非有效接地电网单相接地故障选线技术综述

熊婷婷 曾祥君 王媛媛 丁胜强

（1.智能电网运行与控制湖南省重点实验室（长沙理工大学），长沙 410114； 2.湘潭电力局信通公司，湖南 湘潭 411101）

电力系统实际运行中约95%以上的停电事故发生在配电网，其中70%的事故由单相接地或母线故障引发[1]。接地故障发生后极易产生弧光接地，引发两点或多点短路，导致全系统过电压，损坏设备，影响系统安全运行，甚至造成严重的停电事故。因此，系统发生单相接地故障后，能否迅速、准确地选出接地故障线路，并动作于信号或跳闸，对于保障电力系统的安全运行至关重要，非有效接地电网故障选线也是我国在建和改建的配电系统亟待解决的重要课题。

中性点非有效接地系统发生单相接地故障时，由于接地残流小，故障特征不明显，且受负荷谐波干扰及选线方法自身局限性等因素制约，现有故障选线方法正确率不高：实际运行中仅20%～30%，理想情况下也仅为70%～90%[2]。因此，如何迅速、准确地实现故障选线是国际电力领域一大尚未彻底解决的难题。

中性点非有效接地系统的单相接地故障选线技术，是电力系统领域中备受关注的研究方向之一。近年来，国内外关于非有效接地系统故障选线的研究异常活跃，并在理论上和实践中取得了很多有价值的研究成果。本文首先结合相关研究文献，整理了国内外选线方法的发展脉络；之后通过对比分析，概括了现有各选线方法的适用条件及优缺点，介绍了改进方案的最新研究成果；最后，对选线技术研究中存在的问题及未来的研究趋势进行了总结与展望。

1 国内外研究发展脉络浅析

1.1 国外研究发展脉络

国内外许多专家学者均结合自身供电系统特点开展了一系列的选线保护研究，如：俄罗斯（前苏联）采用小电流接地系统，其故障选线的研究建立在分析稳态信号的基础上，经历了过流判据、无功方向判据、群体比幅几个阶段，选线装置的发展也经历了电磁式继电器、晶体管、模拟集成电路和数字电路几个阶段，目前主要使用微机选线装置。日本采用中性点不接地或中性点经高阻接地系统，其选线原理较为简单，曾广泛应用基波无功方法，其后开展了一系列关于零序电流信号提取及接地点分区方法的研究，研制出了利用光导纤维的架空线-电缆零序互感器，并已将人工神经网络技术应用于接地保护。德国采用中性点经消弧线圈接地系统，由于存在故障稳态特征量不明显的问题，在20世纪30年代曾提出基于接地故障初始时刻暂态过程的接地保护原理，并研制出了便携式接地报警装置。法国过去以低阻接地方式居多，曾提出高精度零序导纳保护和零序功率保护，理论上高阻故障检测精度可达50～100kΩ，但实际运行中受接地电弧的影响，保护精度也有一定限制，近年随着其城市电缆线路的增多，电容电流迅速增大，因此已转向采用谐振接地方式，并提出了利用Prony 方法和小波变换方法提取故障暂态信息的选线保护方案。挪威研制出了一种悬挂式接地指示器，该装置分段悬挂在线路和分叉点上，通过测量空间电场和磁场的相位反映零序电压和零序电流的相位，进而实现选线。欧洲和美国过去普遍认为非有效接地电网的接地保护难以实现，且存在严重过电压等缺陷，因此，他们一直致力于优化电力系统结构以提高供电可靠性。20世纪90年代起，国外逐渐将人工神经网络理论应用于保护，并开发了专家系统，但效果并不明显。

