【摘要】文章以小電流系統(tǒng)的中壓配電網(wǎng)架空線為例，探討小電流接地故障區(qū)段定位新方法，并基于測(cè)點(diǎn)相鄰矩陣區(qū)段起始測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)向量和故障路徑標(biāo)識(shí)向量概念，提出確定故障區(qū)間邊界節(jié)點(diǎn)算法。物理模擬實(shí)驗(yàn)和掛網(wǎng)測(cè)試表明：該故障分區(qū)分段定位方法能夠在線求解小電流接地故障段邊界節(jié)點(diǎn)，縮小線路維護(hù)巡視范圍。為線路維護(hù)和饋線自動(dòng)化提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】小電流；接地故障區(qū)段定位

一、引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國也在電力自動(dòng)化建設(shè)中大力發(fā)展，目前，我國中壓配電網(wǎng)以架空線為主，多為小電流系統(tǒng)，單相接地故障占到電網(wǎng)故障總數(shù)的80%以上。故障監(jiān)控是配電網(wǎng)運(yùn)行自動(dòng)化的一項(xiàng)內(nèi)容，由于中國現(xiàn)有配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)基本上沒有小電流接地故障定位功能，現(xiàn)場(chǎng)仍然廣泛采用人工巡線法確定故障位置，不僅耗費(fèi)大量的人力、物力，拉路造成的短時(shí)停電還給用戶造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，這使得配電自動(dòng)化系統(tǒng)在提高可靠性的作用上大打折扣。由此可見，中國新一代配電自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)徹底解決小電流接地故障定位問題。

本文研究基于廣域相量測(cè)量的小電流接地故障信息檢測(cè)方法，綜合分析中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障特征，研究其獲取方法。針對(duì)配電網(wǎng)中線路負(fù)載不對(duì)稱的現(xiàn)象導(dǎo)致不對(duì)稱運(yùn)行的情況，設(shè)定線路零序電壓故障閾值，區(qū)分有無故障。以維護(hù)巡線距離基本相同為原則劃分線路段，以負(fù)荷量基本相同為原則劃分線路區(qū)。研究單相接地故障區(qū)間的在線快速定位機(jī)制，所給出的確定故障區(qū)間邊界節(jié)點(diǎn)算法可應(yīng)用于小電流接地故障段定位，也可定位故障區(qū)并確認(rèn)相關(guān)的負(fù)荷開關(guān)。此方法可實(shí)現(xiàn)小電流接地故障區(qū)段實(shí)時(shí)定位，解決了配電自動(dòng)化系統(tǒng)沒有小電流接地故障定位功能的缺陷。

二、小電流接地故障分段定位原理

1.輻射型接線方式

配電網(wǎng)一般具有閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行的特點(diǎn)。配電網(wǎng)不同線路通過雙電源連接開關(guān)形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。正常運(yùn)行條件下，雙電源連接開關(guān)斷開，從變電站引出的配電線路開環(huán)運(yùn)行，形成單電源線輻射接線的樹狀結(jié)構(gòu)，這是配電網(wǎng)應(yīng)用最為廣泛的接線方式，如圖1所示。

2.故障選線與故障定位

在非有效接地系統(tǒng)中，一旦出現(xiàn)小電流接地故障，非故障相對(duì)地電壓升為線電壓，特別是出現(xiàn)間歇性弧光接地時(shí)，由于中性點(diǎn)缺少電荷釋放通路，將引起弧光接地過電壓，線路絕緣受到威脅，容易擴(kuò)大為相間短路。因此應(yīng)盡快找出故障線路，并盡快排除故障。

從連接在同一母線的多條線路中識(shí)別出發(fā)生小電流接地故障的線路，并給出判斷結(jié)果的過程稱為故障選線。如圖2所示，如果線路區(qū)間內(nèi)有一條支路AB發(fā)生單相接地故障，根據(jù)故障信息特征在故障區(qū)間找出故障支路的過程稱為故障定位。

在配電網(wǎng)線路上設(shè)置檢測(cè)小電流接地故障的測(cè)點(diǎn)，以若干互為相鄰的測(cè)點(diǎn)為邊界，即可劃定線路區(qū)間，如圖1、2所示?？梢姡瑴y(cè)點(diǎn)越多線路區(qū)間越小，故障定位也就越準(zhǔn)確。

