配电网单相接地故障定位的研究
一、 目的和意义
目前我国输电线路故障定位技术已取得重大进展，定位效果很好，但是由于配电线路与输电线路相比有很大差异，从而导致广泛应用于输电线路的阻抗法、行波法等定位技术在配电线路上难以应用。目前达到实用化的单相接地故障定位技术有两个：第一种是基于故障指示器的定位装置，第二种是基于馈线自动化的定位装置。
故障指示器的工作原理是将指示器装置设定好故障电流定值，并悬挂于线路上，通过判断检测到电流是否超过定值发出信号。故障指示器只能测量相电流，不能测量零序电流。由于小电流接地系统单相接地电流很小，通常都远小于负荷电流，因此故障指示器经实践检验单相接地故障定位准确性是较低的。
基于馈线自动化的定位装置通过在架空线路开关或者环网柜开关内部安装零序电流互感器测量零序电流，但是仅仅通过零序电流超过定值来判断单相接地故障。配电线路有四个特点，第一是广泛采用小电流接地方式，单相接地后故障线路、正常线路都有零序电流，靠定值启动的方法难以准确检测；第二是消弧线圈日益增加，导致零序电流功率方向出现了变化，正常线路和故障线路的零序电流相位几乎没有差别，增加了选线和定位的困难；第三是架空线路和电缆线路通常混合在一起，结构复杂，不易获得准确的线路参数；第四是单相接地情况复杂，包括金属性接地、经高阻接地、经电弧接地多种情况。因此目前基于馈线自动化的定位装置对于单相接地故障的正确率不高。
另外目前单相接地故障定位只是确定到故障区段，不能进一步解决故障隔离问题。近年来有众多学者在故障定位隔离方面做了大量研究，但是由于定位成功率不高，往往造成故障隔离失败。
随着配电网自动化系统的建设，单相接地故障选线及定位的发展方
向是功能的集成，即协调控制综合实现选线、定位，并且成为配电网自动化系统的组成部分。
本研究能够综合实现故障选线和故障定位。本研究适用于中性点非有效接地系统，能够解决金属性接地、经高阻接地、经电弧接地等各种类型的接地故障，充分保证了定位的准确性与快速性。
本研究成果将解决配电网单相接地故障选线和定位的难题，提高供电可靠性和经济性。研究成果可以应用到全国中性点非有效接地方式的10kV配电网，能够以标准产品的形式推广应用，解决现场的问题。
二、 项目研究的背景
1. 国内外研究水平的现状和发展趋势
目前随着配电网电容电流的不断增加，越来越多的10kV系统中性点接地方式由不接地改为经消弧线圈接地。随着而来的问题是单相接地故障选线和定位难度的增加，现场往往采用手动拉路的方法选线，采用人工巡视的方法定位。目前用电负荷对供电可靠性的要求日益提高，手动拉路和人工巡视的处理措施极大的制约了配电网的正常运行。随着配电网自动化系统的建设，单相接地故障消弧选线及定位隔离的发展方向是功能的集成，即协调控制综合实现消弧选线和定位隔离，并且成为配电网自动化系统的组成部分。
2. 国外研究机构对本项目的研究情况
目前国外的配电网中性点接地方式多数向小电阻方式发展，不存在选线和故障定位的问题。一些具有中性点经消弧线圈运行方式的国家，其选线和定位技术与我国情况基本一致，也存在很大难度。
3. 国内研究机构对本项目的研究情况
目前达到实用化的单相接地故障定位技术有两个：第一种是基于故障指示器的定位装置，第二种是基于馈线自动化的定位装置。
故障指示器的工作原理是将指示器装置设定好故障电流定值，并悬挂于线路上，通过判断检测到电流是否超过定值发出信号。故障指示器只能测量相电流，不能测量零序电流。由于小电流接地系统单相接地电流很小，通常都远小于负荷电流，因此故障指示器经实践检验单相接地故障定位准确性是较低的。
