基于IEC 61850的中压配电网单相接地故障定位的研究

李开文，徐光超，林才春，黄 亮，黄 蕾

（国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江 宁波 315000）

基于IEC 61850的中压配电网单相接地故障定位的研究

李开文，徐光超，林才春，黄 亮，黄 蕾

（国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江 宁波 315000）

为适应配电网环网化的发展现状以及IEC 61850标准不断发展和扩大的趋势，以及进一步提高配电网小电流接地故障定位算法的鲁棒性和精度，根据环网发生单相接地故障时合环前后零序电流潮流发生改变的特性，提出了环网合环零序电流增量法的小电流故障定位方法。该方法具有占用硬件、通信资源少，无需各个测量点时间同步，无需新增专门设备，以及抗干扰能力强等优点。并给出了符合IEC 61850标准的故障定位基本单元的建模，建立了故障定位基本单元的逻辑节点和逻辑设备，提出了基于IEC 61850标准的配电网小电流接地故障定位系统。

配电环网；小电流接地；故障定位；IEC 61850

0 引言

在全国电网结构中，配电网是电网的重要组成部分，是保障电力“配得下、用得上”的关键环节。截止2011年底，国家电网公司中压配电网中10 kV电压等级的线路长度、变压器台数和投资额都占绝大多数[1-2]。我国10 kV中压配电网大部分已经形成了“手拉手”和环网结构。与此同时，随着数字化变电站的不断建设，IEC 61850协议已经成为了迄今为止变电自动化领域最为完善的通信标准。并且IEC 61850还在不断地完善和发展，未来IEC 61850标准的应用范围将进一步扩大，不仅涉及变电站内部通信，还将涵盖变电站与控制中心、变电站与变电站、配电自动化、新能源和储能等领域，即覆盖电力生产的各个环节[3]。

由中压配电网小电流接地接地故障短路电流小、配电网络拓扑结构复杂、线路长度短等特点导致的小电流接地选线和定位一直以来是研究的难点和热点，也取得了一些成果。传统的故障选线定位方法按照其采用的故障特征信号量分类可分为暂态法、稳态法和注入信号法。暂态法主要包括行波法[4-5]、暂态分量法[6-7]；稳态法主要包括阻抗法、比相法[8-9]；信号注入法主要包括离线信号注入法[10]和在线信号注入法[11]。以上文献所提出的方法一方面具有固有的不足：

（1）暂态法需要采集相应的故障信号的暂态分量，因此对硬件要求较高，特别是在日益电缆化的配电环网，较大的对地等效电容对电压行波波头的破坏尤为严重，即使采用了小波变化等高级数学方法也无法从根本上保证判断的准确性。

（2）稳态法（特别是判据采用的故障信号的绝对值）在负载、网络参数变化频繁的配电网中效果不佳，使得其抗干扰能力不强，而比相法则需要各个采样点同步采样，增加了授时装置。

（3）信号注入法具有最好的定位精度，但是存在如下问题：离线信号注入法需要在线路停电下才能工作，违背了尽量减少停电时间的原则；在线信号注入法增加了额外的设备与电源，并且注入信号的容量受制于耦合设备的容量，过渡阻抗对定位精度有较大的影响。

另一方面，这些文献没有给出兼容IEC 61850标准协议的定义和模型。文献[12-13]在IEC 61850框架下初步提出了故障定位选线的模型和装置。

为此提出了一种利用安装在各个分段点上的零序电流测量装置监测发生单相接地故障后配电环网通过合环操作改变系统零序电流分布的故障定位方法。把10 kV配电馈线线路、环网柜的FTU单元以及环网分段开关纳入到IEC 61850体系下，并参考文献[12-13]给出了符合IEC 61850标准的故障定位系统基本测量单元、环网分段开关的逻辑节点和设备模型的定义。

1 故障定位方法

1.1 配电环网典型接线

早期的配电网主要采用的是单电源辐射网接线方式，一旦线路或者电源发生故障，对用户的影响和造成的损失较大。这种接线方式目前还存在于一些偏远地区。按照电力公司的规划性文件，现在的城镇配电网主要向环网化电缆化方向发展。参照文献[14]，10 kV配网线路典型接线图如图1所示。

