基于IEC 61850的中壓配電網單相接地故障定位的研究

李開文，徐光超，林才春，黃 亮，黃 蕾

（國網浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

基于IEC 61850的中壓配電網單相接地故障定位的研究

李開文，徐光超，林才春，黃 亮，黃 蕾

（國網浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

為適應配電網環網化的發展現狀以及IEC 61850標準不斷發展和擴大的趨勢，以及進一步提高配電網小電流接地故障定位算法的魯棒性和精度，根據環網發生單相接地故障時合環前后零序電流潮流發生改變的特性，提出了環網合環零序電流增量法的小電流故障定位方法。該方法具有占用硬件、通信資源少，無需各個測量點時間同步，無需新增專門設備，以及抗干擾能力強等優點。并給出了符合IEC 61850標準的故障定位基本單元的建模，建立了故障定位基本單元的邏輯節點和邏輯設備，提出了基于IEC 61850標準的配電網小電流接地故障定位系統。

配電環網；小電流接地；故障定位；IEC 61850

0 引言

在全國電網結構中，配電網是電網的重要組成部分，是保障電力“配得下、用得上”的關鍵環節。截止2011年底，國家電網公司中壓配電網中10 kV電壓等級的線路長度、變壓器臺數和投資額都占絕大多數[1-2]。我國10 kV中壓配電網大部分已經形成了“手拉手”和環網結構。與此同時，隨著數字化變電站的不斷建設，IEC 61850協議已經成為了迄今為止變電自動化領域最為完善的通信標準。并且IEC 61850還在不斷地完善和發展，未來IEC 61850標準的應用范圍將進一步擴大，不僅涉及變電站內部通信，還將涵蓋變電站與控制中心、變電站與變電站、配電自動化、新能源和儲能等領域，即覆蓋電力生產的各個環節[3]。

由中壓配電網小電流接地接地故障短路電流小、配電網絡拓撲結構復雜、線路長度短等特點導致的小電流接地選線和定位一直以來是研究的難點和熱點，也取得了一些成果。傳統的故障選線定位方法按照其采用的故障特征信號量分類可分為暫態法、穩態法和注入信號法。暫態法主要包括行波法[4-5]、暫態分量法[6-7]；穩態法主要包括阻抗法、比相法[8-9]；信號注入法主要包括離線信號注入法[10]和在線信號注入法[11]。以上文獻所提出的方法一方面具有固有的不足：

（1）暫態法需要采集相應的故障信號的暫態分量，因此對硬件要求較高，特別是在日益電纜化的配電環網，較大的對地等效電容對電壓行波波頭的破壞尤為嚴重，即使采用了小波變化等高級數學方法也無法從根本上保證判斷的準確性。

（2）穩態法（特別是判據采用的故障信號的絕對值）在負載、網絡參數變化頻繁的配電網中效果不佳，使得其抗干擾能力不強，而比相法則需要各個采樣點同步采樣，增加了授時裝置。

（3）信號注入法具有最好的定位精度，但是存在如下問題：離線信號注入法需要在線路停電下才能工作，違背了盡量減少停電時間的原則；在線信號注入法增加了額外的設備與電源，并且注入信號的容量受制于耦合設備的容量，過渡阻抗對定位精度有較大的影響。

另一方面，這些文獻沒有給出兼容IEC 61850標準協議的定義和模型。文獻[12-13]在IEC 61850框架下初步提出了故障定位選線的模型和裝置。

為此提出了一種利用安裝在各個分段點上的零序電流測量裝置監測發生單相接地故障后配電環網通過合環操作改變系統零序電流分布的故障定位方法。把10 kV配電饋線線路、環網柜的FTU單元以及環網分段開關納入到IEC 61850體系下，并參考文獻[12-13]給出了符合IEC 61850標準的故障定位系統基本測量單元、環網分段開關的邏輯節點和設備模型的定義。