配電網(wǎng)的測(cè)點(diǎn)作用各有不同：變電站母線測(cè)點(diǎn)獲取零序電壓相量；在線路上設(shè)置的零序電流相量測(cè)點(diǎn)若僅用于故障定位，則把它們稱為普通線路測(cè)點(diǎn)；若某些線路測(cè)點(diǎn)不僅用于故障定位還用于饋線控制，則將它們稱為特殊線路測(cè)點(diǎn)。如果互為相鄰的測(cè)點(diǎn)中含有普通線路測(cè)點(diǎn)，以它們?yōu)檫吔鐒澏ǖ木€路區(qū)間稱為段，全以特殊線路測(cè)點(diǎn)為邊界劃定的線路區(qū)間稱為區(qū)。因此，本文有故障分段定位和故障分區(qū)定位的不同概念。

3.小電流接地故障特征信息的獲取

（1）中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)故障特征

單電源輻射結(jié)構(gòu)線路發(fā)生小電流接地故障時(shí)，零序電流相量存在不穩(wěn)定性，僅在線路端點(diǎn)母線處無法確定其分布。配電網(wǎng)線路支路多、距離遠(yuǎn)，人工巡線定位故障位置非常艱難。針對(duì)諸多難題，本文研究在線路中設(shè)置固定測(cè)點(diǎn)的解決辦法。實(shí)踐表明：固定測(cè)點(diǎn)受噪聲、小電流信號(hào)衰減的影響較少，方便監(jiān)測(cè)故障零序電流。

對(duì)于中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，線路f點(diǎn)發(fā)生單相接地故障，相當(dāng)于在f點(diǎn)接入一個(gè)零序電壓源，線路的感抗較小且零序電流較小，零序電壓在整條線路上近似相等，在變電站設(shè)置一個(gè)零序電壓測(cè)點(diǎn)。理論上，非故障時(shí)線路零序電壓為0。但是由于線路不對(duì)稱原因也可能產(chǎn)生零序電壓，故設(shè)定線路零序電壓故障閾值，若零序電壓超過閾值，則系統(tǒng)出現(xiàn)小電流接地故障，啟動(dòng)故障定位功能。

零序網(wǎng)絡(luò)阻抗僅由線路的對(duì)地電容成分構(gòu)成，零序電源在線路上產(chǎn)生零序容性電流。母線至故障點(diǎn)最短距離經(jīng)過的線路路徑稱作故障路徑。定義由電源側(cè)指向負(fù)荷終端的方向?yàn)樵摼W(wǎng)絡(luò)各分支的正方向。零序電流滯后零序電壓90o的支路是故障路徑的一部分，零序電流超前零序電壓90o的支路不在故障路徑上，如圖3所示。

（2）消弧線圈接地系統(tǒng)故障特征

對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，使故障線路零序電流相位與健全線路相同、零序電流幅值小于健全線路情況，應(yīng)采取技術(shù)措施獲取故障特征。線路發(fā)生單相接地故障后，電網(wǎng)允許帶故障運(yùn)行不超過2h，對(duì)消弧線圈發(fā)出控制信號(hào)，調(diào)控消弧線圈在過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償之間交替變化，零序電流相量在-90o和90o交替變化的測(cè)點(diǎn)在故障路徑上，零序電流相量保持90o不發(fā)生變化的測(cè)點(diǎn)不在故障路徑上，從而獲取故障信息特征。完成單相接地故障檢測(cè)后，消弧線圈轉(zhuǎn)入正常補(bǔ)償狀態(tài)。

（3）故障特征信息的獲取

測(cè)點(diǎn)采用廣域相量測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)零序電壓或零序電流相量數(shù)據(jù)采集，通過全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）授時(shí)確保各測(cè)點(diǎn)測(cè)取相量數(shù)據(jù)的同步性，通過通用分組無線服務(wù)技術(shù)（general packet radio service，GPRS）組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息傳輸，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)相位差獲取單相接地故障特征信息。各測(cè)點(diǎn)相位差定義為：

式中：為號(hào)零序電流測(cè)點(diǎn)絕對(duì)相位；為變電站零序電壓測(cè)點(diǎn)絕對(duì)相位。綜合中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)2種情況，的取值保持90o不變的測(cè)點(diǎn)在故障點(diǎn)下游；否則測(cè)點(diǎn)在故障點(diǎn)上游，即在故障路徑上。

