基于故障反演阵的配电网接地定位终端数据质量评价方法

李亚国，王瑞珏，张 伟，岳彩娟

（1.国网山西省电力公司，山西太原 030000；2.积成电子股份有限公司，山东济南 250100）

当前的配电网多采用中性点经消弧线圈接地、经大电阻接地或不接地等小电流接地运行方式。当单相接地故障发生时，小电流接地运行方式虽然可以限制故障电流在较小范围内，但由于变电站出线开关保护未速断跳闸，因此故障线路将保持缺相供电运行，长时间这样运行将会危及人畜生命及设备安全，因此需要尽快定位接地故障点，快速隔离故障，确保配电网运行安全[1-4]。配电网小电流接地定位系统可基于接地定位终端采集的故障信息判定故障区间，隔离故障区域和恢复健全区域供电，是提高配电网供电可靠性的重要手段[5-8]。

录波性故障指示器和一二次融合设备等无源型接地定位终端不依靠注入装置，仅依靠接地故障前后时刻零序电流、零序电压、零序功率等特征量的采集和比对即可实现对接地故障的定位，在当前配电网中被广泛应用[9-12]。但由于产品质量、安装工艺、运行环境、维护手段等多种因素的影响，接地定位终端漏报、误报故障信号和错报故障信息的情况时有发生，严重影响了小电流接地故障判定的准确性。目前，对自动化终端的数据分析多集中在遥信遥测辨识、终端在线率分析、终端电池活化分析、终端通信分析等方面，对接地故障情况下的终端数据质量分析研究较少[13-16]。故此，为提升配电网接地故障感知能力，增强配电网供电可靠性，有必要对接地时终端告警信息、故障信息等数据质量进行分析评价，及时发现终端缺陷，为抢修消缺与运行维护提供有力支撑。

文中首先分析了小电流接地情况下的零序电流分布，然后建立了接地终端数据质量评价数学模型，最后根据数据模型，提出了一种基于故障反演阵的终端数据质量评价方法。

1 接地终端数据质量评价数学模型

配电网接地故障发生时，接地相电压将会降低，非接地相电压将会升高，电压的不对称性引起了各相电容电流的变化，从而产生零序电压和零序电流。整个电网是同一连通系，单馈线的电压变化将会引起其他馈线的电压变化，但由于变压器的隔离作用，电压变化将只会影响变压器副边侧同一母线的所有馈线。故此，接地故障的相关分析不同于短路故障，需考虑故障馈线所在母线连接的所有馈线。

当前，基于波形比对的录波型故障指示器、录波型终端等被广泛应用在配电网中，当接地故障发生时，接地终端检测到对地场强变化后将启动零序电流录波功能，同时将向主站上报接地故障告警信号；当主站系统接收到各终端的告警信号和故障录波文件后，在主站基于馈线拓扑关系对各个接地终端采集的故障时刻波形进行比对，通过故障点上游波形、故障点下游波形及其他非故障点馈线的终端波形差异，确定接地故障点。但由于各种原因的影响，终端误报、漏报和错报情况时有发生。误报是指正常运行时接地终端误报接地故障信息；漏报是指故障情况下接地终端漏报告警信号；错报是指故障情况下接地终端采集的录波信息错误。这些情况皆会严重影响接地故障的判定和快速抢修恢复。

如图1 典型馈线接地终端分布所示，Feeder1～Feeder4 为4 条馈线，S1～S4 为变电站出线开关，也是各条馈线的电源点；L1～L3 为联络开关，F1～F24 为可以上报接地告警信号和故障录波信息的终端，Bus1为变电站10 kV 母线，Fault1 为接地故障点。

图1 典型馈线接地终端分布

当Fault1 发生接地故障时，整个Bus1 母线上所有馈线Feeder1～Feeder4 的零序电压和零序电流皆会发生变化，各接地终端皆应上报故障告警信号并采集故障波形。故障点上游到母线路径上的零序电流波形与故障点下游及其他非故障线路（Feeder1、Feeder3、Feeder4）的零序电流波形方向不同。设故障点上游至母线路径上的零序电流方向为由故障点流向母线，其他线路上的零序电流方向为从母线流向馈线，如图1 中箭头所示。

