基于故障反演陣的配電網接地定位終端數據質量評價方法

李亞國，王瑞玨，張 偉，岳彩娟

（1.國網山西省電力公司，山西太原 030000；2.積成電子股份有限公司，山東濟南 250100）

當前的配電網多采用中性點經消弧線圈接地、經大電阻接地或不接地等小電流接地運行方式。當單相接地故障發生時，小電流接地運行方式雖然可以限制故障電流在較小范圍內，但由于變電站出線開關保護未速斷跳閘，因此故障線路將保持缺相供電運行，長時間這樣運行將會危及人畜生命及設備安全，因此需要盡快定位接地故障點，快速隔離故障，確保配電網運行安全[1-4]。配電網小電流接地定位系統可基于接地定位終端采集的故障信息判定故障區間，隔離故障區域和恢復健全區域供電，是提高配電網供電可靠性的重要手段[5-8]。

錄波性故障指示器和一二次融合設備等無源型接地定位終端不依靠注入裝置，僅依靠接地故障前后時刻零序電流、零序電壓、零序功率等特征量的采集和比對即可實現對接地故障的定位，在當前配電網中被廣泛應用[9-12]。但由于產品質量、安裝工藝、運行環境、維護手段等多種因素的影響，接地定位終端漏報、誤報故障信號和錯報故障信息的情況時有發生，嚴重影響了小電流接地故障判定的準確性。目前，對自動化終端的數據分析多集中在遙信遙測辨識、終端在線率分析、終端電池活化分析、終端通信分析等方面，對接地故障情況下的終端數據質量分析研究較少[13-16]。故此，為提升配電網接地故障感知能力，增強配電網供電可靠性，有必要對接地時終端告警信息、故障信息等數據質量進行分析評價，及時發現終端缺陷，為搶修消缺與運行維護提供有力支撐。

文中首先分析了小電流接地情況下的零序電流分布，然后建立了接地終端數據質量評價數學模型，最后根據數據模型，提出了一種基于故障反演陣的終端數據質量評價方法。

1 接地終端數據質量評價數學模型

配電網接地故障發生時，接地相電壓將會降低，非接地相電壓將會升高，電壓的不對稱性引起了各相電容電流的變化，從而產生零序電壓和零序電流。整個電網是同一連通系，單饋線的電壓變化將會引起其他饋線的電壓變化，但由于變壓器的隔離作用，電壓變化將只會影響變壓器副邊側同一母線的所有饋線。故此，接地故障的相關分析不同于短路故障，需考慮故障饋線所在母線連接的所有饋線。

當前，基于波形比對的錄波型故障指示器、錄波型終端等被廣泛應用在配電網中，當接地故障發生時，接地終端檢測到對地場強變化后將啟動零序電流錄波功能，同時將向主站上報接地故障告警信號；當主站系統接收到各終端的告警信號和故障錄波文件后，在主站基于饋線拓撲關系對各個接地終端采集的故障時刻波形進行比對，通過故障點上游波形、故障點下游波形及其他非故障點饋線的終端波形差異，確定接地故障點。但由于各種原因的影響，終端誤報、漏報和錯報情況時有發生。誤報是指正常運行時接地終端誤報接地故障信息；漏報是指故障情況下接地終端漏報告警信號；錯報是指故障情況下接地終端采集的錄波信息錯誤。這些情況皆會嚴重影響接地故障的判定和快速搶修恢復。

如圖1 典型饋線接地終端分布所示，Feeder1～Feeder4 為4 條饋線，S1～S4 為變電站出線開關，也是各條饋線的電源點；L1～L3 為聯絡開關，F1～F24 為可以上報接地告警信號和故障錄波信息的終端，Bus1為變電站10 kV 母線，Fault1 為接地故障點。

圖1 典型饋線接地終端分布

當Fault1 發生接地故障時，整個Bus1 母線上所有饋線Feeder1～Feeder4 的零序電壓和零序電流皆會發生變化，各接地終端皆應上報故障告警信號并采集故障波形。故障點上游到母線路徑上的零序電流波形與故障點下游及其他非故障線路（Feeder1、Feeder3、Feeder4）的零序電流波形方向不同。設故障點上游至母線路徑上的零序電流方向為由故障點流向母線，其他線路上的零序電流方向為從母線流向饋線，如圖1 中箭頭所示。

