基于饋線自動化的配網單相接地故障定位研究

汪宏慧

（中國美術學院風景建筑設計研究院，浙江 杭州 310012）

基于饋線自動化的配網單相接地故障定位研究

汪宏慧

（中國美術學院風景建筑設計研究院，浙江 杭州 310012）

本文在基于饋線自動化基礎上，提出了采用縱向識別原理來定位單相接地故障，并通過混合仿真試驗得到了驗證，對不接地系統單相接地故障定位技術的發展，具有一定的理論意義和指導作用。

饋線自動化；單相接地；故障定位

配電自動化主要是由饋線自動化和配電管理系統組成的。通信技術是配電自動化的關鍵部分。目前，我國的配電自動化有很多試點，由分布的主站、分站和饋線端子結構形成的三層結構已得到普遍認可。光纖通信作為通信的主干也已經達成共識。饋線自動化的實現也可以在光纖通信的基礎上構建，這使得饋線終端可以彼此快速通信，以實現更高性能的分布網絡單相接地故障處理功能。

1 配電網單相接地故障識別研究現狀

我國目前的配電網主要是非直接接地系統，就是通過消弧線圈接地系統的中性點或中性點系統。該系統通常發生在單相接地故障中，故障電流就非常小，與系統相連時，存在大量干擾信號，使故障線路和非故障線路識別變得非常困難。根據應用特征，現在情況下的線路選擇原理可以分為故障信號和注入信號，其中前者的可使用故障信號分為穩態和瞬態量。針對故障信號采用不同的數學處理，比如“群體比幅比相法”、積分法、模糊數學、小波變換法等等，在對故障信號的不斷持續深入研究、硬件水平的逐漸提升的有力支持下，故障選線原理將日趨成熟。

2 基于饋線自動化的配網單相故障處理

目前，故障選線功能無論是由微機選線裝置實現，還是集成在配電變電站自動化里，主要采用比較單相接地故障發生后各條饋線出口特征量的大小，屬于“橫向識別”。借助于饋線終端（FTU）的快速通信和協同處理，配網單相故障處理可以實現“縱向識別”，此種方式并不排除現應用于“橫向識別”的一切原理，還可以實現單相接地故障定段功能。

2.1 縱向識別特點

第一，參與協同保護的是整個控制組，一個控制組所含的FTU只是本條饋線上所有的FTU，只要單相接地故障發生在這條饋線上，整個控制組就會識別。

第二，當發生較大的電流故障時，只有一個FTU控制組能啟動；并會發生單相接地故障，但是只能依靠零序電壓啟動，所以整個變電站所有控制組都被激活。

第三，單相接地故障的發生，由于相對復雜的標準，一般處理將放在第一個控制組的第一個節點，不是兩兩通信。最后，縱向識別不能完全取代橫向識別，尤其是對于不是全站實現饋線自動化的變電站，橫向識別必不可少。

2.2 縱向識別原理

縱向識別原理如圖1所示。圖中的1至10是每個交換機的FTU，其中5和10是控制開關的FTU，1和6是節點的FTU。在相對正常操作的中，接觸開關時會自動斷開，因此未能檢測到故障組件。但是為了讓5和10能參與到縱向比較，我們通常認為故障是一個有限值。本文的零序電流的瞬態分量和負序電流分量被稱作為特征量，并且它們在一些操作之后獲得復合特征量W 。假設1～10的復合特征量為W1～W10，八個段的特征值定義為M1～M4，M6～M9。

下面將具體的故障設置成發生在d1至d4點的縱向來比較判斷。

圖1 典型的配電網示意圖

當問題發生在點d1時，相對于故障線來說，開關1就處在最大復合特征量W1處，區段1的特征M1也是最大的，區段2～4之間的特征性非常小；而相對于非故障線，由于6～10處開關的復合特征值都很小而且都比較相似，所以對應6～9區段的特征值也就很小。從以上分析可以看出，故障發生在點d1時，特征值的截面滿足以下關系：

式中的δ1～δ3是常數，考慮到多變的接地條件，δ1取5，δ2和δ3一般取3。當區段特征滿足式（2）時，就大致可以判斷出故障發生在開關1及2之間，區段4和9的特征值M4和M9則沒有參與對比的必要性。

當故障發生在點d2時，相對應滿足以下關系：

當故障發生于點d3時，相對應的區段特征量滿足下列關系：

當故障發生于點d3時，相對應的區段特征量滿足下列關系：

式（3）～（5）的值δ1～δ3與上述相同。 應當注意，由于接觸開關通常是斷開的，因此在有限值的復雜特征處考慮5和10的實際標準。 通常，當發生單相接地故障電流小于1A時，復合特征量就等于1A，這保證了公式5的可靠性。 當總線路故障發生的時候，每條饋線間隔特征量Mi不滿足公式（2）～（5），每個饋線的第一節點不啟動。

2.3 混合仿真試驗結果分析

采用實時仿真系統（HYBRISIM）仿真一個典型的110/10kV系統，接線圖如圖2所示，圖中：xs指系統阻抗；變壓器為1:1理想變壓器，xB為變壓器阻抗；xL是消弧線圈，開關K1控制其入出；線路用12個π模型來等值，四條線的長度分別為6km 、9km 、9km 和12km；Zf1～Zf4為四條線路的等效負荷；PT-1和PT-2是電壓互感器；CT-1～CT-7是電流互感器；d1～d7為故障點。

圖2 典型的110/10kV仿真系統結線圖

整個仿真系統工作在100V電壓下，仿真系統參數見表1。

表1

表2

通過對試驗數據進行了復合特征量的計算，得到的結果列示在表2中。

Nus對應著不接地系統，故障角度分別為90度、80度和0度。Nus對應消弧線圈接地系統，故障角度分別90度、80度和0度。從表2可以得出以下結論。

（1）表中的數據滿足垂直識別標準，非合規數據是無故障的，值越接近1，因此可以放寬標準。

（2）當故障的角度越來越小時，則故障容易變多的是特征值。 原因是零序電流瞬態分量變小，負序電流分量是重要原因。

（3）當故障的角度為零時，非接地系統故障區特性遠大于消弧線圈的故障區特性。 這是因為消弧線圈接地系統，當故障角度為零時，存在比較大的零序電流瞬態分量，就導致了負序電流分量權重變小。

（4）當問題發生于點d6時，故障線和非故障線段特征值非常相似，導致故障間隔定位失敗。 這是因為不考慮其他兩個部分。 在本實驗中，沒有考慮其他兩個部分的特性值。通過對混合模擬試驗數據進行的分析，能證明縱向識別的原理是正確無誤的。在此需要特別說明的是，本文采用的復合特征量是滿足縱向比較判據要求的，并不代表其他特征量不滿足縱向識別判據。

3 結語

建立在快速通信基礎上的饋線自動化是配電自動化發展方向之一，在饋線自動化的功能里增加或增強單相接地故障處理功能，可以進一步提高供電可靠性。基于本文提出的縱向識別原理的FTU，通過快速通信協同動作，可以將故障點定在兩個FTU之間，方便供電部門查找和隔離故障點。

[1]要煥年，曹梅月.電力系統諧振接地（第二版）.中國電力出版社.

[2]龐清樂.小電流接地故障選線與定位技術[M].電子工業出版社.

TM862

A

1671-0711（2017）05（下）-0021-03