基于瞬时电流极性法对配电网故障线路的定位

李 慧，王 奔

（西南交通大学电气工程学院，四川 成都610031）

0 引 言

线路发生故障后，快速切除故障线路并且准确地确定故障的位置，让巡检员能够及时地修复、快速地供电，这对整个电力系统的安全运行具有十分重要的作用。配电网一旦发生故障对社会生产和人们的生活都存在影响。目前，配电网故障检测和诊断的研究主要是倾向于离线故障检测和诊断，并且研究对象主要是低阻故障，即配电网发生故障后通过某种检测方法来识别和定位故障的位置，但是对于配电网线路中一些瞬时性故障和故障特征不明显的高阻故障仍然是一个难题。

故障后的负序电流有明显特征，即故障线路与非故障线路电流的流向是不同的，从而导致负序电流的极性也不相同。本文提出了利用负序电流极性对故障线路进行定位的方法，该方法既能确定发生低阻故障的线路也能确定发生高阻故障的线路。

1 基于负序电流极性方法的提出

从配电网线路故障的特征分析可以得知，在发生故障瞬间，故障信号的暂态分量中含有丰富的故障信息，并且暂态分量的幅值要比稳态量大得多。配电网线路发生不对称故障时，配电网等效的负序结构图中，故障点的负序电压最高，相当于在故障点接入了一个负序电压源，距离故障点越远负序电压越低。

单相接地故障的等效电路图如图1所示。图中只列出故障线路相邻线路图，Z12＿14f2为故障线路两母线中非故障线路的负序阻抗；Z11＿12f2、Z14＿10f2为非故障线路的负序阻抗；Z12f2为母线12到故障点间的负序阻抗；Z14f2为母线14到故障点间的负序阻抗；i2为故障点的电流；Rf为故障点的接地电阻（过渡电阻）。

图1 单相接地故障负序电流分布

显然，在故障发生的瞬间，负序瞬时电流很大，故障线路和非故障线路的电流方向不同；随着暂态完成，达到稳定状态，故障线路与非故障线路的负序电流方向还是不同的，只是电流的数值发生了变化。本文提出了基于负序瞬时电流极性对故障线路定位方法，利用故障路径与非故障路径的负序电流极性的不同来确定故障线路的位置。

2 负序电流极性判据的建立

系统故障时，故障线路负序电流的特征频带分量与所有健全线路极性都相反，可以此作为选线的依据。选用某一条出现的负序电流作为参考线路。其他所有线路的负序电流分量和参考线路的负序电流进行特征频带分量的内积运算：

式中，当Ijm＞0时，表明第j条出线的负序电流与所选参考线路的负序电流的极性相同；当Ijm＜0时，表明该线路的负序电流极性与参考线路负序电流的极性是相反的。如果参考线路只与某一条出线反极性，则该出线为故障线路；如果与其它所有出线都反极性，则参考线路为故障线路；如果与其它所有出线都同极性，则为母线接地故障。

据此，配电网可以根据线路负序电流与参考电流的内积建立0-1模型，本文中用x表示，定义为：

式中，j＝1，2，…，n，L且j≠m；xj表示第j条线路上的负序电流与参考线路负序电流内积的判据值；当线路j发生故障时线路的负序电流与参考线路负序电流的内积为负，则xj＝1，否则其值为零；当线路j＝1，2，…，n，L且j≠m，负序电流与参考线路的负序电流的内积判据值都为1时，表示参考线路为故障线路；反之，当所有线路的负序电流与参考线路负序电流内积的判据值都为0时，表示该母线发生故障。

综上所述，可用0-1模型判据来定位配电网故障线路，这里用S表示，其定义为：

式中，j＝1，2，…，n，L且j≠m；S2m为参考线路故障的判据值；S2j为线路j故障的判据值；⊗表示逻辑乘法运算；－表示非运算。这里的负序瞬时分量利用瞬时对称分量法进行提取，因为传统的对称分量法是基于稳态分量，而瞬时对称分量法是基于时域内定义的。

3 仿真测试

基于负序瞬时电流极性对配电网输电线路故障的定位步骤如下：

（1）采集故障后各个检测点的电流；

（2）利用小波变换提取各线路的瞬时负序电流；

（3）选取参考线路的负序电流，将各个线路的负序电流与参考负序电流进行内积计算并转换成0-1模型；

（4）根据线路0-1模型值建立基于负序电流极性的判据确定配电网的故障线路。

3.1 仿真模型建立

本文通过PSCAD针对单相接地、两相接地、两相短路进行故障仿真。仿真模型选择以14节点系统为例对所提出的方法进行检验，如图2所示。

图2 14节点系统模型

设故障线路为图2中的TLine7＿14和TLine7＿11，其中TLine7＿11的负序电流设置为参考电流，测量点设在输电线路两端，规定电流方向为母线流向线路为正。

3.2 故障仿真验证

由于篇幅原因，仿真时只在bus7的出线TLine7＿14和TLine7＿11上进行故障设置，仿真图形只列出了与bus7相连接的4条出线的负序电流极性判据值的图形。假设故障线路中A相发生故障，采样频率为2 MHz，故障发生在0.2 s。图3是线路TLine7＿14发生故障时，母线7所有出线负序电流的逻辑判据值；图4是参考线路TLine7＿11发生故障时母线7所有出线负序电流的逻辑判据值。

图3 母线7的出线负序电流逻辑值

从图3中可以看出，只有线路TLine7＿14的负序电流与参考线路负序电流内积的逻辑判据值在0.2 s后变为1，TLine7＿11、TLine7＿8、TLine4＿7的判据值为0，从而可以判断是线路TLine7＿14在t＝0.2 s时发生故障，与事实相符。

图4 参考线路故障的逻辑判据值

图4 中可以看出，参考线路的逻辑判据值发生变化，其它线路负序电流的逻辑值相同为0，从而可以得出一个结论，即故障线路为参考线路，与实际相符。仿真验证说明基于负序电流极性对配电网故障线路的检测是适用的。

4 结 论

在分析配电网故障特征的基础上，本文提出了基于负序瞬时电流的极性对配电网故障线路的定位，以母线出线的负序瞬时电流的极性作为判据确定故障线路。结果显示，该方法不仅能定位发生高阻抗故障接地，也能够对低阻抗故障接地线路进行定位；既不受接地电阻的大小影响，也不受线路电容分布的影响；同时不受中性点接地方式的影响，具有很强的可靠性。

［1］ 张 帆.基于单端暂态行波的接地故障测距与保护研究［D］.济南：山东大学，2008.

［2］ 何正友.配电网故障诊断［M］.成都：西南交通大学出版社，2011.

［3］ 康忠健，于 伟.基于暂态高频零序瞬时功率的配电网故障选线方法［J］.继电器，2007，（01）：21-25.

［4］ 何仰赞，温增银.电力系统分析 （第三版）（上册）［M］.武汉：华中科技大学出版社，2001.

［5］ Iravani M R，Karimi-Ghartemani M.Online estimation of steady state and instantaneous symmetrical components［J］.IEE Proc-Gener.Transm.Distrib.，2003，150（5）：616-622.