基于馈线自动化的定位装置通过在架空线路开关或者环网柜开关内部安装零序电流互感器测量零序电流，但是仅仅通过零序电流超过定值来判断单相接地故障。配电线路有四个特点，第一是广泛采用小电流接地方式，单相接地后故障线路、正常线路都有零序电流，靠定值启动的方法难以准确检测；第二是消弧线圈日益增加，导致零序电流功率方向出现了变化，正常线路和故障线路的零序电流相位几乎没有差别，增加了选线和定位的困难；第三是架空线路和电缆线路通常混合在一起，结构复杂，不易获得准确的线路参数；第四是单相接地情况复杂，包括金属性接地、经高阻接地、经电弧接地多种情况。因此目前基于馈线自动化的定位装置对于单相接地故障的正确率不高。
4. 项目研究的技术关键与难点
本项目的核心是实时测量变电站母线零序电压和线路关键位置的零序电流的幅值和相位，通过综合选线技术、暂态信息定位技术，实现故障选线和故障定位功能。因此如何实现单相接地故障情况下选线装置和故障定位系统的协调控制是技术关键和难点。
三、 研究拟采用的技术路线和实施方案
基于暂态比幅比相法的配电网故障定位系统按照分层分布式体系设计，由选线装置、智能终端和主站构成，选线装置和智能终端将数据上传至主站，和主站之间均通过GPRS移动通信网络连接。
终端分散安装在配电线路关键位置，正常情况下监测配电线路的运行数据（如负荷电流、零序电流、工作温度等），故障情况下对故障的暂态和稳态故障信号进行分析处理，同时将数据上传到主站。
选线装置安装于变电站内，实时监测系统零序电压和各出线零序电流，故障时选出故障线路，并将选线结果和暂态零序电流信号上传至主站。
主站安装于主控室或调度中心，接收选线装置和各个智能终端上传的数据，并下传相关控制信息。系统正常运行时，主站实时监测系统运行情况；系统发生单相接地故障时，选线装置选出线路并上报结果，同时主站利用选线装置上传的暂态零序电压信号、和各个智能终端上传的暂态零序电流信号，实现故障区段定位功能，发出声光报警，并将故障信息以短信的方式发送到工作人员的手机上。 系统特点
系统能够实现故障选线、故障区域定位及故障类型判定，系统具备谐波分析、故障录波、故障统计分析、故障着色、短信告警、Web浏览等功能。
1） 系统能够实时监测系统三相电压、零序电压及线路每个监测点的有功电流、零序电流。当系统异常时能够立刻启动故障录波，同时准确判别故障类型：如系统谐振、接地故障、短路故障、线路断线等。
2） 系统实时采集系统故障信号，应用多重选线方法进行综合选线、定段，装置通过粗糙集理论确定各种方法的有效域，根据故障信号特征自动对每一种方法得出的故障选线结果进行可信度量化评估，应用证据理论将多种方法融合到一起，最大限度地保证各种方法之间实现优势互补。
3） 系统识别单相接地，单相直接接地、经电阻接地、经弧光接地、间歇性弧光接地的故障类型，在现场工作人员配合下可以解决不同线路两点同相接地故障问题。
4） 系统采样达到单通道5kHz以上，能够保证选线的正确性和谐波分析功能。
5） 系统具有故障录波功能，可以提供故障前后的波形，包括故障发生前的一个周期和故障发生后五个周期的波形。可海量保存现场故障录波数据和
选线结果。
6） 对系统过电压、谐振过电压进行监测，包括谐振幅度，间歇性。对谐波进行监测，包括谐波频率数值。
7） 对电流量的不平衡度进行监测，实现电流越限报警。
8） 系统对各条线路的短路故障、瞬时接地和永久性接地次数进行统计，为分析线路运行程度，降低维护成本提供有力数据支撑。 系统功能
1）智能监测终端数据信息存储汇总。 2）故障信息报警，短信通知工作人员。 3）通过网络将故障信息发送给调度平台。
4）采用使用的Web应用软件，将数据深入挖掘，分析馈线的运行状况并给出提高运行可靠性、经济性的决策支持。具体包括如下功能：