4.故障分段定位法

故障分段定位自動(dòng)地從每個(gè)測(cè)點(diǎn)處采集零序電流相量數(shù)據(jù)，識(shí)別出發(fā)生故障的線路段，并給出判斷結(jié)果。圖4是典型的單電源輻射結(jié)構(gòu)線路分段示意圖，相鄰測(cè)點(diǎn)將線路分成了不同的段。

一個(gè)段可能由2個(gè)測(cè)點(diǎn)界定，如f1所在故障段由起始節(jié)點(diǎn)9號(hào)測(cè)點(diǎn)及其子節(jié)點(diǎn)10號(hào)測(cè)點(diǎn)界定標(biāo)識(shí)，段邊界節(jié)點(diǎn)集合表示為{9，10}，起始節(jié)點(diǎn)及其子節(jié)點(diǎn)為邊界節(jié)點(diǎn)集合元素；一個(gè)段也可能由多個(gè)測(cè)點(diǎn)界定，如f2所在故障段由起始節(jié)點(diǎn)1號(hào)測(cè)點(diǎn)及其子節(jié)點(diǎn)2、7和9號(hào)測(cè)點(diǎn)界定標(biāo)識(shí)，集合表示為{1，2，7，9}。第i段的區(qū)間邊界節(jié)點(diǎn)集合Wi定義為：

單電源輻射線路內(nèi)流過的故障零序電流帶有方向，如圖3所示。單電源輻射線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是有向圖，用一棵樹表示。在定位故障段的方法中，變電站0號(hào)根測(cè)點(diǎn)只采集零序電壓相量數(shù)據(jù)，故障點(diǎn)一定在該點(diǎn)下游；葉節(jié)點(diǎn)是假想測(cè)點(diǎn)，故障點(diǎn)一定在這些測(cè)點(diǎn)的上游。除根節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)外，其他節(jié)點(diǎn)是零序電流測(cè)點(diǎn)。設(shè)零序電流測(cè)點(diǎn)數(shù)為m，葉節(jié)點(diǎn)假想測(cè)點(diǎn)數(shù)為n，則所有測(cè)點(diǎn)數(shù)為m+n+1。根節(jié)點(diǎn)和m個(gè)電流測(cè)點(diǎn)可定義m+1個(gè)線路段。M+1維起始測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)向量保存根測(cè)點(diǎn)和零序電流測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)。圖4所示系統(tǒng)的起始測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)向量為：

=[0，1，2，7，9，3，5，10]

采用測(cè)點(diǎn)相鄰矩陣描述線路變電站根節(jié)點(diǎn)、零序電流測(cè)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)和線路末端假想節(jié)點(diǎn)之間的相鄰關(guān)系。測(cè)點(diǎn)相鄰矩陣S的元素Sij定義為：

確定故障區(qū)間邊界節(jié)點(diǎn)算法（algorithm to find fault area boundary nodes，AFFABN）的輸入量為測(cè)點(diǎn)相鄰矩陣S和區(qū)間起始測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)向量r，輸出量為故障段邊界節(jié)點(diǎn)集合W，AFFABN的描述如下：

1）獲取變電站零序電壓相量數(shù)據(jù)和每個(gè)測(cè)點(diǎn)零序電流相量數(shù)據(jù)，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)相位差。定義故障路徑標(biāo)識(shí)向量e的長(zhǎng)度與向量r一致，其元素與向量r元素存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)線路零序電壓大于等于閾值時(shí)，線路出現(xiàn)故障，e1=1；無故障時(shí)，e1=0。若i號(hào)（i>1）真實(shí)測(cè)點(diǎn)在故障點(diǎn)上游，則e1=1；若i號(hào)真實(shí)測(cè)點(diǎn)在故障點(diǎn)下游，則ek=0。

2）從e的第1個(gè)元素開始順序查找，找到e中值為1的最后1個(gè)元素，設(shè)為ek，則rk為故障區(qū)間的起始節(jié)點(diǎn)，其子節(jié)點(diǎn)集合V為：

定位故障段時(shí)，調(diào)用AFFABN算法可得到故障段的所有邊界節(jié)點(diǎn)，故障段內(nèi)所有支路都可能是故障支路。

三、小電流接地故障分區(qū)定位原理

在較長(zhǎng)的單電源輻射結(jié)構(gòu)線路干線及分支上安裝負(fù)荷開關(guān)，一般主干線有1～2個(gè)負(fù)荷開關(guān)，負(fù)荷較密集地區(qū)每公里安裝1個(gè)開關(guān)，遠(yuǎn)郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)按所接配電變壓器容量每2～3MVA安裝1個(gè)開關(guān)。

