科大智能電氣技術(shù)有限公司 童 杰

針對(duì)10kV配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障起始點(diǎn)獲取困難的現(xiàn)狀，本文首先分析了單相接地故障發(fā)生時(shí)暫態(tài)錄波型故障指示器故障零序電流波形特性，提出一種在線(xiàn)路上增加安裝電力系統(tǒng)同步相量測(cè)試裝置（PMU），根據(jù)PMU故障零序電壓波形查找暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障起始點(diǎn)的實(shí)施方案。最后運(yùn)用RTDS動(dòng)模平臺(tái)驗(yàn)證了該方案的可靠性與準(zhǔn)確性，適用于小電流接地配電系統(tǒng)的單相接地故障識(shí)別。

我國(guó)10kV架空線(xiàn)路中壓配電網(wǎng)多采用小電流接地方式，線(xiàn)路發(fā)生接地故障時(shí)，需要及時(shí)準(zhǔn)確判斷出故障點(diǎn)。暫態(tài)錄波型故障指示器是一種融合了高精度采樣、無(wú)線(xiàn)射頻通信等新技術(shù)的單相接地故障定位工具。該產(chǎn)品由一臺(tái)匯集單元及三只采集單元組成，采集單元懸掛安裝于三相架空電纜上，實(shí)時(shí)采集線(xiàn)路負(fù)荷、電場(chǎng)等數(shù)據(jù)，根據(jù)線(xiàn)路運(yùn)行數(shù)據(jù)變化判斷是否發(fā)生接地故障，并將故障時(shí)刻波形傳遞到匯集單元，匯集單元合成零序電流生成波形文件并上傳配電主站，配電主站根據(jù)故障波形及線(xiàn)路拓?fù)渫瓿晒收隙ㄎ弧?/p>

當(dāng)前暫態(tài)錄波型故障指示器接地故障定位的主流方法包括暫態(tài)極性法、零序電流相似性法等。暫態(tài)極性法判定原理為：架空線(xiàn)路發(fā)生接地故障時(shí)，故障線(xiàn)路故障點(diǎn)下游及非故障線(xiàn)路暫態(tài)零序電流首半波極性與母線(xiàn)暫態(tài)零序電壓首半波極性相同，故障線(xiàn)路故障點(diǎn)上游暫態(tài)零序電流首半波極性與母線(xiàn)暫態(tài)零序電壓首半波極性相反。零序電流相似性法原理為：架空線(xiàn)路發(fā)生接地故障時(shí)，非故障線(xiàn)路暫態(tài)零序電流波形相似且極性一致；故障線(xiàn)路與非故障線(xiàn)路暫態(tài)零序電流波形不相似且極性相反；故障點(diǎn)上游暫態(tài)零序電流波形相似且性一致；故障點(diǎn)下游與上游暫態(tài)零序電流波形不相似且極性相反；通過(guò)計(jì)算同一母線(xiàn)上暫態(tài)錄波型故障指示器的零序電流波形暫態(tài)信號(hào)相關(guān)系數(shù)可定位接地故障故障點(diǎn)。

兩種主流的接地故障定位方法都需要準(zhǔn)確獲取到故障發(fā)生時(shí)暫態(tài)錄波型故障指示器的暫態(tài)零序電流信號(hào)首半波，即找到故障信號(hào)的暫態(tài)起始點(diǎn)。暫態(tài)起始點(diǎn)獲取準(zhǔn)確率是接地故障定位的關(guān)鍵。暫態(tài)錄波型故障指示器的零序電流是三相采集單元的電流合成而來(lái)，存在三相電流采樣誤差疊加情況，同時(shí)架空線(xiàn)路負(fù)載情況復(fù)雜，負(fù)荷不穩(wěn)定；導(dǎo)致零序電流波形質(zhì)量較差，圖1為暫態(tài)錄波型故障指示器的某次故障零序電流波形截取，波形上可看出零序電流存在大量毛刺，通過(guò)突變點(diǎn)查找算法從零序電流波形上查找暫態(tài)信號(hào)起始點(diǎn)，獲取接地故障后首半波數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性很難保證。

