分布式電源配電網單相接地故障快速定位方法

曾和平

（國網漢陰縣供電公司，陜西 安康 725100）

0 引 言

單相接地保護的定值受到保護原理、配電網拓撲結構、系統電容電流水平、故障點過渡電阻大小以及配電網運營單位采取的故障處理策略等因素的影響，與傳統繼電保護的定值整定有較大區別。為降低配電網單相接地故障引起火災等安全事故和大面積停電的風險，對配電網單相接地故障的快速處理提出了更高的要求，為此提出農村配電網單相接地故障分段自動定位方法。配電網單相接地保護要求動作發生在告警環節，同時越來越多的應用場景要求出口跳閘，進而快速準確定位單相接地故障位置[1]。

1 分布式電源配電網單相接地故障快速定位方法

1.1 設計配電網拓撲結構

文章設計的配電網拓撲結構規模在1～50 MW，能夠在負荷附近以散裝的形式提供電能，具有小投資低損耗的優點。文章根據分布式的電源配電網的拓撲結構，選擇了電流源型逆變器與電壓源型逆變器作為結構的設計核心，這2種變電器損耗較低且控制簡單[2]。分布式電源配電網拓撲結構如圖1所示。

圖1 分布式電源配電網拓撲結構

根據圖1中的主要單元結構的構建，獲得結構的數學模型為

式中：H為濾波器等效電感；R為網側等效電阻；i為分布式電源交流側輸出電流；Up為公共連接點處的電網側單相電壓；U為分布式電源的輸出電壓；t為單相接地故障的發生時間。

文章根據分布式電源配電網的特性，對拓撲結構中的電源控制進行了一些設定。首先，能夠有效地向電網輸送電能，且應確保配電網的安全穩定運行；其次，安裝于負載側，電能就地消納；最后，根據配電網的實際電壓等級，選擇不同電源容量，對并網位置進行分析[3]。

1.2 分析電網接地故障電流特性

在發生接地故障時，所產生停電問題的影響由故障情況來決定。因此，在實際的配電網的運行中，為了減少停電問題，降低對日常工作生活的影響，需要在線路的中性點位置設置消弧線圈進行連接，這種做法可以減少故障線路中的幅值區域。文章設置的消弧線圈的連接方式如圖2所示。

圖2 中性點經消弧線圈接地結構

發生單相接地故障時，中性點電位上升至相電壓，消弧線圈產生感性電流補償電路中的容性接地電流，補償后的容性接地電流殘余分量很小，不足以維持電弧，避免故障規模擴大[4]。

通過圖2的接地結構，分析單相接地故障問題的特性。在正常運行時，選擇線路1、線路2和線路3中的某一線路作為分析的單相接地，其中的單相平衡被打破，產生了電流放電問題。在零序分量的計算中，以消弧線圈的工作內容為參數的分析的基點，那么各線路中的電流大小的計算表達式為

式中：ω為電流頻率；L為電流的線路長度；U'為當前電路中的平均電壓；E為當前電壓的電動勢；j為消弧線圈的參數值。那么此時的故障點中的電流之和為

式中：Iz為故障線路中故障點的電流，也是單相接地線路中的全部對地電容電流。

1.3 計算配電網單相接地故障影響參數

在配電網單相接地中，出現故障問題時，大多數是因為多方面的原因綜合作用，使得線路出現故障。因此，文章通過單相接地中的暫態過程來對故障影響參數進行分析[5]。

暫態過程中，消弧線圈還未開始進行補償作用，因此中性點不接地方式和經消弧線圈接地方式在故障發生后的一小段時間內，具有相似的過渡過程。由等值電路可以看出，回路內共流向3種電流，分別是故障發生后容性對地電容電流、故障后消弧線圈開始補償作用產生的感性電感電流以及容性對地電容電流與感性電感電流在接地位置疊加而成的接地電流。

出現單相接地故障后，電流的影響效果表達式為

式中：Uφ為零序電壓U0的幅值；C為零序網絡內部對地電容總值；R'為電流中的電阻值；S為消弧線圈的電感值大小。基于實際應用場景的考慮，在電力系統中，單相接地故障通常發生在幾十毫秒到幾分鐘的時間范圍內，因此選取60 s作為式（4）積分上限，即可覆蓋大多數實際運行情況下的接地電流變化過程。根據式（4）的電流暫態過程，分析出其周期的衰減特性。將電阻設定在一般范圍內，通過故障發生時的電阻阻值為零來設定約束條件，那么且電流頻率處于配電網范圍內，即300～1 500 Hz。

