宋秀芳

（國網(wǎng)北京通州供電公司電力調(diào)度控制中心，北京 101100）

基于廣域相量測量的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障區(qū)段定位研究

宋秀芳

（國網(wǎng)北京通州供電公司電力調(diào)度控制中心，北京 101100）

我國10kV配電網(wǎng)多為小電流接地方式下的架空走線，80%以上的故障為單相接地。雖然近年來配網(wǎng)自動化系統(tǒng)逐漸興起，但該系統(tǒng)基本不具備針對單相接地的故障定位功能。本文基于提升供電可靠性目標(biāo)，設(shè)計出一種小電流接地環(huán)境下，10kV饋線發(fā)生單相接地后的故障區(qū)間定位方法。該方法通過在架空線上布置廣域相量和測量測點來獲取單相接地故障的特征信息，并依托相關(guān)標(biāo)識向量概念，來建立故障區(qū)間邊界節(jié)點搜索模型。一系列實驗和測試表明，本文提出的方法可有效界定單相接地故障區(qū)間，使得故障巡線的效率大幅提升，也為今后針對單相接地的饋線自動化實現(xiàn)提供技術(shù)支撐。

配電自動化；小電流接地；廣域相量測量；故障定位

現(xiàn)階段我國的中壓配網(wǎng)發(fā)展具有以下特點[1]：①架空線為主，電纜網(wǎng)為輔；②中性點接地方式多為小電流接地；③單相接地故障占據(jù)故障總量的80%以上；④配網(wǎng)自動化有一定發(fā)展，但缺乏對單相接地進行故障點精確定位的功能?；谝陨咸攸c，可以認(rèn)為，要進一步提升10kV網(wǎng)絡(luò)的供電可靠性，提升線路運維效率，應(yīng)將單相接地故障定位作為當(dāng)下線路層面研究的重點。

小電流接地環(huán)境下的故障檢測包含兩個層面[2]：①故障選線，即確定變電所 10kV母線上的哪一路饋線發(fā)生了單相接地；②故障點定位，即確定單相接地發(fā)生的具體位置。就國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來說，故障選線基本解決，方法有零序電流法、功率方向法、負(fù)序電流法等；故障點定位卻剛剛起步，主要成果是離線定位法（因接地信號微弱、容易受干擾，在線定位技術(shù)尚未取得實質(zhì)性突破），但離線方式對故障實時處理和配網(wǎng)自動化來說是達(dá)不到要求的。本文將嘗試基于廣域相量測量的小電流接地故障定位方法，該方法以固定測點的廣域相量測量來獲取故障信息，結(jié)合一系列智能算法，形成單相接地故障區(qū)間的在線快速定位機制，希望能填補小電流接地環(huán)境下單相接地故障點在線定位技術(shù)的空白。

1 單相接地故障分段定位原理

1.1 相關(guān)概念

為保證供電可靠和運行穩(wěn)定，10kV網(wǎng)絡(luò)一般為閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行[3]。為獲取線路發(fā)生單相接地后的實時故障信息，需在線路上設(shè)置一系列測點，如圖1所示。這些測點分兩類：①變電站母線處測點，其作用是獲得故障時零序電壓相量；②線路上分散測點，其作用是獲得故障時零序電流相量。顯然，以互為相鄰的測點為邊界，即可對線路進行區(qū)段劃分，再輔之以一定的算法，就有可能將接地故障點限定在具體區(qū)段內(nèi)，也就達(dá)到了故障定位的目標(biāo)。

圖1 開環(huán)運行的配網(wǎng)線路及測點設(shè)置示意

1.2 小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地的故障特征

小電流接地系統(tǒng)分中性點不接地和中性點經(jīng)消弧線圈接地兩種。下面分別進行分析。

1）中性點不接地系統(tǒng)故障特征

在這種系統(tǒng)環(huán)境下，當(dāng)線路f點有單相接地時，相當(dāng)于f點產(chǎn)生一個零序電壓源。零序電壓源通過線路對地電容（即零序網(wǎng)絡(luò)阻抗）在線路上產(chǎn)生零序容性電流[4]。顯然，根據(jù)電壓、電流之間的相位關(guān)系，只有零序電流滯后零序電壓90°的支路才可能是故障路徑的一部分，反之則不是。因此，據(jù)此可依托線路固定測點的電氣量采集來大致框定故障范圍。當(dāng)然，由于線路不對稱因素，即使是無故障狀態(tài)，也可能有零序電壓在變電所 10kV母線處形成（數(shù)值較?。虼诵柙O(shè)定一個零序電壓閾值ε，只有當(dāng)零序電壓超過ε時，才啟動故障定位。

