基于馈线自动化的配网单相接地故障定位研究

2017-06-05汪宏慧

中国设备工程 2017年10期

关键词：控制组馈线区段

汪宏慧

（中国美术学院风景建筑设计研究院，浙江杭州 310012）

基于馈线自动化的配网单相接地故障定位研究

汪宏慧

（中国美术学院风景建筑设计研究院，浙江杭州 310012）

本文在基于馈线自动化基础上，提出了采用纵向识别原理来定位单相接地故障，并通过混合仿真试验得到了验证，对不接地系统单相接地故障定位技术的发展，具有一定的理论意义和指导作用。

馈线自动化；单相接地；故障定位

配电自动化主要是由馈线自动化和配电管理系统组成的。通信技术是配电自动化的关键部分。目前，我国的配电自动化有很多试点，由分布的主站、分站和馈线端子结构形成的三层结构已得到普遍认可。光纤通信作为通信的主干也已经达成共识。馈线自动化的实现也可以在光纤通信的基础上构建，这使得馈线终端可以彼此快速通信，以实现更高性能的分布网络单相接地故障处理功能。

1 配电网单相接地故障识别研究现状

我国目前的配电网主要是非直接接地系统，就是通过消弧线圈接地系统的中性点或中性点系统。该系统通常发生在单相接地故障中，故障电流就非常小，与系统相连时，存在大量干扰信号，使故障线路和非故障线路识别变得非常困难。根据应用特征，现在情况下的线路选择原理可以分为故障信号和注入信号，其中前者的可使用故障信号分为稳态和瞬态量。针对故障信号采用不同的数学处理，比如“群体比幅比相法”、积分法、模糊数学、小波变换法等等，在对故障信号的不断持续深入研究、硬件水平的逐渐提升的有力支持下，故障选线原理将日趋成熟。

2 基于馈线自动化的配网单相故障处理

目前，故障选线功能无论是由微机选线装置实现，还是集成在配电变电站自动化里，主要采用比较单相接地故障发生后各条馈线出口特征量的大小，属于“横向识别”。借助于馈线终端（FTU）的快速通信和协同处理，配网单相故障处理可以实现“纵向识别”，此种方式并不排除现应用于“横向识别”的一切原理，还可以实现单相接地故障定段功能。

2.1 纵向识别特点

第一，参与协同保护的是整个控制组，一个控制组所含的FTU只是本条馈线上所有的FTU，只要单相接地故障发生在这条馈线上，整个控制组就会识别。

第二，当发生较大的电流故障时，只有一个FTU控制组能启动；并会发生单相接地故障，但是只能依靠零序电压启动，所以整个变电站所有控制组都被激活。

第三，单相接地故障的发生，由于相对复杂的标准，一般处理将放在第一个控制组的第一个节点，不是两两通信。最后，纵向识别不能完全取代横向识别，尤其是对于不是全站实现馈线自动化的变电站，横向识别必不可少。

2.2 纵向识别原理

纵向识别原理如图1所示。图中的1至10是每个交换机的FTU，其中5和10是控制开关的FTU，1和6是节点的FTU。在相对正常操作的中，接触开关时会自动断开，因此未能检测到故障组件。但是为了让5和10能参与到纵向比较，我们通常认为故障是一个有限值。本文的零序电流的瞬态分量和负序电流分量被称作为特征量，并且它们在一些操作之后获得复合特征量W 。假设1～10的复合特征量为W1～W10，八个段的特征值定义为M1～M4，M6～M9。

下面将具体的故障设置成发生在d1至d4点的纵向来比较判断。

图1 典型的配电网示意图

当问题发生在点d1时，相对于故障线来说，开关1就处在最大复合特征量W1处，区段1的特征M1也是最大的，区段2～4之间的特征性非常小；而相对于非故障线，由于6～10处开关的复合特征值都很小而且都比较相似，所以对应6～9区段的特征值也就很小。从以上分析可以看出，故障发生在点d1时，特征值的截面满足以下关系：

式中的δ1～δ3是常数，考虑到多变的接地条件，δ1取5，δ2和δ3一般取3。当区段特征满足式（2）时，就大致可以判断出故障发生在开关1及2之间，区段4和9的特征值M4和M9则没有参与对比的必要性。

当故障发生在点d2时，相对应满足以下关系：

当故障发生于点d3时，相对应的区段特征量满足下列关系：

式（3）～（5）的值δ1～δ3与上述相同。应当注意，由于接触开关通常是断开的，因此在有限值的复杂特征处考虑5和10的实际标准。通常，当发生单相接地故障电流小于1A时，复合特征量就等于1A，这保证了公式5的可靠性。当总线路故障发生的时候，每条馈线间隔特征量Mi不满足公式（2）～（5），每个馈线的第一节点不启动。

2.3 混合仿真试验结果分析

采用实时仿真系统（HYBRISIM）仿真一个典型的110/10kV系统，接线图如图2所示，图中：xs指系统阻抗；变压器为1:1理想变压器，xB为变压器阻抗；xL是消弧线圈，开关K1控制其入出；线路用12个π模型来等值，四条线的长度分别为6km 、9km 、9km 和12km；Zf1～Zf4为四条线路的等效负荷；PT-1和PT-2是电压互感器；CT-1～CT-7是电流互感器；d1～d7为故障点。

图2 典型的110/10kV仿真系统结线图

整个仿真系统工作在100V电压下，仿真系统参数见表1。

表1

表2

通过对试验数据进行了复合特征量的计算，得到的结果列示在表2中。

Nus对应着不接地系统，故障角度分别为90度、80度和0度。Nus对应消弧线圈接地系统，故障角度分别90度、80度和0度。从表2可以得出以下结论。

（1）表中的数据满足垂直识别标准，非合规数据是无故障的，值越接近1，因此可以放宽标准。

（2）当故障的角度越来越小时，则故障容易变多的是特征值。原因是零序电流瞬态分量变小，负序电流分量是重要原因。

（3）当故障的角度为零时，非接地系统故障区特性远大于消弧线圈的故障区特性。这是因为消弧线圈接地系统，当故障角度为零时，存在比较大的零序电流瞬态分量，就导致了负序电流分量权重变小。

（4）当问题发生于点d6时，故障线和非故障线段特征值非常相似，导致故障间隔定位失败。这是因为不考虑其他两个部分。在本实验中，没有考虑其他两个部分的特性值。通过对混合模拟试验数据进行的分析，能证明纵向识别的原理是正确无误的。在此需要特别说明的是，本文采用的复合特征量是满足纵向比较判据要求的，并不代表其他特征量不满足纵向识别判据。