基于廣域相量測量的小電流接地系統單相接地故障區段定位研究

宋秀芳

（國網北京通州供電公司電力調度控制中心，北京 101100）

基于廣域相量測量的小電流接地系統單相接地故障區段定位研究

宋秀芳

（國網北京通州供電公司電力調度控制中心，北京 101100）

我國10kV配電網多為小電流接地方式下的架空走線，80%以上的故障為單相接地。雖然近年來配網自動化系統逐漸興起，但該系統基本不具備針對單相接地的故障定位功能。本文基于提升供電可靠性目標，設計出一種小電流接地環境下，10kV饋線發生單相接地后的故障區間定位方法。該方法通過在架空線上布置廣域相量和測量測點來獲取單相接地故障的特征信息，并依托相關標識向量概念，來建立故障區間邊界節點搜索模型。一系列實驗和測試表明，本文提出的方法可有效界定單相接地故障區間，使得故障巡線的效率大幅提升，也為今后針對單相接地的饋線自動化實現提供技術支撐。

配電自動化；小電流接地；廣域相量測量；故障定位

現階段我國的中壓配網發展具有以下特點[1]：①架空線為主，電纜網為輔；②中性點接地方式多為小電流接地；③單相接地故障占據故障總量的80%以上；④配網自動化有一定發展，但缺乏對單相接地進行故障點精確定位的功能。基于以上特點，可以認為，要進一步提升10kV網絡的供電可靠性，提升線路運維效率，應將單相接地故障定位作為當下線路層面研究的重點。

小電流接地環境下的故障檢測包含兩個層面[2]：①故障選線，即確定變電所 10kV母線上的哪一路饋線發生了單相接地；②故障點定位，即確定單相接地發生的具體位置。就國內外研究現狀來說，故障選線基本解決，方法有零序電流法、功率方向法、負序電流法等；故障點定位卻剛剛起步，主要成果是離線定位法（因接地信號微弱、容易受干擾，在線定位技術尚未取得實質性突破），但離線方式對故障實時處理和配網自動化來說是達不到要求的。本文將嘗試基于廣域相量測量的小電流接地故障定位方法，該方法以固定測點的廣域相量測量來獲取故障信息，結合一系列智能算法，形成單相接地故障區間的在線快速定位機制，希望能填補小電流接地環境下單相接地故障點在線定位技術的空白。

1 單相接地故障分段定位原理

1.1 相關概念

為保證供電可靠和運行穩定，10kV網絡一般為閉環設計、開環運行[3]。為獲取線路發生單相接地后的實時故障信息，需在線路上設置一系列測點，如圖1所示。這些測點分兩類：①變電站母線處測點，其作用是獲得故障時零序電壓相量；②線路上分散測點，其作用是獲得故障時零序電流相量。顯然，以互為相鄰的測點為邊界，即可對線路進行區段劃分，再輔之以一定的算法，就有可能將接地故障點限定在具體區段內，也就達到了故障定位的目標。

圖1 開環運行的配網線路及測點設置示意

1.2 小電流接地系統發生單相接地的故障特征

小電流接地系統分中性點不接地和中性點經消弧線圈接地兩種。下面分別進行分析。

1）中性點不接地系統故障特征

在這種系統環境下，當線路f點有單相接地時，相當于f點產生一個零序電壓源。零序電壓源通過線路對地電容（即零序網絡阻抗）在線路上產生零序容性電流[4]。顯然，根據電壓、電流之間的相位關系，只有零序電流滯后零序電壓90°的支路才可能是故障路徑的一部分，反之則不是。因此，據此可依托線路固定測點的電氣量采集來大致框定故障范圍。當然，由于線路不對稱因素，即使是無故障狀態，也可能有零序電壓在變電所 10kV母線處形成（數值較小），因此需設定一個零序電壓閾值ε，只有當零序電壓超過ε時，才啟動故障定位。