1 故障定位方法

1.1 配電環網典型接線

早期的配電網主要采用的是單電源輻射網接線方式，一旦線路或者電源發生故障，對用戶的影響和造成的損失較大。這種接線方式目前還存在于一些偏遠地區。按照電力公司的規劃性文件，現在的城鎮配電網主要向環網化電纜化方向發展。參照文獻[14]，10 kV配網線路典型接線圖如圖1所示。

圖1 10 kV配電網絡典型接線

當前的城市配電網一般采用的是環網設計，開環運行的原則。正常情況下環網開環點的分段開關斷開，配電網處于開環運行狀態，此時可以等效為兩個輻射狀網絡。一旦環網的一側出現電源或者線路故障，可以通過合上環網開關、分開分段開關對負荷進行轉供并隔離故障。架空線路的分段開關通常為柱上真空開關，電纜線路的分段開關通常由SF6負荷開關為主要元件的環網柜構成。隨著材料和工藝的進步，這些分段開關在短時間內可以承受2 kA以上的合環沖擊電流。架空線路的戶外真空開關通常和“看門狗”配合使用，而環網柜大多已經安裝了零序電流互感器或者預留了其安裝位置。這些分段開關和零序電流互感器構成了新型故障定位方法的物質基礎。

1.2 環網合環對系統零序電流分布的影響

在環網線路發生故障后，調度人員通常會進行倒換負荷操作。負荷倒換存在熱倒和冷倒兩種方式，熱倒為先合環網開關，再分開相關分段開關，反之則為冷倒。熱倒不會造成負荷供電中斷，提高了供電可靠性，但是在操作之前需經過核算才能進行。冷倒操作簡單，但會造成用戶的短時停電。

當小電流接地系統發生單相接地故障后，故障相對地電壓為零，非故障相對地電壓變為線電壓，故障電流為系統非故障相所有對地電容電流之和，從序分量角度分析為零序分量。但是配電系統的三相對稱并未被破壞，因此可以繼續帶故障運行2 h，以便查找出故障點并進行搶修。

此處提出的配電網單相接地故障定位核心思想為：配電環網發生單相接地故障后，通過短時間的合環操作，改變原有對地電容分布，從而改變了零序電流的潮流。分布在各個分段開關的零序電流測量單元通過監測零序電流的變化量進行故障定位。假設環網帶單相接地故障合環后，有功無功潮流的改變不會使變壓器的保護裝置和線路的繼電保護裝置動作。忽略線路的零序阻抗，環網帶單相接地故障合環的零序等效網絡見圖2。

圖2 系統零序等效網絡

當t1時刻環網開關左側某點發生單相接地故障時，其零序電流的分布如圖2中所示，此時，由于K1尚未閉合，環網右側未引入單相接地點，右側系統無零序電壓，故I0N=0。為進一步分析方便，假設r=0，可知：

環網開關K1在t2時刻閉合，健全的線路引入了單相接地點，原本平衡的相電壓被打破，環網開關左側的零序電壓不為零，線路對地電容在零序電壓的激勵下產生了零序電流。故障點左側的等效電容此時公式變為：

1.3 環網合環零序電流增量法

當過渡電阻不能忽略時，環網合環引起流過接地點的零序電流增加，導致故障點的零序電壓值下降，使得I0r必然小于但環網左側等效電容的大幅增加，使得I0l依然大于故可得出環網合環零序電流增量法判定故障點的判據：

式中：M，N為一段線路兩端的測量點；ζ為判斷上閾值；ξ為判斷下閾值。

ζ和ξ的引入是為了提高算法的魯棒性和抗干擾能力。ζ和ξ的值根據實際而定，一般ξ為1個很小的數，如0.02；ζ大于ξ，如1。發生環網開關合環后從合環點向故障分段的電源方向搜索各個零序電流測量點合環后與合環前的零序電流之差，故障點即在MN之間。

