一種配電網(wǎng)單相接地故障起始點獲取方法

科大智能電氣技術(shù)有限公司 童 杰

針對10kV配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障起始點獲取困難的現(xiàn)狀，本文首先分析了單相接地故障發(fā)生時暫態(tài)錄波型故障指示器故障零序電流波形特性，提出一種在線路上增加安裝電力系統(tǒng)同步相量測試裝置（PMU），根據(jù)PMU故障零序電壓波形查找暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障起始點的實施方案。最后運用RTDS動模平臺驗證了該方案的可靠性與準確性，適用于小電流接地配電系統(tǒng)的單相接地故障識別。

我國10kV架空線路中壓配電網(wǎng)多采用小電流接地方式，線路發(fā)生接地故障時，需要及時準確判斷出故障點。暫態(tài)錄波型故障指示器是一種融合了高精度采樣、無線射頻通信等新技術(shù)的單相接地故障定位工具。該產(chǎn)品由一臺匯集單元及三只采集單元組成，采集單元懸掛安裝于三相架空電纜上，實時采集線路負荷、電場等數(shù)據(jù)，根據(jù)線路運行數(shù)據(jù)變化判斷是否發(fā)生接地故障，并將故障時刻波形傳遞到匯集單元，匯集單元合成零序電流生成波形文件并上傳配電主站，配電主站根據(jù)故障波形及線路拓撲完成故障定位。

當前暫態(tài)錄波型故障指示器接地故障定位的主流方法包括暫態(tài)極性法、零序電流相似性法等。暫態(tài)極性法判定原理為：架空線路發(fā)生接地故障時，故障線路故障點下游及非故障線路暫態(tài)零序電流首半波極性與母線暫態(tài)零序電壓首半波極性相同，故障線路故障點上游暫態(tài)零序電流首半波極性與母線暫態(tài)零序電壓首半波極性相反。零序電流相似性法原理為：架空線路發(fā)生接地故障時，非故障線路暫態(tài)零序電流波形相似且極性一致；故障線路與非故障線路暫態(tài)零序電流波形不相似且極性相反；故障點上游暫態(tài)零序電流波形相似且性一致；故障點下游與上游暫態(tài)零序電流波形不相似且極性相反；通過計算同一母線上暫態(tài)錄波型故障指示器的零序電流波形暫態(tài)信號相關(guān)系數(shù)可定位接地故障故障點。

兩種主流的接地故障定位方法都需要準確獲取到故障發(fā)生時暫態(tài)錄波型故障指示器的暫態(tài)零序電流信號首半波，即找到故障信號的暫態(tài)起始點。暫態(tài)起始點獲取準確率是接地故障定位的關(guān)鍵。暫態(tài)錄波型故障指示器的零序電流是三相采集單元的電流合成而來，存在三相電流采樣誤差疊加情況，同時架空線路負載情況復(fù)雜，負荷不穩(wěn)定；導(dǎo)致零序電流波形質(zhì)量較差，圖1為暫態(tài)錄波型故障指示器的某次故障零序電流波形截取，波形上可看出零序電流存在大量毛刺，通過突變點查找算法從零序電流波形上查找暫態(tài)信號起始點，獲取接地故障后首半波數(shù)據(jù)的準確性很難保證。

圖1 暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障波形

1 零序電流故障起始點獲取實現(xiàn)方案

電力系統(tǒng)同步相量測試裝置（PMU）是一種可安裝于架空線路變電站出線端的監(jiān)測裝置，其通過零序電壓PT直接采集線路零序電壓，其零序電壓波形質(zhì)量高，接地故障發(fā)生時線路零序電壓將發(fā)生明顯變化，可通過比幅法準確捕獲到故障起始點。GPS或者北斗對時裝置可將PMU及故障指示器的采集同步到同一時間系中。接地故障發(fā)生時線路零序電壓和零序電流同時變化，且兩種裝置時間在同一坐標系，通過PMU的零序電壓故障起始點確定暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障起始點。

1.1 實現(xiàn)方案系統(tǒng)組成

圖2為本文闡述的暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障起始點獲取方法實現(xiàn)方案系統(tǒng)組成，本方案實現(xiàn)系統(tǒng)由PMU、暫態(tài)錄波型故障指示器、配電網(wǎng)主站組成。圖中，PMU安裝于10kV配電線路變電站出線端，裝置內(nèi)部集成了GPS模塊用于獲取基準時間，外部接入零序PT采集線路零序電壓；圖中LA、LB、LC、L為暫態(tài)錄波型故障指示器，其安裝于架空線路各主干及支線上，成套暫態(tài)錄波型故障指示器由一臺匯集單元和三只采集單元組成，匯集單元內(nèi)部集成GPS模塊用于獲取基準時間，匯集單元與采集單元之間通過433M無線射頻通信，匯集單元獲取三只采集單元電流波形后合成線路零序電流，配電網(wǎng)主站通過收集故障時刻前后PMU及故障指示器的零序電壓及零序電流波形，獲取故障起始點，從而定位接地故障點位置。

