一种配电网单相接地故障起始点获取方法

科大智能电气技术有限公司 童 杰

针对10kV配电网小电流接地系统发生单相接地故障时，暂态录波型故障指示器零序电流故障起始点获取困难的现状，本文首先分析了单相接地故障发生时暂态录波型故障指示器故障零序电流波形特性，提出一种在线路上增加安装电力系统同步相量测试装置（PMU），根据PMU故障零序电压波形查找暂态录波型故障指示器零序电流故障起始点的实施方案。最后运用RTDS动模平台验证了该方案的可靠性与准确性，适用于小电流接地配电系统的单相接地故障识别。

我国10kV架空线路中压配电网多采用小电流接地方式，线路发生接地故障时，需要及时准确判断出故障点。暂态录波型故障指示器是一种融合了高精度采样、无线射频通信等新技术的单相接地故障定位工具。该产品由一台汇集单元及三只采集单元组成，采集单元悬挂安装于三相架空电缆上，实时采集线路负荷、电场等数据，根据线路运行数据变化判断是否发生接地故障，并将故障时刻波形传递到汇集单元，汇集单元合成零序电流生成波形文件并上传配电主站，配电主站根据故障波形及线路拓扑完成故障定位。

当前暂态录波型故障指示器接地故障定位的主流方法包括暂态极性法、零序电流相似性法等。暂态极性法判定原理为：架空线路发生接地故障时，故障线路故障点下游及非故障线路暂态零序电流首半波极性与母线暂态零序电压首半波极性相同，故障线路故障点上游暂态零序电流首半波极性与母线暂态零序电压首半波极性相反。零序电流相似性法原理为：架空线路发生接地故障时，非故障线路暂态零序电流波形相似且极性一致；故障线路与非故障线路暂态零序电流波形不相似且极性相反；故障点上游暂态零序电流波形相似且性一致；故障点下游与上游暂态零序电流波形不相似且极性相反；通过计算同一母线上暂态录波型故障指示器的零序电流波形暂态信号相关系数可定位接地故障故障点。

两种主流的接地故障定位方法都需要准确获取到故障发生时暂态录波型故障指示器的暂态零序电流信号首半波，即找到故障信号的暂态起始点。暂态起始点获取准确率是接地故障定位的关键。暂态录波型故障指示器的零序电流是三相采集单元的电流合成而来，存在三相电流采样误差叠加情况，同时架空线路负载情况复杂，负荷不稳定；导致零序电流波形质量较差，图1为暂态录波型故障指示器的某次故障零序电流波形截取，波形上可看出零序电流存在大量毛刺，通过突变点查找算法从零序电流波形上查找暂态信号起始点，获取接地故障后首半波数据的准确性很难保证。

图1 暂态录波型故障指示器零序电流故障波形

1 零序电流故障起始点获取实现方案

电力系统同步相量测试装置（PMU）是一种可安装于架空线路变电站出线端的监测装置，其通过零序电压PT直接采集线路零序电压，其零序电压波形质量高，接地故障发生时线路零序电压将发生明显变化，可通过比幅法准确捕获到故障起始点。GPS或者北斗对时装置可将PMU及故障指示器的采集同步到同一时间系中。接地故障发生时线路零序电压和零序电流同时变化，且两种装置时间在同一坐标系，通过PMU的零序电压故障起始点确定暂态录波型故障指示器零序电流故障起始点。

1.1 实现方案系统组成

图2为本文阐述的暂态录波型故障指示器零序电流故障起始点获取方法实现方案系统组成，本方案实现系统由PMU、暂态录波型故障指示器、配电网主站组成。图中，PMU安装于10kV配电线路变电站出线端，装置内部集成了GPS模块用于获取基准时间，外部接入零序PT采集线路零序电压；图中LA、LB、LC、L为暂态录波型故障指示器，其安装于架空线路各主干及支线上，成套暂态录波型故障指示器由一台汇集单元和三只采集单元组成，汇集单元内部集成GPS模块用于获取基准时间，汇集单元与采集单元之间通过433M无线射频通信，汇集单元获取三只采集单元电流波形后合成线路零序电流，配电网主站通过收集故障时刻前后PMU及故障指示器的零序电压及零序电流波形，获取故障起始点，从而定位接地故障点位置。