容性對地電容電流的暫態過程也可以看作是穩態階段的容性對地電容電流與呈周期性衰減的高頻振蕩電流疊加而成，當周期性衰減的高頻振蕩電流衰減至無窮小，即進入穩態階段[6]。

然后通過實際的配網的接地故障，分析故障信息的暫態過程的頻率特性，其中的衰減特性取決于故障中的相角。暫態過程的幅值大于穩態過程，甚至會衰減到故障后的過程，能夠豐富體現出單相故障的特性信息，對故障模型的構建及其之后的快速定位起到了重要作用。

1.4 搭建故障模型實現快速定位

為實現故障的快速定位，文章選擇使用誤差反向傳播（Back Propagation，BP）神經網絡來定位故障點。BP神經網絡屬于多層前饋神經網絡。通過該網絡的映射能力和其自身屬性中的學習能力，將上述所分析的故障特性，作為輸入層輸入神經網絡，并通過在隱含層的神經網絡調配置其中閾值的神經元，完成對于故障點的辨識，進而實現對單相接地故障的快速定位[7]。

首先，通過對故障信號的搜尋，得到隱含層中第m個節點的輸入Nm。將Nm代入隱含層的激活函數h可得到相對應的輸出信號yh，將yh作為輸出層的節點系數，可得輸出層第k個節點的輸入Nk為

將式（5）所的結果代入輸出層的激活函數，得到實際輸出值Qk。根據輸出值的特性判定，可以分析出對應的單相故障，處于具體的某一配網線路中[8]。此外，根據配網線路中的神經網絡輸入，通過隱含層的計算，最后得到的輸出值，即為單相接地故障中的故障具體定位。

2 實驗論證

2.1 實驗說明

為驗證文章設計方法的應用效果，設計如下實驗。通過與基于小波變換的故障定位方法（對照組Ⅰ）、基于K均值分類算法的故障定位方法（對照組Ⅱ）進行對比，分析文章設計方法（實驗組）的優勢性。選擇8組實驗數據，通過隨機篩選的方式，選取分布式電源配電網的單相接地故障數據，各組中的故障點數量分別為20個、40個、60個、80個、10個、30個、50個以及70個，通過在其他篩選的實際數據，在故障樣本中進行訓練學習，將8組故障樣本輸入模型，然后基于多次實驗驗證獲得實驗結果。

2.2 實驗準備

配電網參數設置如下：配電網額定容量為12 500 kVA；額定頻率為50 Hz；額定電壓為10.5 kV，電壓基于額定電壓上下波動2.5%。

為實現配電網中的簡化電路，需要仔細排查配網中可能出現故障的狀況，避免產生電位差問題。因此，分析故障問題特征，初步定位到故障區段，再分析故障發生處的信號，經金屬線路的電流故障流經接地線，并且向中性點注入。通過故障檢測對其進行上下游的定位，并判斷其是否為電流信號。

2.3 實驗結果

不同方法定位故障的時間如表1所示。

表1 不同方法的對比結果

由表1可以看出，隨著故障點數量的變化，3種方法定位故障所需的時間均呈現出逐漸增加的態勢。縱不同方法定位故障所需的時間，在故障點數量由10個增加至80個的過程中，對照組Ⅰ定位故障所需的時間由2.6 s增加至21.5 s，對照組Ⅱ定位故障所需的時間由3.4 s增加至22.3 s，實驗組定位故障所需的時間由2.1 s增加至19.8 s。因此，實驗組定位故障所需的時間更短。由此表明，文章設計方法能夠相對快速的定位故障問題，為配網的故障處理，提供時間優勢。

3 結 論

文章通過對配網的拓撲結構進行分析，進而分析故障問題的特性，通過對故障影響參數的計算，構建出故障點的定位模型。基于實驗數據結果證明了文章設計方法能夠實現對單相接地故障的快速定位。但是，在拓撲結構的設計中，文章方法對故障點的說明不夠詳細，這些不足之處將在之后的研究中深入分析，并進行改進。