基于故障指示器的單相接地故障區段定位方法的研究

高宏宇，王巖，喬建

(1. 東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林 吉林 132012)

0 引 言

故障指示器在整個系統中所扮演的角色是最基礎的控制采集單元的角色。這個測控單元的性能指標主要包括數據傳輸可靠性、數據采集可靠性和數據類型[1]。這些指標直接對于配網自動化有著巨大的影響。故障指示器具有很多功能，但在故障定位方面，主要用到的功能包括四個方面:遠程通信、遙測、遙信和遙控。首先是遙信功能，這種功能實際上就是對各種信息的采集，如元件電源是否正常、通信是不是流暢以及開關位置等[2-5]；對于遙測功能，主要完成的是對于正常運行以及故障時各種電量信號的采集；對于遙控功能，即從遠方進行控制，因此要求可以接受從遠處控制中心傳來的命令，從而在遠方就能控制啟動以及開關的閉合；對于遠程通信功能，在這個領域內就要求其能夠對故障前后電網中的一些電量信息進行上傳和監控[6-8]。故障指示器的廣泛使用為配網單向接地故障定位帶來了很大的方便。本文以故障指示器為基礎，結合零序電流能量和矩陣算法實現了故障的準確定位。

1 基于故障指示器配網自動化系統的特點

圖1為在配電網中裝有故障指示器的線路，這些故障指示器分別安裝在固定距離的開關柱上，對于這些開關柱上的電量如電流、電壓、功率方向和各個開關的狀態等都有信息采集功能。在采集完這些信息后，會將信息通過通信網絡上傳到自動控制主站。

圖1 安裝故障指示器的配電線路

除此之外，還可以經由通信網絡接受到主站傳來的指令，進行一些倒閘等的操作。綜上所述，當配電網發生故障的時候，這些故障信息可以利用故障指示器進行采集，再將采集到的信息經通信系統上傳至控制主站，然后通過主站的分析，確定出發生故障的區段，最后通過遙控倒閘的操作實現故障隔離。

2 基于故障指示器故障定位的矩陣算法

以故障指示器為基礎，在饋線自動化技術中，應用于故障區段定位中的的矩陣算法就是將故障之后以及故障之前的信息通過故障指示器的通信通道，上傳到主站的控制中心。之后，再通過控制中心對這些信息進行矩陣運算，從而得到故障區間的過程。在故障區段定位應用的算法中，使用的矩陣算法是通用算法，其實現過程如下。

起初，對于任何一個配電網系統，都可以針對這個系統的拓撲結構形成一個矩陣，這個矩陣稱之為網絡描述矩陣D。如果這個配電網的系統發生了故障，由該系統中各個節點處的故障指示器檢測到的信息，將信息向主站上傳，形成一個新矩陣，即故障信息矩陣G。之后將前面得到的兩個矩陣進行乘法處理，這樣就可以得到一個新的矩陣。但通過這個矩陣還不能直接找出故障區間，對于這個矩陣進行所謂的格式化處理之后，就可以得到進行故障區間判定時要用的矩陣，稱之為故障判斷矩陣P。對這個得到的矩陣P內元素進行分析，就可以知道發生故障的位置在哪兩個節點之間。

下面對于該算法的具體實現過程進行詳細的說明。首先找到一個具有節點的網絡，如圖2所示。

圖2 簡單的饋線網絡

對該網絡進行編號，參與編號的節點就是網絡范圍內的斷路器以及開關柱上的故障指示器。圖2所示的網絡有節點數6個，因此這個網絡可以列出一個6×6階的方陣。如果節點i以及節點j中間存在線路上的直接聯系，也就是說這兩個點是所謂的臨近點，這個時候對于在i行i列或是在j行j列的數值設定成1，之后把這個矩陣的其他的數值設定成0。這樣就形成了前面所說的可以反映網絡的拓撲結構的矩陣，即網絡描述矩陣D。

(1)

利用相似的形成方法，這個網絡里形成的故障信息矩陣G也同樣為6×6階的矩陣。本文使用對于故障的判定標準為:在各個節點的故障指示器處預定一個故障信息比較值，這里取零序電流能量。故障出現之后，如果說檢測到節點i上的故障指示器的零序電流能量值的計算值大于這個使用的整定值，那么就會把所要形成的這個矩陣的i行i列的元素設定為0。反之把位于i行i列的元素設定為1。對于其他元素，都將數值設定為0。根據前面所分析的網絡的矩陣形成方式，可以結合故障出現的位置，得到故障信息矩陣，即：