图2 零序电流故障起始点获取实现方案系统组成

1.2 暂态录波型故障指示器零序电流故障起始点获取步骤

图3为PMU与暂态录波型故障指示器采样步调同步流程图，该流程实现了两种装置的交流采样同步。如图3所示，安装于同一变电站的两种装置通过自带GPS模块获取基准时间，分别调整自身ADC采样定时器的走时步调，使其与基准时间步调一致，从而使得两者的交流采样步调同步。具体步骤如下：

图3 PMU与暂态录波型故障指示器采样同步流程图

装置上电后启动交流采样，待GPS模块进入授时稳定状态后，装置的微控制器MCU计算自带GPS模块秒中断与交流采样ADC触发源定时器秒中断的时间差，判断时间差是否超过规定阈值；若PMU中时间差超过阈值，其将时间差换算为定时器计数值并修正定时器走时，以同步ADC模块采样步调，并且使用GPS基准时间更新装置系统时间；对于暂态录波型故障指示器来说，若时间差超过阈值，汇集单元将自身时间更新到GPS基准时间后，再通过无线射频同步三只采集单元采样步调。在保持PMU与暂态录波型故障指示器交流采样步调一致的同时，两种装置需保持相同的交流采样频率以保证PMU零序电压波形与故障指示器零序电流波形采样点一一对应，在本文的实施实例中，两种装置采样频率均为12.8kHz。

零序电流故障起始点获取方法实现步骤：

（1）架空线路发生接地故障后，PMU通过母线零序电压变化感知到故障发生，以故障时刻为基准锁定故障前4个周波及故障后8个周波的零序电压波形并上传主站；暂态录波型故障指示器通过线路电场变化感知到故障发生，锁定故障前4个周波及故障后8个周波电流波形并上传主站，故障波形上传采用标准comtrade文件格式，文件中包含波形起始点时间。

（2）主站收到PMU及暂态录波型故障指示器故障波形文件后，解析PMU零序电压波形数据，图4为接地故障发生时PMU所录母线零序电压波形，波形为标准正弦波，无毛刺、无高频信号叠加且波形质量高，利用正弦信号周期性特点采用比幅法获取零序电压突变点位置。

（3）主站通过PMU波形文件起始点时间及零序电压突变点位置，可计算出接地故障发生的准确绝对时间。

（4）主站根据接地故障发生绝对时间与暂态录波型故障指示器故障波形起始点时间差计算出暂态零序电流故障起始点位置。

2 RTDS动模试验系统验证

2.1 RTDS动模试验系统

本文提出的方法在开普检测中心DM008动模试验系统中验证。系统如图4所示，有6条出线支路。系统中性点接地方式有不接地、经消弧线圈接地、经10Ω小电阻接地3中方式。当不接地系统对地电容电流小于10A时，系统接地方式分为不接地；当不接地系统对地电容电流大于10A时，系统接地方式分为经消弧线圈接地，消弧线圈为预调谐方式，补偿度为过补偿5%；当不接地系统对地电容电流大于30A时，系统接地方式为经10Ω小电阻接地。

图4 10kV配电系统动模试验主接线图

模拟中性点不接接地系统的K1～K6点发生单相经10Ω、100Ω、300Ω、800Ω过渡电阻的单相接地故障。验证接地故障发生时刻，PMU的零序电压故障起始点与故障指示器零序电流故障起始点一致，通过本文阐述的方法可准确找到零序电流故障起始点，提高了极性法定位接地故障的准确率。

表1 线路参数

2.2 实验结果与分析

本次动模系统试验共计模拟接地故障80次，其中中性点不接地系统及经消弧线圈接地系统各40次，过渡电阻10Ω、100Ω、300Ω、800Ω各20次。暂态录波型故障指示器零序电流故障起始点查找准确率100%，接地故障判定准确率95%。图5为接地故障时PUM零序电压波形与不同安装位置的4套故障指示器零序电流波形，从波形上看零序电压波形故障起始点与零序电流故障起始点一致。本文提出的实现方案可准确找到故障指示器零序电流故障起始点。

图5 接地故障时零序电压与零序电流波形

结论：由上述实现方案可知，本文提出的方法将高频且不稳定的暂态录波型故障指示器零序电流故障起始点获取转化为低频且稳定的PMU零序电压故障起始点获取，降低了错误概率，提高了准确率。以GPS时间为基准同步PMU与暂态录波型故障指示器交流采样步调，将PMU零序电压故障起始点与暂态录波型故障指示器零序电流故障起始点的时间差控制在10us以内，大幅提高接地故障时获取暂态录波型故障指示器合成零序电流的故障起始点准确率。利用动模系统验证了该方法的有效性。