A 线路运行数据分析风险评估功能
一次设备内置传感器及采样模块，采集线电流、线电压、零序电流、零序电压等物理量，深入分析电压电流相位变化、幅值突变等信息，综合判断系统的运行状态，如果发现数据异常上传报警信息。
B 短路接地故障统计功能
目前电力系统检修正在从定期检修向状态检修发展，该模块可以对不同区段的短路故障和接地故障进行统计，为状态检修提供指导。例如发现某一分支在一段时间内多次发生短路及接地故障，说明该分支线路的运行状况不好，需要进行检修。
C 统计报表自动生成功能
系统根据用户需求，按照预定格式自动生成各种数据报表，方便对整体电网运行情况进行统计分析。
D 线路杆位图形显示功能
根据变电站线路杆位图建立信息图。当故障发生时，故障区段自动变色、闪烁，提醒、帮助运行人员进行故障判断，直观体现故障杆位信息。
E 平面、立体图形显示功能
根据变电站现有地理图形和线路分布图建立供电系统地理信息图。当故障发生时，故障区与自动变色、闪烁，给予警示。同时为检修提供有力技术支持。
F 树状结构显示
采用树状结构显示各职能配电终端状态，方便用户随时了解线路运行状态。操作简单方便。可遥控智能终端。
智能终端
智能监测终端安装在电杆上，与架空线路CT相连接，测量线路运行参数，并将数据上传至主站。智能监测终端通过GPRS模块实现无线传输功能。 1) 基本功能
a) 通过架空线路CT准确测量线路的相电流和零序电流，并且能够将数
据上传至主站，实现全局的可观可测，符合智能配电网的要求。 b) 智能监测终端具有参数远方设置功能和就地设置功能。接收主站的参
数设置及定值修改，主站可随时召唤智能监测终端的当前设定值。 c) 发生故障后，智能监测终端能够利用GPRS或光纤将故障信息发送给
主站，以便及时处理故障。
d) 事故记录功能：智能监测终端能记录事故发生时的最大故障电流和事
故前一段时间的平均负荷，以便分析故障。
e) 自检和自恢复功能：智能监测终端具有自检测功能，并在设备发生自
身故障时及时告警；智能监测终端具有可靠的自恢复功能，一旦受干扰造成死机，可以恢复正常运行。 f) 超低功耗设计，使用寿命长。
g) 能够适应恶劣运行环境，在-40ºC~70ºC温度变化范围内正常工作，
具有良好的防潮、防雨、防腐蚀措施。
h) 能够承受高电压、大电流、雷电等干扰，具有很强的抗干扰能力。 2)技术指标
a) 额定工作电压：直流12V。
b) 静态工作电流：10mA。
c) 完成一次综合判据时间：20ms。 d) GPRS移动通信方式 e) 采样及处理
i. ii.
接入装置的CT二次电流：2mA≤I≤5A（交流有效值）。 测量精度：0.5%。
f) 环境条件
a) 运行温度范围：－40℃～＋70℃。 b) 运输及存储温度范围：－45℃～＋70℃。
i. ii. iii. iv. v.
湿 度：15℅～95℅，不凝结。 干热试验：IEC60068-2-2。 干冷试验：IEC60068-2-1。
湿热循环试验：IEC60068-2-30,相对湿度>93℅，T=20~65℃。 存储温度试验：IEC60068-2-48。
g) 机械试验
i. ii. iii.
振动试验（正弦振动） ：IEC60255-21-1：1 级 冲击碰撞试验：IEC60255-21-2：1 级 地震试验：IEC60255-21-3：2 级
h) 电磁兼容
i. ii. iii.
抗静电放电：IEC 60255-22-2: 4级（±8kV 接触放电） 抗工频磁场干扰：IEC 1000-4-8: 5级（100A/m） 抗辐射电磁场干扰：IEC 60255-22-3: 3级（10V/m，f=80～1000M Hz）
iv.