2）消弧線圈接地系統(tǒng)故障特征

在這種系統(tǒng)環(huán)境下，受消弧線圈的干擾，會出現(xiàn)以下現(xiàn)象[5]：故障線路零序電流相位可能與健全線路相同，但零序電流幅值要小于健全線路。為了獲取故障特征，可考慮對消弧線圈進行控制，使其交替運行于過補償和欠補償之間。這樣，故障路徑的零序電流相量必然在?90°至90°之間交替變化，而正常線路保持90°不發(fā)生變化[6]。

1.3 故障特征信息的獲取

測點采用廣域相量測量技術(shù)實現(xiàn)零序電壓或零序電流相量數(shù)據(jù)采集，通過GPS確保各測點行為同步性，通過GPRS實現(xiàn)信息傳輸，計算各測點相位差就可獲取到主要的故障特征信息。各測點相位差定義為

式中，iθ為i號測點絕對相位，0θ為變電站母線測點絕對相位。綜合中性點非有效接地的兩種情況可知，iθ保持90°不變的測點在故障點下游，否則就在故障點上游。

1.4 故障分段定位方法

以圖2為例進行闡述。由圖2可知，線路的“段”的界定不外乎兩種情況：①一個段由2個測點界定，如f1故障區(qū)段可由測點9和測點10進行標(biāo)識，表示為{9，10}；②一個段由多個測點界定，如f2故障區(qū)段需由測點1、測點2、測點7和測點9進行聯(lián)合界定，集合表示為{1,2,7,9}。因此可定義Wi為第i段的區(qū)間邊界節(jié)點集合：

圖2 故障分段定位模型

鑒于開環(huán)運行線路內(nèi)的電流（包括零序電流）均為明確的單方向，因此將單電源輻射線路表示為“樹”拓?fù)洹Ｔ谠摗皹洹敝?，視變電站測點為根測點（因故障點一定在其下游位置），統(tǒng)一以0號表示；另外需假想一些葉節(jié)點，用以歸結(jié)故障范圍（認(rèn)為具體的故障點都在相應(yīng)葉節(jié)點的上游）；除根節(jié)點和葉節(jié)點外，其他節(jié)點實際測點，專測零序電流。

設(shè)實際的線路測點數(shù)為m，假想葉節(jié)點為n。以r表示根測點和實際測點所組成的m+1維標(biāo)識向量，如圖2所示的r為

采用測點相鄰矩陣S來描述所有測點（包括根測點、線路實際測點和假想測點）之間的相鄰關(guān)系，其元素sij定義見式（4）所示，S的結(jié)構(gòu)見式（5）所示（以圖2為例）。

對于具體的配網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在按照以上方法獲得r和S的形式后，就可以構(gòu)造確定故障區(qū)段的算法：

1）采集變電站零序電壓相量和每個測點零序電流相量，計算各測點相位差Δiθ（i=1,2,…）。

2）設(shè)故障路徑標(biāo)識向量e與r的長度相同，其元素為：當(dāng)線路零序電壓達(dá)到閾值ε時，認(rèn)為線路存在單相接地故障，則e1=1，反之e1=0；若i號（i＞1）真實測點采集到的故障信息反映出該測點在故障點下游，則ei=1，反之為0。

3）從e的首個元素開始向后搜索，找到e中最后為1的元素，將其設(shè)為ek，則標(biāo)號k對應(yīng)的rk就為故障區(qū)間的起始節(jié)點（e與r存在對應(yīng)關(guān)系），其子節(jié)點集合V為

則故障就被限定在集合W所表示的線路區(qū)段內(nèi)，即

2 物理模擬實驗

物理模擬實驗依托 10kV配電網(wǎng)物理模擬平臺對本文提出的故障定位方法進行模擬驗證。模擬實驗電路如圖3所示。

圖3 模擬實驗電路

由圖3：線路2中1和2號測點為實設(shè)零序電流測點，3號測點為假想；線路2可被分為3個段，起始測點標(biāo)識向量r為r=[0,1,2]；系統(tǒng)測點相鄰矩陣為

