基于同步测量技术的10 kV架空线路单相接地故障判断方法研究

牟海霞

(国网安徽省电力公司五河县供电公司，安徽 蚌埠 233300 )

基于同步测量技术的10 kV架空线路单相接地故障判断方法研究

牟海霞

(国网安徽省电力公司五河县供电公司，安徽 蚌埠 233300 )

根据仿真模拟10 kV供电系统接地状况，提出同步监测变电所某一条主干线上所有分支出路的电流和对地电场，对故障时线路电流值和零序电流值进行db5小波变换，研究小波模系数规律，并结合监测点对地电场变化，判断监测支路是否有接地故障发生。实验表明，此方法对接地故障选线判断准确率有明显提高。当监测点分布广泛时，还可以报告故障发生地点。

瞬态电流；小波变换；对地电场突变；零序电流；接地故障

0 引言

由于10 kv配网中性点接地方式多样，以及受实际线路物理结构和地域分布影响，造成接地故障判断困难。目前解决接地故障方法，主要有注入信号法、线路对地电容放电法以及零序电流判断法、三相对地电压比较法等[1-8]几个主要方法。注入信号法需要外接信号源，给供电系统带来额外故障隐患。另外，注入信号的频率选择也影响到选线的正确性。线路对地电容放电法受到中性点外接消弧线圈影响很大，导致故障选线的正确率较低。三相对地电压比较法需要测量三相对地电压，依据电压值大小排序决定接地相，但在实际配电线路中直接测量对地电压具有很大不便性。总之，目前国内外还没有较好的方法能够快速地识别线路单相接地故障的发生。本文则根据实践和实验仿真，提出一种同步监测变电所某一个主干支路的所有分支电流与对地电场，并对某一组同步监测到的电流值进行db5小波变换[9]，并结合监测点对地电场变化，判断监测支路是否有接地故障发生。此算法具有可操作性，实验结果表明，该算法准确率很高。

1 10 kV架空线路对地电场和线电流可控性与可测性研究

将10 kV架空线路对地电场与线电流用状态方程和输出方程描述成现代控制系统，则输入向量和输出向量构成监测系统的外部变量，而监测状态构成架空线路系统的内部变量。这样就把所有监测点的对地电场和线电流转化为系统内的所有状态是否可受输入影响和是否可由输出反映的问题，这就是10 kV架空线路相电场与线电流可控性和可观测性基本问题。

如果将某一条10 kV线路所有监测点对地电场表示为E(t)列向量，监测点线路电流表示为I(t)列向量,则这条10千伏线路所有监测点网络的对地电场和线路电流可以用如下两组公式表示：

(1)

其中，A是监测系统矩阵，B是输入矩阵，C是输出矩阵，也是单位矩阵。由可控性和可观测性判据知道，系统的状态量E(t)是不可控的，但是是可以观测的。因为监测点对地电场理论上在10 kV系统中是稳定的，对于输入电流向量I(t)来说，是不能任意转移电场的值的。进一步，还有方程组：

(2)

这个方程组告诉我们对于监测点电流向量，即是可控的也是可以观测的。

所以，对于监测点而言，两个重要参数对地电场和线路电流的状态都是可以观测的。方程组(1)和(2)是我们解决问题的理论依据和仿真数学模型依据。

2 单相接地判断理论依据

单相接地时，线电压不变但对地电场和线路电流有明显变化。因此，结合对地电场变化和接地电流变化，采用适当数学方法就可以判断单相接地故障是否发生。根据方程组(1)和(2)，在接地的发生时，有如下方程组成立。

(3)

对方程组(3)而言，对地电场和电流变化率接地前后都有较明显变化。因此，实际中采样到监测点对地电场和线路电流，对其值施加可行的数学分析，突出单相接地故障特征信号，就可以判断出单相接地故障是否发生。

3 仿真电路搭建与数据获取

首先在电力仿真平台下搭建10 kV供电网络电路，本文电力仿真平台采用MATLAB电力仿真系统完成。从发电厂到变电传输环节，搭建了三条供电支路，其中，中性点采用消弧线圈接地形式。仿真电路主要核心模块参数设置如图1至图3。其中，三相变压器参数设置如图1所示。

图1 三相变压器参数设置

第一条和第二条供电支路参数设置如图2所示，此两条线路长度均是10 km。第三条线路参数设置与第一第二条一致，但线路长度设置为5 km。在5 km处，放置三相故障发生模块，其参数设置如图3所示。

图2 线路参数设置

图3 故障发生模块参数设置

仿真时长0.3 s，仿真算法ODE23TB，故障发生位于第三条供电支路5 km处，发生C相单相接地故障。总系统仿真图见图4，供电系统故障仿真图。文中用到的数据均用此仿真模型数据抽取分析完成。

4 数据分析

4.1 电流小波数据分析

对于一般信号，若∀f(t)∈L2(R)，则f(t)的连续小波变换定义为：

(4)

(5)

