采用零序瞬时功率方向法的配电故障线路定位研究

王悦 吕晓君

1、引言

目前，在配电线路的故障定位研究中，接地和短路故障发生概率较高，且易于检测，但是对于高阻故障等情况，故障线路的检测定位在工程上较难实现。当配电线路发生故障且故障电流数值很小时，小数值故障电流叠加在大数值的线路电流上的情况导致难于有效检测和准确定位故障。

本文采用零序瞬时功率方向法在配电线路中进行故障线路定位研究，结合瞬时功率和平均功率的分析，能对配电线路中的高阻故障等情况进行有效定位。

2、瞬时功率和平均功率

在电力原理分析中，提出瞬时功率的概念是由于电力系统中的电压和电流在非线性负荷的影响下发生了变形。设电力系统二端网络的输入电压和电流为u（t）和i（t），则这个电力系统的瞬时功率s（t）、平均功率p的计算公式如下所示：

在电力系统中，电压和电流分别包含正弦周期分量和非正弦周期分量，对常用的表达形式，分三种情况展开分析。

2.1电压和电流均为正弦周期分量

当电力系统中的电压和电流均为正弦周期分量时，电压和电流的表达形式见式（3）：

（3）

代入式（1），则计算可得瞬时功率为：

（4）

式中，。

代入式（2），计算可得平均功率为：

（5）

2.2电压为正弦周期分量，电流为非正弦周期分量

当电力系统中的电压为正弦周期分量，且电流为非正弦周期分量时，电压和电流的表达形式见式（6）：

2.3電压和电流均为非正弦周期分量

当电力系统中的电压和电流均为非正弦周期分量时，电压和电流的表达形式见式（9）： （9）

代入式（1），则计算可得瞬时功率为：

（10）

代入式（2），计算可得平均功率为：

（11）

对上述计算过程和计算结果分析可得，将瞬时功率s（t）分解为直流和交流两部分，即（其中为直流部分；为交流部分），则直流部分代表的瞬时功率即为相应的平均功率P。

3、零序瞬时功率方向法

由于配电线路进行线路检测和故障定位的过程中，存在故障信号数值小、接地情况多等多种状况，导致故障稳态数值小且随机杂波复杂等情况发生，使得线路难于识别且故障不能准确定位，因此本文针对此情况进行配电线路的故障定位研究。在同样的零序电压输入下，配电线路是否存在故障使用零序瞬时功率相较于零序瞬时电流更易于判断。

考虑接地情况，国内的配电系统主要分为中性点经消弧线圈接地和中性点不接地两种情况。对于没有发生故障的配电线路，功率方向由母线流向线路，则有功功率方向是前向的；当配电线路发生故障时，功率方向是由线路流向母线，则有功功率方向是反向的。经上述分析可知，配电线路是否发生故障的零序暂态功率方向是相反的。

在配电线路上取监测点，分别测量零序电压瞬时值产u0（t）和零序电流瞬时值i0（t），在故障配电线路中，零序电压和零序电流相对于正常情况是发生变形的，则故障情况下的零序电压瞬时值u0（t）和零序电流瞬时值i0（t）的表达形式见式（12）：

（12）

式中，Un、为各次电压的有效值和初相角；In、为各次电流的有效值和初相角。则计算可得瞬时功率如下式所示：

（13）

根据上述分析可得，通过计算瞬时功率的直流分量即可计算配电线路总有功的大小及方向。当配电线路存在故障时，计算的平均功率在特性上表现为大幅值和反方向，可依据此特性对监测点进行故障线路定位。

采用零序瞬时功率方向法进行配电线路故障定位的分析步骤如下所示：

（1）当配电线路发生故障时，在配电线路上设定多个监测点，并采集各监测点的零序电压和零序电流周波数据；

（2）依据采集数据计算各监测点的零序暂态瞬时功率；

（3）依据各监测点的零序瞬时功率方向进行故障流经线路判断，如果为反方向，则判定为故障流经线路并记录该监测点；

（4）根据配电线路的分支和网络结构，结合记录的监测点位置，依据零序瞬时功率的大小进行故障线路定位，如果为最大，则判定为故障线路。

4、结论

本文采用零序瞬时功率方向法在配电线路中进行故障线路定位研究，结合瞬时功率和平均功率的分析，能有效解决配电线路在高阻故障等情况下线路难于识别且故障不能准确定位的问题。该方法对配电线路故障的定位具有高可靠性。

（作者单位：国网冀北大厂县供电有限公司）