分布式电源配电网单相接地故障快速定位方法

曾和平

（国网汉阴县供电公司，陕西 安康 725100）

0 引 言

单相接地保护的定值受到保护原理、配电网拓扑结构、系统电容电流水平、故障点过渡电阻大小以及配电网运营单位采取的故障处理策略等因素的影响，与传统继电保护的定值整定有较大区别。为降低配电网单相接地故障引起火灾等安全事故和大面积停电的风险，对配电网单相接地故障的快速处理提出了更高的要求，为此提出农村配电网单相接地故障分段自动定位方法。配电网单相接地保护要求动作发生在告警环节，同时越来越多的应用场景要求出口跳闸，进而快速准确定位单相接地故障位置[1]。

1 分布式电源配电网单相接地故障快速定位方法

1.1 设计配电网拓扑结构

文章设计的配电网拓扑结构规模在1～50 MW，能够在负荷附近以散装的形式提供电能，具有小投资低损耗的优点。文章根据分布式的电源配电网的拓扑结构，选择了电流源型逆变器与电压源型逆变器作为结构的设计核心，这2种变电器损耗较低且控制简单[2]。分布式电源配电网拓扑结构如图1所示。

图1 分布式电源配电网拓扑结构

根据图1中的主要单元结构的构建，获得结构的数学模型为

式中：H为滤波器等效电感；R为网侧等效电阻；i为分布式电源交流侧输出电流；Up为公共连接点处的电网侧单相电压；U为分布式电源的输出电压；t为单相接地故障的发生时间。

文章根据分布式电源配电网的特性，对拓扑结构中的电源控制进行了一些设定。首先，能够有效地向电网输送电能，且应确保配电网的安全稳定运行；其次，安装于负载侧，电能就地消纳；最后，根据配电网的实际电压等级，选择不同电源容量，对并网位置进行分析[3]。

1.2 分析电网接地故障电流特性

在发生接地故障时，所产生停电问题的影响由故障情况来决定。因此，在实际的配电网的运行中，为了减少停电问题，降低对日常工作生活的影响，需要在线路的中性点位置设置消弧线圈进行连接，这种做法可以减少故障线路中的幅值区域。文章设置的消弧线圈的连接方式如图2所示。

图2 中性点经消弧线圈接地结构

发生单相接地故障时，中性点电位上升至相电压，消弧线圈产生感性电流补偿电路中的容性接地电流，补偿后的容性接地电流残余分量很小，不足以维持电弧，避免故障规模扩大[4]。

通过图2的接地结构，分析单相接地故障问题的特性。在正常运行时，选择线路1、线路2和线路3中的某一线路作为分析的单相接地，其中的单相平衡被打破，产生了电流放电问题。在零序分量的计算中，以消弧线圈的工作内容为参数的分析的基点，那么各线路中的电流大小的计算表达式为

式中：ω为电流频率；L为电流的线路长度；U'为当前电路中的平均电压；E为当前电压的电动势；j为消弧线圈的参数值。那么此时的故障点中的电流之和为

式中：Iz为故障线路中故障点的电流，也是单相接地线路中的全部对地电容电流。

1.3 计算配电网单相接地故障影响参数

在配电网单相接地中，出现故障问题时，大多数是因为多方面的原因综合作用，使得线路出现故障。因此，文章通过单相接地中的暂态过程来对故障影响参数进行分析[5]。

暂态过程中，消弧线圈还未开始进行补偿作用，因此中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式在故障发生后的一小段时间内，具有相似的过渡过程。由等值电路可以看出，回路内共流向3种电流，分别是故障发生后容性对地电容电流、故障后消弧线圈开始补偿作用产生的感性电感电流以及容性对地电容电流与感性电感电流在接地位置叠加而成的接地电流。

出现单相接地故障后，电流的影响效果表达式为

式中：Uφ为零序电压U0的幅值；C为零序网络内部对地电容总值；R'为电流中的电阻值；S为消弧线圈的电感值大小。基于实际应用场景的考虑，在电力系统中，单相接地故障通常发生在几十毫秒到几分钟的时间范围内，因此选取60 s作为式（4）积分上限，即可覆盖大多数实际运行情况下的接地电流变化过程。根据式（4）的电流暂态过程，分析出其周期的衰减特性。将电阻设定在一般范围内，通过故障发生时的电阻阻值为零来设定约束条件，那么且电流频率处于配电网范围内，即300～1 500 Hz。

