李開文，徐光超，林才春，黃 亮，黃 蕾

（國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

基于IEC 61850的中壓配電網(wǎng)單相接地故障定位的研究

李開文，徐光超，林才春，黃 亮，黃 蕾

（國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

為適應(yīng)配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)化的發(fā)展現(xiàn)狀以及IEC 61850標準不斷發(fā)展和擴大的趨勢，以及進一步提高配電網(wǎng)小電流接地故障定位算法的魯棒性和精度，根據(jù)環(huán)網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時合環(huán)前后零序電流潮流發(fā)生改變的特性，提出了環(huán)網(wǎng)合環(huán)零序電流增量法的小電流故障定位方法。該方法具有占用硬件、通信資源少，無需各個測量點時間同步，無需新增專門設(shè)備，以及抗干擾能力強等優(yōu)點。并給出了符合IEC 61850標準的故障定位基本單元的建模，建立了故障定位基本單元的邏輯節(jié)點和邏輯設(shè)備，提出了基于IEC 61850標準的配電網(wǎng)小電流接地故障定位系統(tǒng)。

配電環(huán)網(wǎng)；小電流接地；故障定位；IEC 61850

0 引言

在全國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，配電網(wǎng)是電網(wǎng)的重要組成部分，是保障電力“配得下、用得上”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。截止2011年底，國家電網(wǎng)公司中壓配電網(wǎng)中10 kV電壓等級的線路長度、變壓器臺數(shù)和投資額都占絕大多數(shù)[1-2]。我國10 kV中壓配電網(wǎng)大部分已經(jīng)形成了“手拉手”和環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。與此同時，隨著數(shù)字化變電站的不斷建設(shè)，IEC 61850協(xié)議已經(jīng)成為了迄今為止變電自動化領(lǐng)域最為完善的通信標準。并且IEC 61850還在不斷地完善和發(fā)展，未來IEC 61850標準的應(yīng)用范圍將進一步擴大，不僅涉及變電站內(nèi)部通信，還將涵蓋變電站與控制中心、變電站與變電站、配電自動化、新能源和儲能等領(lǐng)域，即覆蓋電力生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)[3]。

由中壓配電網(wǎng)小電流接地接地故障短路電流小、配電網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜、線路長度短等特點導(dǎo)致的小電流接地選線和定位一直以來是研究的難點和熱點，也取得了一些成果。傳統(tǒng)的故障選線定位方法按照其采用的故障特征信號量分類可分為暫態(tài)法、穩(wěn)態(tài)法和注入信號法。暫態(tài)法主要包括行波法[4-5]、暫態(tài)分量法[6-7]；穩(wěn)態(tài)法主要包括阻抗法、比相法[8-9]；信號注入法主要包括離線信號注入法[10]和在線信號注入法[11]。以上文獻所提出的方法一方面具有固有的不足：

（1）暫態(tài)法需要采集相應(yīng)的故障信號的暫態(tài)分量，因此對硬件要求較高，特別是在日益電纜化的配電環(huán)網(wǎng)，較大的對地等效電容對電壓行波波頭的破壞尤為嚴重，即使采用了小波變化等高級數(shù)學方法也無法從根本上保證判斷的準確性。

（2）穩(wěn)態(tài)法（特別是判據(jù)采用的故障信號的絕對值）在負載、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化頻繁的配電網(wǎng)中效果不佳，使得其抗干擾能力不強，而比相法則需要各個采樣點同步采樣，增加了授時裝置。

（3）信號注入法具有最好的定位精度，但是存在如下問題：離線信號注入法需要在線路停電下才能工作，違背了盡量減少停電時間的原則；在線信號注入法增加了額外的設(shè)備與電源，并且注入信號的容量受制于耦合設(shè)備的容量，過渡阻抗對定位精度有較大的影響。

另一方面，這些文獻沒有給出兼容IEC 61850標準協(xié)議的定義和模型。文獻[12-13]在IEC 61850框架下初步提出了故障定位選線的模型和裝置。

為此提出了一種利用安裝在各個分段點上的零序電流測量裝置監(jiān)測發(fā)生單相接地故障后配電環(huán)網(wǎng)通過合環(huán)操作改變系統(tǒng)零序電流分布的故障定位方法。把10 kV配電饋線線路、環(huán)網(wǎng)柜的FTU單元以及環(huán)網(wǎng)分段開關(guān)納入到IEC 61850體系下，并參考文獻[12-13]給出了符合IEC 61850標準的故障定位系統(tǒng)基本測量單元、環(huán)網(wǎng)分段開關(guān)的邏輯節(jié)點和設(shè)備模型的定義。

