新應用場景下小電流接地選線技術研究

(貴州北盤江電力股份有限公司董箐發電廠，貴州 貞豐 562200)

0 引 言

我國大部分配電系統(一般指6～35 kV)廣泛而復雜，采用中性點非有效接地的電力系統在中壓配電網中有著廣泛的應用，通稱為小電流接地系統。該系統中，單相接地故障時有發生且概率最大[1-2]。單相接地時，非故障相相電壓將上升到線電壓，這對配電網設備系統的絕緣構成了嚴重的考驗。因此在單相接地故障后對單條或多條故障線路快速、準確地判斷和選擇，不僅能縮短停電時間，而且能提高配電網的供電可靠性，對于配電網的安全穩定運行變得至關重要。

中性點有效接地配電網單相接地保護一般采用保護裝置的零序保護實現，由于故障特征明顯，因此其保護的可靠性及快速性可以得到保障。而在非有效接地系統中，如果線路發生單相故障接地時，由于其故障時故障特征微弱，再加上電磁干擾、互感器等影響，近些年，小電流接地選線技術已被眾多研究者深入研究和示范應用，也取得了一些理論和實踐經驗，但配電網較為復雜，影響選線準確率的因素眾多，因此非有效接地系統的選線問題成為亟待解決的難題。

文中主要討論并分析了小電流接地選線的方法分類以及優缺點，分析了小電流接地選線在新應用場景中技術發展面臨的4個問題，即多種判據融合選線問題、新能源接入的選線問題、基于IEC 61850的新一代選線裝置發展問題、配網自動化選線實現適應性問題，并提出了建議。

1 非有效接地系統故障特性分析

中性點非有效接地線系統，一般情況下，按中性點接地方式不同可分為不接地、經消弧線圈接地、經小電阻接地、經消弧線圈并聯小電阻等幾種模式。

在中性點不接地系統中，當線路發生單相接地故障時，流過故障線路的的零序電流與其他非故障線路的零序電流和大小相等，方向相反，故障線路的的零序電流方向是從線路故障點向母線流，如圖1所示。

圖1 不接地系統零序電流分布

在中性點經消弧線圈接地系統中，中性點消弧線圈的存在使得單相接地故障后的零序電流與中性點不接地方式下的不同。且流過故障線路的零序電流在大小上等于流過非故障線路的零序電流加上流過消弧線圈的補償電流，消弧線圈的補償模式決定了電流方向[3]。在高阻接地故障時，流過故障線路點的故障電流不大于正常運行方式下10%負荷電流的大小[4]。

2 傳統小電流接地選線技術的分類

自上世紀八十年代，國內外小電流接地選線技術可以根據采用不同的信號模式，將其分為兩類：注入信號主動選線法和故障信息被動選線法。其技術分類如圖2所示[5]。

圖2 小電流接地選線技術的分類圖

2.1 主動式選線方法

主動選線法，是將弱電信號注入電網的一種方法。基于跟蹤原理，檢測各饋線是否通過注入信號，最終確定故障線路和故障相，因此又被稱作注入信號跟蹤法。單頻信號法是通過注入給線路有源信號，頻率不同于基波和各次諧波，其優點是不需要額外增加零序CT(current transformer，電流互感器)，注入信號時PT不工作，不影響系統運行。但需要配套設備，設備投資過大，經濟效益不佳，同時高阻接地時檢測信號較小影響選線準確率。變頻信號注入方法，其優點是系統運行方式不會影響選線準確率，尤其是在線路發生高阻接地時，故障選線不易受到干擾，選線準確率高。但如果接地電阻很小，故障線路很大程度上會吸收注入的大部分信號電流，從而導致基于阻尼比的判別方法無法奏效。

2.2 被動式選線方法

被動式方法主要利用線路發生單相接地故障后產生的具有明顯特征的電壓、電流信號進行選線。按照故障信號類型，可分為利用故障穩態信號或故障暫態信號選線。但無論采用何信號，其主要原理都是基于故障線路的零序電流在大小、方向的特征與非故障線路的特征差別進行選線。

(1)基于故障時刻的電氣量穩態分量選線

基于故障時刻的電氣量穩態分量選線方法需要故障電流和故障電壓信號的穩態信息。目前，穩態法包括殘差增量法、零序電流穩態分量比相法及諧波法等。在線路發生單相接地故障后，基于故障時刻的電氣量穩態分量選線方法僅能通過穩態故障分量含有的特征信息進行選線，但故障電氣量的穩態分量的幅值過小，一是會導致零序CT采樣產生誤差，二是由于配電網的設備系統復雜性和網架多變性，使得穩態選線方法在現場應用時，很難在采集的穩態分量重提取到能夠用于準確選線的有效信息。穩態分量選線法極易出現選錯線和漏選線，選線效果很不理想。

