利用暂态信号的配电网单相接地故障定位方法研究

2022-12-22黄灿英杨墉金晏慧敏

通信电源技术 2022年13期

黄灿英，杨墉金，晏慧敏

（1.江西建设职业技术学院，江西南昌 330200；2.江西农业工程职业学院，江西宜春 331200）

0 引言

基于暂态信号的配电网单相接地故障定位方法的主要原理为确定监测点的暂态电流流量计故障区域范围后，通过与相邻监控点之间的零模输出电压波形的相似性来测量并确定最终的故障区域。目前，我国的城市供电网络大都通过小额定电流进行连接，城市配电网系统单相接地故障准确定位问题仍普遍存在，且尚未得到针对性的解决。暂态分量定位模式下，由于暂态信号明显大于稳态信号，意味着故障区段与非故障区段的差异性更加明显，因此就有定位灵敏度高且受消弧设备不良影响较轻等优势。

1 暂态信号与稳态信号故障定位比对分析

近年来，国内配电网建设规模不断增大，且配电网系统覆盖范围明显扩大，由于配电网系统自身结构和运行环境复杂变化，因此在实际运行过程中容易出现各种故障问题。当前关于配电网故障定位技术的研究主要侧重于配电自动化系统区段定位方面，即通过在配电线路上安装故障检测终端的方式将配电网线路科学划分为不同区段，借助检测终端来获取接地故障信号。

1.1 稳态分量定位技术

利用稳态信号进行故障定位主要指在故障问题持续状态中连续获取相对稳定的信号量，依据信号量的产生方式对故障区段进行定位分析。其中主要包括凭借故障问题本身产生的稳态信号量和借助其他设备产生的特定稳态电流信号两种，前者为被动定位方式，而后者则具有较明显的主动定位特性。

目前，利用故障被动式稳态信号定位主要包括零序电流幅值比较法与零序无功功率方向法两种。零序电流幅值比较法指将相邻监测点工频零序电流幅值与整定值进行比对，利用消弧线圈对故障线路工频零序电流进行补偿，多适用于中性点不接地配电系统。零序无功功率方向法主要通过计算稳态零序无功功率来显示零序电流极性的差异性，从而准确进行故障定位，适用于范围相对较小的配电系统[1]。

采用故障主动式故障定位方法时，通常需要借助其他设备进行动作配合。通过改变配电系统运行状态，增加工频附加电流。借助相关设备向配电系统中注入附加电流信号，配电线路内部的附加电流信号经过母线故障线路后顺利抵达故障点，随后立即经过大地返回原位置，以此实现检测终端检测附加电流信号的目的。主动式稳态故障定位主要指消弧线圈并联，包括并联电阻法、注入特定频率信号方向法以及短接非故障相法。

1.2 暂态分量定位技术

相较于稳态信号，暂态信号主要指不连续、瞬间出现的特定频率信号，具有持续时间短且频率波动幅度较高的特点。当发生单相接地故障问题时，暂态配电系统单相接地故障瞬间出现的暂态信号频率和幅值要明显大于稳态信号，故障线路特征发生变化，往往难以精确电流定值，导致故障定位的精确度与可靠度无法得到有效保障。与稳态分量定位技术相比，暂态分量定位不需要借助其他一次设备、信号注入设备，能够同时兼顾配电系统运行的安全性与可靠性。暂态分量定位技术主要是对各检测点的暂态零模电流特征进行准确定位，对此可以采用暂态零模电流方向比较法、电流幅值比较法以及电流波形相似法来达到故障定位的目的[2]。我国中性点配电网系统施工建设过程中主要采用不接地和消弧线圈接地2种方式，当发生单相接地故障问题时，会导致中性点与大地间存在较强的阻抗。从配电网线路结构与运行特征来看，暂态信号分量故障定位技术有着更多的优势和较好的适用范围。

2 系统单相接地故障定位难点分析

对于已经提出并投入使用的故障定位方法，普遍用于配电系统故障线路零序电流或电压信号的检测，在获取所需信号方面不太便利。尤其对于安装在户外的配电线路检测装置，在获取信号时更容易受到限制，导致最终的检测效果往往难以达到实际的应用要求。

