基于相似性原理的配電網暫態分界技術研究

史建海，王敬華，褚宏鼎

（1.中國鐵路濟南局集團有限公司，山東 濟南 250000；2.山東理工大學，山東 淄博 255049）

0 引言

近年來，自動分界開關在國內獲得了廣泛應用，分界開關是將線路分段開關和微機保護測控以及通信功能融為一體的裝置，一般安裝在用戶供電系統與供電企業所管轄的公共配電網的分界點上，可直接切除用戶系統故障，或在上級斷路器（如變電站線路出口斷路器）動作后隔離用戶系統內的故障，防止用戶側故障造成同線路上其他用戶停電。然而，分界開關在運行過程中，存在誤動與拒動現象[1-3]。

配電網一般采用中性點不接地或者經消弧線圈接地方式，在中性點經消弧線圈接地系統中，由于消弧線圈對電流的補償作用，采用穩態法檢測故障的分界開關容易拒動。文獻[4]所提故障分界方法過多依賴通信方式，制約因素較多；文獻[5]需同時采集工頻零序電壓和工頻零序電流的幅值與相位特征，方法復雜，且工頻信號靈敏度差。

針對上述問題，提出一種基于暫態零序電流波形相似性的分界技術，可以避免消弧線圈補償電流影響，并且利用波形相似的原理進行故障判斷，該方法檢測靈敏度高，能有效提高分界開關動作可靠性和準確性。

1 穩態法存在的問題

目前現場安裝的分界開關一般通過檢測穩態（工頻）零序電流幅值的方法實現接地故障分界，實際應用中存在誤動與拒動現象。

誤動現象一部分是由分界開關電流定值過低導致，當故障點位于系統側時，若用戶側線路較長、對地電容電流較大，則流過分界開關的零序電流可能超過動作值，造成分界開關誤動；另一部分是由間歇性接地故障導致，間歇性接地時故障零序電流的暫態分量較大，導致普通穩態方法計算出的零序電流有效值遠大于實際值，可能造成分界開關誤動[6-7]。

采用中性點經消弧線圈接地的方式，可以有效抑制弧光接地對電力系統的損害，顯著提高電力系統的供電可靠性。但當故障發生點位于用戶側時，由于受消弧線圈對電流的補償作用，使得流過分界開關的故障零序電流減小，甚至小于整定動作值，造成分界開關拒動現象。

2 基于暫態零序電流波形相似性的分界技術

基于暫態零序電流波形相似性的故障分界原理是，選取線路發生單相接地故障時暫態零序電流波形作為參考波形，當發生區內故障時，故障暫態零序電流波形與參考波形相比，極性相同，幅值相近，波形相似度高；當區外故障時，零序電流波形與參考波形相比，極性有差異，幅值差距大，波形相似度低[8]。因此，將2條暫態零序電流采樣計算后的相似系數數值作為分界判斷的依據。

2.1 零序電流整定值計算

零序電流整定值按照大于本線路穩態電容電流幅值的η倍進行整定：

式中：η為常數，可取為6～10；IB0為穩態電容電流幅值，A；U0為零序電壓幅值，A，其數值等于故障點位置正常運行時電壓幅值；ω為工頻角頻率，Hz；C為本線路的單相對地電容。

對線路零序電流互感器所檢測到的暫態零序電流 i1（t）進行有效值 I1（t）的計算，判斷其是否達到整定值 ISet，若 I1（t）達到整定值 ISet，則進行下一步分界判定，否則判定為區外故障。

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2.2 電流波形相似系數計算

統計學中規定，相似系數是反映兩個量之間相似度的量，電流波形相似系數計算公式[9]為

式中：t為采樣點，t=1，2，…，n；i1（t）為故障波形暫態零序電流系列值，A；i2（t）為選定波形暫態零序電流系列值，A；ρ12為 i1（t）與 i2（t）間波形相似系數。

2.3 基于暫態零序電流波形法的分界判斷

定義 ρset為相似度閾值，可按照 0.4＜ρset＜0.6 進行整定。若 ρ12＜ρset，判斷為區外故障；若 ρ12≥ρset，判斷為區內故障。

暫態零序電流波形法的分界判斷流程如圖1所示。

3 仿真驗證

暫態零序電流波形法適用于中性點不接地和中性點經消弧線圈接地系統，以中性點經消弧線圈接地系統為例，進行單相接地故障情況下分界方法的仿真驗證。

3.1 仿真模型線路結構與參數

基于ATP仿真軟件建立仿真模型如圖2所示。計算步長為10 μs，采樣頻率為50 kHz，暫態零序電流采樣選取一周波1 000采樣點。仿真模型中，線路1為0.24 km架空線路，穩態電容電流0.005 4 A，線路2為1 km電纜線路，穩態電容電流2.597 9 A。設置故障條件如下[9-13]：

1）故障點分別位于線路1、線路2分界開關負荷側；

3）故障初相角分別為 0°、45°、90°。

含有多條出線的10 kV配電網中，系統接地方式為中性點經消弧線圈接地，全系統電容電流為30 A。系統消弧線圈過補償度10%，消弧線圈大小為685 mH，并聯電阻3 000 Ω補償后接地電流為3 A。

圖2 ATP仿真模型網絡結構

3.2 仿真結果分析

為了驗證方法準確性，采用圖2中仿真模型。將ATP模型仿真數據導入MATLAB，利用編寫程序進行數據處理，并加入FIR濾波器，采用200～2 000 Hz帶通濾波，得到濾波后的波形，仿真結果如圖3與圖4所示。

圖3 區內故障時波形相似性對比

圖4 區外故障時波形相似性對比

圖3與圖4所示仿真波形中，包含1條零序電流參考波形和1條故障時本線路的零序電流波形。

由上述分析可得結論：區內故障，兩故障條件相近時的波形相比，幅值相近、極性相同，波形相似度很高；區外故障時，與參考零序電流波形相比，暫態零序電流很小，兩條波形幅值相差很大，且波形相似較低。

波形受故障初相角、接地電阻等條件影響較大，因此根據3.1節中故障條件進行仿真，并在MATLAB中計算得到兩條波形的相似系數數值，計算結果如表1～3所示。

表2 區內高阻故障波形相似系數

表3 區外故障波形相似系數

由表1～3可知：

1）相同接地電阻、相同初相角條件下，相似系數數值為1，對于判斷故障具有很高的靈敏性；

2）對于接地電阻差較大、不同初相角條件下，相似系數數值很低；

3）區內故障，接地電阻、初相角相近的情況下，相似系數多在0.6以上。區外故障，相似系數值普遍在0.1以下，因此，單相接地故障分界時，選擇閾值可以有很大的裕度；

4）驗證了基于相似性原理的暫態分界技術的可行性，并初步具備了一定的可靠性和準確性；

5）高阻接地故障下零序電流幅值很小，采用波形法容易導致誤動。因此，上述方法中預設一個零序電流啟動閾值，對于未達到零序電流動作值的波形，不進行相似系數計算。

4 結語

暫態零序電流波形方法同時適用于中性點不接地和中性點經消弧線圈接地系統。單相接地故障時暫態零序電流幅值很大，因此具有很高的檢測靈敏性，并且不受用戶線路長度影響。區內、區外故障波形相似系數計算值相差很大，有很大的相似度閾值。

所提暫態波形分界法相比穩態法有明顯優勢，具有更高的檢測靈敏性和更好的可靠性，并且不需要提高硬件設備條件，實用性強。通過仿真實驗，驗證了方法可行性和可靠性。暫態波形法還處于仿真階段，對于該方法可靠性的進一步研究工作，還需要大量的工程現場應用完成。