针对电网接地时刻，线路电流必然发生瞬态变化，这种变化非常适合小波变换分析。

对图4系统进行故障仿真数据抽取，分别对三条支路的A相、B相、C相在故障态瞬变电流做db5小波变换。db系列小波是比利时学者Daubechies女士提出，该小波没有明确的解析表达式，但可以通过滤波器求取出小波系数。其分析滤波器系数如下，是小波分析必须用到的系数。

h1[k]={.0033357,.012581,-.0062415,-.077571,-.032245,.24229,.13843,-.72431,.60383,-.1601};

经过db5小波分析，所得结果如表1-3所示。仿真条件取A相位90度，L1，L2无故障，L3 5 km处C相接地故障。架空线路零序电流值获取采用三相同步测量矢量合成技术。

表1 L3支路小波模极大系数

表2 L1支路小波模极大系数

图4 供电系统仿真图

表3 L2支路小波模极大系数

分析表1-3，有如下公式近似成立：

M(1015)≈M(983)+M(970)

(6)

M(C相)=Max(M(A)，M(B)，M(C))

(7)

由公式(6)和(7)，可以导出如下单相接地判断法则：

(A) 在变电所某一个主干分支上，所有分支监测点的故障支路零序电流DB5最大小波模系数(或其绝对值的最大值)近似为非故障支路零序电流DB5最大小波模系数(或其绝对值的最大值)之和。 这条结论用于供电所所有分支线路接地故障发生时的选线。

(B) 在变电所某一个主干分支上，故障支路故障相DB5小波变换模系数最大值(或其绝对值最大值)在所有支路和所有相序中取得最大。

结论(A)在实际中用于故障选线，结论(B)用于故障选相。由于此仿真实验是在中性点处接消弧线圈做的，消弧线圈抑制了电路对地放电过程，使其结论更具有一般性意义。

4.2 对地电场分析

接地瞬态过程中，线路电流和对地电场均会发生短暂剧烈变化。如果监测点远离变电所出口处，则接地处对地电场稳态后理论上应该为0。鉴于测量误差，此值一般近似为0。所以，结合线路小波暂态分析结果和对地电场测量分析结果，可以进一步提高线路接地故障判断准确性。这种暂态分析方法受中性点接地方式的影响较小，适合中性点接地或不接地系统，从而使得设备生产厂家生产简化，产品适用范围却更广，必将成为未来发展方向。图5是实际现场监测到的接地故障电场图。

5 算法流程图

为了从全局和整个供电支路系统角度确定接地故障发生时的线路和相位，需要计算时给出故障发生时的明确的选线和选相结论。可归纳计算流程图如图6所示，归纳计算流程：

图5 电场波动图

图6 计算流程

该算法流程，借鉴了网络分段概念，将监测点标定为同一网段后，采用同步测量技术，施加的对象就明确了，算法分析的结果就具有明确性。

6 实验与结论

本文提出同步测量某一主干分支架空线路零序电流和三相电流，故障时分别进行db5小波变换，得到故障支路零序小波模系数最大值或绝对值最大至近似为其他支路零序小波模系数最大值或绝对值最大值之和，以及故障支路故障相电流小波模系数最大结论。结合接地故障点对地电场下降理论，可正确识别接地故障。依据此理论生产100套设备，部署运行于现场。经过长期在线跟踪接地故障发生与实际系统故障报警对比，验证接地故障报警正确率达到95%以上，远远超出现有理论故障报警准确率。另外，采用SOE时间追溯，系统可以及时报告故障发生第一路经信息。基于此理论的硬件系统在现场使用受到一线工人认可和好评。

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[2] 杜延辉.多重分形和小波理论在小电流接地系统单相接地故障选线中的[D].成都:西南交通大学2008.

[3] 邓建荣. 快速查找在10 kV配电线路单相接地故障的应用[J].电子世界,2014(20)：324.

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[5] 郑有鹏，张国强，杨晓春，等.10kV配电线路单相接地故障点巡查装置研究及应用[J].青海电力, 2013, 32(2):29-31.

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[9] Vivek Kumar , Mani Mehra.Wavelet optimized finite difference method using interpolating wavelets for solving singularly perturbed problems[J].Journal of Wavelet Theory and Applications，2007，1(1)：83-96.

Research on the method of single phase to ground fault of 10 kV overhead line based upon synchronous measurement technology

MOU Hai-xia

(AnhuiWUHeStateGridPowerCompany,BengBu, 233300,China)

Based upon the simulation results of 10 kV power system and its grounding situation, the method which is synchronous monitoring all branch currents and all branch electric fields has been put forward. When the ground fault occurs, the fault current value and the zero sequence current value has been transformed by DB5 wavelet. The rule of the modulus of wavelet coefficients is studied, and the ground fault is also detected by monitoring the change of ground electric field. The experimental results show that the synthesis method can improve the accuracy of the fault line selection. When the monitoring points are widely distributed, the method can also report the location of the fault.

Transient current; Wavelet transform; Mutation of ground electric field; Zero sequence current; Earth fault

2017-01-26

牟海霞(1970-)，女，山东烟台人，专科毕业，国网安徽五河县供电公司工程师，研究方向：配电线路故障判断与定位。E-mail：lddch14310@163.com

TM862

A

1672-7169(2017)02-0032-06