图1 10 kV配电网络典型接线

当前的城市配电网一般采用的是环网设计，开环运行的原则。正常情况下环网开环点的分段开关断开，配电网处于开环运行状态，此时可以等效为两个辐射状网络。一旦环网的一侧出现电源或者线路故障，可以通过合上环网开关、分开分段开关对负荷进行转供并隔离故障。架空线路的分段开关通常为柱上真空开关，电缆线路的分段开关通常由SF6负荷开关为主要元件的环网柜构成。随着材料和工艺的进步，这些分段开关在短时间内可以承受2 kA以上的合环冲击电流。架空线路的户外真空开关通常和“看门狗”配合使用，而环网柜大多已经安装了零序电流互感器或者预留了其安装位置。这些分段开关和零序电流互感器构成了新型故障定位方法的物质基础。

1.2 环网合环对系统零序电流分布的影响

在环网线路发生故障后，调度人员通常会进行倒换负荷操作。负荷倒换存在热倒和冷倒两种方式，热倒为先合环网开关，再分开相关分段开关，反之则为冷倒。热倒不会造成负荷供电中断，提高了供电可靠性，但是在操作之前需经过核算才能进行。冷倒操作简单，但会造成用户的短时停电。

当小电流接地系统发生单相接地故障后，故障相对地电压为零，非故障相对地电压变为线电压，故障电流为系统非故障相所有对地电容电流之和，从序分量角度分析为零序分量。但是配电系统的三相对称并未被破坏，因此可以继续带故障运行2 h，以便查找出故障点并进行抢修。

此处提出的配电网单相接地故障定位核心思想为：配电环网发生单相接地故障后，通过短时间的合环操作，改变原有对地电容分布，从而改变了零序电流的潮流。分布在各个分段开关的零序电流测量单元通过监测零序电流的变化量进行故障定位。假设环网带单相接地故障合环后，有功无功潮流的改变不会使变压器的保护装置和线路的继电保护装置动作。忽略线路的零序阻抗，环网带单相接地故障合环的零序等效网络见图2。

图2 系统零序等效网络

当t1时刻环网开关左侧某点发生单相接地故障时，其零序电流的分布如图2中所示，此时，由于K1尚未闭合，环网右侧未引入单相接地点，右侧系统无零序电压，故I0N=0。为进一步分析方便，假设r=0，可知：

环网开关K1在t2时刻闭合，健全的线路引入了单相接地点，原本平衡的相电压被打破，环网开关左侧的零序电压不为零，线路对地电容在零序电压的激励下产生了零序电流。故障点左侧的等效电容此时公式变为：

1.3 环网合环零序电流增量法

当过渡电阻不能忽略时，环网合环引起流过接地点的零序电流增加，导致故障点的零序电压值下降，使得I0r必然小于但环网左侧等效电容的大幅增加，使得I0l依然大于故可得出环网合环零序电流增量法判定故障点的判据：

式中：M，N为一段线路两端的测量点；ζ为判断上阈值；ξ为判断下阈值。

ζ和ξ的引入是为了提高算法的鲁棒性和抗干扰能力。ζ和ξ的值根据实际而定，一般ξ为1个很小的数，如0.02；ζ大于ξ，如1。发生环网开关合环后从合环点向故障分段的电源方向搜索各个零序电流测量点合环后与合环前的零序电流之差，故障点即在MN之间。

2 符合IEC 61850的故障定位建模

根据以上提出的利用比较检测环网合环前后零序电流有效值的增量法进行故障定位。每个分段开关处（“看门狗”或环网柜内）装设的高精度零序电流互感器、开关本体和FTU单元构成了故障定位系统的IED（智能电子设备）。参照文献[3]对故障定位系统基本单元进行IEC 61850建模。

2.1 逻辑节点和数据

故障定位系统的IED的主要工作流程为测量零序电流值和开断环网开关。依照尽量选用IEC 61850-7-4中已规定的逻辑节点类的原则，LSBU（定位系统基本单元）所有的逻辑节点如表1所示。

表1 定位系统基本单元IED的逻辑节点

其中，零序电流测量逻辑节点使用的是非相位相关测量逻辑节点，虽然馈线线路是三相系统，但是线路中的零序电流可以用单相电流表示。XSWILP与MMXNZ的逻辑节点见表 2和表3。