建立母線接地終端信息陣BGTM，記錄一條母線所有供電饋線上的接地終端信息，具體描述為：

式中，每行為一條饋線上的所有接地終端編號，i=1,2,…,n，n為母線供電饋線總數；j=1,2,…,m，m為最大饋線包含的接地終端數；btij為第i條饋線中第j個接地終端的編號，若該終端不存在，則用-1 表示。

2 基于故障反演陣的終端數據質量評價方法

接地終端數據質量評價主要是指通過對接地終端上送到主站的故障告警信號和故障錄波波形數據進行質量評價，辨識存在誤報、漏報、錯報等質量缺陷的接地終端，以便及時運維和消缺。

當配電網無故障正常運行時，上報接地故障告警信號的終端將存在誤報告警信號缺陷。建立接地故障信息誤報終端集合GFAS，用于描述正常運行時主站接收到誤報接地故障告警信號的終端，具體為：

式中，fag為第g個誤報接地故障告警信號的接地終端編號，g=1,2,…,q，q為誤報故障告警信號的接地終端總數。

當故障發生時，故障點上游的接地終端上報故障信號，零序電流由線路流向母線；故障點下游及其他非故障線路上報故障信號，零序電流由母線流向線路。根據故障搶修人員現場確認的實際接地故障點，逆推每一個接地終端的故障告警信號和零序電流方向，將這些終端與實際采集的故障告警信號和零序電流方向進行比對，可辨識漏報與錯報故障信息的接地終端。

從接地故障點開始，沿著潮流逆方向，從電源點向上追溯，直到變電站出線開關為止，其所經歷的接地定位終端定義為該故障點的上游接地終端。建立故障點上游終端設備集合FUTS，用于記錄該故障點的所有上游接地終端信息，具體為：

式中，utk為故障點上游終端設備集合FUTS中第k個接地終端編號，k=1,2,…,h，h為故障點上游終端設備集FUTS中所含接地終端總數。

建立故障反演標準信息陣FISM，記錄真實接地故障發生時，各接地終端應該上報的接地故障告警信號和零序電流方向信息，具體為：

式中，每行為一條饋線上的所有接地終端的標準故障信息，i=1,2,…,n，n為母線供電饋線總數；j=1,2,…,m，m為最大饋線包含的接地終端數；fsij為第i條饋線中第j個接地終端的標準故障信息，即接地終端btij上報的接地故障告警信號和零序電流方向信息。當接地終端btij與故障點上游終端設備集合FUTS中任一元素utk相同時，表示該接地終端處于故障點上游路徑，其零序電流方向為從線路流向母線，fsij取值為3；當接地終端btij與故障點上游終端設備集合FUTS中所有元素皆不相同，且不為-1 時，表示該接地終端處于故障點下游或非故障線路上，其零序電流方向為從母線流向線路，fsij取值為2；當接地終端btij為-1 時，fsij取值為-1。

建立故障反演實時信息陣FIRM，用于記錄接地故障發生時，各接地終端實際上報主站的接地故障告警信號和零序電流方向信息，具體為：

式中，每行為一條饋線上所有接地終端的實時故障信息；frij為第i條饋線中第j個接地終端的實時故障信息，即接地終端btij上報的實時接地故障告警信號和零序電流方向信息。當接地終端btij未上報故障信息時，frij取值為0；當接地終端btij采集的零序電流方向為線路流向母線時，frij取值為3；當接地終端btij采集的零序電流方向為母線流向線路時，frij取值為2；當接地終端btij為-1 時，frij取值為-1。

