基于瞬時電流極性法對配電網(wǎng)故障線路的定位

李 慧，王 奔

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都610031）

0 引 言

線路發(fā)生故障后，快速切除故障線路并且準(zhǔn)確地確定故障的位置，讓巡檢員能夠及時地修復(fù)、快速地供電，這對整個電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有十分重要的作用。配電網(wǎng)一旦發(fā)生故障對社會生產(chǎn)和人們的生活都存在影響。目前，配電網(wǎng)故障檢測和診斷的研究主要是傾向于離線故障檢測和診斷，并且研究對象主要是低阻故障，即配電網(wǎng)發(fā)生故障后通過某種檢測方法來識別和定位故障的位置，但是對于配電網(wǎng)線路中一些瞬時性故障和故障特征不明顯的高阻故障仍然是一個難題。

故障后的負(fù)序電流有明顯特征，即故障線路與非故障線路電流的流向是不同的，從而導(dǎo)致負(fù)序電流的極性也不相同。本文提出了利用負(fù)序電流極性對故障線路進(jìn)行定位的方法，該方法既能確定發(fā)生低阻故障的線路也能確定發(fā)生高阻故障的線路。

1 基于負(fù)序電流極性方法的提出

從配電網(wǎng)線路故障的特征分析可以得知，在發(fā)生故障瞬間，故障信號的暫態(tài)分量中含有豐富的故障信息，并且暫態(tài)分量的幅值要比穩(wěn)態(tài)量大得多。配電網(wǎng)線路發(fā)生不對稱故障時，配電網(wǎng)等效的負(fù)序結(jié)構(gòu)圖中，故障點(diǎn)的負(fù)序電壓最高，相當(dāng)于在故障點(diǎn)接入了一個負(fù)序電壓源，距離故障點(diǎn)越遠(yuǎn)負(fù)序電壓越低。

單相接地故障的等效電路圖如圖1所示。圖中只列出故障線路相鄰線路圖，Z12＿14f2為故障線路兩母線中非故障線路的負(fù)序阻抗；Z11＿12f2、Z14＿10f2為非故障線路的負(fù)序阻抗；Z12f2為母線12到故障點(diǎn)間的負(fù)序阻抗；Z14f2為母線14到故障點(diǎn)間的負(fù)序阻抗；i2為故障點(diǎn)的電流；Rf為故障點(diǎn)的接地電阻（過渡電阻）。

圖1 單相接地故障負(fù)序電流分布

顯然，在故障發(fā)生的瞬間，負(fù)序瞬時電流很大，故障線路和非故障線路的電流方向不同；隨著暫態(tài)完成，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，故障線路與非故障線路的負(fù)序電流方向還是不同的，只是電流的數(shù)值發(fā)生了變化。本文提出了基于負(fù)序瞬時電流極性對故障線路定位方法，利用故障路徑與非故障路徑的負(fù)序電流極性的不同來確定故障線路的位置。

2 負(fù)序電流極性判據(jù)的建立

系統(tǒng)故障時，故障線路負(fù)序電流的特征頻帶分量與所有健全線路極性都相反，可以此作為選線的依據(jù)。選用某一條出現(xiàn)的負(fù)序電流作為參考線路。其他所有線路的負(fù)序電流分量和參考線路的負(fù)序電流進(jìn)行特征頻帶分量的內(nèi)積運(yùn)算：

式中，當(dāng)Ijm＞0時，表明第j條出線的負(fù)序電流與所選參考線路的負(fù)序電流的極性相同；當(dāng)Ijm＜0時，表明該線路的負(fù)序電流極性與參考線路負(fù)序電流的極性是相反的。如果參考線路只與某一條出線反極性，則該出線為故障線路；如果與其它所有出線都反極性，則參考線路為故障線路；如果與其它所有出線都同極性，則為母線接地故障。

據(jù)此，配電網(wǎng)可以根據(jù)線路負(fù)序電流與參考電流的內(nèi)積建立0-1模型，本文中用x表示，定義為：

式中，j＝1，2，…，n，L且j≠m；xj表示第j條線路上的負(fù)序電流與參考線路負(fù)序電流內(nèi)積的判據(jù)值；當(dāng)線路j發(fā)生故障時線路的負(fù)序電流與參考線路負(fù)序電流的內(nèi)積為負(fù)，則xj＝1，否則其值為零；當(dāng)線路j＝1，2，…，n，L且j≠m，負(fù)序電流與參考線路的負(fù)序電流的內(nèi)積判據(jù)值都為1時，表示參考線路為故障線路；反之，當(dāng)所有線路的負(fù)序電流與參考線路負(fù)序電流內(nèi)積的判據(jù)值都為0時，表示該母線發(fā)生故障。