2）消弧線圈接地系統故障特征

在這種系統環境下，受消弧線圈的干擾，會出現以下現象[5]：故障線路零序電流相位可能與健全線路相同，但零序電流幅值要小于健全線路。為了獲取故障特征，可考慮對消弧線圈進行控制，使其交替運行于過補償和欠補償之間。這樣，故障路徑的零序電流相量必然在?90°至90°之間交替變化，而正常線路保持90°不發生變化[6]。

1.3 故障特征信息的獲取

測點采用廣域相量測量技術實現零序電壓或零序電流相量數據采集，通過GPS確保各測點行為同步性，通過GPRS實現信息傳輸，計算各測點相位差就可獲取到主要的故障特征信息。各測點相位差定義為

式中，iθ為i號測點絕對相位，0θ為變電站母線測點絕對相位。綜合中性點非有效接地的兩種情況可知，iθ保持90°不變的測點在故障點下游，否則就在故障點上游。

1.4 故障分段定位方法

以圖2為例進行闡述。由圖2可知，線路的“段”的界定不外乎兩種情況：①一個段由2個測點界定，如f1故障區段可由測點9和測點10進行標識，表示為{9，10}；②一個段由多個測點界定，如f2故障區段需由測點1、測點2、測點7和測點9進行聯合界定，集合表示為{1,2,7,9}。因此可定義Wi為第i段的區間邊界節點集合：

圖2 故障分段定位模型

鑒于開環運行線路內的電流（包括零序電流）均為明確的單方向，因此將單電源輻射線路表示為“樹”拓撲。在該“樹”中，視變電站測點為根測點（因故障點一定在其下游位置），統一以0號表示；另外需假想一些葉節點，用以歸結故障范圍（認為具體的故障點都在相應葉節點的上游）；除根節點和葉節點外，其他節點實際測點，專測零序電流。

設實際的線路測點數為m，假想葉節點為n。以r表示根測點和實際測點所組成的m+1維標識向量，如圖2所示的r為

采用測點相鄰矩陣S來描述所有測點（包括根測點、線路實際測點和假想測點）之間的相鄰關系，其元素sij定義見式（4）所示，S的結構見式（5）所示（以圖2為例）。

對于具體的配網結構，在按照以上方法獲得r和S的形式后，就可以構造確定故障區段的算法：

1）采集變電站零序電壓相量和每個測點零序電流相量，計算各測點相位差Δiθ（i=1,2,…）。

2）設故障路徑標識向量e與r的長度相同，其元素為：當線路零序電壓達到閾值ε時，認為線路存在單相接地故障，則e1=1，反之e1=0；若i號（i＞1）真實測點采集到的故障信息反映出該測點在故障點下游，則ei=1，反之為0。

3）從e的首個元素開始向后搜索，找到e中最后為1的元素，將其設為ek，則標號k對應的rk就為故障區間的起始節點（e與r存在對應關系），其子節點集合V為

則故障就被限定在集合W所表示的線路區段內，即

2 物理模擬實驗

物理模擬實驗依托 10kV配電網物理模擬平臺對本文提出的故障定位方法進行模擬驗證。模擬實驗電路如圖3所示。

圖3 模擬實驗電路

由圖3：線路2中1和2號測點為實設零序電流測點，3號測點為假想；線路2可被分為3個段，起始測點標識向量r為r=[0,1,2]；系統測點相鄰矩陣為

模擬試驗的結果見表1。

表1 模擬實驗測試數據

試驗結果分析如下。

1）在1至4號試驗中，設置故障路徑標識向量e為e=[1,0,0]（這個步驟相當于將故障點設在根測點），基于廣域相量測量技術的線路測點獲取故障信息特征并送至服務器處理（下同）。顯然，由于e=[1,0,0]，即e中最后1個非零元素序號是1，亦即k=1，則在r向量中搜索第一個元素，顯然為r1=0。再觀察S矩陣，其第1行僅1個非零元素，在第1列。綜合以上可知（按前文算法），故障段的起始節點為0號測點，終結位置為1號測點，即{0,1}區間為故障區間。試驗數據中 1號測點、2號測點的相位差均超前也支撐這一判斷。

