配電自動化技術在接地故障檢測中的應用

蔣林志

（國能珠海港務有限公司，廣東 珠海 519000）

1 接地故障檢測中的配電自動化系統架構

由于配電網的結構比較復雜，對配電網的接地故障進行正確處理十分重要。結合現代信息技術與自動化控制技術，依據10 kV饋線上電壓負荷的分配情況，將接地點的配電網網絡進行分段處理，并分段安裝配電開關監控終端（Feeder Terminal Unit，FTU），以保證配電網能正常通信。當配電網接地處出現故障時，配電子站的FTU會將故障信息反饋到子站或主站，檢測系統能夠根據線路的故障信息量對線路故障進行分析，便于準確分析故障原因。配電線路各節點FTU的功能是對線路中的信息進行反饋，以此來保證整個配電網的安全通信。根據饋線網絡中FTU節點的分配，形成配電自動化系統，如圖1所示[1-4]。

圖1 典型的配電網自動化接地故障體系架構

應用配電網子站線路的FTU故障自動檢測系統，每個饋線節點的FTU可快速對電路的三相電流及電壓進行采集，并分解出各個配電子站的電力特征量，便于對各個配電子站的故障進行自動化檢測。FTU的功能比較強大，能對多個饋線的故障電流和正常負荷電流進行實時監測，而且控制的精度也比較高。一般情況下，FTU的控制精度都在0.2%～0.5%。配電網的電流發生變化時，FTU在檢測到故障或測量值變化的情況下，可以主動向附近的子站/主站傳送故障信息變化量的情況，便于配電網的自動控制設備對故障進行檢測。配電主站/子站可通過對時命令對整個配電網的FTU進行控制，使各支路的FTU與總線路的FTU信息保持一致，從而使各個FTU能準確地對故障類型、地點進行檢測。此外，配電網的主站/子站能通過任意子站的FTU信息量變化狀態，判斷配電支路是否存在故障。通過對比各子站FTU處接地電流、電壓特征量，自動對電路中的故障進行分析，提高電路故障的處理效率[5]。

當配電網出現大電流故障時，線路的電流比較大，這種接地故障比較容易判斷。在進行自動處理時，通過對故障電流變化量的特征進行分析，可以快速定位故障。以常見的接地故障為例（見圖2），如果配電線路的FTU2、FTU3之間發生接地故障，電路中的電流就比較大，那么在FTU1、FTU2均可感知到電流信息量的變化，但在FTU3處沒有檢測到電流增大的消息。在FTU2與FTU3之間，根據電流信息量變化的情況可以判斷出電路某相發生接地故障與區段，利用遠動控制系統斷開FTU2、FTU3的的開關，對配電網絡進行保護[6]。

圖2 接地故障判斷圖例

2 配電網自動化終端FTU檢測的接地故障特征量分析

2.1 FTU裝置采集量的處理

饋線FTU的靈敏度較高，能夠通過輸入的三相電壓、三相電流對配電網中可能出現故障進行處理與分析，從而準確地對小電流接地故障進行處理。利用離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT）對數據進行處理，得到FTU裝置的輔助特征量，可以分解出配電網絡饋線的電壓、電流諧波分量，用于對電路中的零序電壓與零序電流進行計算與分析[7,8]。

2.2 零序電壓特征量分析方法

零序電壓特征主要針對配電網絡的線路小電流接地，依據整個配電網絡零序電壓上升值與零序電壓的變化情況對配電網接地故障點進行分析。如果線路出現故障，接地故障判別程序能自動啟動，對故障類型進行判斷，以保障配電網的供電安全。同時FTU也會記錄超過定值前后一段時間內饋線上的電壓、電流波形以及二者的變化情況，并上傳至配電網主/子站，便于判斷出現故障的區段位置和類型等[9]。

