基于配電自動化系統的配網單相接地故障輔助研判方法

羅雪蓮，陳成功，劉志豪，曾歡悅

(國網湖南省電力有限公司株洲供電分公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

10 kV電壓等級的配電網常采用中性點不接地和中性點經消弧線圈接地兩種中性點接地方式。隨著供電質量要求的提升，越來越多10 kV配電網采用經消弧線圈的中性點接地方式，這種接地方式雖然能夠有效提高供電可靠性，同時也帶來了故障量難以辨識的問題[1-5]。因此，當城市配網發生單相接地故障時，現有接地選線裝置普遍存在接地選線不準的問題，而接地輔助判斷手段有限，僅靠人工拉線會延誤接地故障隔離和處置，進而導致其他不相關用戶短時停電，降低供電穩定性的同時還會影響供電服務質量。

為減少接地故障對供電服務質量帶來的影響，應避免采用人工手段進行拉路，提高接地選線裝置的選線成功率被提上議程。目前常見的幾種接地選線方法中，穩態零序電流相位比較法[6-8]是通過比較不同線路的零序電流方向進行故障判斷；比幅比相法[9-11]是根據故障電流與非故障電流之間幅值與相位的區別進行選線；負序電流法[12-13]是采用負序分量作為參數進行選線保護；注入信號跟蹤法[14-16]是通過向系統注入并跟蹤高頻信號進行故障判斷。但上述選線方法存在可靠性低、電流互感器精度要求高、安裝成本高、采樣困難等問題，實際應用效果不佳。

因此，本文的研究重點是在現有條件下，尋求一種切實可行的接地故障輔助研判手段，提升接地拉路準確率和快速性，提高供電服務質量，提升配網“兩降兩控”指標。

1 小電流接地系統接地分析

圖1為某中性點不接地系統，正常情況下三相對稱，對地電容電流之和為0。以圖1中線路1發生A相接地故障為例進行分析。

圖1 中性點不接地系統全接地零序電流示意圖

1)無接地故障的線路的三相對地電容電流分別為:

式中，C0i為i線路的對地電容；UBG、UCG分別為B、C相對地電壓。

可以看出，無接地故障的線路的零序電流為:

式中，U0為零序電壓；ωC0i U0為正常運行狀態下A相對地電容電流之和。

根據式(2)，無接地故障線路的零序電流由接地零序電壓和該線路對地電容決定。

2)對于接地線路，流過接地相故障點的電流為所有無接地故障線路對地電容電流的疊加，即:

式中，IBS、ICS分別為變壓器B、C相等效對地電流；C0Y為系統單相對地電容的總和，C0S；C0S為變壓器等效對地電容。

綜上分析，當中性點不接地配網發生單相接地時，接地線路的零序電流為所有無接地故障線路對地電容電流的疊加，而無接地故障線路的零序電流為正常運行狀態下該線路的電容電流。通常情況下接地線路的零序電流值遠大于任一無接地故障線路的零序電流值，可根據零序電流幅值大小進行選線。但實際應用時存在以下問題:

1)經消弧線圈接地的10 kV系統，接地線路的電容電流被消弧線圈補償，補償度接近全補償時，接地線路的零序電流較小，通過零序電流大小進行接地故障判別的方法辨識度較低；而補償度為過補償時，接地線路的零序電流方向與無接地故障線路的零序電流方向相同，接地現象同樣不明顯。

2)通常配網線路負荷存在三相不一致問題，如果配網線路三相不平衡度高，可能出現接地告警信號誤動的情況。

3)配網線路情況復雜，架空與電纜線路混合，線徑、長度不一，且運行方式種類繁多，對電容電流的計算造成一定的困難，因此無法依據運行方式變化調整接地告警定值。

因此，有必要研究一種適用于配網線路的接地選線方法，能夠在調度主站端可靠判別接地相。

2 改進賦權接地選線方法技術原理

單一的選線判據具有其獨立的適用范圍，受現場實際影響，選線判斷具有一定的局限性。為了保證接地選線的可靠性和冗余度，提出一種基于零序阻抗與歷史數據比較的綜合選線方法，該方法只需要采集10 kV系統零序分量進行判斷，簡化輸入量。采用的是零序分量的穩態值而非暫態值，對數據的采樣頻率沒有特別要求，能適用上傳到調度主站系統進行統一判斷。同時通過統計歷史接地數據，計算配網線路發生接地故障的概率，可考慮結合配網線路投運年限，對故障概率進行修正，最終實現接地故障最小范圍的快速隔離。

2.1 基于零序阻抗比較的輔助判斷方法

假設中性點不接地系統正常運行時，三相電壓對稱，有UA=UB=UC=UN。

當系統發生全接地時(以C相全接地為例)，中性點電壓由零電位偏移為-UC，A、B、C三相對地電壓分別為UA-UC、UB-UC、UC-UA，如圖2所示。

圖2 中性點不接地系統全接地電壓示意圖

則母線零序電壓為:

同理，當A、B相全接地時，同樣有母線零序電壓U0=UN。

無接地故障線路的零序阻抗不受系統其他線路發生單相接地故障的影響。故通過比較配網線路前后兩次接地故障發生時的零序阻抗，可以判斷該線路是否為接地線路。如果配網線路零序阻抗出現明顯變化，基本可以確定該線路為接地線路。

對于不完全接地故障，設中性點電壓偏移量(即母線零序電壓)為U0，對系統中第k條無接地故障的線路而言，其他線路發生單相接地故障時，本線路零序阻抗不變，如式(6)所示:

則不完全接地故障時，第k條無接地故障的線路的零序電流I0k為:

