基于分布式智能的小电流接地故障定位技术研究

孙桂花，王敬华，梁学良，张新慧，王　辉

（1.山东理工大学，电气与电子工程学院，山东　淄博　255049；2.山东科汇电力自动化股份有限公司，山东　淄博　255087；3.山东电力基本建设总公司，济南　250000；4.国网陕西省电力公司经济技术研究院，西安　710065）

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基于分布式智能的小电流接地故障定位技术研究

孙桂花1，王敬华2，梁学良3，张新慧1，王辉4

（1.山东理工大学，电气与电子工程学院，山东淄博255049；2.山东科汇电力自动化股份有限公司，山东淄博255087；3.山东电力基本建设总公司，济南250000；4.国网陕西省电力公司经济技术研究院，西安710065）

配电网小电流接地系统单相接地故障时，故障点两侧的暂态电流信号相似程度低，同侧的相似程度高，以此为基础提出一种分布式智能的小电流接地故障定位方法。该方法利用相邻的馈线终端（Feeder Terminal Unit，FTU），通过对等通信交换彼此采集的故障信息，并计算暂态电流信号的相似系数来实现故障的定位。由于它不依赖主站，故障区段定位速度快，通信压力小，可显著提高供电可靠性。通过静模试验验证了分布式智能故障定位的可行性。

分布式智能；小电流接地故障；馈线终端；相似系数；故障区段定位

0　引言

在我国，配电网中性点广泛采用不接地或小电流接地方式，而小电流接地系统最主要的故障形式是单相接地故障，占总故障的80%以上［1］。线路发生小电流接地故障后，三相电压依然对称，所以系统可运行1～2 h，甚至更长时间，可以提高供电的可靠性。但是不能长期带故障运行，若运行时间过长容易造成相间短路故障，给电力系统带来的危害更加严重。由此可见，及时找到单相接地故障的位置，并及时处理，对提高供电可靠性、保证配电设备运行安全具有十分重要的意义。

目前，小电流接地故障定位的方法已有很多参考文献。文献［2］利用暂态功率的极性确定大的故障区段，再利用暂态零序电流进一步确定其确切位置。文献［3］将暂态零序电流信号凝缩为一个对应电流波形复杂程度的熵值，通过比较电流熵值的大小来确定故障区段。该方法的缺点是信号熵值与信号复杂程度之间是非线性的对应关系，且存在非唯一性。文献［4］为了克服暂态电流相似性的盲区，提出了综合暂态电流相似性和极性的故障定位方法。文献［5］介绍了10 kV配电网馈线自动化系统的控制方式并对各种方式进行了比较，最后阐述了各个控制方式适用的场合。文献［6］为提高配电网故障处理的性能，对各种故障处理的方式进行比较，提出了集中智能和分布智能协调控制策略。该方法依赖主站，通信压力大，速度慢，投资大。

通过对文献所提技术进行研究，提出一种基于分布式智能的小电流接地故障定位方法。该方法是馈线终端（FTU）之间通过对等通信交换故障信息，对采集到的暂态零序电流计算相似系数来确定故障的位置。这种基于分布式智能的故障定位方法，能适用于所有的检测点，适应范围广。除此之外，它不依赖于主站，减小了通信压力，可提高供电可靠性。

1　故障分析

中性点不接地系统有n条输电线路，假如故障发生在其中一条线路上，检测点在AD线段中，在A、B、C、D四处分别设置一个负荷开关，E为故障点，零模等效电路如图1所示。

图1　故障的零模等效网络

在AB区段的暂态零模电流为

由上可知，CD区段的暂态零模电流为

由式（1）、（2）得，各个检测点的暂态零模电流之差等于它们之间线段的暂态电容电流。由于AB、CD段的线路比较短，故线段之间的暂态电流远远小于健全线路的零模电流总和，所以可以忽略AB、CD与大地之间的电容电流，则AB、CD段两端的暂态零模电流近似相等，即二者的波形相似。

由图1可知，在故障点处有一个虚拟电压源，它产生的暂态零序电流为

通过对故障点处的暂态电流分析可知，故障点的电流一部分从故障点流向母线，即i2；另一部分是从故障点流向线路末端，即i3。因为故障点左右侧的谐振频率有差异，使得故障点左右侧的暂态电流得差异很大［7］。由此可见，故障点左侧和右侧的暂态电流流向相反，二者差异很大，相似性低。

在谐振系统中，可以不考虑消弧线圈给暂态电流的故障特性带来的影响。因为消弧线圈不会改变暂态电流的故障特性。在故障点右侧相邻检测点的暂态电流仍具有相似性，在故障点左侧的相邻检测点同右侧一样。在故障点左右侧的暂态电流差异依然很大，二者不具有相似性。

2　相似系数理论

相似系数是描述2个函数之间在任意时刻的相似程度。相似系数能分析函数中每一个分量的大小和角度关系，是描述随机变量的重要统计数学特征［8］。因此，可以求相邻检测点暂态电流之间的相似系数来分析它们之间的相似程度。

