)質(zhì)量得不到保障，容易出現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)不全、信號(hào)缺相等異常問(wèn)題[3]。

對(duì)于接地故障定位檢測(cè)裝置，自身的運(yùn)行質(zhì)量容易受天氣等環(huán)境因素的影響，故障異常問(wèn)題發(fā)生率相對(duì)較高，運(yùn)維和調(diào)試較難。在選線(xiàn)環(huán)節(jié)需要確保1個(gè)變電站對(duì)應(yīng)1臺(tái)選線(xiàn)裝置，為定位裝置運(yùn)維與調(diào)試工作提供便利。選線(xiàn)裝置需要設(shè)置在變電站設(shè)備室內(nèi)，確保具有較好的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行條件，減少外界惡劣天氣因素對(duì)裝置的運(yùn)行質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

3 基于暫態(tài)信號(hào)的配電網(wǎng)單相接地故障定位方法

3.1 暫態(tài)頻率故障定位

暫態(tài)頻率故障定位需要充分考慮暫態(tài)零序電流電壓分布特點(diǎn)和配電系統(tǒng)故障點(diǎn)上下游零模電流頻率差異特征，以此確定故障點(diǎn)的線(xiàn)路區(qū)段。采用暫態(tài)零模電流頻率極端比較定位方法，具有通信數(shù)據(jù)量小、計(jì)算簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)配電單相接地故障點(diǎn)兩側(cè)的零模電流進(jìn)行分析，推斷出主要的暫態(tài)特征。一方面，配電系統(tǒng)故障點(diǎn)上游處的零模電流經(jīng)過(guò)故障點(diǎn)流向母線(xiàn)方向，而下游的零模電流流向路徑則以線(xiàn)路末端為最終流向點(diǎn)；另一方面，配電系統(tǒng)故障點(diǎn)上游的零模電流主頻率相對(duì)較低且幅值較大，下游的零模電流主頻率較高但幅值較小[4]。

當(dāng)發(fā)生配電系統(tǒng)單相接地故障問(wèn)題時(shí)，需要對(duì)暫態(tài)零模等值電路的零模電流進(jìn)行定量計(jì)算，以確定故障點(diǎn)的上、下游企業(yè)暫態(tài)零模電壓衰減系數(shù)和主振頻率系數(shù)。通常情況下，供電系統(tǒng)內(nèi)的健全線(xiàn)路與故障點(diǎn)上游線(xiàn)路的總長(zhǎng)度都要遠(yuǎn)大于下行線(xiàn)路總長(zhǎng)度。在充分考慮電源變壓器阻抗因素的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)運(yùn)算可確定故障點(diǎn)上游暫態(tài)零模電壓的主振頻率要低于下游故障點(diǎn)下行額定電流頻率，以此為依據(jù)確定故障定位區(qū)段。

由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜且配電自動(dòng)化系統(tǒng)終端主站數(shù)據(jù)處理能力受限，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本較高，因此需要采用相對(duì)簡(jiǎn)便的計(jì)算方法，便于工程應(yīng)用和分析推廣。配電網(wǎng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，零模電流基本上為零，而一旦發(fā)生單相接地故障，則會(huì)瞬間出現(xiàn)零模電流。以此作為判斷依據(jù)，計(jì)算并分析零模電流突變量的有效值，從而準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)區(qū)段。當(dāng)單相接地出現(xiàn)故障問(wèn)題后，配電自動(dòng)化系統(tǒng)主站能夠自主匯總相關(guān)數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行分析，以此準(zhǔn)確識(shí)別故障區(qū)域。

配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)主站主動(dòng)接收檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)送的相關(guān)檢測(cè)結(jié)果，借助配電網(wǎng)系統(tǒng)中各個(gè)分段線(xiàn)路的終端開(kāi)關(guān)裝置來(lái)計(jì)算暫態(tài)零序電流主振頻率，并將結(jié)果發(fā)送至系統(tǒng)主站。系統(tǒng)主站順著故障線(xiàn)路出口位置逐漸向下進(jìn)行搜索，當(dāng)一般暫態(tài)零模電流頻率故障系數(shù)超過(guò)故障定位標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，則可以正式確定故障點(diǎn)區(qū)段；當(dāng)搜索到最后一個(gè)區(qū)段故障系數(shù)仍然小于設(shè)定值時(shí)，則可以判斷配電網(wǎng)系統(tǒng)終端下游為故障點(diǎn)區(qū)段。

3.2 斜率距離差異故障定位

利用現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分挖掘，為故障點(diǎn)區(qū)段檢測(cè)提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支撐。采用時(shí)間序列相似性中的斜率距離差異法來(lái)計(jì)算和判斷配電零模電流突變量在兩個(gè)時(shí)間序列間的相似度，從而順利開(kāi)展零模電流信號(hào)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理工作。采用斜率距離差異度量法對(duì)兩個(gè)時(shí)間序列零模電流進(jìn)行分段表示，計(jì)算不同分段零模電流直線(xiàn)斜率并將不同區(qū)間的斜率差值相加，當(dāng)累積相加的斜率差異距離達(dá)到最小范圍時(shí)，則證明兩個(gè)時(shí)間序列相似度較高。通過(guò)分析判斷兩個(gè)不同序列的幅值和頻率間的差異性來(lái)反映零模電流幅值和主振頻率對(duì)斜率度量距離差異的影響，進(jìn)而以斜率距離度量的相似性準(zhǔn)確說(shuō)明這一方法的可行性。

基于斜率距離差異模式下的配電線(xiàn)路零模電流相似性分析以配電網(wǎng)零模電流分布規(guī)律為基礎(chǔ)，當(dāng)單相接地出現(xiàn)某些故障問(wèn)題時(shí)，配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)主站接收到故障信息，此時(shí)配電網(wǎng)終端開(kāi)始啟動(dòng)[5]。通過(guò)對(duì)各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的零模電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣錄波，由終端裝置記錄零模電流波形浮動(dòng)時(shí)間以及幅值、頻率變動(dòng)情況，根據(jù)這些信息來(lái)準(zhǔn)確構(gòu)建時(shí)間序列。當(dāng)發(fā)生單相接地故障問(wèn)題后，以配電網(wǎng)系統(tǒng)安裝的終端裝置作為分段檢測(cè)點(diǎn)，將暫態(tài)零模電流突變量作為啟動(dòng)檢測(cè)條件，通過(guò)計(jì)算工頻和暫態(tài)有效值為確定故障線(xiàn)路提供保障，根據(jù)配電網(wǎng)終端裝置采集到的零模電流波形構(gòu)成時(shí)間序列，運(yùn)用斜率距離度量算法極端得出波形相似系數(shù)，從而反映暫態(tài)零序電流相似性，定位故障區(qū)段。

4 結(jié) 論

近年來(lái)，配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)的更新發(fā)展為單相接地故障定位的實(shí)現(xiàn)提供了有力的技術(shù)保障?；谧詣?dòng)化技術(shù)在配電網(wǎng)系統(tǒng)線(xiàn)路上安裝多個(gè)配電終端，從而將配電線(xiàn)路劃分為多個(gè)區(qū)段，為故障點(diǎn)區(qū)段的準(zhǔn)確定位實(shí)現(xiàn)提供更多可能。同時(shí)通過(guò)分析研究不同故障點(diǎn)暫態(tài)零模電流的具體分布規(guī)律，在差異特性的基礎(chǔ)上探索準(zhǔn)確的故障定位方法。