在負(fù)荷開關(guān)的位置安裝零序電流測(cè)點(diǎn)，單電源輻射結(jié)構(gòu)線路干線及分支被負(fù)荷開關(guān)處的零序電流測(cè)點(diǎn)分為不同的區(qū)。故障分區(qū)定位通過某種技術(shù)和裝置自動(dòng)地從每個(gè)負(fù)荷開關(guān)處測(cè)點(diǎn)采集零序電流相量數(shù)據(jù)及其分布，識(shí)別出發(fā)生故障的線路分區(qū)，并給出分區(qū)邊界負(fù)荷開關(guān)節(jié)點(diǎn)，為饋線自動(dòng)控制提供準(zhǔn)確信息。

圖5是典型的單電源輻射結(jié)構(gòu)線路分區(qū)示意圖，相鄰負(fù)荷開關(guān)處測(cè)點(diǎn)將線路分成了不同的區(qū)。分區(qū)可能由2個(gè)負(fù)荷開關(guān)處測(cè)點(diǎn)界定，如圖3所示。根節(jié)點(diǎn)0號(hào)測(cè)點(diǎn)及其子節(jié)點(diǎn)1號(hào)測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)界定一個(gè)分區(qū)；分區(qū)也可能由多個(gè)負(fù)荷開關(guān)處測(cè)點(diǎn)確定，起始節(jié)點(diǎn)2號(hào)測(cè)點(diǎn)及其子節(jié)點(diǎn)3和5號(hào)測(cè)點(diǎn)作為邊界節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)另一個(gè)分區(qū)。

與線路分段原理類似，可以采用測(cè)點(diǎn)相鄰矩陣描述變電站根節(jié)點(diǎn)、零序電流測(cè)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)和線路末端節(jié)點(diǎn)之間的相鄰關(guān)系。

可見，只要獲得負(fù)荷開關(guān)處測(cè)點(diǎn)相鄰矩陣D和起始節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)向量t，調(diào)用確定故障區(qū)間邊界節(jié)點(diǎn)算法即可得到故障區(qū)邊界負(fù)荷開關(guān)節(jié)點(diǎn)。

設(shè)負(fù)荷開關(guān)處測(cè)點(diǎn)為a個(gè)，葉測(cè)點(diǎn)為b個(gè)，則所有測(cè)點(diǎn)數(shù)為a+b+1。負(fù)荷開關(guān)處測(cè)點(diǎn)相鄰矩陣D的元素dij定義如下：

從而得到a+1行a+b列矩陣負(fù)荷開關(guān)處的測(cè)點(diǎn)相鄰矩陣D。

將根測(cè)點(diǎn)號(hào)和所有起始負(fù)荷開關(guān)處測(cè)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)號(hào)保存在長(zhǎng)度為a+1的節(jié)點(diǎn)號(hào)向量t中，則故障路徑標(biāo)識(shí)向量e與向量t存在制約關(guān)系。調(diào)用確定故障區(qū)間邊界節(jié)點(diǎn)算法AFFABN求取故障分區(qū)邊界節(jié)點(diǎn)，存放在集合U中。

四、故障定位物理模擬實(shí)驗(yàn)與掛網(wǎng)測(cè)試

1.故障定位物理模擬實(shí)驗(yàn)

在新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室10kV配電網(wǎng)物理模擬平臺(tái)上對(duì)故障定位系統(tǒng)進(jìn)行了單相接地故障模擬實(shí)驗(yàn)，12組數(shù)據(jù)如表1所示，物理模型電路如圖6所示。

2號(hào)線路2個(gè)零序電流測(cè)點(diǎn)分別為1和2號(hào)測(cè)點(diǎn)，末端有3號(hào)假想測(cè)點(diǎn)，將2號(hào)線路分為3個(gè)段，起始測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)向量r為：