抗快速瞬变干扰：IEC 60255-22-4: 4级（2.5kHz&5kHz,±4kV）
小电流接地故障选线算法
小电流接地故障选线装置通过GPRS与主站进行通讯，上传选线结果及暂态零序电压信号。选线装置采用了信息融合的思想，应用多种选线方法进行综
合选线，具体包括：智能群体比幅比相法、谐波比幅比相法、小波法、首半波法、有功分量法、能量法, 每种方法都针对信号的具体特点，不同方法之间具有互补性。装置利用粗糙集理论确定各种选线方法的有效域，根据故障信号特征自动对每一种选线方法得出的故障选线结果进行可信度量化评估，将多种选线方法融合到一起，最大限度地保证各种选线方法之间实现优势互补。为了避免故障信号受到干扰而导致误选，装置采用了连续选线方法，每隔一定时间(1秒)重新采集数据进行分析，只要故障没有消失，装置的选线计算就不停止。
考虑到由于负荷或者CT的原因线路有可能出现较大的零序不平衡电流，因此选线技术采用了抑制零序不平衡电流的算法，能够准确提取出故障信号，从而避免了零序不平衡电流造成误选，提高了选线正确性。
选线技术详述如下。 (1) 智能型比幅比相法
智能型比幅比相方法的基本原理是：对于中性点不接地系统，比较母线的零序电压和所有线路零序电流的幅值和相位，故障线路零序电流相位应滞后零序电压90°并与正常线路零序电流反相，若所有线路零序电流同相，则为母线接地。在使用比幅比相方法之前，需要对信号进行滤波处理，以防止干扰数据对算法的影响。本项目采用Butterworth数字滤波器，对信号进行有效的数字滤波处理，提取出了更可靠的信号成分，提高了选线正确性。例如下图现场实际电弧接地情况，波形较乱，但是通过智能比幅比相方法可以得到有用的成分，进行正确选线。
录波数据 滤波后数据 (2)谐波比幅比相法
谐波方法的基本原理是：对于中性点经消弧线圈接地系统，对谐波分量来说消弧线圈处于欠补偿状态，如果线路零序电流中含有丰富的谐波成分，则比较所有线路零序电流谐波分量的幅值与相位，故障线路零序电流幅值较大且相位应与正常线路零序电流反相，若所有线路零序电流同相，则为母线接地。谐波选线方法采用有效的数字滤波手段，提取出能量最高的谐波频带范围，避免了提取单一谐波频率而导致的误差。 (3)小波法
小波分析是一门现代信号处理理论与方法，它能有效地分析变化规律不确定和不稳定的随机信号，能够从信号中提取到局部化的有用成分。
小波函数的定义为：设(t)为一平方可积函数，且其傅立叶变换满足容许性条件()2R则称函数(t)为小波母函数。由小波母函数d，
经伸缩和平移而张成的一系列子函数
a,(t)a(12t) a小波变换采用可调时频窗，用小时窗获得高频成分，用大时窗获得低频成分，这样就可以分析不稳定的信号。在发生单相接地的最初暂态过程中，信号多数情况是不稳定的振荡过程，利用小波变换就可以很好的从暂态信号中提取有用的成分进行选线。
小波选线方法利用单相接地故障产生的暂态电流作为选线判断的依据。由于小电流接地电网单相接地故障等值电路是一个容性通路，故障的突然作用在电路中产生的暂态电流通常很大。特别是发生弧光接地故障或间歇性接地故障情况下，暂态电流含量更丰富，持续时间更长。暂态电流满足在故障线路上的数值等于在非故障线路上数值之和且方向相反的关系，可以用来选线。由于电网中的暂态信号呈随机性、局部性和非平稳性特点，因此利用暂
态信息选线的主要困难是，如何准确地提取有用的暂态信号、如何合理地表示信号并构造出能适应信号特点的选线判据。我们提出的小波选线方法很好地解决了这些问题，使暂态信号得到了充分利用。
小波选线方法的优点是，第一、该方法对中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的电网都适用。第二、该方法特别适应于故障状况复杂、故障波形杂乱的情况，这与稳态量选线方法形成优势互补。 (4)首半波法