IEC 61850-7-4中已规定的XSWI和MMXN逻辑节点并不适应本方法的实际需求，因此对这2个逻辑节点的相关数据进行扩充。XSWILP.LoPtEna定义了负荷开关是否为开环点，其特性有：1条环网线路只有1个开环点；只有被设定成开环点的分段开关才能进行合闸操作，其他负荷开关在定位过程中处于闭锁状态。MMXNZ.SapBeEna和MMXNZ.SapAfEna分别为合环前后采样使能，当其被主站置1后采集并计算一次零序电流有效值，并记数值于MMXNZ.SapBeVal和MMXNZ.SapAfVal。MMXNZ.DfVal为合环前后的零序电流采样有效值之差，即MMXNZ.SapAfVal-MMXNZ.SapBeVal。

表2 分段开关逻辑节点

表3 零序电流测量逻辑节点

2.2 逻辑设备和服务器的构建

对于整条配电线路，同一个FTU物理设备可构成不同的逻辑设备。区别于其他线路自动化功能所对应的逻辑设备，此处提出的故障定位系统的基本定位单元的逻辑设备如图3所示。

在现实中，1条环网线路需安装若干故障定位系统的基本单元。在IEC 61850体系中，故障定位系统所提供的故障定位服务同样也包含了若干故障定位系统基本逻辑设备。由于本定位方法不需要在通信线路上传输瞬时采样值，因此1个具有MMS访问点的服务器即可构成故障定位系统的服务器，其通信方式采用客户端/服务器的通信模式。

图3 故障定位系统基本单元逻辑设备

3 IEC 61850体系下故障定位过程

馈线上安装的故障定位系统基本单元通过通信媒介接入变电站所属的IEC 61850网络。通信媒介可为与馈线一同铺设的光缆、电力公司通信专用网，在偏僻地区可用3G或GPRS与站属网络构成的VPN（虚拟专用网络）等。随着通信技术的不断进步，通信媒介也在不断发展，但该技术不在本文讨论范围。本文假设各个基本单元均接入站属馈线小电流接地故障定位服务器所在的IEC 61850网络。

通过基本定位单元IED、IEC 61850通信总线和定位服务器构成的数字化小电流接地故障定位系统是对现实世界中由分段开关、馈线和相应变电站母线组成的配电系统的有效建模，如图4所示。在图4中，单相接地故障发生在分段开关M和N之间，在故障定位系统启动之前，环网开关K1一直处于分闸状态。当变电站内部故障选线装置选出故障线路之后，本故障定位系统启动。故障定位流程如下：

（1）合环前故障定位服务器向所有故障定位逻辑设备发出采集一次零序电流指令。即发送广播信号，使所有逻辑设备的零序电流测量逻辑节点的SapBeEna数据置位。

（2）零序电流测量逻辑节点在采样、计算零序电流有效值后置StaBe标志位，并通过通信总线发送至服务器，表示转换完毕。同时存储当前零序电流有效值至SapBeVal。

（3）服务器在确认所有节点均采集完合环前有零序电流有效值后，发送合环开关闭合指令。但是只有XSWILP.LoPtEna=1的负荷开关接受到合环指令后，负荷开关才会动作。

图4 IEC 61850体系下故障定位过程

（4）服务器在确认环网合环后，向所有故障定位逻辑设备发出采集环网合环后零序电流指令。即发送广播信号，使所有逻辑设备的零序电流测量逻辑节点的SapAfEna数据置位。

（5）零序电流测量逻辑节点在采样、计算零序电流有效值后置StaAf标志位，存储当前零序电流有效值至SapBeVal，计算DfVal值并存储。之后各个逻辑节点向服务器端上传DfVal值。

（6）服务器根据公式所构成的判据，从各个逻辑设备上传的DfVal顺序查找发生故障的区间。并向开环点的环网开关发出分闸指令，使环网工作在开环状态。

（7）根据判据和数据能判断出故障点时，故障定位服务器向控制中心和配电检修工程师站同时发出故障发生地点告警信号，使得故障线路得到及时抢修。即使因某种原因（如通信校验错误）未能判断出故障点，待故障线路经过校验后，重新进行一次故障定位流程即可，或者给出相关信息以便工作人员及时排除故障。

4 结语

针对配电环网化的发展趋势，分析了当配电环网一侧发生单相接地故障时，环网合环后零序电流稳态量的变化趋势，并根据这种变化趋势提出了利用环网合环前后零序电流有效值变化量作为小电流故障定位原理及判据。