圖1 暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障波形

1 零序電流故障起始點(diǎn)獲取實(shí)現(xiàn)方案

電力系統(tǒng)同步相量測(cè)試裝置（PMU）是一種可安裝于架空線(xiàn)路變電站出線(xiàn)端的監(jiān)測(cè)裝置，其通過(guò)零序電壓PT直接采集線(xiàn)路零序電壓，其零序電壓波形質(zhì)量高，接地故障發(fā)生時(shí)線(xiàn)路零序電壓將發(fā)生明顯變化，可通過(guò)比幅法準(zhǔn)確捕獲到故障起始點(diǎn)。GPS或者北斗對(duì)時(shí)裝置可將PMU及故障指示器的采集同步到同一時(shí)間系中。接地故障發(fā)生時(shí)線(xiàn)路零序電壓和零序電流同時(shí)變化，且兩種裝置時(shí)間在同一坐標(biāo)系，通過(guò)PMU的零序電壓故障起始點(diǎn)確定暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障起始點(diǎn)。

1.1 實(shí)現(xiàn)方案系統(tǒng)組成

圖2為本文闡述的暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障起始點(diǎn)獲取方法實(shí)現(xiàn)方案系統(tǒng)組成，本方案實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)由PMU、暫態(tài)錄波型故障指示器、配電網(wǎng)主站組成。圖中，PMU安裝于10kV配電線(xiàn)路變電站出線(xiàn)端，裝置內(nèi)部集成了GPS模塊用于獲取基準(zhǔn)時(shí)間，外部接入零序PT采集線(xiàn)路零序電壓；圖中LA、LB、LC、L為暫態(tài)錄波型故障指示器，其安裝于架空線(xiàn)路各主干及支線(xiàn)上，成套暫態(tài)錄波型故障指示器由一臺(tái)匯集單元和三只采集單元組成，匯集單元內(nèi)部集成GPS模塊用于獲取基準(zhǔn)時(shí)間，匯集單元與采集單元之間通過(guò)433M無(wú)線(xiàn)射頻通信，匯集單元獲取三只采集單元電流波形后合成線(xiàn)路零序電流，配電網(wǎng)主站通過(guò)收集故障時(shí)刻前后PMU及故障指示器的零序電壓及零序電流波形，獲取故障起始點(diǎn)，從而定位接地故障點(diǎn)位置。

圖2 零序電流故障起始點(diǎn)獲取實(shí)現(xiàn)方案系統(tǒng)組成

1.2 暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障起始點(diǎn)獲取步驟

圖3為PMU與暫態(tài)錄波型故障指示器采樣步調(diào)同步流程圖，該流程實(shí)現(xiàn)了兩種裝置的交流采樣同步。如圖3所示，安裝于同一變電站的兩種裝置通過(guò)自帶GPS模塊獲取基準(zhǔn)時(shí)間，分別調(diào)整自身ADC采樣定時(shí)器的走時(shí)步調(diào)，使其與基準(zhǔn)時(shí)間步調(diào)一致，從而使得兩者的交流采樣步調(diào)同步。具體步驟如下：

圖3 PMU與暫態(tài)錄波型故障指示器采樣同步流程圖

裝置上電后啟動(dòng)交流采樣，待GPS模塊進(jìn)入授時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)后，裝置的微控制器MCU計(jì)算自帶GPS模塊秒中斷與交流采樣ADC觸發(fā)源定時(shí)器秒中斷的時(shí)間差，判斷時(shí)間差是否超過(guò)規(guī)定閾值；若PMU中時(shí)間差超過(guò)閾值，其將時(shí)間差換算為定時(shí)器計(jì)數(shù)值并修正定時(shí)器走時(shí)，以同步ADC模塊采樣步調(diào)，并且使用GPS基準(zhǔn)時(shí)間更新裝置系統(tǒng)時(shí)間；對(duì)于暫態(tài)錄波型故障指示器來(lái)說(shuō)，若時(shí)間差超過(guò)閾值，匯集單元將自身時(shí)間更新到GPS基準(zhǔn)時(shí)間后，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻同步三只采集單元采樣步調(diào)。在保持PMU與暫態(tài)錄波型故障指示器交流采樣步調(diào)一致的同時(shí)，兩種裝置需保持相同的交流采樣頻率以保證PMU零序電壓波形與故障指示器零序電流波形采樣點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，在本文的實(shí)施實(shí)例中，兩種裝置采樣頻率均為12.8kHz。

零序電流故障起始點(diǎn)獲取方法實(shí)現(xiàn)步驟：

（1）架空線(xiàn)路發(fā)生接地故障后，PMU通過(guò)母線(xiàn)零序電壓變化感知到故障發(fā)生，以故障時(shí)刻為基準(zhǔn)鎖定故障前4個(gè)周波及故障后8個(gè)周波的零序電壓波形并上傳主站；暫態(tài)錄波型故障指示器通過(guò)線(xiàn)路電場(chǎng)變化感知到故障發(fā)生，鎖定故障前4個(gè)周波及故障后8個(gè)周波電流波形并上傳主站，故障波形上傳采用標(biāo)準(zhǔn)comtrade文件格式，文件中包含波形起始點(diǎn)時(shí)間。