(2)

在前面的兩個方陣都形成之后，可以把這兩個方陣作乘法處理。之后對于這個運算結果進行所謂的規格化。通過上面的運算之后就得到所需要的矩陣，即最終的方陣P。

P=g(D×G)

(3)

式中：D為網絡描述矩陣;G為故障信息矩陣。在這里，要具體的介紹一下規格化的操作，該方法的描述如下：對于前面所列出的方陣D中各值dmj，dnj,…,dkj=1。由于矩陣G中的固定一個值gjj也為1，并且gmm,gnn,…,gkk這些值里面為0的數字大于等于2，因此把D×G矩陣里面的j行j列的元素進行了格式化運算，也就是把在j行j列的所有元素設定為0。如果有些元素不符合上面的兩個條件，則這些元素的值不發生變化。由上面的網絡圖的具體的故障區段情況，可以得到如下矩陣，即故障判斷矩陣P。

(4)

之后就可以判定發生故障時故障點所位于整條線路的區間了。具體方法可以由前面給出的故障判斷矩陣看出來，在矩陣P中，如果對于矩陣P中某個元素pij∧pji=1，那么位于節點i以及節點j之間的這個區間發生了故障。對于上面例子可以由P矩陣看出來對于元素p34∧p43=1，則故障位于節點3以及節點4之間。

3 仿真驗證

該系統為中性點經消弧線圈接地系統，電壓等級為6 kV，這里對于仿真過程中線路參數的設定如下：R1=0.012 64 Ω/km、R0=0.375 4 Ω/km；L1=0.935 6 mH/km,L0=4.124 2 mH/km；C1=12.81 μF/km,C0=7.749 μF/km。對于消弧線圈，在這里設置L=1.5 H、R=30 Ω。對于線路負載，這里使用的是三相串聯RLC模塊，將系統的各個有功負荷設置為10 MW。

模型中共3條6 kV輸電線路，均采用π型等效電路模型，其中故障線路為線路3。在故障線路上設置四個故障指示器，故障點位于故障指示器2和故障指示器3之間。將三相電壓電流測量模塊作為故障指示器，從而實現對故障點前后零序電流信號的測量。將故障指示器檢測到的A、B、C三相線路的故障電流引出，通過加法器相加，得到三倍的零序電流，進行仿真驗證。

系統模型中，仿真系統運行時間為0.2 s，故障時刻0.045 s，當線路3出現某一相的故障時，檢測到的系統發生接地的線路三倍零序電流值如圖3所示。

圖3中:第一個波形圖為系統發生金屬性接地時故障點前后故障指示器所檢測到的三倍零序電流波形；第二個波形圖為系統發生非金屬性接地時，設置過渡電阻2 000 Ω，故障點前后故障指示器所檢測到的三倍零序電流波形。當故障發生前系統中零序電流為零，在系統發生故障之后系統中開始出現零序電流，并且此時的零序電流中含有大量的奇次諧波。隨著時間的推移諧波快速衰減，故障狀態過渡到了穩態。由于故障發生在故障指示器2和故障指示器3之間，因此這里將故障指示器2與故障指示器3檢測到的零序電流波形進行對比。很明顯，當線路發生故障后，故障點前后故障指示器檢測到的零序電流幅值具有十分明顯的變化，且該方法同時適用于金屬性接地與非金屬性接地。

圖3 系統發生單相接地短路故障零序電流波形圖

對故障線路各個故障指示器檢測到的零序電流進行采樣分析，利用離散形式下的電流能量計算公式，得到各個監測點檢測到的零序電流能量值。為驗證該區段定位方法的有效性，將在故障距離和過渡電阻方面考慮不同種影響因素，并對影響因素進行仿真。

(1)當故障距離為3 km時，故障位置位于故障指示器1與故障指示器2之間，故障區段定位仿真結果如表1所示。

表1 故障區段定位仿真結果

(2)當故障距離為8 km時，故障位置在故障指示器2與故障指示器3之間，故障區段定位仿真結果如表2所示。

表2 故障區段定位仿真結果

(3)當故障距離為15 km時，故障位置在故障指示器3與故障指示器4之間，故障區段定位仿真結果如表3所示。

表3 故障區段定位仿真結果

4 結束語

通過以上分析可知，在基于故障指示器的區段定位方法中，以零序電流能量作為特征量，形成故障信息矩陣，可準確找到故障區段，且該方法不受故障距離的影響，仿真結果充分說明了該方法的有效性和實用性。