基于配電自動(dòng)化技術(shù)的小電流接地故障區(qū)段定位方法

姜建，劉家齊，李燕青，宋樂(lè)，

（1.杭州供電公司，杭州310000；2.華北電力大學(xué) 河北 保定071003）

0 引 言

小電流接地故障選線的研究歷經(jīng)多年，采用的方法主要集中在暫態(tài)選線法［1-4］、穩(wěn)態(tài)選線法［5-8］、智能算法［9-11］等方面。暫態(tài)選線法的主要思想是利用信號(hào)處理工具對(duì)配電網(wǎng)發(fā)生接地故障后產(chǎn)生的暫態(tài)零序電流進(jìn)行分析，通過(guò)制定一種判據(jù)，找出故障特征最明顯的線路，其選線成功與否的關(guān)鍵在于特征判據(jù)的制定。穩(wěn)態(tài)選線法主要是利用故障進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后線路零序電流電壓的幅值、相位信息進(jìn)行選線，面臨的主要問(wèn)題是要全面統(tǒng)一的分析配電網(wǎng)在各處故障線路、非故障線路的不同特點(diǎn)，以正確區(qū)分二者。智能算法主要指粗糙集理論、模糊集理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，這種方法綜合多種選線判據(jù)，在選線準(zhǔn)確度方面有所提升，但算法龐大復(fù)雜，系統(tǒng)開(kāi)銷大是其主要缺點(diǎn)。

文章提出的是一種穩(wěn)態(tài)選線法，利用現(xiàn)有的配電自動(dòng)化技術(shù)，在饋線自動(dòng)化終端FTU上嵌入DFT相位檢測(cè)算法［12］，對(duì)故障發(fā)生后零序電流電壓相位差進(jìn)行計(jì)算并將結(jié)果上傳給配電管理中心，中心計(jì)算機(jī)對(duì)各處FTU上傳的相位差進(jìn)行檢查判斷以選出故障區(qū)段。選線方法全面利用了故障后不同線路的零序電流電壓相位關(guān)系，仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 選線原理

中性點(diǎn)非有效接地配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后線路的零序網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，開(kāi)關(guān)K閉合時(shí)對(duì)應(yīng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，打開(kāi)時(shí)對(duì)應(yīng)中性點(diǎn)不接地方式。

圖1 配電網(wǎng)零序網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 Zero-sequence circuit diagram for DS

下面著重分析在兩種接地方式下，故障線路與非故障線路零序電流與零序電壓的相位關(guān)系。

（1）中性點(diǎn)不接地時(shí)故障線路特征

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后故障線路的零序等效電路如圖2（a）所示。圖中u0為在故障點(diǎn)加入的零序電壓源，電阻、電容為線路等效參數(shù)，虛線框內(nèi)為線路末端接的等效負(fù)荷。根據(jù)正弦穩(wěn)態(tài)電路的知識(shí)，在圖中所示的參考方向下，電壓電流相量圖如圖3（a）所示，在空載時(shí)，電流I0空載超前電壓u0一角度，由于電阻的存在，該角度小于90度；負(fù)載時(shí)，由于負(fù)荷一般是阻感性，可能會(huì)使零序電流I0負(fù)載滯后零序電壓u0一角度，該角度也小于90°。由于實(shí)際采集到的零序電流方向都是以母線流向負(fù)荷為正方向，與圖中I0方向相反，當(dāng)改變正方向后，零序電流-I0與零序電壓 U0的相位差在 -90°～-270°之間。

圖2 線路等效零序電路Fig.2 Equivalent circuit for transmission line

（2）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地故障線路特征

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時(shí)故障線路的等效零序網(wǎng)絡(luò)如圖2（b）所示，其零序電流電壓相位關(guān)系如圖3（b）所示。由于配電網(wǎng)中消弧線圈一般都裝設(shè)成過(guò)補(bǔ)償方式，所以圖3（b）中IL與求∑i0非和后得到的I0在第四象限，改變正方向后-I0在第二象限，也即當(dāng)以母線流向負(fù)荷為正方向后，故障線路的零序電流與零序電壓的相位差在-180°～-270°之間。

圖3 線路零序電流電壓相位關(guān)系圖Fig.3 Phase relation diagram of zero voltage and current

（3）兩種接地方式下非故障線路的特征

非故障線路零序電流與零序電壓的相位關(guān)系不受中性點(diǎn)消弧線圈的影響，因?yàn)榉枪收暇€路零序電流并不經(jīng)過(guò)消弧線圈。非故障線路在末端空載情況下，零序等效電路如圖2（c）所示，零序電流電壓相位關(guān)系如圖3（c）中I0空載所示；在末端帶有負(fù)荷的情況下，零序等效電路如圖2（d）所示，零序電流電壓相位關(guān)系如圖3（c）中I0負(fù)載所示，綜上，非故障線路零序電流與零序電壓的相位差在-90°～90°之間。