圖2 零序電流故障起始點獲取實現(xiàn)方案系統(tǒng)組成

1.2 暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障起始點獲取步驟

圖3為PMU與暫態(tài)錄波型故障指示器采樣步調(diào)同步流程圖，該流程實現(xiàn)了兩種裝置的交流采樣同步。如圖3所示，安裝于同一變電站的兩種裝置通過自帶GPS模塊獲取基準時間，分別調(diào)整自身ADC采樣定時器的走時步調(diào)，使其與基準時間步調(diào)一致，從而使得兩者的交流采樣步調(diào)同步。具體步驟如下：

圖3 PMU與暫態(tài)錄波型故障指示器采樣同步流程圖

裝置上電后啟動交流采樣，待GPS模塊進入授時穩(wěn)定狀態(tài)后，裝置的微控制器MCU計算自帶GPS模塊秒中斷與交流采樣ADC觸發(fā)源定時器秒中斷的時間差，判斷時間差是否超過規(guī)定閾值；若PMU中時間差超過閾值，其將時間差換算為定時器計數(shù)值并修正定時器走時，以同步ADC模塊采樣步調(diào)，并且使用GPS基準時間更新裝置系統(tǒng)時間；對于暫態(tài)錄波型故障指示器來說，若時間差超過閾值，匯集單元將自身時間更新到GPS基準時間后，再通過無線射頻同步三只采集單元采樣步調(diào)。在保持PMU與暫態(tài)錄波型故障指示器交流采樣步調(diào)一致的同時，兩種裝置需保持相同的交流采樣頻率以保證PMU零序電壓波形與故障指示器零序電流波形采樣點一一對應(yīng)，在本文的實施實例中，兩種裝置采樣頻率均為12.8kHz。

零序電流故障起始點獲取方法實現(xiàn)步驟：

（1）架空線路發(fā)生接地故障后，PMU通過母線零序電壓變化感知到故障發(fā)生，以故障時刻為基準鎖定故障前4個周波及故障后8個周波的零序電壓波形并上傳主站；暫態(tài)錄波型故障指示器通過線路電場變化感知到故障發(fā)生，鎖定故障前4個周波及故障后8個周波電流波形并上傳主站，故障波形上傳采用標準comtrade文件格式，文件中包含波形起始點時間。

（2）主站收到PMU及暫態(tài)錄波型故障指示器故障波形文件后，解析PMU零序電壓波形數(shù)據(jù)，圖4為接地故障發(fā)生時PMU所錄母線零序電壓波形，波形為標準正弦波，無毛刺、無高頻信號疊加且波形質(zhì)量高，利用正弦信號周期性特點采用比幅法獲取零序電壓突變點位置。

（3）主站通過PMU波形文件起始點時間及零序電壓突變點位置，可計算出接地故障發(fā)生的準確絕對時間。

（4）主站根據(jù)接地故障發(fā)生絕對時間與暫態(tài)錄波型故障指示器故障波形起始點時間差計算出暫態(tài)零序電流故障起始點位置。

2 RTDS動模試驗系統(tǒng)驗證

2.1 RTDS動模試驗系統(tǒng)

本文提出的方法在開普檢測中心DM008動模試驗系統(tǒng)中驗證。系統(tǒng)如圖4所示，有6條出線支路。系統(tǒng)中性點接地方式有不接地、經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)10Ω小電阻接地3中方式。當不接地系統(tǒng)對地電容電流小于10A時，系統(tǒng)接地方式分為不接地；當不接地系統(tǒng)對地電容電流大于10A時，系統(tǒng)接地方式分為經(jīng)消弧線圈接地，消弧線圈為預(yù)調(diào)諧方式，補償度為過補償5%；當不接地系統(tǒng)對地電容電流大于30A時，系統(tǒng)接地方式為經(jīng)10Ω小電阻接地。

圖4 10kV配電系統(tǒng)動模試驗主接線圖

模擬中性點不接接地系統(tǒng)的K1～K6點發(fā)生單相經(jīng)10Ω、100Ω、300Ω、800Ω過渡電阻的單相接地故障。驗證接地故障發(fā)生時刻，PMU的零序電壓故障起始點與故障指示器零序電流故障起始點一致，通過本文闡述的方法可準確找到零序電流故障起始點，提高了極性法定位接地故障的準確率。

表1 線路參數(shù)

2.2 實驗結(jié)果與分析

本次動模系統(tǒng)試驗共計模擬接地故障80次，其中中性點不接地系統(tǒng)及經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)各40次，過渡電阻10Ω、100Ω、300Ω、800Ω各20次。暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障起始點查找準確率100%，接地故障判定準確率95%。圖5為接地故障時PUM零序電壓波形與不同安裝位置的4套故障指示器零序電流波形，從波形上看零序電壓波形故障起始點與零序電流故障起始點一致。本文提出的實現(xiàn)方案可準確找到故障指示器零序電流故障起始點。

圖5 接地故障時零序電壓與零序電流波形

結(jié)論：由上述實現(xiàn)方案可知，本文提出的方法將高頻且不穩(wěn)定的暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障起始點獲取轉(zhuǎn)化為低頻且穩(wěn)定的PMU零序電壓故障起始點獲取，降低了錯誤概率，提高了準確率。以GPS時間為基準同步PMU與暫態(tài)錄波型故障指示器交流采樣步調(diào)，將PMU零序電壓故障起始點與暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障起始點的時間差控制在10us以內(nèi)，大幅提高接地故障時獲取暫態(tài)錄波型故障指示器合成零序電流的故障起始點準確率。利用動模系統(tǒng)驗證了該方法的有效性。