基于序分量法的低壓電網故障定位*

姬魁前，李佳粵，杞 姝，郭 皓，張 躍，李建綱

（云南電網有限責任公司昆明供電局，云南 昆明650012）

隨著我國經濟的發展和人民物質文化生活水平的不斷提高，電力用戶對電量的需求在不斷上升的同時，對供電可靠性要求也越來越高。由于歷史原因，我國電力企業投資主要放在主網，導致配網較為脆弱，使得配網停電時間是主網的數倍。故障發生時，需快速定位故障點，解決故障問題后實現快速復電。故障定位尤為關鍵。

低壓電網的故障定位可分為兩大類：離線定位和在線定位。離線定位是指永久性接地故障發生時，先斷開故障線路，再進行定位的方法；在線定位是指在故障線路帶電運行狀態下進行故障定位的方法[1-4]。

目前離線定位方法有直流法、行波法等。直流法向線路注入直流信號，通過對直流信號的檢測來判斷故障位置，該方法不受過渡電阻的影響，但需要登桿檢測。行波法是確定行波傳播速度后，通過測量行波的傳播時間來確定故障位置。其原理是：當配電網發生高阻性故障時，對故障的配電網施加高電壓信號，使故障點被擊穿產生電弧。對線路首端的電壓與流過電纜的電流進行采集后，分析并查找入射與反射行波到達測量端的時間間隔，就可以定位故障點。行波法往往受到過度電阻和分支數目的影響[5-6]。

常用的在線定位方法包括S注入法、阻抗法、零序電流法等。S注入法在系統內注入一個220Hz的信號，通過檢測該信號是否存在來判斷故障位置，該方法易受接地電阻和線路分布電容的影響。阻抗法的基本原理是利用端點測得的工頻電壓、電流，計算端點到故障點的電氣距離，以此確定故障點。阻抗法又分為單端阻抗法和雙端阻抗法，單端阻抗法的誤差來源多，雙端阻抗法在一定程度上能消除對端電源阻抗和過渡電阻的影響。阻抗法原理簡單，但易受線路阻抗、負荷和電源參數影響，且配電線路分支眾多，難以排除偽故障點，但國外已有成功應用[7]。

基于現有各電網系統累計故障數據，本文提出一種基于電流序分量匹配法的低壓電網故障定位方法。該方法通過利用對稱分量法計算獲得故障后穩態分量，將計算后的負序和零序電流與已有故障進行匹配，從而實現故障定位。

1 電流序分量法實現故障定位法原理

1.1 電流序分量歷史庫構建

該方法基于單相故障后或兩相接地故障后對系統內電流序分量進行匹配，用實際電流序分量與歷史數據庫中的電流序分量進行比較，從而找出故障點。因此首先建立歷史線路故障庫。

設歷史暫態波形中電流相量為Ia、Ib、Ic，利用式（1）計算正序、負序、零序穩態分量的有效IIa、IIb、II0。

式中，a=∠120°。

將基于歷史故障波形算得的電流序分量作為各分支線路的歷史庫。

1.2 故障位置函數

由于歷史故障波形只能獲得分支路某位置的故障信息，但故障可能發生在分支線上任何位置。因此需要構建涵蓋全部線路的序分量電流與位置的曲線擬合函數，本文經多次仿真選擇了二次函數作為擬合函數，具體如式（2）所示：

其中，I為序分量電流（即正序、負序、零序）有效值，x代表故障距離。利用歷史故障波形求取獲得擬合后的函數參數a、b、c后將其存入對應線路的歷史庫中。

1.3 故障位置求解

1.3.1 支路確定

將現有故障波形數據的電流各序分量有效值與支路首端值進行比對，比對公式如（3）所示。

這里，IIi表示節點i故障數據庫中對應的首端電流有效值。因此，利用獲得節點差值序列δ（i）。其中δ（i）中的最小值對應節點j為故障所在節點。可判斷故障發生在[j-1，j]或者[j+1]。由于線路分支較多，可能出現多估計問題，為了不漏選故障，這里選取δ（i）中最小的2~3個節點作為備選故障集。

1.3.2 位置確定

在獲得故障節點j后，即可找到對應的分支。在分支數據庫中獲得該分支的距離曲線函數f（x）。建立故障搜索目標函數Δ（x）=|f（x）-A|。以一定步長Δ（x）搜索使得目標函數最小的距離為x，即可獲得故障距離估計值。

2 仿真驗證

2.1 仿真對象

本文使用PSCAD進行建模。所選模型為云南某地區的10kV饋線，圖1為該饋線拓撲圖。

2.2 故障位置函數擬合

以圖1的分支1、分支2、分支3為例，其擬合效果如圖2、圖3和圖4所示。對應的負序電流與距離的擬合函數分別為：

圖1 仿真拓撲圖

圖2 分支1擬合結果

圖3 分支2擬合結果

圖4 分支3擬合結果

2.3 仿真分析

根據低壓電網的數據統計，在所有的短路故障事件中約有80%的故障事件是由于單相接地短路故障引起。因此以單相故障為例選擇零序電流開展仿真驗證。

案例1：對節點5-6中發生故障仿真。

在節點5-6之間線路發生故障后，故障節點定位誤差值如圖5所示。

圖5 故障節點定位

從圖5可看出，所以節點進行初步篩選時，匹配結果在0-10節點區間內為最優結果，因此縮小搜尋節點范圍，在節點5-6之間線路最有可能發生故障，如圖6所示，運用計算得出零序電流進行第二步匹配。

圖6 故障節點誤差最小定位

零序電流擬合曲線匹配結果為故障點距支路首端0.593km，實際故障點距支路首端0.600km，誤差為7m，因此測試結果與系統中實際故障位置符合，具體如圖7所示。

圖7 故障位置匹配

案例2：對節點13-14中發生故障仿真。

在節點13-14之間線路發生故障后，故障節點定位誤差值如圖8所示，在節點13-14之間線路都最有可能發生故障，采取第二步擬合曲線的匹配。

圖8 故障節點定位

假設故障點為13-14之間線路，進行匹配結果如圖9所示。

圖9 故障位置匹配

零序電流擬合曲線匹配結果為故障點距支路首端0.339km，實際故障點距支路首端0.325km，誤差為14m，因此測試結果與系統中實際故障位置符合。綜合統計下來，定位絕對誤差不超過50m。

3 結束語

本文以已有故障波形數據為基礎，利用序分量法建立線路故障信息庫，并利用電流序分量建立距離和電流的擬合函數；當故障發生時，首先比對故障電流與各分支路首端的電流，選擇誤差最小的節點利用擬合函數求取具體的位置。仿真結果表明，本文所提方法的定位絕對誤差不超過50m。