由此可得故障路徑為根測(cè)點(diǎn)。故障路徑標(biāo)識(shí)向量e中最后1個(gè)非零元素序號(hào)是1，所以k=1，r1=0。測(cè)點(diǎn)相鄰矩陣S的第1行僅1個(gè)非零元素s11，在第1列?？芍?，故障段起始節(jié)點(diǎn)為0號(hào)測(cè)點(diǎn)，其子節(jié)點(diǎn)為1號(hào)測(cè)點(diǎn)，定位0和1號(hào)測(cè)點(diǎn)之間的支路有故障{0，1}，如表1所示。

2）表1中5-8號(hào)實(shí)驗(yàn)，基于廣域相量測(cè)量技術(shù)的線路測(cè)點(diǎn)獲取故障信息特征，并送至服務(wù)器處理，填入故障路徑的標(biāo)識(shí)向量e為：

e=[1，1，0]

由此可得故障路徑為，根測(cè)點(diǎn)1號(hào)測(cè)點(diǎn)。故障路徑標(biāo)識(shí)向量e中最后1個(gè)非零元素序號(hào)是2，所以k=2，r2=1。測(cè)點(diǎn)相鄰矩陣S的第2行有1個(gè)非零元素s22，在第2列。可知，故障段起始節(jié)點(diǎn)為1號(hào)測(cè)點(diǎn)，其子節(jié)點(diǎn)為2號(hào)測(cè)點(diǎn)。定位1至2號(hào)測(cè)點(diǎn)之間有故障{1，2}，如表1所示。

3）表1中9-12號(hào)實(shí)驗(yàn)，基于廣域相量測(cè)量技術(shù)的線路測(cè)點(diǎn)獲取故障信息特征，并送至服務(wù)器處理，則故障路徑的標(biāo)識(shí)向量e為：

e=[1，1，1]

由此可得故障路徑為，0號(hào)測(cè)點(diǎn)→1號(hào)測(cè)點(diǎn)→2號(hào)測(cè)點(diǎn)。故障路徑標(biāo)識(shí)向量e中最后1個(gè)非零元素序號(hào)是3，所以k=3，r3=2。測(cè)點(diǎn)相鄰矩陣S的第3行僅1個(gè)非零元素s33，在第3列。可知，故障段起始節(jié)點(diǎn)為2號(hào)測(cè)點(diǎn)，其子節(jié)點(diǎn)為3號(hào)測(cè)點(diǎn)，定位2和3號(hào)測(cè)點(diǎn)之間的支路有故障{2，3}，如表1所示。

2.掛網(wǎng)測(cè)試

雙電源開關(guān)1-3斷開后，閉環(huán)設(shè)計(jì)開環(huán)運(yùn)行的配電網(wǎng)某站A號(hào)線路成為典型的輻射型線路。故障定位系統(tǒng)現(xiàn)已在A號(hào)線路掛網(wǎng)測(cè)試，在實(shí)際線路上安裝了3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)全部放置在負(fù)荷開關(guān)處，使得分段和分區(qū)重疊，現(xiàn)場(chǎng)線路如圖7所示。A號(hào)線路被3個(gè)零序電流測(cè)點(diǎn)分成4個(gè)段，測(cè)點(diǎn)的下游分別是3個(gè)段，變電站根節(jié)點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)為邊界節(jié)點(diǎn)界定的區(qū)間是一個(gè)段。段起始測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)向量r為：

r=[0，1，2，3]

系統(tǒng)分段測(cè)點(diǎn)相鄰矩陣和分區(qū)負(fù)荷開關(guān)處測(cè)點(diǎn)相鄰矩陣相同，為：

故障定位系統(tǒng)在獲取故障信息特征后，可分4種情況得到故障路徑標(biāo)識(shí)向量：

1）1號(hào)測(cè)點(diǎn)零序電流滯后零序電壓900，e=[1，1，0，0]；

2）2號(hào)測(cè)點(diǎn)零序電流滯后零序電壓90o，e=[1，0，1，0]；

3）3號(hào)測(cè)點(diǎn)零序電流滯后零序電壓90o，e=[1，0，0，1]；

4）測(cè)點(diǎn)零序電流都超前零序電壓90o，e=[1，0，0，0]。

調(diào)用AFFABN算法可得到故障段邊界所有測(cè)點(diǎn)，最終確定故障段，故障段內(nèi)所有支路都可能是故障支路。祝澤站A號(hào)線路覆蓋面大，而且小電流接地故障較為頻繁，故障定位系統(tǒng)開通后運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了小電流接地故障自動(dòng)檢測(cè)和實(shí)時(shí)顯示。

參考文獻(xiàn)

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