配电线路光纤覆盖率普遍不高，且各类检测装置大多采用公共网络通信的方式来传输数据。使用故障指示器来检测故障信号，其中三相采集单元需要借助短距离无线通信来完成数据信息的汇总和传输，最终发送传输至配电自动化系统主站。整个传输过程存在信号传输不稳定、信号易受干扰等问题，导致配电自动化主站系统最终接收到的数据信号质量得不到保障，容易出现信号数据不全、信号缺相等异常问题[3]。

对于接地故障定位检测装置，自身的运行质量容易受天气等环境因素的影响，故障异常问题发生率相对较高，运维和调试较难。在选线环节需要确保1个变电站对应1台选线装置，为定位装置运维与调试工作提供便利。选线装置需要设置在变电站设备室内，确保具有较好的运行环境和运行条件，减少外界恶劣天气因素对装置的运行质量产生不利影响。

3 基于暂态信号的配电网单相接地故障定位方法

3.1 暂态频率故障定位

暂态频率故障定位需要充分考虑暂态零序电流电压分布特点和配电系统故障点上下游零模电流频率差异特征，以此确定故障点的线路区段。采用暂态零模电流频率极端比较定位方法，具有通信数据量小、计算简单的优点。通过对配电单相接地故障点两侧的零模电流进行分析，推断出主要的暂态特征。一方面，配电系统故障点上游处的零模电流经过故障点流向母线方向，而下游的零模电流流向路径则以线路末端为最终流向点；另一方面，配电系统故障点上游的零模电流主频率相对较低且幅值较大，下游的零模电流主频率较高但幅值较小[4]。

当发生配电系统单相接地故障问题时，需要对暂态零模等值电路的零模电流进行定量计算，以确定故障点的上、下游企业暂态零模电压衰减系数和主振频率系数。通常情况下，供电系统内的健全线路与故障点上游线路的总长度都要远大于下行线路总长度。在充分考虑电源变压器阻抗因素的基础上，经过运算可确定故障点上游暂态零模电压的主振频率要低于下游故障点下行额定电流频率，以此为依据确定故障定位区段。

由于现场环境复杂且配电自动化系统终端主站数据处理能力受限，系统运营成本较高，因此需要采用相对简便的计算方法，便于工程应用和分析推广。配电网处于正常运行状态时，零模电流基本上为零，而一旦发生单相接地故障，则会瞬间出现零模电流。以此作为判断依据，计算并分析零模电流突变量的有效值，从而准确判断故障点区段。当单相接地出现故障问题后，配电自动化系统主站能够自主汇总相关数据信息并进行分析，以此准确识别故障区域。

配电网自动化系统主站主动接收检测系统发送的相关检测结果，借助配电网系统中各个分段线路的终端开关装置来计算暂态零序电流主振频率，并将结果发送至系统主站。系统主站顺着故障线路出口位置逐渐向下进行搜索，当一般暂态零模电流频率故障系数超过故障定位标准值时，则可以正式确定故障点区段；当搜索到最后一个区段故障系数仍然小于设定值时，则可以判断配电网系统终端下游为故障点区段。

3.2 斜率距离差异故障定位

利用现代化计算机技术对相关数据进行充分挖掘，为故障点区段检测提供准确可靠的数据支撑。采用时间序列相似性中的斜率距离差异法来计算和判断配电零模电流突变量在两个时间序列间的相似度，从而顺利开展零模电流信号检测和数据处理工作。采用斜率距离差异度量法对两个时间序列零模电流进行分段表示，计算不同分段零模电流直线斜率并将不同区间的斜率差值相加，当累积相加的斜率差异距离达到最小范围时，则证明两个时间序列相似度较高。通过分析判断两个不同序列的幅值和频率间的差异性来反映零模电流幅值和主振频率对斜率度量距离差异的影响，进而以斜率距离度量的相似性准确说明这一方法的可行性。

基于斜率距离差异模式下的配电线路零模电流相似性分析以配电网零模电流分布规律为基础，当单相接地出现某些故障问题时，配电网自动化系统主站接收到故障信息，此时配电网终端开始启动[5]。通过对各个检测点的零模电流数据进行采样录波，由终端装置记录零模电流波形浮动时间以及幅值、频率变动情况，根据这些信息来准确构建时间序列。当发生单相接地故障问题后，以配电网系统安装的终端装置作为分段检测点，将暂态零模电流突变量作为启动检测条件，通过计算工频和暂态有效值为确定故障线路提供保障，根据配电网终端装置采集到的零模电流波形构成时间序列，运用斜率距离度量算法极端得出波形相似系数，从而反映暂态零序电流相似性，定位故障区段。