由公式（4）可知，相似系数就是2个不同信号的相乘［9］，若ρ=1，则说明两检测点的相似程度高；若ρ=0，则说明两检测点的相似程度低［10］。因此，相关系数的取值范围为［0，1］。

对于健全区段相邻两检测点的FTU检测到的暂态电流相似系数接近于1，相似程度高；对于故障点两侧的FTU检测到的暂态零模电流相似系数接近于0，相似程度极低。

3　分布式智能故障定位

3.1工作原理

分布式智能控制技术［11］，不依赖配电网主站或配电网子站，通过馈线终端（FTU）收集故障信息，然后与相邻的馈线终端所收集的故障信息实现对等通信，计算相邻馈线终端的暂态电流波形相似系数，来为故障点右侧所有正常线路的暂态零模电确定小电流单相接地故障的位置，并将定位区段上报给主站。当线路发生故障时，FTU检测到故障电流等信息，当故障电流消失后，FTU与相邻的FTU通过对等通信相互交换检测结果，以实现故障区段的定位。

分布式馈线的结构如图2所示，图中S1、S2为断路器，是变电站的出线开关，有4个检测点，每一个检测点对应一个FTU，然而每一个FTU都采集相对应的线路范围内的故障信息，并与附近的FTU通过对等通信进行相互交换检测结果，以确定故障位置。

图2　分布式馈线的结构示意

3.2故障电流的检测及FTU的启动

3.2.1故障电流的检测［12-14］

配电网线路上的每个检测点都对应一个FTU，主要功能是监视每个检测点零序电流的变化。当馈线上发生故障时，记录各个检测点的暂态零序电流变化。将FTU记录的故障信息与相邻的FTU进行交换，可实现故障定位。

馈线终端（FTU）接入TA的零序电流端子上，可以直接采集零序电流。采集到的暂态零序电流可以启动FTU，启动的流程如图3所示。

图3　FTU启动流程

3.2.2FTU的启动

设置FTU装置启动的门槛值Ist。把检测点下游线路与大地之间电容电流的有效值作为门槛值，FTU启动的门槛值Ist为

式中：Krel为可靠性系数；I0i为i段下游线路与大地之间电容电流的有效值；U0i为检测点i的零序电压的有效值；C0i为检测点i下游线路与大地之间的电容。

将FTU采集的暂态零序电流信号与FTU设置启动的阈值进行比较，若在3个连续的采样点中有2个及以上采样点的幅值大于阈值，则FTU启动并记录故障信息；不然，FTU不会启动，继续对暂态电流进行采样。

计算FTU记录的故障信息。利用暂态零序电流来启动FTU，不仅提高了FTU启动的灵敏性，而且保证了故障信息的完整性。相比其他利用零序电流信号作为启动信号的方法，能避免一定因素的干扰，提高了FTU对现场的适应性、工作效率及准确性。

3.3故障定位判据

FTU记录馈线上故障的暂态零序电流信息，并与相邻的FTU通信，利用故障点两侧的暂态电流相似系数低而故障点上游或下游的暂态零序电流相似系数高，实现故障区段定位。相邻的FTU进行比较确定故障区段后，把定位结果上报给主站，能提高故障定位的速度及供电可靠性。

在实际应用中，对FTU暂态电流波形的提取很难做到同步［15］。因此，使用数据窗平移的方法来解决数据不同步的问题，即先固定住其中一个暂态电流的波形，让另一个暂态电流波形进行平移。波形每平移一次就计算一次相关系数；继而求出一系列暂态电流的相关系数，然后取绝对值最大者作为暂态电流相似系数［16］。即公式（4）改为

式中：Tt为FTU信息交换最大的时间误差；对超过记录范围［0，T］的电流数据用0补上。

比较配电网线路上相邻FTU的暂态电流相似系数就能实现故障定位。但是馈线上最后一个区段只有一个FTU或者FTU位于线路的最末端，因为故障电流太小而不能启动，此时的故障定位方法为：