2 符合IEC 61850的故障定位建模

根據以上提出的利用比較檢測環網合環前后零序電流有效值的增量法進行故障定位。每個分段開關處（“看門狗”或環網柜內）裝設的高精度零序電流互感器、開關本體和FTU單元構成了故障定位系統的IED（智能電子設備）。參照文獻[3]對故障定位系統基本單元進行IEC 61850建模。

2.1 邏輯節點和數據

故障定位系統的IED的主要工作流程為測量零序電流值和開斷環網開關。依照盡量選用IEC 61850-7-4中已規定的邏輯節點類的原則，LSBU（定位系統基本單元）所有的邏輯節點如表1所示。

表1 定位系統基本單元IED的邏輯節點

其中，零序電流測量邏輯節點使用的是非相位相關測量邏輯節點，雖然饋線線路是三相系統，但是線路中的零序電流可以用單相電流表示。XSWILP與MMXNZ的邏輯節點見表 2和表3。

IEC 61850-7-4中已規定的XSWI和MMXN邏輯節點并不適應本方法的實際需求，因此對這2個邏輯節點的相關數據進行擴充。XSWILP.LoPtEna定義了負荷開關是否為開環點，其特性有：1條環網線路只有1個開環點；只有被設定成開環點的分段開關才能進行合閘操作，其他負荷開關在定位過程中處于閉鎖狀態。MMXNZ.SapBeEna和MMXNZ.SapAfEna分別為合環前后采樣使能，當其被主站置1后采集并計算一次零序電流有效值，并記數值于MMXNZ.SapBeVal和MMXNZ.SapAfVal。MMXNZ.DfVal為合環前后的零序電流采樣有效值之差，即MMXNZ.SapAfVal-MMXNZ.SapBeVal。

表2 分段開關邏輯節點

表3 零序電流測量邏輯節點

2.2 邏輯設備和服務器的構建

對于整條配電線路，同一個FTU物理設備可構成不同的邏輯設備。區別于其他線路自動化功能所對應的邏輯設備，此處提出的故障定位系統的基本定位單元的邏輯設備如圖3所示。

在現實中，1條環網線路需安裝若干故障定位系統的基本單元。在IEC 61850體系中，故障定位系統所提供的故障定位服務同樣也包含了若干故障定位系統基本邏輯設備。由于本定位方法不需要在通信線路上傳輸瞬時采樣值，因此1個具有MMS訪問點的服務器即可構成故障定位系統的服務器，其通信方式采用客戶端/服務器的通信模式。

圖3 故障定位系統基本單元邏輯設備

3 IEC 61850體系下故障定位過程

饋線上安裝的故障定位系統基本單元通過通信媒介接入變電站所屬的IEC 61850網絡。通信媒介可為與饋線一同鋪設的光纜、電力公司通信專用網，在偏僻地區可用3G或GPRS與站屬網絡構成的VPN（虛擬專用網絡）等。隨著通信技術的不斷進步，通信媒介也在不斷發展，但該技術不在本文討論范圍。本文假設各個基本單元均接入站屬饋線小電流接地故障定位服務器所在的IEC 61850網絡。

通過基本定位單元IED、IEC 61850通信總線和定位服務器構成的數字化小電流接地故障定位系統是對現實世界中由分段開關、饋線和相應變電站母線組成的配電系統的有效建模，如圖4所示。在圖4中，單相接地故障發生在分段開關M和N之間，在故障定位系統啟動之前，環網開關K1一直處于分閘狀態。當變電站內部故障選線裝置選出故障線路之后，本故障定位系統啟動。故障定位流程如下：

（1）合環前故障定位服務器向所有故障定位邏輯設備發出采集一次零序電流指令。即發送廣播信號，使所有邏輯設備的零序電流測量邏輯節點的SapBeEna數據置位。

（2）零序電流測量邏輯節點在采樣、計算零序電流有效值后置StaBe標志位，并通過通信總線發送至服務器，表示轉換完畢。同時存儲當前零序電流有效值至SapBeVal。