2.3 零序電流特征量分析方法

在電路出現故障時，支路的零序電流要大于配電網正常工作時的支路零序電流，通過配電網中的電流變化情況，采用零序電流特征量來判斷電網是否出現故障。由于10 kV配電網的電纜線路結構比較復雜，并且配電網還存在支路架構的情況，采用零序電流特征量分析的方法具有很高的精度，在故障點前后所檢測到的零序電流有較大的變化，波動也十分明顯，將波動電流的情況上傳到配電網主站/子站，以自動檢測接地故障點的位置。

2.4 零序功率方向特征量計算方法分析

零序功率方向特征量是根據配電網中零序電流制定的情況進行判斷分析，基于故障線路零序電流的變化情況進行診斷。根據零序電流滯后零序電壓90°、非故障線路零序電流超前零序電壓90°的特點，能夠有效地對配電網接地故障進行判斷。在具體判斷過程中，若某條線路上饋線FTU檢測到的零序無功大于零，而其他兩相電的饋線FTU小于零，那么就可以判斷配電網的接地故障出現在該相電路上，結合零序電壓與零序電流的判斷方法，能夠準確定位接地故障的位置[10]。

2.5 5次諧波特征量的分析方法

在配電網出現接地故障時，電路會出現電壓突變的現象，通過這種現象能快速對接地故障進行分析。在線路發生單相接地后，接地故障點處會出現電壓突變、5次諧波電流增大的情況，通過對5次諧波特征量進行計算，也可以快速對配電網接地的故障進行定位。結合零序電壓、零序電流、零序功率方向特征量的計算方法，能快速對接地故障進行判斷。

3 配電網主站或子站啟動判斷故障分析

配電網在正常工作的過程中，各支線上的FTU檢測線路中信息變化量，并將其上報主站或子站，由主站或子站匯總分析后對整個配電網自動化系統的故障進行自動化處理，判定配電網線路中發生故障的類型以及接地區域。在自動化控制系統中，主站或子站需要采取多種控制算法才能準確對故障區域進行定位。一般情況下，配電網自動控制的算法主要有小波變換算法、模糊算法及人工智能算法等。配電自動化系統在出現故障時，主站或子站對故障的判斷主要具有如下的特點。

（1）主站或子站啟動故障判斷。依據配電線路的各相電壓始終保持對稱關系進行判斷，在各相的電壓、電流達到平衡時，才能有效進行控制。采用智能控制算法，利用無線傳感器的故障智能檢測技術對配電網故障進行判斷與分析，可以得到精確的故障發生位置。

（2）當電路中各相對地電壓的信息量發生變化或出現故障時，電壓最高相接地是判斷故障區域關鍵，結合零序電流與零序電壓變化的情況可以快速對其進行定位。

（3）當某非接地線路首次出現零序電流時，表示該非接地電路可能出現故障。如果電流變化量與對地電容電流一致，這樣可以根據電流零序值的情況與電容性無功功率的方向來判斷電路的故障。

（4）如果配電網的接地線路首次出現零序電流，且零序電流與非接地時的電流方向保持一致，需結合零序電流的值來判斷故障，當電容性無功功率的方向與接地電流方向一致時，根據零序電流的穩定性來判斷故障位置，也可以快速確定主站或子站的接地情況。在配電網出現接地故障時，可以依據零序電壓和電流夾角等因素進行判斷處理，還可以依據零序電流與電壓的變化情況對故障點做出準確判斷，提高了配電網故障自動化處理與判斷的效率。

4 結 論

通過對配電網自動化接地故障處理的相關技術、特點進行分析，利用配電網自動化控制系統中的饋線網絡、饋線FTU裝置以及高速通信網絡技術提高故障處理效率。針對配電網絡各個支路信息變化量的情況，采用自動化控制技術、智能數據算法等可以精確解決小電流接地問題，并快速定位故障。相比傳統的接地選線方法來判斷接地故障問題，基于配電自動化的接地區域檢測具有較高的性能，能快速對故障進行判斷，而且在技術實現上也比較容易。