1.2 国内研究发展脉络

我国学者自1958年以来一直对故障选线问题进行研究，70年代以前我国配电网普遍采用“拉闸试停”的方法进行故障选线，70年代以后，相继提出了零序电流保护、零序功率方向原理，并研制了首半波原理的选线装置。但由于零序电流随接地程度、运行方式而变化，误判情况经常发生。近年，我国实际采用的选线方法主要有：五次谐波法、有功功率法、注入谐波法、残留增量法和扰动法。但前3 种方法因准确性、设备难度以及危险性等未得到广泛应用，残留增量法和扰动法在我国谐振接地系统中应用最为广泛。随着人工智能技术在电力系统中的推广应用，国内专家学者又先后提出了基于知识推理、人工神经网络、小波分析及Prony 算法的接地故障线路检测技术。近年来，基于零序电气量的小电流接地故障选线也有了新的进展，如投入中电阻方法、信号注入法、利用暂态电气量的方法等。多判据融合选线方法的研究更是对各种现有方法进行了融合改进，并通过与新的数学方法及其他学科理论进行结合，进一步提高了故障选线的精度及鲁棒性。

2 选线方法综述

2.1 单一判据的故障选线方法

针对配电网接地故障特征，国内外相关研究人员提出了一系列基于单一判据的故障选线方法，其大致可分为3 类：①基于稳态分量的方法；②基于暂态分量的方法；③外加信号改变故障量的方法。

1）基于稳态分量的方法

基于稳态分量的选线方法在我国故障选线研究中开展较早，相关研究成果较多，包括：零序电流基波比幅比相法，负序电流法，零序电流谐波法，零序有功分量方向法等。

零序电流基波比幅比相选线法，适用于中性点不接地系统，其选线原理基于早期继电保护理论，不能排除电流互感器不平衡的影响，易受系统运行方式、线路长短、过渡电阻大小等影响而导致误选、多选或漏选情况，不能满足系统运行多变的情况，且当故障点离互感器较远且线路较短时，由于零序电压、电流均较小，会产生“时针效应”，相位判断困难。为此一些专家提出了群体比幅比相[2]、基于可辨识矩阵的幅值比较选线[4]的改进方案，但实际上单一群体比较方案仍存在死区，需另外选择互补方案与其配合才能进行选线，而基于可辨识矩阵的幅值比较选线判据，计算量及所需微机存储空间均较大。

鉴于利用零序基波电流选线存在的问题，一些研究学者提出了利用谐波电流的选线方法（主要选取五次谐波），但由于系统中的谐波含量往往不确定，且受运行情况、设备性能等因素的影响，负荷中的谐波源、过渡电阻大小都影响着选线精度，因此选取谐波作为判断故障依据存在可靠性的问题，该选线方法的实用性尚待商榷。

为克服零序基波电流、谐波选线方法的不足，文献[5]提出了零序电流有功分量方向接地选线方法，该方法基于“有功电流只流过故障线路，与非故障线路无关”的原理，以零序电压为参考矢量，通过提取流过故障线的有功电流作为判据，从而实现接地选线保护。该方法在理论上适用于中性点不同接地方式下的接地保护，但选线结论对参考信号的依赖较大。基于最大△（Isinψ）原理[6]的选线方法也存在同样的问题，该方法虽然在理论上能基本消除电流互感器不平衡的影响，但计算过程中一旦参考信号出现问题，将导致选线失效，而且该方法在计算过程中需求出有关相量的相位关系，计算量太大。

利用负序电流进行故障选线的优点在于该方法抗过渡电阻能力强，且不受中性点接地方式和弧光接地的影响。但该方法同样存在一定的局限性，如负序过流保护，整定时需要避开健全线路的最大负序电流，由于配电系统各线路负荷变化很大，整定工作相当繁琐，而且保护的灵敏度不高；负序方向保护需要与系统侧的负序电流或故障相电压比相，由于负序电流绝大部分是从故障线路流向电源，健全线路负序电流很小，方向准确测量困难，应用于实际保护配置中的可能性小。在此基础上，文献[7]提出了以负序电流大小接地保护为主判据、负序电流与零序电流比较式接地保护为辅助判据的改进措施，在一定程度上提高了负序电流选线方法的自适应性，但仍无法完全满足系统现场运行要求，有待进一步研究和完善。