（2）主站收到PMU及暫態(tài)錄波型故障指示器故障波形文件后，解析PMU零序電壓波形數(shù)據(jù)，圖4為接地故障發(fā)生時(shí)PMU所錄母線(xiàn)零序電壓波形，波形為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，無(wú)毛刺、無(wú)高頻信號(hào)疊加且波形質(zhì)量高，利用正弦信號(hào)周期性特點(diǎn)采用比幅法獲取零序電壓突變點(diǎn)位置。

（3）主站通過(guò)PMU波形文件起始點(diǎn)時(shí)間及零序電壓突變點(diǎn)位置，可計(jì)算出接地故障發(fā)生的準(zhǔn)確絕對(duì)時(shí)間。

（4）主站根據(jù)接地故障發(fā)生絕對(duì)時(shí)間與暫態(tài)錄波型故障指示器故障波形起始點(diǎn)時(shí)間差計(jì)算出暫態(tài)零序電流故障起始點(diǎn)位置。

2 RTDS動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證

2.1 RTDS動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)

本文提出的方法在開(kāi)普檢測(cè)中心DM008動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)中驗(yàn)證。系統(tǒng)如圖4所示，有6條出線(xiàn)支路。系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式有不接地、經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地、經(jīng)10Ω小電阻接地3中方式。當(dāng)不接地系統(tǒng)對(duì)地電容電流小于10A時(shí)，系統(tǒng)接地方式分為不接地；當(dāng)不接地系統(tǒng)對(duì)地電容電流大于10A時(shí)，系統(tǒng)接地方式分為經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地，消弧線(xiàn)圈為預(yù)調(diào)諧方式，補(bǔ)償度為過(guò)補(bǔ)償5%；當(dāng)不接地系統(tǒng)對(duì)地電容電流大于30A時(shí)，系統(tǒng)接地方式為經(jīng)10Ω小電阻接地。

圖4 10kV配電系統(tǒng)動(dòng)模試驗(yàn)主接線(xiàn)圖

模擬中性點(diǎn)不接接地系統(tǒng)的K1～K6點(diǎn)發(fā)生單相經(jīng)10Ω、100Ω、300Ω、800Ω過(guò)渡電阻的單相接地故障。驗(yàn)證接地故障發(fā)生時(shí)刻，PMU的零序電壓故障起始點(diǎn)與故障指示器零序電流故障起始點(diǎn)一致，通過(guò)本文闡述的方法可準(zhǔn)確找到零序電流故障起始點(diǎn)，提高了極性法定位接地故障的準(zhǔn)確率。

表1 線(xiàn)路參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本次動(dòng)模系統(tǒng)試驗(yàn)共計(jì)模擬接地故障80次，其中中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)及經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)各40次，過(guò)渡電阻10Ω、100Ω、300Ω、800Ω各20次。暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障起始點(diǎn)查找準(zhǔn)確率100%，接地故障判定準(zhǔn)確率95%。圖5為接地故障時(shí)PUM零序電壓波形與不同安裝位置的4套故障指示器零序電流波形，從波形上看零序電壓波形故障起始點(diǎn)與零序電流故障起始點(diǎn)一致。本文提出的實(shí)現(xiàn)方案可準(zhǔn)確找到故障指示器零序電流故障起始點(diǎn)。

圖5 接地故障時(shí)零序電壓與零序電流波形

結(jié)論：由上述實(shí)現(xiàn)方案可知，本文提出的方法將高頻且不穩(wěn)定的暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障起始點(diǎn)獲取轉(zhuǎn)化為低頻且穩(wěn)定的PMU零序電壓故障起始點(diǎn)獲取，降低了錯(cuò)誤概率，提高了準(zhǔn)確率。以GPS時(shí)間為基準(zhǔn)同步PMU與暫態(tài)錄波型故障指示器交流采樣步調(diào)，將PMU零序電壓故障起始點(diǎn)與暫態(tài)錄波型故障指示器零序電流故障起始點(diǎn)的時(shí)間差控制在10us以?xún)?nèi)，大幅提高接地故障時(shí)獲取暫態(tài)錄波型故障指示器合成零序電流的故障起始點(diǎn)準(zhǔn)確率。利用動(dòng)模系統(tǒng)驗(yàn)證了該方法的有效性。