1 故障定位方法

1.1 配電環(huán)網(wǎng)典型接線

早期的配電網(wǎng)主要采用的是單電源輻射網(wǎng)接線方式，一旦線路或者電源發(fā)生故障，對用戶的影響和造成的損失較大。這種接線方式目前還存在于一些偏遠地區(qū)。按照電力公司的規(guī)劃性文件，現(xiàn)在的城鎮(zhèn)配電網(wǎng)主要向環(huán)網(wǎng)化電纜化方向發(fā)展。參照文獻[14]，10 kV配網(wǎng)線路典型接線圖如圖1所示。

圖1 10 kV配電網(wǎng)絡(luò)典型接線

當前的城市配電網(wǎng)一般采用的是環(huán)網(wǎng)設(shè)計，開環(huán)運行的原則。正常情況下環(huán)網(wǎng)開環(huán)點的分段開關(guān)斷開，配電網(wǎng)處于開環(huán)運行狀態(tài)，此時可以等效為兩個輻射狀網(wǎng)絡(luò)。一旦環(huán)網(wǎng)的一側(cè)出現(xiàn)電源或者線路故障，可以通過合上環(huán)網(wǎng)開關(guān)、分開分段開關(guān)對負荷進行轉(zhuǎn)供并隔離故障。架空線路的分段開關(guān)通常為柱上真空開關(guān)，電纜線路的分段開關(guān)通常由SF6負荷開關(guān)為主要元件的環(huán)網(wǎng)柜構(gòu)成。隨著材料和工藝的進步，這些分段開關(guān)在短時間內(nèi)可以承受2 kA以上的合環(huán)沖擊電流。架空線路的戶外真空開關(guān)通常和“看門狗”配合使用，而環(huán)網(wǎng)柜大多已經(jīng)安裝了零序電流互感器或者預(yù)留了其安裝位置。這些分段開關(guān)和零序電流互感器構(gòu)成了新型故障定位方法的物質(zhì)基礎(chǔ)。

1.2 環(huán)網(wǎng)合環(huán)對系統(tǒng)零序電流分布的影響

在環(huán)網(wǎng)線路發(fā)生故障后，調(diào)度人員通常會進行倒換負荷操作。負荷倒換存在熱倒和冷倒兩種方式，熱倒為先合環(huán)網(wǎng)開關(guān)，再分開相關(guān)分段開關(guān)，反之則為冷倒。熱倒不會造成負荷供電中斷，提高了供電可靠性，但是在操作之前需經(jīng)過核算才能進行。冷倒操作簡單，但會造成用戶的短時停電。

當小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，故障相對地電壓為零，非故障相對地電壓變?yōu)榫€電壓，故障電流為系統(tǒng)非故障相所有對地電容電流之和，從序分量角度分析為零序分量。但是配電系統(tǒng)的三相對稱并未被破壞，因此可以繼續(xù)帶故障運行2 h，以便查找出故障點并進行搶修。

此處提出的配電網(wǎng)單相接地故障定位核心思想為：配電環(huán)網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，通過短時間的合環(huán)操作，改變原有對地電容分布，從而改變了零序電流的潮流。分布在各個分段開關(guān)的零序電流測量單元通過監(jiān)測零序電流的變化量進行故障定位。假設(shè)環(huán)網(wǎng)帶單相接地故障合環(huán)后，有功無功潮流的改變不會使變壓器的保護裝置和線路的繼電保護裝置動作。忽略線路的零序阻抗，環(huán)網(wǎng)帶單相接地故障合環(huán)的零序等效網(wǎng)絡(luò)見圖2。

圖2 系統(tǒng)零序等效網(wǎng)絡(luò)

當t1時刻環(huán)網(wǎng)開關(guān)左側(cè)某點發(fā)生單相接地故障時，其零序電流的分布如圖2中所示，此時，由于K1尚未閉合，環(huán)網(wǎng)右側(cè)未引入單相接地點，右側(cè)系統(tǒng)無零序電壓，故I0N=0。為進一步分析方便，假設(shè)r=0，可知：

環(huán)網(wǎng)開關(guān)K1在t2時刻閉合，健全的線路引入了單相接地點，原本平衡的相電壓被打破，環(huán)網(wǎng)開關(guān)左側(cè)的零序電壓不為零，線路對地電容在零序電壓的激勵下產(chǎn)生了零序電流。故障點左側(cè)的等效電容此時公式變?yōu)椋?/p>