（3）服務器在確認所有節點均采集完合環前有零序電流有效值后，發送合環開關閉合指令。但是只有XSWILP.LoPtEna=1的負荷開關接受到合環指令后，負荷開關才會動作。

圖4 IEC 61850體系下故障定位過程

（4）服務器在確認環網合環后，向所有故障定位邏輯設備發出采集環網合環后零序電流指令。即發送廣播信號，使所有邏輯設備的零序電流測量邏輯節點的SapAfEna數據置位。

（5）零序電流測量邏輯節點在采樣、計算零序電流有效值后置StaAf標志位，存儲當前零序電流有效值至SapBeVal，計算DfVal值并存儲。之后各個邏輯節點向服務器端上傳DfVal值。

（6）服務器根據公式所構成的判據，從各個邏輯設備上傳的DfVal順序查找發生故障的區間。并向開環點的環網開關發出分閘指令，使環網工作在開環狀態。

（7）根據判據和數據能判斷出故障點時，故障定位服務器向控制中心和配電檢修工程師站同時發出故障發生地點告警信號，使得故障線路得到及時搶修。即使因某種原因（如通信校驗錯誤）未能判斷出故障點，待故障線路經過校驗后，重新進行一次故障定位流程即可，或者給出相關信息以便工作人員及時排除故障。

4 結語

針對配電環網化的發展趨勢，分析了當配電環網一側發生單相接地故障時，環網合環后零序電流穩態量的變化趨勢，并根據這種變化趨勢提出了利用環網合環前后零序電流有效值變化量作為小電流故障定位原理及判據。

該方法的優點有：采用線路的零序電流的增量值作為故障特征量，相比于行波法和暫態分量法，減少了對故障信息采集硬件的要求；相比于比相法，由于不需要同步采樣計算相位，因此省去了時間同步環節；相比于零序比幅法，消除了因故障電流絕對值小和共模干擾帶來的誤差；相比于注入信號法，本方法無需增加額外的物理設備和相應的電源。

同時根據IEC 61850標準，對分布在線路分段開關的基本定位單元進行了符合IEC 61850標準的分層建模，構建了對應基本定位單元的邏輯設備及其包含的邏輯節點，在此基礎上給出了一種適應未來配電網的小電流接地故障定位系統。通過統一、標準的信息交互模型和數據，該系統為進一步提高故障定位精度、隔離故障直至最終實現自愈電網奠定了基礎，對智能配電網的實現具有積極意義。

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2017-09-22

李開文（1991），男，助理工程師，從事電力系統調度監控運行工作。

（本文編輯：陸 瑩）

Study for Single-phase Grounding Fault Location in Medium Voltage Distribution Networks Based on IEC 61850

LI Kaiwen， XU Guangchao， LIN Caichun， HUANG Liang， HUANG Lei
（State Grid Ningbo Power Supply Company， Ningbo Zhejiang 315000， China）

In order to adapt to the development of distribution ring networks and the continuous development and expansion of IEC 61850 and further improve the robustness and accuracy of small current grounding fault location algorithm，this paper puts forward a small current fault location method which is called ring network loop closing zero-sequence current increment method based on the characteristic of zero-sequence current flow change before or after loop closing in the case of single-phase earth fault in ring network.This method has the advantages of less hardware， less communication resources and strong anti-interference ability， which needs no synchronization of each measuring point and no new special equipment.This paper also gives the modeling of the basic unit of fault location in accordance with IEC 61850 standard，which establishes the logic node and logic equipment of the basic unit of fault location.A small current fault location system for distribution networks based on IEC 61850 is proposed in this paper.

distribution ring network； small current grounding； fault location； IEC 61850

10.19585/j.zjdl.201711007

1007-1881（2017）11-0040-05

TM862

B