2）在5至8號試驗中，設置故障路徑標識向量e為e=[1,1,0]（相當于將故障點設在1測點和2測點之間）。顯然，由于e=[1,1,0]，即e中最后1個非零元素序號是2，亦即k=2，則在r向量中搜索第二個元素，顯然為r2=1。再觀察S矩陣，其第2行僅1個非零元素，在第2列。綜合以上可知，故障段的起始節點為1號測點，終結位置為2號測點，即{1,2}區間為故障區間。試驗數據中1號測點相位差滯后、2號測點相位差超前也完全支撐這一判斷。

3）在9至12號試驗中，設置故障路徑標識向量e為e=[1,1,1]（這個步驟相當于將故障路徑設置為0測點→1測點→2測點）。顯然，由于e=[1,1,1]，即e中最后1個非零元素序號是3，亦即k=3，則在r向量中搜索第三個元素，顯然為 r3=2。再觀察 S矩陣，其第3行僅1個非零元素，在第3列。綜合以上可知，故障段的起始節點為2號測點，終結位置為3號測點，即{2,3}區間為故障區間。試驗數據中 1號測點、2號測點的相位差均滯后也支撐這一判斷。

綜上所述，本文建立的基于廣域相量測量的針對小電流接地系統下單相接地故障區段定位的技術是可行的。

3 結論

本文將廣域相量測量和移動數據通信相結合，在研究兩類小電流接地環境下發生單相接地時的故障特征基礎上，依托“故障路徑標識向量”、“起點測點標識向量”、“系統測點相鄰矩陣”等概念，構造故障區段定位計算方法。模擬試驗表明，本文建立的方法可確定判定故障區間的邊界節點，可顯著提高單相接地后的巡線針對性。下一步將在模擬試驗基礎上進行掛網試驗，以爭取在實踐中進行推廣應用。

[1]郭俊宏,譚偉璞,楊以涵,等.電力系統故障定位原理綜述[J].繼電器,2006,34(3):76-81.

[2]張利.中性點非有效接地系統單相接地故障定位方法的研究[D].北京:華北電力大學,2009.

[3]嚴鳳,楊奇遜,齊鄭,等.基于行波理論的配電網故障定位方法的研究[J].中國電機工程學報,2004,24(9):37-43.

[4]賈清泉,楊奇遜,楊以涵.基于故障測度概念與證據理論的配電網單相接地故障多判據融合[J].中國電機工程學報,2003,23(12):6-11.

[5]夏雨,賈俊國,靖曉平,等.基于新型配電自動化開關的饋線單相接地故障區段定位和隔離方法[J].中國電機工程學報,2003,23(1):102-106.

[6]于盛楠,鮑海,楊以涵.配電線路故障定位的實用方法[J].中國電機工程學報,2008,28(28):86-90.

宋秀芳（1985-），北京人，本科，工程師，主要從事新設備啟動和無功電壓的管理工作。

Research on Location of Single Phase to Earth Fault in Small Current Grounding System based on Wide Area Phasor Measurement

Song Xiufang
(Tongzhou Beijing Power Supply Company Power Dispatch Control Center,Beijing 101100)

10kV distribution network in China is more than a small current grounding mode of overhead lines,more than 80% of the fault for single phase grounding.Although in recent years,the distribution network automation system gradually rise,but the system does not have the basic function of fault location for single phase grounding.Based on the goal of improving the reliability of power supply,this paper designs a fault location method for single phase to ground fault of 10kV feeder in a small current grounding environment.This method can obtain the characteristic information of the single phase earth fault by arranging the wide area phasor measurement points on the overhead line,and based on the concept of the relevant identification vector to establish the fault interval boundary node search model.A series of experiments and tests show that the proposed method can effectively define the single-phase grounding fault interval,the fault line patrol efficiency dramatically,but also for the future for the single phase grounding of feeder automation and provide technical support.

distribution automation;small current grounding;wide area phasor measurement;fault location