主動配電網(wǎng)單相接地故障定位方法

高俊青，李題印，胡曉琴，胡 翔

（1.杭州電力設(shè)備制造有限公司余杭群力成套電氣制造分公司，浙江 杭州 311100；2.國網(wǎng)浙江杭州市余杭區(qū)供電有限公司，浙江 杭州 311100）

0 引 言

中國配電網(wǎng)的單相接地故障定位因為非有效性接地方式下故障電流微弱而成為故障定位領(lǐng)域一個亟待解決的難題[1]，這與中國配電網(wǎng)設(shè)施相對落后不無關(guān)系。目前，中國配電網(wǎng)正在大力發(fā)展配電自動化（Distribution Automation，DA）和分布式能源。配電自動化有助于實現(xiàn)精確定位，但分布式電源（Distribution Generator，DG）接入配電網(wǎng)后使得輻射狀網(wǎng)絡(luò)變成含有中小型電源的多電源網(wǎng)絡(luò)，嚴(yán)重影響了配電網(wǎng)繼電保護(hù)和故障定位，致使很多適用于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的故障定位方法不能滿足主動配電網(wǎng)的故障定位要求[2]。因此，研究基于DA技術(shù)的含DG配電網(wǎng)單相接地故障定位方法具有重要的實用價值。

1 主動配電網(wǎng)單相接地故障特征分析

單相接地的故障特性與主動配電網(wǎng)接線方式具有十分密切的聯(lián)系。配電網(wǎng)按接線方式可分為小電流接地系統(tǒng)和大電流接地系統(tǒng)。

常用的小電流接地系統(tǒng)接線方式有兩種：①主網(wǎng)降壓變?yōu)閅n-△接線，即配網(wǎng)側(cè)為三角形接線，IIDG升壓變接線方式為△-Y，即IIDG側(cè)為三角形接線，配網(wǎng)側(cè)為中心點不接地；②主網(wǎng)降壓變?yōu)閅n-△接線，即配網(wǎng)側(cè)為三角形接線，母線上添加接地變壓器，接地變壓器低壓側(cè)為Yn接地方式，中性點經(jīng)消弧線圈接地，IIDG升壓變接線方式為△-Y，即IIDG側(cè)為三角形接線，配網(wǎng)側(cè)為中性點不接地。

常用的大電流接地方式為主網(wǎng)降壓變?yōu)閅n-△接線，即配網(wǎng)側(cè)為三角形接線，母線上添加接地變壓器，接地變壓器低壓側(cè)為Yn接地方式，中性點經(jīng)小電阻接地，IIDG升壓變接線方式為△-Yn，即IIDG側(cè)為三角形接線，配網(wǎng)側(cè)為中性點經(jīng)小電阻接地。

對于小電流接地系統(tǒng)，單相接地的故障電流為對地電容電流。穩(wěn)態(tài)單相接地故障電流遠(yuǎn)小于相間短路穩(wěn)態(tài)故障電流。特別對于經(jīng)消弧線圈接地的小電流系統(tǒng)，由于消弧線圈補(bǔ)償對地電容電流，單相接地故障電流更小。因此，對于小電流接地系統(tǒng)，必須研究單相接地的暫態(tài)特性。

故障后的暫態(tài)過程持續(xù)時間在10 ms以內(nèi)，此時分布式電源的低電壓穿越控制策略還未起作用，因此可忽略分布式電源對暫態(tài)特性的影響。

發(fā)生相間短路的饋線穩(wěn)態(tài)故障電流幅值遠(yuǎn)高于正常饋線，可以直接判斷出故障饋線，而單相接地穩(wěn)態(tài)故障電流很小，需要依據(jù)暫態(tài)電流特征進(jìn)行判斷。圖1為不同饋線的零序電流時域波形及頻譜。饋線2發(fā)生單相接地故障，可以看出，初始時刻饋線零序電流幅值最大，在0～3 000 Hz頻率范圍，饋線2零序電流頻譜能量最大。