小电流接地电网单相接地故障产生的暂态电流虽然很复杂，但是发生故障的最初半个周波内，一定满足故障线路零序电流与正常线路零续电流极性相反的特点，因此可以通过比较首半波的零序电流极性进行故障选线，该方法对中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的电网都适用。 (5)有功分量法、能量法
对于中性点经消弧线圈接地系统，消弧线圈智能补偿零序电流的无功分量，不能补偿零序电流的有功分量，因此故障线路的零序电流的有功分量与正常线路极性相反，可以用这个特点进行选线。由于有功分量的含量较小，所以装置采用零序电流与零序电压的乘积累加值
Eu0(k)*i0(k)k，即零序
能量来度量零序电流的有功分量，实际上是把有功分量进行了累加，零序能量最大的线路就是故障线路。
(6)综合选线技术
中性点非有效接地系统单相接地故障状况复杂多样，如间歇性电弧接地、金属性接地、非线性电阻接地等，各种接地状况所表现出来的故障信号特征在形式上、大小上都变化无常。虽然目前已有多种选线方法被提出并进行实际应用，但是各种选线方法都有一个共同的不足之处，它们都只是用到了某一方面的故障特征，例如五次谐波法利用故障信号的五次谐波分量特征，有功法或能量法利用故障信号的有功分量特征等。由于故障状况的复杂性，仅利用故障信号某一方面特征构造的单一选线方法具有片面性，当该方法所需
要的故障信号特征表现不明显时，这种选线方法的选线结果很可能是错误的，这就是以往单相接地故障选线不成功的根本原因。理论和实践都表明，没有一种选线方法能够保证对所有故障类型都有效，每种选线方法都有一定的适用范围，也都有各自的局限性，需要满足一定的适用条件。当一个故障信号具备该方法的适用条件时，该方法一定可以做出正确的判断；当适用条件不满足时，该方法的判断结果可能正确，也可能不正确，结果是具有模糊性的。因此仅仅依靠一种选线方法进行选线是不充分的。
我们称选线方法能够可靠选线的适用条件为该方法的充分性条件，满足充分性条件的故障区域，称为该选线方法的有效域。本装置通过粗糙集理论对每一种选线方法都界定了有效域，当一个故障落在某方法的有效域内时，该方法对该故障的选线结果一定是正确的，否则给这种方法的选线结果乘以一个系数w(0 由此可见，只进行一次选线确实将增大误选的可能性，依据本文的方法进行连续选线是非常必要的。同时，利用连续选线技术还能够解决两点同相接地问题。 小电流接地故障定位算法 (1)基于广域相量测量的故障定位方法 下面以一个简单网络为例，说明该方法的原理。下图是一个简单电网，有三个节点，0是母线节点，1和2是分支节点。 01f2R 假定在支路12上的f点发生接地故障，利用对称分量法得出系统的零序等效电路如下图所示，U为零序电压。由于中性点不接地，因此零序电流通过线路对地电容构成回路，网络是电容电路。f点为零序电压源，按惯例选择零序电压和零序电流为关联参考方向。在这种关联参考方向的假设条件下，所有支路电流都超前电压90°。这个特征不受接地电阻的影响。 01IfUI2 但是单相接地故障发生后并不知道故障位于那个位置，因此统一设定母线指向线路的方向为电流的参考方向，如下图所示。 01II2 这样我们会发现支路01、1f的零序电流滞后零序电压90°(即零序电流与零序电压为非关联参考方向)，其他支路零序电流仍是超前零序电压90°(即零序电流与零序电压为关联参考方向)；安装在变电站内的配电终端采集的每路支线的零序电流及母线的零序电压，配电终端再将数据上传到主站，主站实现综合选线及定位。如果该支路01、1f的零序电流与其他支路的零序电流相位相反，且滞后电网零序电压90°，则说明该终端位于故障路径上，否则说明该终端不在故障路径上，从而实现准确定位。 本文来源：北京丹华昊博电力科技有限公司 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容