2）基于暂态量的故障选线方法

由于非有效接地系统发生接地故障时暂态过程包含丰富的故障特征，且有效频带内暂态故障特征量与稳态量相比更为显著，因此国内外专家学者提出了大量的暂态选线方法。该类方法主要通过提取故障信号中的高频成分实现选线，除上文中提到的故障零序电流比幅、比相方法外，还有行波选线法、能量法、小波变换法等。如文献[8]提出的利用扩展Prony 算法提取各线路零序电流中衰减的直流分量或低频振荡分量，再根据故障线路和健全线路在这两个分量上的差异，来确定故障线路。随着小波包分析等新信号处理工具的引入，一些学者开始采用基于初始电流行波和小波分析的接地选线判据，提出了一些根据暂态电流特定频带特征进行选线的方法[9]。文献[10]利用改进HHT（Hilber-Huang Transform）提取零序电流高频分量幅值、频率和相位等信息，通过比较幅值和相位实现正确选线。文献[11]利用S 变换处理各馈线的零序电流，确定容性电流的主导特征频率，并根据能量的大小选出故障线路。文献[12]借鉴统计学的方法，通过比较特征频段内线路间整体的相对相位选择故障线路。

暂态过程包含丰富的故障特征，为选线提供了有利条件。上述方法由于其受系统运行方式影响小且灵敏度高等优点而受到广泛关注，部分方法已经得到应用。但从现场应用的情况来看，由于单相接地故障状况复杂，故障状况不同，产生的故障特征量在数值上、变化规律上相差悬殊；故障电流很小，难以保证测量精度；现场的电磁干扰以及工频负荷电流干扰使检出的故障成分信噪比非常低，暂态量算法在实用中还有待实践检验。与第一次看的一样，当时认为即使没有干扰，在相电压过零发生故障，也没有暂态电流。暂态保护方法都失效。

3）基于注入信号的选线方法

基于注入信号的接地故障选线方法与采用暂、稳态故障信息判据的选线方法不同，该类方法不以接地故障产生的零序电流、电压为检测信号，而是通过外加注入信号并对其进行追踪从而实现选线。该类方法的典型代表有文献[13]提出的“S 注入法”和文献[14]提出的注入变频信号法。

基于注入信号选线方法的性能与零序电流的大小和方向等均不相关，因此它具有广泛的适应性,适合于不同接线的小电流接地系统。但在实际应用中，基于注入信号的选线方法仍存在一些问题尚待改进：故障电阻较大情况下，故障线路与非故障线路的信号差异不明显；弧光接地时谐波含量丰富，注入号极易受到干扰。

由上述分析可知，基于单一选线判据的接地故障选线方法仅利用部分故障信息进行选线判断，而对于不同的接地系统,其发生单相接地故障时的故障特征也是不同的，因而任一种单一判据的选线方法都不可能普适于小电流接地系统的各种情况。为了提高选线准确性，充分发挥选线技术之间的互补性，将多种选线技术进行智能化融合成为继电保护发展的必然选择和趋势。

2.2 多判据融合选线方法

为克服单一选线方法的不足，国内外学者借鉴信息融合的思想，展开了对多判据融合选线方法的研究。当前信息融合较成熟的实现方法主要有：Kalman 滤波法、专家系统推理法、Bayes 估计法、D-S 证据推理法、聚类分析法、经典推理法等。近年来，神经网络、模糊集理论、粗糙集理论、支持向量机和小波分析理论等也被推广应用到信息融合领域中。

在研究初期，一些学者提出了应用模糊理论、证据理论的融合选线方法，但方法中对有效域的划分只是简单地凭借专家们的经验主观判断，缺乏严密的分析推导过程。为此，文献[15]提出应用粗糙集理论对故障样本集进行数据挖掘和知识发现，从而更加客观的确定选线方法的有效域。