1.3 環(huán)網(wǎng)合環(huán)零序電流增量法

當過渡電阻不能忽略時，環(huán)網(wǎng)合環(huán)引起流過接地點的零序電流增加，導(dǎo)致故障點的零序電壓值下降，使得I0r必然小于但環(huán)網(wǎng)左側(cè)等效電容的大幅增加，使得I0l依然大于故可得出環(huán)網(wǎng)合環(huán)零序電流增量法判定故障點的判據(jù)：

式中：M，N為一段線路兩端的測量點；ζ為判斷上閾值；ξ為判斷下閾值。

ζ和ξ的引入是為了提高算法的魯棒性和抗干擾能力。ζ和ξ的值根據(jù)實際而定，一般ξ為1個很小的數(shù)，如0.02；ζ大于ξ，如1。發(fā)生環(huán)網(wǎng)開關(guān)合環(huán)后從合環(huán)點向故障分段的電源方向搜索各個零序電流測量點合環(huán)后與合環(huán)前的零序電流之差，故障點即在MN之間。

2 符合IEC 61850的故障定位建模

根據(jù)以上提出的利用比較檢測環(huán)網(wǎng)合環(huán)前后零序電流有效值的增量法進行故障定位。每個分段開關(guān)處（“看門狗”或環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)）裝設(shè)的高精度零序電流互感器、開關(guān)本體和FTU單元構(gòu)成了故障定位系統(tǒng)的IED（智能電子設(shè)備）。參照文獻[3]對故障定位系統(tǒng)基本單元進行IEC 61850建模。

2.1 邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)

故障定位系統(tǒng)的IED的主要工作流程為測量零序電流值和開斷環(huán)網(wǎng)開關(guān)。依照盡量選用IEC 61850-7-4中已規(guī)定的邏輯節(jié)點類的原則，LSBU（定位系統(tǒng)基本單元）所有的邏輯節(jié)點如表1所示。

表1 定位系統(tǒng)基本單元IED的邏輯節(jié)點

其中，零序電流測量邏輯節(jié)點使用的是非相位相關(guān)測量邏輯節(jié)點，雖然饋線線路是三相系統(tǒng)，但是線路中的零序電流可以用單相電流表示。XSWILP與MMXNZ的邏輯節(jié)點見表 2和表3。

IEC 61850-7-4中已規(guī)定的XSWI和MMXN邏輯節(jié)點并不適應(yīng)本方法的實際需求，因此對這2個邏輯節(jié)點的相關(guān)數(shù)據(jù)進行擴充。XSWILP.LoPtEna定義了負荷開關(guān)是否為開環(huán)點，其特性有：1條環(huán)網(wǎng)線路只有1個開環(huán)點；只有被設(shè)定成開環(huán)點的分段開關(guān)才能進行合閘操作，其他負荷開關(guān)在定位過程中處于閉鎖狀態(tài)。MMXNZ.SapBeEna和MMXNZ.SapAfEna分別為合環(huán)前后采樣使能，當其被主站置1后采集并計算一次零序電流有效值，并記數(shù)值于MMXNZ.SapBeVal和MMXNZ.SapAfVal。MMXNZ.DfVal為合環(huán)前后的零序電流采樣有效值之差，即MMXNZ.SapAfVal-MMXNZ.SapBeVal。

表2 分段開關(guān)邏輯節(jié)點

表3 零序電流測量邏輯節(jié)點

2.2 邏輯設(shè)備和服務(wù)器的構(gòu)建

對于整條配電線路，同一個FTU物理設(shè)備可構(gòu)成不同的邏輯設(shè)備。區(qū)別于其他線路自動化功能所對應(yīng)的邏輯設(shè)備，此處提出的故障定位系統(tǒng)的基本定位單元的邏輯設(shè)備如圖3所示。

在現(xiàn)實中，1條環(huán)網(wǎng)線路需安裝若干故障定位系統(tǒng)的基本單元。在IEC 61850體系中，故障定位系統(tǒng)所提供的故障定位服務(wù)同樣也包含了若干故障定位系統(tǒng)基本邏輯設(shè)備。由于本定位方法不需要在通信線路上傳輸瞬時采樣值，因此1個具有MMS訪問點的服務(wù)器即可構(gòu)成故障定位系統(tǒng)的服務(wù)器，其通信方式采用客戶端/服務(wù)器的通信模式。