建立母线接地终端信息阵BGTM，记录一条母线所有供电馈线上的接地终端信息，具体描述为：

式中，每行为一条馈线上的所有接地终端编号，i=1,2,…,n，n为母线供电馈线总数；j=1,2,…,m，m为最大馈线包含的接地终端数；btij为第i条馈线中第j个接地终端的编号，若该终端不存在，则用-1 表示。

2 基于故障反演阵的终端数据质量评价方法

接地终端数据质量评价主要是指通过对接地终端上送到主站的故障告警信号和故障录波波形数据进行质量评价，辨识存在误报、漏报、错报等质量缺陷的接地终端，以便及时运维和消缺。

当配电网无故障正常运行时，上报接地故障告警信号的终端将存在误报告警信号缺陷。建立接地故障信息误报终端集合GFAS，用于描述正常运行时主站接收到误报接地故障告警信号的终端，具体为：

式中，fag为第g个误报接地故障告警信号的接地终端编号，g=1,2,…,q，q为误报故障告警信号的接地终端总数。

当故障发生时，故障点上游的接地终端上报故障信号，零序电流由线路流向母线；故障点下游及其他非故障线路上报故障信号，零序电流由母线流向线路。根据故障抢修人员现场确认的实际接地故障点，逆推每一个接地终端的故障告警信号和零序电流方向，将这些终端与实际采集的故障告警信号和零序电流方向进行比对，可辨识漏报与错报故障信息的接地终端。

从接地故障点开始，沿着潮流逆方向，从电源点向上追溯，直到变电站出线开关为止，其所经历的接地定位终端定义为该故障点的上游接地终端。建立故障点上游终端设备集合FUTS，用于记录该故障点的所有上游接地终端信息，具体为：

式中，utk为故障点上游终端设备集合FUTS中第k个接地终端编号，k=1,2,…,h，h为故障点上游终端设备集FUTS中所含接地终端总数。

建立故障反演标准信息阵FISM，记录真实接地故障发生时，各接地终端应该上报的接地故障告警信号和零序电流方向信息，具体为：

式中，每行为一条馈线上的所有接地终端的标准故障信息，i=1,2,…,n，n为母线供电馈线总数；j=1,2,…,m，m为最大馈线包含的接地终端数；fsij为第i条馈线中第j个接地终端的标准故障信息，即接地终端btij上报的接地故障告警信号和零序电流方向信息。当接地终端btij与故障点上游终端设备集合FUTS中任一元素utk相同时，表示该接地终端处于故障点上游路径，其零序电流方向为从线路流向母线，fsij取值为3；当接地终端btij与故障点上游终端设备集合FUTS中所有元素皆不相同，且不为-1 时，表示该接地终端处于故障点下游或非故障线路上，其零序电流方向为从母线流向线路，fsij取值为2；当接地终端btij为-1 时，fsij取值为-1。

建立故障反演实时信息阵FIRM，用于记录接地故障发生时，各接地终端实际上报主站的接地故障告警信号和零序电流方向信息，具体为：

式中，每行为一条馈线上所有接地终端的实时故障信息；frij为第i条馈线中第j个接地终端的实时故障信息，即接地终端btij上报的实时接地故障告警信号和零序电流方向信息。当接地终端btij未上报故障信息时，frij取值为0；当接地终端btij采集的零序电流方向为线路流向母线时，frij取值为3；当接地终端btij采集的零序电流方向为母线流向线路时，frij取值为2；当接地终端btij为-1 时，frij取值为-1。