基于神经网络理论选线方法的出现，拓展了继电保护的研究方向，目前已取得初步成果。研究初期，一些学者提出通过不同选线方法的相对故障测度函数和可确定故障测度函数来确定其故障测度函数，借助神经网络对不同选线方法的实际故障测度进行融合[16]，较好的改进了中性点经消弧线圈接地系统的单相接地故障选线方法，但训练神经网络的数据来自专家知识推理，有一定的主观性，且由于神经网络不具备明确的物理机理，需按经验对各识别子模块进行整定，因此不能保证得出的模式是故障样本数据的真正结构。文献[17]借助典型前馈BP网络和径向基函数RBF 神经网络进行了故障选线，但单相接地时故障量仅选取了稳态分量，因此该方法对谐振接地系统接地故障选线效果欠佳。文献[18]利用不同结构的模糊神经网络融合故障信息有效提高了故障选线的正确性和可靠性，但融合的选线方法多数较为传统，提取的故障特征量也较少，不能完全反映故障特征。

在基于神经网络模型中，当输入向量维数较高时，网络结构复杂，而且训练时间长。为此，许多学者研究了多种改进方案，为了克服基于神经网络的故障选线方法训练时间长和网络结构复杂的缺点，文献[19]提出了蚁群算法和神经网络相结合的故障选线方法。在此基础上，相关学者进一步提出了基于粗集神经网络的故障选线方法，在运用粗集理论对故障特征信号进行处理后，再将故障特征作为神经网络的输入，选择约简后的样本作为训练样本，从而有效减少了神经网络输入向量的维数和训练样本的数量，既简化了神经网络的结构，又缩短了训练时间。

随着“故障测度”概念的引入，国内外一些研究人员开始尝试从另一角度来解决高维输入神经网络训练收敛速度慢、诊断时间长的问题：通过综合运用故障暂态信息、稳态幅值信息和相位信息，同时结合DS 证据理论来实现多种信息的融合，该类方法现已取得一定的研究成果。如文献[20]中提到的通过提取故障特征量训练多个量子神经网络，再用DS（Dempster-Shafer）证据理论对各个神经网络的输出结果进行全局融合，进而得到综合选线结果。随着融合选线方法研究的不断深入，越来越多的学者在此问题上提出了自己的观点，如文献[21]提出了利用加权系数法对各种选线算法进行智能融合，该方法简单，但加权系数需由先验知识整定。文献[22]则考虑利用S 变换处理各馈线的零序电流，提取故障信号的幅频特性和相频特性，通过融合多个采样点的投票结果确定故障线路，并给出选线信心度。文献[23]提出的基于模糊综合决策的多重判据选线方案，通过模糊理论对多种单一选线方案进行综合处理，弥补了单一选线方案的不足，提高了系统的选线精度。

目前，融合方法已从专家系统发展到自适应、人工神经网络等具有学习和自我调整能力的智能化方向，大多是运用智能控制理论的概念来构造每种选线方法的有效域，以实现多种选线方法的综合和判据最优化，提高了选线的精度。但准确、充分地提取故障信息是实现故障选线的前提，基础研究的匮乏直接导致对故障过程和故障量的理解和运用存在一定的片面性。而且，由于现有融合选线方法大多采用单一融合算法，不能保证对数据集的有效处理，也不能有效利用算法之间互补信息，造成信息资源的浪费。因此，借助先进的数学工具结合更多学科理论（如图像学、统计学、形态学等）对样本数据进行科学分析，揭示和刻画数据的内在结构，从而对故障信息进行深度挖掘是开展故障选线研究的一个发展方向。