该方法的优点有：采用线路的零序电流的增量值作为故障特征量，相比于行波法和暂态分量法，减少了对故障信息采集硬件的要求；相比于比相法，由于不需要同步采样计算相位，因此省去了时间同步环节；相比于零序比幅法，消除了因故障电流绝对值小和共模干扰带来的误差；相比于注入信号法，本方法无需增加额外的物理设备和相应的电源。

同时根据IEC 61850标准，对分布在线路分段开关的基本定位单元进行了符合IEC 61850标准的分层建模，构建了对应基本定位单元的逻辑设备及其包含的逻辑节点，在此基础上给出了一种适应未来配电网的小电流接地故障定位系统。通过统一、标准的信息交互模型和数据，该系统为进一步提高故障定位精度、隔离故障直至最终实现自愈电网奠定了基础，对智能配电网的实现具有积极意义。

[1]韩丰.配电网发展现状及工作重点[M]//中国电力年鉴.北京：中国电力出版社，2012.

[2]国家电网公司.电网发展[M]//中国电力年鉴.北京：中国电力出版社，2011.

[3]何磊.IEC 61850应用入门[M].北京：中国电力出版社，2012.

[4]林圣，武骁，何正友，等.基于行波固有频率的电网故障定位方法[J].电网技术，2013，37（1）∶270-275.

[5]王阳，曾祥君，黎锐烽，等.基于图论的配电网故障行波定位新算法[J].电力系 统自动化 ，2012，36（18）∶143-147.

[6]张林利，徐丙垠，薛永端，等.基于线电压和零模电流的小电流接地故障暂态定位方法[J].中国电机工程学报，2012，32（13）∶110-115.

[7]孙波，孙同景，薛永端，等.基于暂态信息的小电流接地故障区段定位[J].电力系统自动化，2008，32（3）∶52-55.

[8]郑顾平，姜超，李刚，等.配网自动化系统中小电流接地故障区段定位方法[J].中国电机工程学报，2012，32（13）∶103-109.

[9]张利，杨以涵，杨秀媛，等.移动式比相法配电网接地故障定位研究[J].中国电机工程学报，2009（7）∶91-97.

[10]张利，杨以涵，杨秀媛.配电网离线故障定位方法研究与实现[J].电力系统自动化，2009（1）∶70-74.

[11]樊淑娴，徐丙垠，张清周.注入方波信号的经消弧线圈接地系统故障选线方法[J].电力系统自动化，2012，36（4）∶91-95.

[12]韩国政，徐丙垠.小电流接地故障选线和定位装置的IEC 61850 信息建模[J].电力系统自动化，2011（5）∶57-60.

[13]齐郑，郭锐，杨以涵.基于数字化变电站的小电流接地故障选线实现方案[J].电力系统自动化，2009（24）∶54-57.

[14]Q/GDW 370-2009城市配电网技术导则[S].2009.

[15]李开文，袁荣湘，邓翔天，等.含分布式电源的环网故障定位的改进矩阵算法[J].电力系统及其自动化学报，2014，26（12）∶62-68.

2017-09-22

李开文（1991），男，助理工程师，从事电力系统调度监控运行工作。

（本文编辑：陆 莹）

Study for Single-phase Grounding Fault Location in Medium Voltage Distribution Networks Based on IEC 61850

LI Kaiwen， XU Guangchao， LIN Caichun， HUANG Liang， HUANG Lei
（State Grid Ningbo Power Supply Company， Ningbo Zhejiang 315000， China）

In order to adapt to the development of distribution ring networks and the continuous development and expansion of IEC 61850 and further improve the robustness and accuracy of small current grounding fault location algorithm，this paper puts forward a small current fault location method which is called ring network loop closing zero-sequence current increment method based on the characteristic of zero-sequence current flow change before or after loop closing in the case of single-phase earth fault in ring network.This method has the advantages of less hardware， less communication resources and strong anti-interference ability， which needs no synchronization of each measuring point and no new special equipment.This paper also gives the modeling of the basic unit of fault location in accordance with IEC 61850 standard，which establishes the logic node and logic equipment of the basic unit of fault location.A small current fault location system for distribution networks based on IEC 61850 is proposed in this paper.

distribution ring network； small current grounding； fault location； IEC 61850

10.19585/j.zjdl.201711007

1007-1881（2017）11-0040-05

TM862

B