建立故障反演缺陷信息阵FIDM，用于记录接地故障发生时主站系统实际采集信息与故障标准信息之间的偏差，具体为：

式中，每行为一条馈线上所有接地终端的故障偏差信息；fdij为第i条馈线中第j个接地终端的标准故障信息fsij与实时故障信息frij的差值，其取值有0、2、3、1、-1 五种情况。当fdij为0 时，表示接地终端btij上报的故障信息完全正确；当fdij为2 或3时，表示接地终端btij存在漏报故障信息的情况；当fdij为1 或-1 时，表示接地终端btij错报零序电流故障波形。

建立接地故障信息漏报终端集合FMTS，以记录母线所供馈线中所有存在漏报故障告警信号的接地定位终端，具体为：

式中，fma为接地故障信息漏报终端集合FMTS中第a个漏报故障告警信号的接地终端编号，即fdij为2 或3 时对应的接地终端btij；a=1,2,…,b，b为漏报故障告警信号的接地终端总数。

建立接地故障信息错报终端集合FWTS，以记录母线所供馈线中所有存在错报故障录波信息的接地定位终端，具体为：

式中，fwd为接地故障信息错报终端集合FWTS中第d个错报故障录波信息的接地终端编号，即fdij为1 或-1 时对应的接地终端btij；d=1,2,…,e，e为错报故障录波信息的接地终端总数。

综上所述，接地故障信息误报终端集合GFAS、接地故障信息漏报终端集合FMTS、接地故障信息错报终端集合FWTS中所含设备即是配电网中存在误报、漏报、错报等数据质量缺陷的接地定位终端，需及时派遣运维人员进行现场维护或更换，以确保接地情况下故障信息采集的正确性，确保小电流接地故障研判及隔离的准确性。

3 实例分析

对于图1 中所示的配电馈线，在正常无故障运行方式下，主站接收到表1 中所示终端的接地告警信号；某日发生接地故障，主站接收到各接地终端的告警信号和零序电流波形信息，如表2 所示，根据接地定位研判方法，故障发生在接地终端F9 下游区域，但是经抢修人员现场勘查后，确定接地故障发生在接地终端F8、F10 围成的区域，如图1 中的Fault1。接地终端故障告警信息的漏报和错报严重影响了接地故障研判的准确性。

表1 接地终端无故障正常运行下的告警信息

表2 接地终端故障运行方式下的告警信息

根据第1 节所述方法，由式（1）建立母线接地终端信息阵BGTM为：

根据第2 节所述方法，由式（2）、（3）建立接地故障信息误报终端集合GFAS、故障点上游终端设备集合FUTS，分别为：

由式（4）～（7）建立故障反演标准信息阵FISM、故障反演实时信息阵FIRM，分别为：

由式（8）建立故障反演缺陷信息阵FIDM，为：

由式（9）、（10）生成接地故障信息漏报终端集合FMTS及接地故障信息错报终端集合FWTS，分别为：

如此，运维检修人员可根据接地故障信息误报终端集合GFAS、接地故障信息漏报终端集合FMTS、接地故障信息错报终端集合FWTS中所列设备尽快到现场进行定点精准化检修及维护更换，以便确保小电流接地故障感知的准确性，从而达到提升供电可靠性的目的。

4 结论

文中首先分析了接地故障发生时配电网各馈线零序电流的潮流分布及接地终端告警情况，建立了接地终端数据质量评价数学模型，通过母线接地终端信息阵BGTM描述一条母线所有供电馈线上的接地终端信息；然后建立接地故障信息误报终端集合GFAS，用于记录正常运行时的误报终端。基于母线接地终端信息阵BGTM与故障点上游终端设备集合FUTS生成了故障反演标准信息阵FISM，并通过该阵与故障反演实时信息阵FIRM的差值生成了故障反演缺陷信息阵FIDM。最后通过故障反演缺陷信息阵FIDM确定了接地故障信息漏报终端集合FMTS与接地故障信息错报终端集合FWTS。实例分析表明，所述方法可对接地终端的上报数据质量进行评价，对存在误报、漏报、错报的终端进行辨识，方法简单可靠，可较好地满足现场运维检修的需求。