一種配電網單相接地故障起始點獲取方法

科大智能電氣技術有限公司 童 杰

針對10kV配電網小電流接地系統發生單相接地故障時，暫態錄波型故障指示器零序電流故障起始點獲取困難的現狀，本文首先分析了單相接地故障發生時暫態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同步相量測試裝置（PMU），根據PMU故障零序電壓波形查找暫態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的單相接地故障識別。

我國10kV架空線路中壓配電網多采用小電流接地方式，線路發生接地故障時，需要及時準確判斷出故障點。暫態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的單相接地故障定位工具。該產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、電場等數據，根據線路運行數據變化判斷是否發生接地故障，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，配電主站根據故障波形及線路拓撲完成故障定位。

當前暫態錄波型故障指示器接地故障定位的主流方法包括暫態極性法、零序電流相似性法等。暫態極性法判定原理為：架空線路發生接地故障時，故障線路故障點下游及非故障線路暫態零序電流首半波極性與母線暫態零序電壓首半波極性相同，故障線路故障點上游暫態零序電流首半波極性與母線暫態零序電壓首半波極性相反。零序電流相似性法原理為：架空線路發生接地故障時，非故障線路暫態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零序電流波形不相似且極性相反；故障點上游暫態零序電流波形相似且性一致；故障點下游與上游暫態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錄波型故障指示器的零序電流波形暫態信號相關系數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生時暫態錄波型故障指示器的暫態零序電流信號首半波，即找到故障信號的暫態起始點。暫態起始點獲取準確率是接地故障定位的關鍵。暫態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雜，負荷不穩定；導致零序電流波形質量較差，圖1為暫態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信號起始點，獲取接地故障后首半波數據的準確性很難保證。

圖1 暫態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方案

電力系統同步相量測試裝置（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，其零序電壓波形質量高，接地故障發生時線路零序電壓將發生明顯變化，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錄波型故障指示器零序電流故障起始點。

1.1 實現方案系統組成

圖2為本文闡述的暫態錄波型故障指示器零序電流故障起始點獲取方法實現方案系統組成，本方案實現系統由PMU、暫態錄波型故障指示器、配電網主站組成。圖中，PMU安裝于10kV配電線路變電站出線端，裝置內部集成了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方案系統組成

1.2 暫態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與暫態錄波型故障指示器采樣步調同步流程圖，該流程實現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，分別調整自身ADC采樣定時器的走時步調，使其與基準時間步調一致，從而使得兩者的交流采樣步調同步。具體步驟如下：

圖3 PMU與暫態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模塊進入授時穩定狀態后，裝置的微控制器MCU計算自帶GPS模塊秒中斷與交流采樣ADC觸發源定時器秒中斷的時間差，判斷時間差是否超過規定閾值；若PMU中時間差超過閾值，其將時間差換算為定時器計數值并修正定時器走時，以同步ADC模塊采樣步調，并且使用GPS基準時間更新裝置系統時間；對于暫態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。在保持PMU與暫態錄波型故障指示器交流采樣步調一致的同時，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，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步驟：

（1）架空線路發生接地故障后，PMU通過母線零序電壓變化感知到故障發生，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；暫態錄波型故障指示器通過線路電場變化感知到故障發生，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零序電壓波形數據，圖4為接地故障發生時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生的準確絕對時間。

（4）主站根據接地故障發生絕對時間與暫態錄波型故障指示器故障波形起始點時間差計算出暫態零序電流故障起始點位置。

2 RTDS動模試驗系統驗證

2.1 RTDS動模試驗系統

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

圖4 10kV配電系統動模試驗主接線圖

模擬中性點不接接地系統的K1～K6點發生單相經10Ω、100Ω、300Ω、800Ω過渡電阻的單相接地故障。驗證接地故障發生時刻，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

2.2 實驗結果與分析

本次動模系統試驗共計模擬接地故障80次，其中中性點不接地系統及經消弧線圈接地系統各40次，過渡電阻10Ω、100Ω、300Ω、800Ω各20次。暫態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

結論：由上述實現方案可知，本文提出的方法將高頻且不穩定的暫態錄波型故障指示器零序電流故障起始點獲取轉化為低頻且穩定的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與暫態錄波型故障指示器交流采樣步調，將PMU零序電壓故障起始點與暫態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，大幅提高接地故障時獲取暫態錄波型故障指示器合成零序電流的故障起始點準確率。利用動模系統驗證了該方法的有效性。