建立故障反演缺陷信息陣FIDM，用于記錄接地故障發生時主站系統實際采集信息與故障標準信息之間的偏差，具體為：

式中，每行為一條饋線上所有接地終端的故障偏差信息；fdij為第i條饋線中第j個接地終端的標準故障信息fsij與實時故障信息frij的差值，其取值有0、2、3、1、-1 五種情況。當fdij為0 時，表示接地終端btij上報的故障信息完全正確；當fdij為2 或3時，表示接地終端btij存在漏報故障信息的情況；當fdij為1 或-1 時，表示接地終端btij錯報零序電流故障波形。

建立接地故障信息漏報終端集合FMTS，以記錄母線所供饋線中所有存在漏報故障告警信號的接地定位終端，具體為：

式中，fma為接地故障信息漏報終端集合FMTS中第a個漏報故障告警信號的接地終端編號，即fdij為2 或3 時對應的接地終端btij；a=1,2,…,b，b為漏報故障告警信號的接地終端總數。

建立接地故障信息錯報終端集合FWTS，以記錄母線所供饋線中所有存在錯報故障錄波信息的接地定位終端，具體為：

式中，fwd為接地故障信息錯報終端集合FWTS中第d個錯報故障錄波信息的接地終端編號，即fdij為1 或-1 時對應的接地終端btij；d=1,2,…,e，e為錯報故障錄波信息的接地終端總數。

綜上所述，接地故障信息誤報終端集合GFAS、接地故障信息漏報終端集合FMTS、接地故障信息錯報終端集合FWTS中所含設備即是配電網中存在誤報、漏報、錯報等數據質量缺陷的接地定位終端，需及時派遣運維人員進行現場維護或更換，以確保接地情況下故障信息采集的正確性，確保小電流接地故障研判及隔離的準確性。

3 實例分析

對于圖1 中所示的配電饋線，在正常無故障運行方式下，主站接收到表1 中所示終端的接地告警信號；某日發生接地故障，主站接收到各接地終端的告警信號和零序電流波形信息，如表2 所示，根據接地定位研判方法，故障發生在接地終端F9 下游區域，但是經搶修人員現場勘查后，確定接地故障發生在接地終端F8、F10 圍成的區域，如圖1 中的Fault1。接地終端故障告警信息的漏報和錯報嚴重影響了接地故障研判的準確性。

表1 接地終端無故障正常運行下的告警信息

表2 接地終端故障運行方式下的告警信息

根據第1 節所述方法，由式（1）建立母線接地終端信息陣BGTM為：

根據第2 節所述方法，由式（2）、（3）建立接地故障信息誤報終端集合GFAS、故障點上游終端設備集合FUTS，分別為：

由式（4）～（7）建立故障反演標準信息陣FISM、故障反演實時信息陣FIRM，分別為：

由式（8）建立故障反演缺陷信息陣FIDM，為：

由式（9）、（10）生成接地故障信息漏報終端集合FMTS及接地故障信息錯報終端集合FWTS，分別為：

如此，運維檢修人員可根據接地故障信息誤報終端集合GFAS、接地故障信息漏報終端集合FMTS、接地故障信息錯報終端集合FWTS中所列設備盡快到現場進行定點精準化檢修及維護更換，以便確保小電流接地故障感知的準確性，從而達到提升供電可靠性的目的。

4 結論

文中首先分析了接地故障發生時配電網各饋線零序電流的潮流分布及接地終端告警情況，建立了接地終端數據質量評價數學模型，通過母線接地終端信息陣BGTM描述一條母線所有供電饋線上的接地終端信息；然后建立接地故障信息誤報終端集合GFAS，用于記錄正常運行時的誤報終端。基于母線接地終端信息陣BGTM與故障點上游終端設備集合FUTS生成了故障反演標準信息陣FISM，并通過該陣與故障反演實時信息陣FIRM的差值生成了故障反演缺陷信息陣FIDM。最后通過故障反演缺陷信息陣FIDM確定了接地故障信息漏報終端集合FMTS與接地故障信息錯報終端集合FWTS。實例分析表明，所述方法可對接地終端的上報數據質量進行評價，對存在誤報、漏報、錯報的終端進行辨識，方法簡單可靠，可較好地滿足現場運維檢修的需求。