(2)基于故障時刻的電氣量暫態分量選線

基于故障時刻的電氣量暫態分量選線方法主要是依據故障時刻的暫態電壓、電流的特征信號選擇故障線路和故障相。一般包括首半波法、Prony法、能量函數法等。利用基于故障時刻的電氣量暫態分量選線方法就不存在利用故障穩定分量選線的問題，線路故障后能夠從暫態電流、電壓等電氣量中提取出有利于故障分析的信息。暫態波形中幅值大，與非故障線路區別故障特征明顯，并且針對諧振接地系統具有受補償電抗等影響小的優勢。

3 新應用場景下的小電流接地選線技術

3.1 多判據融合選線技術

隨著配電網的快速發展，電纜化率不斷升高，網架結構不斷復雜，通過大量的實際應用效果表明，若只采用單一的小電流接地選線判據的話，對于選線準確率和靈敏性都不能全面的滿足，同時在選線時沒有全面有效利用故障信息，因此越來越多的選線技術研究及現場應用傾向于采用多判據融合的選線方法來滿足電網生產全過程的應用需求[6]。多判據融合就是通過加權系統法、人工智能方法等將兩種或兩種以上的接地選線判據進行整合，再對故障線概率進行排序，形成綜合判據，進行選線與決策。

文獻[6]提出一種基于5次諧波法、小波分析法和負序電流法的多級數據模糊融合的故障選線方法。文獻[7]利用模糊綜合決策對零序有功/無功分量法、小波分析法三種判據及結果進行信息融合，避免了接地方式、接地電阻等因素對選線準確率的影響。文獻[8]依據故障后線路的小波能量、五次諧波和有功功率三種判據，通過BP神經網絡進行信息融合實現選線。文獻[9]提出了一種基于HHT(希爾伯特變換)的綜合選線判據，根據頻帶能比因子分類處理，高頻分量為主比較小波高頻能量選線，低頻分量為主比較直流分量能量選線。文獻[10]提出了一種能提高選線準確裕度的雙重判據選線方法，雙重判據包括相電流突變量和重心頻率，尤其是高阻接地選線方面具有優勢。文獻[11]利用多準則、多周期信息融合進行諧振接地系統故障選線方法，解決了單選線方法的局限性和片面性的難題。現有的理論分析和仿真表明，多融合選線方法能夠綜合利用各種判據的優勢，有效地提高選線的準確性和可靠性，但大多處于理論研究階段。由于電網運行環境復雜，這些方法還需要通過現場實際應用進一步驗證。

3.2 考慮分布式電源接入的選線技術

隨著新能源的不斷發展，越來越多的分布式電源(Distributed Generation，DG)接入配電網中，其種類眾多(如風電、光伏、儲能等)且存在有大量的電力電子元件，這使得故障選線更是難上加難。

文獻[12]計算出含DG的配電網零序電流分布情況，發現當含DG的線路故障時，會引起線路首段的零序電流增加，但其仍存在這樣的關系，即非故障線路流過的零序電流與消弧線圈流過的電流等于故障線路首段流過的零序電流。文獻[13]指出帶DG配電網的故障電流是雙向的，在不同的氣象條件下提供給故障點的故障電流是不同的。文獻[14]當含DG的配電網發生單相接地故障時，故障點的上游側含有由故障點流向母線的零序電流，故障點的下游側含有由故障點流向線路末端的零序電流。因此，在選線技術研究中需充分考慮DG故障后暫態特性對選線方法的影響。

文獻[12]提出了用希爾伯特-黃變換的方法來提取線路的非工頻零序電流分量，再利用基于這些電流分量權重系數的能量法進行選線。文獻[15]針對含DG的配電網，提出了基于量子遺傳雙穩態系統的故障選線方法，文獻[16]利用EEMD算法與三次樣條插值法提取出有效的零序電流暫態高頻分量，再通過幅相歸一判據進行選線，方法不受故障線路、故障電氣量、故障接地電阻等因素影響。

這些選線方法多是通過分析分布式電源接入電網故障后的暫態特征來實現選線，但隨著分布式電源進一步發展，其故障特征有待進一步研究，并且需要研究能夠適應于各種工況和多種分布式電源接入的場景的選線方法。

