基于配电自动化技术的小电流接地故障区段定位方法

姜建，刘家齐，李燕青，宋乐，

（1.杭州供电公司，杭州310000；2.华北电力大学 河北 保定071003）

0 引 言

小电流接地故障选线的研究历经多年，采用的方法主要集中在暂态选线法［1-4］、稳态选线法［5-8］、智能算法［9-11］等方面。暂态选线法的主要思想是利用信号处理工具对配电网发生接地故障后产生的暂态零序电流进行分析，通过制定一种判据，找出故障特征最明显的线路，其选线成功与否的关键在于特征判据的制定。稳态选线法主要是利用故障进入稳态后线路零序电流电压的幅值、相位信息进行选线，面临的主要问题是要全面统一的分析配电网在各处故障线路、非故障线路的不同特点，以正确区分二者。智能算法主要指粗糙集理论、模糊集理论、人工神经网络等，这种方法综合多种选线判据，在选线准确度方面有所提升，但算法庞大复杂，系统开销大是其主要缺点。

文章提出的是一种稳态选线法，利用现有的配电自动化技术，在馈线自动化终端FTU上嵌入DFT相位检测算法［12］，对故障发生后零序电流电压相位差进行计算并将结果上传给配电管理中心，中心计算机对各处FTU上传的相位差进行检查判断以选出故障区段。选线方法全面利用了故障后不同线路的零序电流电压相位关系，仿真验证了所提方法的有效性。

1 选线原理

中性点非有效接地配电网发生单相接地故障后线路的零序网络如图1所示，开关K闭合时对应中性点经消弧线圈接地方式，打开时对应中性点不接地方式。

图1 配电网零序网络图Fig.1 Zero-sequence circuit diagram for DS

下面着重分析在两种接地方式下，故障线路与非故障线路零序电流与零序电压的相位关系。

（1）中性点不接地时故障线路特征

中性点不接地系统发生单相接地后故障线路的零序等效电路如图2（a）所示。图中u0为在故障点加入的零序电压源，电阻、电容为线路等效参数，虚线框内为线路末端接的等效负荷。根据正弦稳态电路的知识，在图中所示的参考方向下，电压电流相量图如图3（a）所示，在空载时，电流I0空载超前电压u0一角度，由于电阻的存在，该角度小于90度；负载时，由于负荷一般是阻感性，可能会使零序电流I0负载滞后零序电压u0一角度，该角度也小于90°。由于实际采集到的零序电流方向都是以母线流向负荷为正方向，与图中I0方向相反，当改变正方向后，零序电流-I0与零序电压 U0的相位差在 -90°～-270°之间。

图2 线路等效零序电路Fig.2 Equivalent circuit for transmission line

（2）中性点经消弧线圈接地故障线路特征

中性点经消弧线圈接地时故障线路的等效零序网络如图2（b）所示，其零序电流电压相位关系如图3（b）所示。由于配电网中消弧线圈一般都装设成过补偿方式，所以图3（b）中IL与求∑i0非和后得到的I0在第四象限，改变正方向后-I0在第二象限，也即当以母线流向负荷为正方向后，故障线路的零序电流与零序电压的相位差在-180°～-270°之间。

图3 线路零序电流电压相位关系图Fig.3 Phase relation diagram of zero voltage and current

（3）两种接地方式下非故障线路的特征

非故障线路零序电流与零序电压的相位关系不受中性点消弧线圈的影响，因为非故障线路零序电流并不经过消弧线圈。非故障线路在末端空载情况下，零序等效电路如图2（c）所示，零序电流电压相位关系如图3（c）中I0空载所示；在末端带有负荷的情况下，零序等效电路如图2（d）所示，零序电流电压相位关系如图3（c）中I0负载所示，综上，非故障线路零序电流与零序电压的相位差在-90°～90°之间。

海上救助离不开人道主义救援国的配合与加入，为有效整合救助资源，搜救责任区内的缔约国往往也要协调并组织前来进行道义性援助的国家，以保障它们顺利从事海上救助。然而，即使是出于道义上的帮助，人道主义救援国本身也是有组织、有计划地参与救助且享有协调权。当这种权利面临搜救责任区内缔约国的协调权，且人道主义救援国是有意进入他国责任区内进行救助时，两者之间就会产生一种配合与被配合、指挥与被指挥的关系。需要明确的是，这两种协调权的竞合往往是随机、临时的，而并不涉及主权或是条约和协定的遵守等问题。因此，契约与道义权源间的竞合具有一般性和机动性。

2 选线算法

算法的基本思想是借助配电自动化技术在各线路出口处安装FTU元件，通过内嵌的DFT相位检测算法算出本处的零序电流与电压相位差，将相位差信息上传至配电管理中心计算机，中心计算机执行选线算法，找出故障区段。

现对算法的具体实现结合图4说明如下：

（1）将实际的配电网结构映射到选线算法系统中，记录各个FTU之间的上下级关系，并给每个FTU编号；

（2）故障发生后，触发各处FTU单元采集故障稳态后一个周期内零序电压电流信息，得到两个正弦波序列，对这两个序列做DFT变换，记录其中幅值最大的频率序号值m，此频率序号对应的实部和虚部按照公式（1）运算，得到电流和电压的相位，二者相减得到相位差，将相位差结果上传至中心计算机；

图4 装有FTU的配电网结构Fig.4 DS structure with FTU equipped

（3）中心计算机根据预先建立的配电网结构从母线侧开始依次检查每个FTU上传的相位差，若该值在-90°～90°之间，则该FTU安装处及其下游为非故障线路，停止检查其下游的FTU上传的数值；若该值在-90°～-270°之间，则该FTU安装处及其下游为故障线路，但还不能确定故障区段，建立一个存储故障区段始端FTU编号的单元，存入该FTU的编号，继续检查其下游的与其直接相连的FTU的数值；

（4）若该值在-90°～90°之间，则建立一个存储故障区段末端FTU编号的单元，存入该FTU的编号；若该值在-90°～-270°之间，则更新步骤3中的存储单元，存入该FTU编号，继续检查其下游的与其直接相连的FTU的数值；

（5）重复执行步骤4直到与故障区段始端直接相连的所有FTU的值都在-90°～90之间；

3 仿真试验

为了验证算法的有效性，在SIMULINK平台上进行了仿真试验，仿真模型的结构如图4所示，假设在f处发生单相接地故障，仿真结果如图5所示。

图5（a）为中性点经消弧线圈接地线路末端负载时的仿真结果；图5（b）为中性点不接地线路末端负载时的仿真结果；图5（c）为中性点经消弧线圈接地线路末端空载时的仿真结果；图5（d）为中性点不接地线路末端空载时的仿真结果。

由仿真结果可以看出，各种情况下零序电流与零序电压相位差与选线原理中所分析的结果符合良好，在两种中性点接地方式下，线路空载或负载时，算法均能正确选出故障区段，证明了所提算法的有效性。

图5 仿真结果图Fig.5 Simulation result diagram

4 结束语

文章全面分析了配电网发生单相接地故障后各处线路的零序电流与零序电压的相位关系，通过零序电流位于不同的象限很好地区分了两种接地方式下（中性点不接地和经过消弧线圈接地）故障线路和非故障线路的特点，仿真验证了所提算法能够有效地选出故障区段。

本文提出的算法要求能够准确地得到零序电流与电压的相位差，且只考虑了配电网在同一时刻仅有一处发生单相接地故障的情况。