模擬試驗的結(jié)果見表1。

表1 模擬實驗測試數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果分析如下。

1）在1至4號試驗中，設(shè)置故障路徑標(biāo)識向量e為e=[1,0,0]（這個步驟相當(dāng)于將故障點設(shè)在根測點），基于廣域相量測量技術(shù)的線路測點獲取故障信息特征并送至服務(wù)器處理（下同）。顯然，由于e=[1,0,0]，即e中最后1個非零元素序號是1，亦即k=1，則在r向量中搜索第一個元素，顯然為r1=0。再觀察S矩陣，其第1行僅1個非零元素，在第1列。綜合以上可知（按前文算法），故障段的起始節(jié)點為0號測點，終結(jié)位置為1號測點，即{0,1}區(qū)間為故障區(qū)間。試驗數(shù)據(jù)中 1號測點、2號測點的相位差均超前也支撐這一判斷。

2）在5至8號試驗中，設(shè)置故障路徑標(biāo)識向量e為e=[1,1,0]（相當(dāng)于將故障點設(shè)在1測點和2測點之間）。顯然，由于e=[1,1,0]，即e中最后1個非零元素序號是2，亦即k=2，則在r向量中搜索第二個元素，顯然為r2=1。再觀察S矩陣，其第2行僅1個非零元素，在第2列。綜合以上可知，故障段的起始節(jié)點為1號測點，終結(jié)位置為2號測點，即{1,2}區(qū)間為故障區(qū)間。試驗數(shù)據(jù)中1號測點相位差滯后、2號測點相位差超前也完全支撐這一判斷。

3）在9至12號試驗中，設(shè)置故障路徑標(biāo)識向量e為e=[1,1,1]（這個步驟相當(dāng)于將故障路徑設(shè)置為0測點→1測點→2測點）。顯然，由于e=[1,1,1]，即e中最后1個非零元素序號是3，亦即k=3，則在r向量中搜索第三個元素，顯然為 r3=2。再觀察 S矩陣，其第3行僅1個非零元素，在第3列。綜合以上可知，故障段的起始節(jié)點為2號測點，終結(jié)位置為3號測點，即{2,3}區(qū)間為故障區(qū)間。試驗數(shù)據(jù)中 1號測點、2號測點的相位差均滯后也支撐這一判斷。

綜上所述，本文建立的基于廣域相量測量的針對小電流接地系統(tǒng)下單相接地故障區(qū)段定位的技術(shù)是可行的。

3 結(jié)論

本文將廣域相量測量和移動數(shù)據(jù)通信相結(jié)合，在研究兩類小電流接地環(huán)境下發(fā)生單相接地時的故障特征基礎(chǔ)上，依托“故障路徑標(biāo)識向量”、“起點測點標(biāo)識向量”、“系統(tǒng)測點相鄰矩陣”等概念，構(gòu)造故障區(qū)段定位計算方法。模擬試驗表明，本文建立的方法可確定判定故障區(qū)間的邊界節(jié)點，可顯著提高單相接地后的巡線針對性。下一步將在模擬試驗基礎(chǔ)上進行掛網(wǎng)試驗，以爭取在實踐中進行推廣應(yīng)用。

[1]郭俊宏,譚偉璞,楊以涵,等.電力系統(tǒng)故障定位原理綜述[J].繼電器,2006,34(3):76-81.

[2]張利.中性點非有效接地系統(tǒng)單相接地故障定位方法的研究[D].北京:華北電力大學(xué),2009.

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宋秀芳（1985-），北京人，本科，工程師，主要從事新設(shè)備啟動和無功電壓的管理工作。

Research on Location of Single Phase to Earth Fault in Small Current Grounding System based on Wide Area Phasor Measurement

Song Xiufang
(Tongzhou Beijing Power Supply Company Power Dispatch Control Center,Beijing 101100)

10kV distribution network in China is more than a small current grounding mode of overhead lines,more than 80% of the fault for single phase grounding.Although in recent years,the distribution network automation system gradually rise,but the system does not have the basic function of fault location for single phase grounding.Based on the goal of improving the reliability of power supply,this paper designs a fault location method for single phase to ground fault of 10kV feeder in a small current grounding environment.This method can obtain the characteristic information of the single phase earth fault by arranging the wide area phasor measurement points on the overhead line,and based on the concept of the relevant identification vector to establish the fault interval boundary node search model.A series of experiments and tests show that the proposed method can effectively define the single-phase grounding fault interval,the fault line patrol efficiency dramatically,but also for the future for the single phase grounding of feeder automation and provide technical support.

distribution automation;small current grounding;wide area phasor measurement;fault location