3.3 基于IEC61850的新一代選線技術

隨著智能電網技術和先進網絡信息技術的發展，目前的研究熱點主要集中在智能變電站的研究及應用技術上[17]。國際電工委員會(IEC)制定的IEC 61850標準《變電站自動化通信網絡與系統》為不同廠家的智能設備實現互操作性和無縫集成提供了有效途徑。

中國南方電網有限責任公司2012年9月30日發布了小電流接地選線裝置技術規范(Q/CSG110040-2012)，第4.3.10通信規約條款中，規定裝置應采用符合DL/T 860變電站通信網絡和系統(idt IEC 61850)和《中國南方電網繼電保護故障信息系統主站-子站通信接口規范》(以下簡稱“南網103規范”)等規約與變電站自動化系統及保信子站設備通信。文獻[18]對比分析了智能變電站的小電流接地選線裝置在三種標準的三個架構，分別為IEC 61850-9-1、IEC 61850-9-2和小模擬量傳輸標準，具有通用性和技術經濟優勢的小模擬量傳輸標準的架構圖如圖3所示。

圖3 基于小模擬量傳輸標準的架構圖

文獻[19]提出了一種基于IEC61850的單相接地故障選線和分段定位的信息模型。文獻[20]提出一種基于數字化標準架構的故障選線裝置建模方法，利用母線劃分克服了IEC 61850 標準沒有明確定義單相接地故障選線功能信息模型的困難。文獻[21]提出了基于IEC 61850和EMD算法的接地選線裝置架構。而對于在智能變電站中，小電流接地選線裝置無法進行有效測試的難題，文獻[22]提出了一種能夠在智能變電站中進行全面測試的小電流接地選線裝置測試儀，用于實現對裝置的性能測試，測試原理圖如圖4所示。

圖4 小電流接地選線裝置測試系統原理圖

小電流接地選線技術在IEC 61850技術標準下具有較好的推廣和應用前景，但應針對選線裝置使用的通信標準選擇合適的技術方案，同時應避免由于裝置信號的采樣精度、采樣頻率以及時間精度等問題導致選線準確率下降。對于IEC 61850在小電流接地選線方面的應用和發展具有積極的意義。

3.4 配網自動化發展下的選線技術

隨著小電流接地選線技術的發展和迫切需求，大部分變電站內都布置有小電流接地選線裝置。同時，接地選線功能也可以在部分配網自動化系統以及和配電終端的配合中實現。配網自動化系統可通過故障時出線開關多次重合與分段開關根據故障特征電氣量配合實現；也可以通過主站接收終端采集的故障特征電氣量進行綜合判斷實現。

文獻[23]提供了利用故障區段兩側暫態和工頻零序電流值的特征的適用于分布式故障選線和定位的算法。文獻[24]提供了高精度采樣的新型故障指示器，結合智能分布式饋線自動化系統，實現選線及定位功能。文獻[25]提出了以故障點兩側的暫態零序電流相似度低和波形差異大為特征的分布式智能的小電流接地選線及故障定位方法。

配網自動化系統的選線和定位能夠最大限度實現配電網系統單相接地接地故障切除的快速性，將故障隔離在故障區域外，滿足城市配電網發展的多樣化需求，實現區域電網故障后的技術恢復，從而達到減少停電時間、縮小停電范圍，以提升供電可靠性。

4 結束語

文中研究主要針對中性點非有效接地系統，通過接地故障特性分析，討論了含主動和被動原理的小電流接地選線方法分類和優缺點，針對新應用場景下的小電流接地選線技術進行了綜述和分析，結論如下：

(1)基于多種判據融合的選線方法可以有效的克服單個選線判據的不足，從而提高選線準確性，此類方法是今后選線方法的發展方向，但應進一步在實際電網中進行驗證并總結經驗，提高該方法的適用性和可靠性。

(2)隨著分布式電源的大量接入，其故障后的暫態特征會變得更加復雜，而此特征正是選線裝置的主要依據，在今后的研究中，應綜合多種能源接入、多類故障形態下的故障特征研究選線方法。

(3)小電流接地選線需要所有線路的電流和母線電壓，這些數據具有數量多、實時性要求高、數據通信量大等問題，而基于IEC 61850的選線裝置可以通過其特有的優勢解決以上問題，因此IEC 61850在小電流接地選線方面具有積極的意義。