在故障點上游設(shè)置2個監(jiān)測點，下游設(shè)置1個監(jiān)測點，所測暫態(tài)零序電流波形及頻譜分別如圖2所示。可以看出，故障點同側(cè)的零序電流波形差異很小，而不同側(cè)零序電流波形初始時刻極性相反，差異較大。同樣地，故障點同側(cè)電流頻譜相似，而不同側(cè)的電流頻譜差異較大。

圖1 不同饋線零序電流

圖2 饋線2不同監(jiān)測點零序電流

圖3 為采用不同控制策略的故障相電流有效值及分布式電源機(jī)端正序電壓與故障距離的關(guān)系。可以看出，大電流接地方式下，單相接地故障相電流較大，但小于兩相短路和三相短路；隨著故障距離的增加，故障相電流逐漸減小。

2 大電流接地系統(tǒng)單相接地區(qū)段定位方法

由于大電流接地系統(tǒng)單相接地故障電流較大，因此可采用相間短路的故障定位方法。如圖4所示，E為主網(wǎng)電源，DG1、DG2為分布式電源，箭頭代表負(fù)荷，標(biāo)號1～8為監(jiān)測點，每處安裝FTU，將配網(wǎng)線路分成可①～⑨區(qū)段。采集電流信息并將其傳輸至主站。定義主網(wǎng)電源值負(fù)荷方向為正方向，當(dāng)圖4所示的F點故障時，1～8的電流信息依次為1、1、-1、1、-1、-1、0、0。依據(jù)FTU上傳的0、1信息進(jìn)行故障定位。

圖3 單相接地故障特性

圖4 主動配電網(wǎng)故障定位示意圖

如圖5所示，F(xiàn)TU上傳的信息為10位二進(jìn)制碼。其中，前8位表示FTU的編號，第9位表示正負(fù)，1代表正方向，0代表負(fù)方向，第10位代表有無故障電流，1代表有，0代表沒有。圖5所示數(shù)據(jù)信息為第7個FTU沒流過故障電流。

圖5 FTU上傳信息數(shù)據(jù)格式

定義開關(guān)函數(shù)如下：

建立如下目標(biāo)函數(shù)：

其中，Ij為第j個區(qū)段依據(jù)上傳的電流信息計算的開關(guān)函數(shù)，為第j個區(qū)段狀態(tài)值。依據(jù)遺傳算法求解式（2），得各區(qū)段的故障狀態(tài)信息。

3 小電流接地系統(tǒng)單相接地區(qū)段定位方法

圖6中E為主網(wǎng)電源，DG1、DG2為分布式電源。1～6裝設(shè)饋線終端單元FTU，可采集暫態(tài)電流信息，并能夠?qū)崿F(xiàn)與主站以及相鄰FTU的通信。

圖6 單相接地區(qū)段定位圖

依據(jù)前文所分析的主動配電網(wǎng)單相接地暫態(tài)故障特性，各監(jiān)測點所采集的零序暫態(tài)電流波形滿足以下特征：

（1）若故障點位于相鄰兩個監(jiān)測點確定的區(qū)段內(nèi)，則這兩個監(jiān)測點的電流波形不相似且極性相反；

（2）若故障點位于相鄰兩個監(jiān)測點確定的區(qū)段外，則這兩個監(jiān)測點的電流波形相似且極性相同。

相鄰兩個電流監(jiān)測點所獲取的暫態(tài)電流波形依據(jù)式（3）求取相關(guān)系數(shù)：

由式（3）可知，0≤|ρud|≤1，ρud＞0表示兩個波形極性相同，|ρud|越大，表明iu(t)與id(t)波形相似度越高。設(shè)定門檻值 ρT∈ [0.4,0.6]。當(dāng) |ρud|≥ ρT，表示波形相似度較大；反之，波形相似度較小。

4 結(jié) 論

單相接地故障特征與接地方式聯(lián)系密切。當(dāng)系統(tǒng)為大電流接地方式時，故障定位方法與相間故障相同；當(dāng)系統(tǒng)為小電流接地方式時，需要采集暫態(tài)電流。由于暫態(tài)過程持續(xù)時間較短，該過程中分布式電源低電壓穿越控制策略還未起作用，因此分布式電源支路可視為開路。主動配電網(wǎng)單相接地故障定位有利于縮短停電時間，提高配網(wǎng)運行可靠性。