對于線路發生不完全接地故障的情況，通過零序電壓U0、非本線路全接地時零序電流ICk，可由式(7)計算得到零序電流I0k。通過計算得到零序電流I0k與配電自動化終端上送的零序電流值進行比較，即可判斷系統的接地故障情況。

2.2 基于歷史數據的接地輔助判斷方法

對兩變電站歷史接地數據進行統計分析，同一變電站配網線路發生接地故障的次數并不相同，呈現明顯的正態分布特點，2016年9月至2022年2月配網線路發生接地故障次數匯總，如圖3所示。

圖3 變電站配網線路接地故障次數匯總圖

從圖3中可知，同一變電站配網線路發生接地故障的概率并不相同，且數據量越大，這種差別越明顯，配網線路接地概率與接地次數一樣，呈現明顯的正態分布特點。

因此可以通過統計歷史接地數據，計算配網線路發生接地故障的概率，輔助調度員進行接地拉路。

2.3 接地選線綜合判據權值計算方法

為保證接地選線的可靠性和冗余度，提出一種綜合判斷方法進行接地選線判別，其中權值的選取需要通過科學的算法得出。熵權法作為一種客觀的賦權方法，能夠利用歸一化處理對各個評價指標進行熵值計算，從而客觀決定各項指標權重[17-18]。

每次接地有n條線路，共有歷史故障量、重要程度標志量和零序電流3個特性指標，接地后各條線路特性指標值可記為:

式中，H0為各條線路歷史故障量矩陣；S0為各線路重要程度標志量矩陣；I0為接地后各條線路零序電流矩陣。

對R中值進行歸一化處理，可得第i條線路在第x個指標中的貢獻度fxi為:

式中，rxi∈R；i=1，2，…，n；x=1，2，…，m；m為特性指標總數。

第x個指標的熵值wx可通過式(10)求得。

最終通過式(8)—(10)，得到3種選線判據指標對應的熵值wx，計算接地概率Pi并以此進行選線。

2.4 新型配電網單相接地故障輔助研判方法

結合前面提出的接地選線方法和綜合權值計算方法，提出的新型配電網單相接地故障輔助研判方法流程如圖4所示。

圖4 零序阻抗接地故障選線原理流程

1)當配網系統發生單相接地故障時，配電自動化系統采集并存儲故障時刻無接地故障線路的零序電流ICk。

2)當配網系統再次發生接地故障時，單相接地故障輔助研判模塊首先判斷本次接地故障的性質是否符合全接地故障。

若符合全接地故障，研判模塊對本次故障采集的零序電流I0與系統存儲的歷史零序電流ICk進行比較，如果比較結果(X為允許偏差設定值)，則判斷此次接地本線路為無接地故障的線路；如果則判斷本線路為疑似接地線路。

如果接地故障為非全接地故障，配電自動化系統采集本次接地故障零序電壓U0，則由式(12)可得零序電流限值:

通過比較本次故障采集的零序電流I0與計算得到的零序電流I0k，如果(X為允許偏差設定值)，則判斷此次接地本線路為無接地故障的線路；若，則判斷本線路為疑似接地線路。

3)優先按照故障選線識別結果排序。對于根據前述故障選線方法識別為故障線路的情況，可按照對應零序電流超過限值的比重進行排序；對于未識別為故障線路的情況，則通過賦權法對歷史故障概率、線路重合閘動作因素等運行工況進行權值計算，由此實現拉路排序，研判流程如圖5所示。

圖5 新型配電網單相接地故障輔助研判流程

3 應用案例

2022年3月14日04∶00∶45，某變電站10 kVⅠ母發生B相接地(UA=8.84 kV，UB=1.61 kV，UC=9.75 kV，U0=4.64 kV)。

依據零序阻抗比較法、歷史接地線路的概率、跳閘重合線路以及重要(敏感)用戶線路等因素，采用熵權法得出每條線路接地概率，根據接地概率大小形成拉路順序。

依據接地故障輔助判研模塊拉路順序進行拉路，4∶15將其中312線路轉熱備用后，變電站10 kVⅠ母接地復歸。經查，某施工單位將312線路29號桿避雷線拉線挖斷，拉線彈射觸碰在B相引起接地，接地故障輔助判研模塊選線正確。

統計2022年1月21日至2022年3月30日某市區發生的永久性故障接地，共41起，均利用配網單相接地故障輔助研判模塊進行研判，其中選線成功的有35起。選線失敗的6起事件中有2起為新投運線路，無歷史信息，剩余4起線路均為重要用戶線路，拉路優先級較低。

4 結語

針對配電網單相接地故障選線裝置造價高、選線效率低、選線成功率不高等問題，提出了配電網單相接地零序阻抗比較原理選線方法；并根據電網運行情況，結合歷史數據，得出配電網接地趨勢，利用配電自動化系統開發一種基于零序阻抗比較和歷史數據參考的接地故障輔助研判模塊。該模塊優點如下:

1)接地故障輔助判研模塊采用了穩態建立于配電自動化主站系統，可真實反映故障穩態信號，且無需加裝其他電氣設備，相較于其他接地輔助研判裝置投資更小。

2)隨著城市的發展，分布式電源在配電網中的占比逐漸增大。接地故障輔助研判方法基于零序阻抗不變原理，通過比較配網線路前后兩次故障發生時的零序阻抗進行接地拉路研判，適用于無源線路及有源線路。

3)接地輔助研判方法采用綜合線路零序阻抗比較法與歷史數據參考法，既可以有效排除一部分健全線路，減少運算量，又確保了較高的選線成功率。

4)該接地故障輔助研判模塊已進行測試與運行，實踐證明，基于配電自動化系統的配網單相接地故障輔助研判模塊能準確研判接地故障線路，提高了接地拉路的快速性與準確率，具有一定的工程意義和實際價值。