1）若相邻FTU的暂态电流系数都小并且小于我们预先设定的阈值，阈值一般为0.5～0.8，则该区段就是故障区段。

2）若配电线路上所有的FTU的暂态电流系数都大于预先设定的阈值，阈值一般为0.5～0.8则馈线上最后一个FTU的下游为故障区段。

这种分布式智能的故障定位方法，不用暂态电压信号，只采用暂态电流信号，能适用于所有的检测点，适应范围广。

3.4故障区段定位

分布式智能的定位方法是利用相邻馈线终端通过对等通信交换故障信息实现故障区段定位。这种方法速度快，不依赖主站或子站的全局信息，对配电网具有更好的适应性。

故障发生后，离故障点上游最近的FTU故障电流大，先启动；FTU启动后，故障定位的步骤如下。

1）对暂态电流采样频率进行一致性处理。如果相邻两个或多个检测点暂态电流采样频率不一致，需要对数据进行处理。

2）对各监测点的暂态电流进行滤波。滤除各监测点记录暂态电流信号的直流分量，之后再进行带通滤波。

3）计算各相邻检测点的相似系数。主控FTU启动后，向所有的FTU发出索要零序电流波形的命令，然后在主控FTU里面计算各个相邻FTU之间的暂态电流波形相似系数。

4）计算相关系数阈值。设置步骤3）中暂态电流波形系数相似度最低的值为阈值ρT，一般为0.5～0.8。

5）确定故障区段。故障发生后，离故障点上游最近的FTU先启动，作为一个主控FTU，然后向所有的FTU发出索要暂态电流波形的命令；主控FTU得到暂态电流波形后，计算他们各自相邻FTU的相似系数。故障区段的确定分以下几种情况：a）对于有2个检测点的线路，若故障点上游的FTU与相邻的FTU的暂态电流相似系数不大于ρT，则为故障区段；否则为非故障线路，继续比较其他相邻FTU暂态电流相似系数直到线路的末端。b）对于3个及以上检测点组成的区段，若故障点上游检测点与各个下游检测点对应的暂态零序电流相似系数都不大于ρT，则为故障区段；否则为非故障区段，继续比较其他相邻FTU暂态电流的相似系数直到线路末端。c）对于最后一个检测点的上游都是非故障线路，则它的下游就是故障线路。

分布式智能小电流接地故障的主要处理流程如图4所示。

图4　分布式智能小电流接地故障的主要处理流程

4　试验分析

在山东理工大学静态模拟实验室进行分布式智能小电流接地故障的试验。静模试验屏上故障线路如图5所示。出线7由闭合CB13、断开CB32、S14、S15、S16、S17构成；该系统由电源1进行供电，在出线7的D14、D15点进行小电流接地故障的试验。线路7中的S14、S15、S16、S17为线路中FTU测量点，主要监视各个检测点的变化。CB13的暂态电流等于站内终端线路的暂态电流。

图5　故障线路的示意

在出线7中，分别对D14、D15接地点进行接地故障的试验。为了避免偶然性，对故障点进行若干次试验，并记录每次试验的故障时间、暂态电流波形、FTU与相邻FTU之间波形的相似系数、FTU处理故障的结果等。

当故障点分别为 D14、D15时，S14、S15、S16、S17的暂态电流波形如图6、图7所示。

图6　D14为故障点时的波形

图7　D15为故障点时的波形

通过对图6、图7中S14、S15、S16、S17旁边的FTU采集到的暂态电流波形计算，分别求出相邻FTU的相似系数如表1所示。

表1　相邻FTU之间波形的相似系数

由表1数据可知，当故障点为D14时，D14、D15间的FTU计算的暂态电流相似系数为0.49小于ρT，而D15、D16之间的暂态电流相似系数分别为0.87大于ρT；则故障区段为S14～S15；同理得，当故障点为D15时，故障区段为S15～S16。通过相邻FTU交换计算结果定位出故障区段，之后再上报给主站。可见，通过对相邻FTU采集到的暂态电流波形比较并计算出相似系数能实现小电流故障的准确定位。

5　结语

提出一种基于分布式智能的小电流接地故障定位方法，即馈线终端（FTU）之间通过对等通信交换故障信息，通过对采集的暂态电流计算相似系数来实现故障区段定位。该方法只需要暂态电流信号，不用暂态电压信号，能适用于所有的检测点，适应范围广。通过静模试验验证了分布式智能故障定位的可行性，与传统的定位方法相比，分布式智能故障定位不依赖于主站，能减小通信压力，可以更加迅速、精确地找到故障位置，提高供电可靠性。

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Small Current Grounding Fault Location Technology Based on Distributed Intelligence

SUN Guihua1，WANG Jinghua2，LIANG Xueliang3，ZHANG Xinhui1，WANG Hui4
（1.Shandong University of Technology，Zibo 255049，China；2.Shandong Kehui Power Automation Co.，Ltd.，Zibo 255087，China；3.Shandong Electric Power Construction Corporation，Jinan 250000，China；4.State Grid Technical Economic Research Institute of Shanxi Power Company，Xi'an 710065，China）

When the single phase to earth fault occurs in the small current grounding system of the distribution network，the similarity degree of the transient current signals is low on both sides of the fault point，but that of the same side is high.Based on this，a distributed intelligent fault location method for small current grounding is proposed.The method utilizes the feeder terminalunit（FTU），whichisadjacenttothefeederterminal，tocollectthefaultinformationfromeachother，andthentocalculate the similarity coefficient of the transient current signal to realize the fault location.Because it does not rely on the master station，the fault section location speed is fast，and the communication pressure is small，thus the reliability of power supply can be significantly improved.The feasibility of the distributed intelligent fault location is verified by the static model test.

distributed intelligence；small current grounding fault；feeder terminal；correlation coefficient；fault section location

TM77

A

1007-9904（2016）08-0001-05

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2012AA050213）

2016-03-08

孙桂花（1988），女，硕士，研究方向为配电网自动化。