海上救助離不開(kāi)人道主義救援國(guó)的配合與加入，為有效整合救助資源，搜救責(zé)任區(qū)內(nèi)的締約國(guó)往往也要協(xié)調(diào)并組織前來(lái)進(jìn)行道義性援助的國(guó)家，以保障它們順利從事海上救助。然而，即使是出于道義上的幫助，人道主義救援國(guó)本身也是有組織、有計(jì)劃地參與救助且享有協(xié)調(diào)權(quán)。當(dāng)這種權(quán)利面臨搜救責(zé)任區(qū)內(nèi)締約國(guó)的協(xié)調(diào)權(quán)，且人道主義救援國(guó)是有意進(jìn)入他國(guó)責(zé)任區(qū)內(nèi)進(jìn)行救助時(shí)，兩者之間就會(huì)產(chǎn)生一種配合與被配合、指揮與被指揮的關(guān)系。需要明確的是，這兩種協(xié)調(diào)權(quán)的競(jìng)合往往是隨機(jī)、臨時(shí)的，而并不涉及主權(quán)或是條約和協(xié)定的遵守等問(wèn)題。因此，契約與道義權(quán)源間的競(jìng)合具有一般性和機(jī)動(dòng)性。

2 選線算法

算法的基本思想是借助配電自動(dòng)化技術(shù)在各線路出口處安裝FTU元件，通過(guò)內(nèi)嵌的DFT相位檢測(cè)算法算出本處的零序電流與電壓相位差，將相位差信息上傳至配電管理中心計(jì)算機(jī)，中心計(jì)算機(jī)執(zhí)行選線算法，找出故障區(qū)段。

現(xiàn)對(duì)算法的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)合圖4說(shuō)明如下：

（1）將實(shí)際的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)映射到選線算法系統(tǒng)中，記錄各個(gè)FTU之間的上下級(jí)關(guān)系，并給每個(gè)FTU編號(hào)；

（2）故障發(fā)生后，觸發(fā)各處FTU單元采集故障穩(wěn)態(tài)后一個(gè)周期內(nèi)零序電壓電流信息，得到兩個(gè)正弦波序列，對(duì)這兩個(gè)序列做DFT變換，記錄其中幅值最大的頻率序號(hào)值m，此頻率序號(hào)對(duì)應(yīng)的實(shí)部和虛部按照公式（1）運(yùn)算，得到電流和電壓的相位，二者相減得到相位差，將相位差結(jié)果上傳至中心計(jì)算機(jī)；

圖4 裝有FTU的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.4 DS structure with FTU equipped

（3）中心計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)先建立的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)從母線側(cè)開(kāi)始依次檢查每個(gè)FTU上傳的相位差，若該值在-90°～90°之間，則該FTU安裝處及其下游為非故障線路，停止檢查其下游的FTU上傳的數(shù)值；若該值在-90°～-270°之間，則該FTU安裝處及其下游為故障線路，但還不能確定故障區(qū)段，建立一個(gè)存儲(chǔ)故障區(qū)段始端FTU編號(hào)的單元，存入該FTU的編號(hào)，繼續(xù)檢查其下游的與其直接相連的FTU的數(shù)值；

（4）若該值在-90°～90°之間，則建立一個(gè)存儲(chǔ)故障區(qū)段末端FTU編號(hào)的單元，存入該FTU的編號(hào)；若該值在-90°～-270°之間，則更新步驟3中的存儲(chǔ)單元，存入該FTU編號(hào)，繼續(xù)檢查其下游的與其直接相連的FTU的數(shù)值；

（5）重復(fù)執(zhí)行步驟4直到與故障區(qū)段始端直接相連的所有FTU的值都在-90°～90之間；

3 仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證算法的有效性，在SIMULINK平臺(tái)上進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，仿真模型的結(jié)構(gòu)如圖4所示，假設(shè)在f處發(fā)生單相接地故障，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5（a）為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地線路末端負(fù)載時(shí)的仿真結(jié)果；圖5（b）為中性點(diǎn)不接地線路末端負(fù)載時(shí)的仿真結(jié)果；圖5（c）為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地線路末端空載時(shí)的仿真結(jié)果；圖5（d）為中性點(diǎn)不接地線路末端空載時(shí)的仿真結(jié)果。

由仿真結(jié)果可以看出，各種情況下零序電流與零序電壓相位差與選線原理中所分析的結(jié)果符合良好，在兩種中性點(diǎn)接地方式下，線路空載或負(fù)載時(shí)，算法均能正確選出故障區(qū)段，證明了所提算法的有效性。

圖5 仿真結(jié)果圖Fig.5 Simulation result diagram

4 結(jié)束語(yǔ)

文章全面分析了配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后各處線路的零序電流與零序電壓的相位關(guān)系，通過(guò)零序電流位于不同的象限很好地區(qū)分了兩種接地方式下（中性點(diǎn)不接地和經(jīng)過(guò)消弧線圈接地）故障線路和非故障線路的特點(diǎn)，仿真驗(yàn)證了所提算法能夠有效地選出故障區(qū)段。

本文提出的算法要求能夠準(zhǔn)確地得到零序電流與電壓的相位差，且只考慮了配電網(wǎng)在同一時(shí)刻僅有一處發(fā)生單相接地故障的情況。