圖3 故障定位系統(tǒng)基本單元邏輯設(shè)備

3 IEC 61850體系下故障定位過程

饋線上安裝的故障定位系統(tǒng)基本單元通過通信媒介接入變電站所屬的IEC 61850網(wǎng)絡(luò)。通信媒介可為與饋線一同鋪設(shè)的光纜、電力公司通信專用網(wǎng)，在偏僻地區(qū)可用3G或GPRS與站屬網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的VPN（虛擬專用網(wǎng)絡(luò)）等。隨著通信技術(shù)的不斷進步，通信媒介也在不斷發(fā)展，但該技術(shù)不在本文討論范圍。本文假設(shè)各個基本單元均接入站屬饋線小電流接地故障定位服務(wù)器所在的IEC 61850網(wǎng)絡(luò)。

通過基本定位單元IED、IEC 61850通信總線和定位服務(wù)器構(gòu)成的數(shù)字化小電流接地故障定位系統(tǒng)是對現(xiàn)實世界中由分段開關(guān)、饋線和相應(yīng)變電站母線組成的配電系統(tǒng)的有效建模，如圖4所示。在圖4中，單相接地故障發(fā)生在分段開關(guān)M和N之間，在故障定位系統(tǒng)啟動之前，環(huán)網(wǎng)開關(guān)K1一直處于分閘狀態(tài)。當變電站內(nèi)部故障選線裝置選出故障線路之后，本故障定位系統(tǒng)啟動。故障定位流程如下：

（1）合環(huán)前故障定位服務(wù)器向所有故障定位邏輯設(shè)備發(fā)出采集一次零序電流指令。即發(fā)送廣播信號，使所有邏輯設(shè)備的零序電流測量邏輯節(jié)點的SapBeEna數(shù)據(jù)置位。

（2）零序電流測量邏輯節(jié)點在采樣、計算零序電流有效值后置StaBe標志位，并通過通信總線發(fā)送至服務(wù)器，表示轉(zhuǎn)換完畢。同時存儲當前零序電流有效值至SapBeVal。

（3）服務(wù)器在確認所有節(jié)點均采集完合環(huán)前有零序電流有效值后，發(fā)送合環(huán)開關(guān)閉合指令。但是只有XSWILP.LoPtEna=1的負荷開關(guān)接受到合環(huán)指令后，負荷開關(guān)才會動作。

圖4 IEC 61850體系下故障定位過程

（4）服務(wù)器在確認環(huán)網(wǎng)合環(huán)后，向所有故障定位邏輯設(shè)備發(fā)出采集環(huán)網(wǎng)合環(huán)后零序電流指令。即發(fā)送廣播信號，使所有邏輯設(shè)備的零序電流測量邏輯節(jié)點的SapAfEna數(shù)據(jù)置位。

（5）零序電流測量邏輯節(jié)點在采樣、計算零序電流有效值后置StaAf標志位，存儲當前零序電流有效值至SapBeVal，計算DfVal值并存儲。之后各個邏輯節(jié)點向服務(wù)器端上傳DfVal值。

（6）服務(wù)器根據(jù)公式所構(gòu)成的判據(jù)，從各個邏輯設(shè)備上傳的DfVal順序查找發(fā)生故障的區(qū)間。并向開環(huán)點的環(huán)網(wǎng)開關(guān)發(fā)出分閘指令，使環(huán)網(wǎng)工作在開環(huán)狀態(tài)。

（7）根據(jù)判據(jù)和數(shù)據(jù)能判斷出故障點時，故障定位服務(wù)器向控制中心和配電檢修工程師站同時發(fā)出故障發(fā)生地點告警信號，使得故障線路得到及時搶修。即使因某種原因（如通信校驗錯誤）未能判斷出故障點，待故障線路經(jīng)過校驗后，重新進行一次故障定位流程即可，或者給出相關(guān)信息以便工作人員及時排除故障。

4 結(jié)語

針對配電環(huán)網(wǎng)化的發(fā)展趨勢，分析了當配電環(huán)網(wǎng)一側(cè)發(fā)生單相接地故障時，環(huán)網(wǎng)合環(huán)后零序電流穩(wěn)態(tài)量的變化趨勢，并根據(jù)這種變化趨勢提出了利用環(huán)網(wǎng)合環(huán)前后零序電流有效值變化量作為小電流故障定位原理及判據(jù)。