綜上所述，可用0-1模型判據(jù)來定位配電網(wǎng)故障線路，這里用S表示，其定義為：

式中，j＝1，2，…，n，L且j≠m；S2m為參考線路故障的判據(jù)值；S2j為線路j故障的判據(jù)值；?表示邏輯乘法運(yùn)算；－表示非運(yùn)算。這里的負(fù)序瞬時分量利用瞬時對稱分量法進(jìn)行提取，因為傳統(tǒng)的對稱分量法是基于穩(wěn)態(tài)分量，而瞬時對稱分量法是基于時域內(nèi)定義的。

3 仿真測試

基于負(fù)序瞬時電流極性對配電網(wǎng)輸電線路故障的定位步驟如下：

（1）采集故障后各個檢測點(diǎn)的電流；

（2）利用小波變換提取各線路的瞬時負(fù)序電流；

（3）選取參考線路的負(fù)序電流，將各個線路的負(fù)序電流與參考負(fù)序電流進(jìn)行內(nèi)積計算并轉(zhuǎn)換成0-1模型；

（4）根據(jù)線路0-1模型值建立基于負(fù)序電流極性的判據(jù)確定配電網(wǎng)的故障線路。

3.1 仿真模型建立

本文通過PSCAD針對單相接地、兩相接地、兩相短路進(jìn)行故障仿真。仿真模型選擇以14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例對所提出的方法進(jìn)行檢驗，如圖2所示。

圖2 14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)模型

設(shè)故障線路為圖2中的TLine7＿14和TLine7＿11，其中TLine7＿11的負(fù)序電流設(shè)置為參考電流，測量點(diǎn)設(shè)在輸電線路兩端，規(guī)定電流方向為母線流向線路為正。

3.2 故障仿真驗證

由于篇幅原因，仿真時只在bus7的出線TLine7＿14和TLine7＿11上進(jìn)行故障設(shè)置，仿真圖形只列出了與bus7相連接的4條出線的負(fù)序電流極性判據(jù)值的圖形。假設(shè)故障線路中A相發(fā)生故障，采樣頻率為2 MHz，故障發(fā)生在0.2 s。圖3是線路TLine7＿14發(fā)生故障時，母線7所有出線負(fù)序電流的邏輯判據(jù)值；圖4是參考線路TLine7＿11發(fā)生故障時母線7所有出線負(fù)序電流的邏輯判據(jù)值。

圖3 母線7的出線負(fù)序電流邏輯值

從圖3中可以看出，只有線路TLine7＿14的負(fù)序電流與參考線路負(fù)序電流內(nèi)積的邏輯判據(jù)值在0.2 s后變?yōu)?，TLine7＿11、TLine7＿8、TLine4＿7的判據(jù)值為0，從而可以判斷是線路TLine7＿14在t＝0.2 s時發(fā)生故障，與事實(shí)相符。

圖4 參考線路故障的邏輯判據(jù)值

圖4 中可以看出，參考線路的邏輯判據(jù)值發(fā)生變化，其它線路負(fù)序電流的邏輯值相同為0，從而可以得出一個結(jié)論，即故障線路為參考線路，與實(shí)際相符。仿真驗證說明基于負(fù)序電流極性對配電網(wǎng)故障線路的檢測是適用的。

4 結(jié) 論

在分析配電網(wǎng)故障特征的基礎(chǔ)上，本文提出了基于負(fù)序瞬時電流的極性對配電網(wǎng)故障線路的定位，以母線出線的負(fù)序瞬時電流的極性作為判據(jù)確定故障線路。結(jié)果顯示，該方法不僅能定位發(fā)生高阻抗故障接地，也能夠?qū)Φ妥杩构收辖拥鼐€路進(jìn)行定位；既不受接地電阻的大小影響，也不受線路電容分布的影響；同時不受中性點(diǎn)接地方式的影響，具有很強(qiáng)的可靠性。

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