2.3 其他故障选线方法

随着科技的不断发展，跨学科知识交流共享进一步推动了故障选线研究的创新和发展，图像学、统计学、形态学等其他学科理论的引入为选线方法的研究注入了新的活力。在国内外众多专家学者的努力下，非有效接地系统故障选线技术不断的向前推进，现已取得了丰厚的成果。

1）基于聚类算法的故障选线方法

在电力系统领域，聚类分析技术主要应用于预测建模、故障诊断、系统辨识、区域划分等方面。在继电保护领域，一些研究学者提出将模糊聚类理论应用于后备保护，也取得了较好的效果[24]。笔者所在课题组也曾提出基于模糊C 均值聚类的接地选线方法[25]和基于系统聚类的接地选线方法[26]，初步将聚类算法应用于故障选线，但仍有待深入研究。

基于国内外现有研究的丰富成果和成功应用，介于理论模型和数据（包括现场实际录波数据、动模试验数据和仿真数据）之间的聚类分析方法是开展配电网故障选线的一条十分有效的新途径，尚待开展深入研究。

2）基于相关分析的选线方法

非有效接地系统发生单相接地故障时，由于健全线路对地电容的充放电情况相似，其零序电流具有较强的相似性；而故障线路由于附加零序电压源的存在，其零序电流波形与其他线路的零序电流波形差异最大。据此，一些研究人员提出了基于分析线路零序电流相似性的故障选线方法[27]。为了克服系统不对称分量的影响，文献[28]提出一种基于零模电流纯故障分量的相关分析选线方法，将各馈线故障零模电流的纯故障分量在一定数据窗下进行综合相关度分析，判断综合相关系数最小的线路为故障线。文献[29]提出了将灰色关联理论运用于选线的方法，由于零序电流的突变量受接地点过渡电阻的影响，且稳态故障信息突变量较小，有可能导致选线装置出现“漏判”；而暂态过程短，且受线路结构、参数及故障条件的影响，暂态量算法在实用中还有待实践检验为此接地时突变量也较小。

3）利用形态学的选线方法

近年，数学形态学理论也被应用于电力系统领域，并提出了相应的故障选线方法，如文献[30]提出了基于数学形态学的暂态选线新算法，先利用组合形态滤波器通过组合使用开、闭运算对选线数据进行滤波预处理，然后利用形态学算子进行暂态突变检测以确定故障线路。文献[31]提出基于图形识别的数学形态谱选线方法，通过形态谱将原来复杂的、难以辨识的波形变为简单的形态图形来进行辨识，判断不同于其他线路的线路为故障线路，降低了辨识的难度。

3 结论

综上所述，可以得到以下结论。

1）基于稳态量的选线保护方法研究难点在于：对小电流接地系统而言，其故障稳态特征不明显，并受故障接地过渡阻抗的影响，使得故障与健全线路不易区分。

2）基于暂态量的选线保护方法由于其丰富的故障特征，为选线提供了有利条件，且对间歇性接地故障的反应能力相对较强，但该类方法受开关操作等产生的暂态干扰信号影响较大，在电压过零点附近时故障特征量不明显。

3）基于信号注入的选线保护方法在选线判据的提取上具有优势，且选线基本上不受过渡电阻及系统运行方式的影响，但该类方法对信号探测器的频率特性要求较高，且仪器接线相对复杂。

4）从现场应用的情况来看，由于单相接地故障状况复杂，故障状况不同，产生的故障特征量在数值上、变化规律上相差悬殊，单一判据的选线方法不具备普适性。所以，应将多种选线技术进行智能化融合，充分发挥其互补性。

5）借鉴其他学科理论、采用人工智能技术的选线方法总体上来说优点较多，但在计算速度、模型建立等方面仍存在一些不足有待改进。

6）总的来说，非有效接地系统接地保护已经历故障稳态量判据到暂态量判据、从简单数据处理到复杂信息融合的发展历程，引入人工智能方法不断向多学科领域开拓已成为当前选线保护发展的必然选择和趋势。

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