該方法的優(yōu)點有：采用線路的零序電流的增量值作為故障特征量，相比于行波法和暫態(tài)分量法，減少了對故障信息采集硬件的要求；相比于比相法，由于不需要同步采樣計算相位，因此省去了時間同步環(huán)節(jié)；相比于零序比幅法，消除了因故障電流絕對值小和共模干擾帶來的誤差；相比于注入信號法，本方法無需增加額外的物理設(shè)備和相應(yīng)的電源。

同時根據(jù)IEC 61850標準，對分布在線路分段開關(guān)的基本定位單元進行了符合IEC 61850標準的分層建模，構(gòu)建了對應(yīng)基本定位單元的邏輯設(shè)備及其包含的邏輯節(jié)點，在此基礎(chǔ)上給出了一種適應(yīng)未來配電網(wǎng)的小電流接地故障定位系統(tǒng)。通過統(tǒng)一、標準的信息交互模型和數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)為進一步提高故障定位精度、隔離故障直至最終實現(xiàn)自愈電網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)，對智能配電網(wǎng)的實現(xiàn)具有積極意義。

[1]韓豐.配電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及工作重點[M]//中國電力年鑒.北京：中國電力出版社，2012.

[2]國家電網(wǎng)公司.電網(wǎng)發(fā)展[M]//中國電力年鑒.北京：中國電力出版社，2011.

[3]何磊.IEC 61850應(yīng)用入門[M].北京：中國電力出版社，2012.

[4]林圣，武驍，何正友，等.基于行波固有頻率的電網(wǎng)故障定位方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（1）∶270-275.

[5]王陽，曾祥君，黎銳烽，等.基于圖論的配電網(wǎng)故障行波定位新算法[J].電力系 統(tǒng)自動化 ，2012，36（18）∶143-147.

[6]張林利，徐丙垠，薛永端，等.基于線電壓和零模電流的小電流接地故障暫態(tài)定位方法[J].中國電機工程學報，2012，32（13）∶110-115.

[7]孫波，孫同景，薛永端，等.基于暫態(tài)信息的小電流接地故障區(qū)段定位[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32（3）∶52-55.

[8]鄭顧平，姜超，李剛，等.配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中小電流接地故障區(qū)段定位方法[J].中國電機工程學報，2012，32（13）∶103-109.

[9]張利，楊以涵，楊秀媛，等.移動式比相法配電網(wǎng)接地故障定位研究[J].中國電機工程學報，2009（7）∶91-97.

[10]張利，楊以涵，楊秀媛.配電網(wǎng)離線故障定位方法研究與實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2009（1）∶70-74.

[11]樊淑嫻，徐丙垠，張清周.注入方波信號的經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障選線方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36（4）∶91-95.

[12]韓國政，徐丙垠.小電流接地故障選線和定位裝置的IEC 61850 信息建模[J].電力系統(tǒng)自動化，2011（5）∶57-60.

[13]齊鄭，郭銳，楊以涵.基于數(shù)字化變電站的小電流接地故障選線實現(xiàn)方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2009（24）∶54-57.

[14]Q/GDW 370-2009城市配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則[S].2009.

[15]李開文，袁榮湘，鄧翔天，等.含分布式電源的環(huán)網(wǎng)故障定位的改進矩陣算法[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2014，26（12）∶62-68.

2017-09-22

李開文（1991），男，助理工程師，從事電力系統(tǒng)調(diào)度監(jiān)控運行工作。

（本文編輯：陸 瑩）

Study for Single-phase Grounding Fault Location in Medium Voltage Distribution Networks Based on IEC 61850

LI Kaiwen， XU Guangchao， LIN Caichun， HUANG Liang， HUANG Lei
（State Grid Ningbo Power Supply Company， Ningbo Zhejiang 315000， China）

In order to adapt to the development of distribution ring networks and the continuous development and expansion of IEC 61850 and further improve the robustness and accuracy of small current grounding fault location algorithm，this paper puts forward a small current fault location method which is called ring network loop closing zero-sequence current increment method based on the characteristic of zero-sequence current flow change before or after loop closing in the case of single-phase earth fault in ring network.This method has the advantages of less hardware， less communication resources and strong anti-interference ability， which needs no synchronization of each measuring point and no new special equipment.This paper also gives the modeling of the basic unit of fault location in accordance with IEC 61850 standard，which establishes the logic node and logic equipment of the basic unit of fault location.A small current fault location system for distribution networks based on IEC 61850 is proposed in this paper.

distribution ring network； small current grounding； fault location； IEC 61850

10.19585/j.zjdl.201711007

1007-1881（2017）11-0040-05

TM862

B