容性对地电容电流的暂态过程也可以看作是稳态阶段的容性对地电容电流与呈周期性衰减的高频振荡电流叠加而成，当周期性衰减的高频振荡电流衰减至无穷小，即进入稳态阶段[6]。

然后通过实际的配网的接地故障，分析故障信息的暂态过程的频率特性，其中的衰减特性取决于故障中的相角。暂态过程的幅值大于稳态过程，甚至会衰减到故障后的过程，能够丰富体现出单相故障的特性信息，对故障模型的构建及其之后的快速定位起到了重要作用。

1.4 搭建故障模型实现快速定位

为实现故障的快速定位，文章选择使用误差反向传播（Back Propagation，BP）神经网络来定位故障点。BP神经网络属于多层前馈神经网络。通过该网络的映射能力和其自身属性中的学习能力，将上述所分析的故障特性，作为输入层输入神经网络，并通过在隐含层的神经网络调配置其中阈值的神经元，完成对于故障点的辨识，进而实现对单相接地故障的快速定位[7]。

首先，通过对故障信号的搜寻，得到隐含层中第m个节点的输入Nm。将Nm代入隐含层的激活函数h可得到相对应的输出信号yh，将yh作为输出层的节点系数，可得输出层第k个节点的输入Nk为

将式（5）所的结果代入输出层的激活函数，得到实际输出值Qk。根据输出值的特性判定，可以分析出对应的单相故障，处于具体的某一配网线路中[8]。此外，根据配网线路中的神经网络输入，通过隐含层的计算，最后得到的输出值，即为单相接地故障中的故障具体定位。

2 实验论证

2.1 实验说明

为验证文章设计方法的应用效果，设计如下实验。通过与基于小波变换的故障定位方法（对照组Ⅰ）、基于K均值分类算法的故障定位方法（对照组Ⅱ）进行对比，分析文章设计方法（实验组）的优势性。选择8组实验数据，通过随机筛选的方式，选取分布式电源配电网的单相接地故障数据，各组中的故障点数量分别为20个、40个、60个、80个、10个、30个、50个以及70个，通过在其他筛选的实际数据，在故障样本中进行训练学习，将8组故障样本输入模型，然后基于多次实验验证获得实验结果。

2.2 实验准备

配电网参数设置如下：配电网额定容量为12 500 kVA；额定频率为50 Hz；额定电压为10.5 kV，电压基于额定电压上下波动2.5%。

为实现配电网中的简化电路，需要仔细排查配网中可能出现故障的状况，避免产生电位差问题。因此，分析故障问题特征，初步定位到故障区段，再分析故障发生处的信号，经金属线路的电流故障流经接地线，并且向中性点注入。通过故障检测对其进行上下游的定位，并判断其是否为电流信号。

2.3 实验结果

不同方法定位故障的时间如表1所示。

表1 不同方法的对比结果

由表1可以看出，随着故障点数量的变化，3种方法定位故障所需的时间均呈现出逐渐增加的态势。纵不同方法定位故障所需的时间，在故障点数量由10个增加至80个的过程中，对照组Ⅰ定位故障所需的时间由2.6 s增加至21.5 s，对照组Ⅱ定位故障所需的时间由3.4 s增加至22.3 s，实验组定位故障所需的时间由2.1 s增加至19.8 s。因此，实验组定位故障所需的时间更短。由此表明，文章设计方法能够相对快速的定位故障问题，为配网的故障处理，提供时间优势。

3 结 论

文章通过对配网的拓扑结构进行分析，进而分析故障问题的特性，通过对故障影响参数的计算，构建出故障点的定位模型。基于实验数据结果证明了文章设计方法能够实现对单相接地故障的快速定位。但是，在拓扑结构的设计中，文章方法对故障点的说明不够详细，这些不足之处将在之后的研究中深入分析，并进行改进。