基于电力扰动信号的主动式单相接地故障定位技术

肖开伟，许晓平，赵振刚，田庆生，梁仕斌，李 川

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500；2.云南电力试验研究院(集团)有限公司，云南 昆明 650217)

我国中低压配电网大多采用中性点非有效接地运行方式[1]。在小电流接地系统中发生最多的故障是单相接地故障[2-3]，发生单相接地后，非故障两相的相电压升高，但线电压却依然对称，因而系统可继续运行1～2 h[4-5]。但若长期运行，不仅影响了用户的正常供电，而且可能产生过电压，烧坏设备，甚至引起相间短路而扩大事故，对电力系统造成重大损失。

为解决单相接地故障的精确定位问题，许多学者做了大量的研究[6-11]。目前接地故障检测的方法主要分为主动检测定位法和被动检测定位法[12]。主动式故障检测定位方法是在线路故障发生后向系统注入特定信号，根据相应的定位原理确定故障位置，主要有信号源法[12-14]；被动式故障检测定位方法则是利用线路故障前后线路本身电压、电流信号特征的变化设计定位判据，确定故障位置，主要有暂态综合判据法、首半波法、阻抗法、行波法等[15-17]。本文在信号源法的基础上，采用电力扰动信号装置产生可控扰动电流，当单相接地故障形成后，在故障相上人为制造可控、可检测的电流扰动，然后根据可靠的扰动信号提取算法和扰动信号判定阈值确定方法提取和识别该扰动信号，并根据该扰动信号的传播范围判定故障位置，解决单相接地故障的定位问题。

1 单相接地故障定位方法基本原理

单相接地故障定位方法的基本原理如图1所示，故障定位通过电力扰动信号发生装置和检测装置实现，发生装置在故障线路上产生可控、可检测的电流扰动信号。检测装置安装在线路上，由装置自带的CT模块取得故障线路故障相的电流，此电流包含负载电流和发生装置产生的可控扰动电流。但由于装置自带CT传变准确度有限，加之负荷电流的波动，使得正常情况下也会有一定强度的背景电流扰动，给扰动信号识别构成障碍。因此必须有一种简单可靠的扰动信号提取算法和扰动信号判定阈值确定方法对该扰动信号进行可靠提取和识别，将扰动电流信号从总电流中分离出来，并尽可能还原扰动信号强度，从而实现故障定位。

图1 配电线路单相接地故障定位技术原理图

2 电力扰动信号检测装置的信号提取

2.1 扰动信号提取算法

扰动信号提取算法由单片机实现，算法不能过于复杂和耗时。根据扰动信号特征以及负荷电流的波动特征，提出针对单相接地故障定位扰动信号的“双重提取算法”。该算法对采集到的线路电流进行两次不同规则的整周电流相减运算，可以有效降低负荷波动产生的背景电流扰动强度，增强故障定位扰动信号，即有效扰动信号的强度。

电力扰动信号发生装置每隔一个周波触发一次，在故障线路上产生一个电流扰动。图2的上图所示为信号检测装置检测到的叠加了电流扰动的线路电流，其中周期C1、C3、C5含有电流扰动，扰动电流强度值约为5 A；周期C2、C4、C6中无电流扰动。图2的中、下图描述了“双重提取算法”过程，每一步提取都采用特定规则的整周相减方法，具体规则为：将电流周期数用m编号(m=1, 2, 3, …)，以每3个周期为一个信号提取段，信号提取段N(N=1, 2, 3,…)的3个周期编号m为2(N-1)+1，2(N-1)+2和2(N-1)+3。提取信号规则为：C2(N-1)+2-C2(N-1)+1，C2(N-1)+3-C2(N-1)+2。这样，m个周期提取n个扰动信号(n=m)，每个扰动信号占时一个周波。之后将第一次提取出来的n个扰动信号再做Cn+1-Cn提取，得到(n-1)个增强的扰动信号。

图2中图所示为第一次提取电流扰动信号的结果，可以观察到明显的负荷波动产生的背景电流扰动。下图所示为第二次提取电流扰动信号的结果，从图可看出通过采用“双重提取算法”，不仅可以将负荷波动引起的背景扰动信号大幅度降低，同时还能将有用的扰动电流信号强度从5 A增强到约8 A。

图2 电力扰动信号“双重提取算法”

2.2 扰动信号判定阈值方法

(1) 能量判据。由主动注入信号法产生的电力扰动信号，一周期内的能量累积会明显大于没有晶闸管导通时的电流信号在一周期内的能量累积，所以可以通过比较两者在能量量值上的差异，确定出能识别出扰动信号的能量判据。为能有效识别出扰动信号，需躲过正常电流的波动的大小，一般情况下实际负荷波动电流峰值约为1%～2%的负荷电流峰值，利用上文中所采用的“双重提取算法”，考虑一定的裕量，确定取能量法判据为

(1)

其中，W1为有扰动时的周期能量值(含负荷波动和人为扰动)，W0为晶闸管未导通时，提取的负荷波动能量值，即背景电流扰动能量值。能量值的计算方式如下

(2)

其中，in为在扰动周期中的采样瞬时值，N为整个扰动周期(晶闸管导通期间)的采样点数；

(2) 频谱特性判据。考虑到没有晶闸管导通时的电流信号在不同情况下波动较大，谐波幅值波动也较大，所以在晶闸管导通角较小时，两者之比很小且呈现随机分布的规律，为了防止误判的发生，将识别扰动信号的判据确定为

(3)

其中，Ih1为扰动信号的2、3、4次谐波电流幅值；Ih0为没有晶闸管导通时电流信号的2、3、4次谐波电流幅值，当3个谐波比值同时满足判据时，判定扰动发生。

3 单相接地故障定位方法仿真分析

如图3所示为仿真验证用10 kV配电线路系统图，系统参数如表1所示。16XL-26XL为π型等效线路，每个线路模块模拟5 km架空线。仿真模型共设置4个故障点，分别为D15(5 km)、D14(10 km)、D13(15 km)、D16(20 km)。

表1 系统参数

图3 系统仿真模型

3.1 能量法判据仿真分析

在仿真系统故障点D15处设置A相发生单相接地故障、B相首端短时导通晶闸管，设置不同的接地电阻大小、不同的晶闸管导通角，得到一系列二次提取的扰动信号能量量值与没有晶闸管导通时电流信号能量量值数据，如图4所示。其中，Rf为接地电阻、W1为有扰动信号的周期能量量值，W0为背景电流扰动一个周期的能量量值。

图4 故障点D15(5 km)当有无晶闸管导通时的电流能量分布

将另外3个故障点下也分别设置不同接地电阻、不同晶闸管导通角，得到一系列扰动信号能量量值与没有晶闸管导通时的电流信号能量量值数据，如表2为D14(10 km)故障点仿真能量值。

表2 D14(10 km)故障点仿真-能量值

由图4和表2可以看出，故障点扰动信号的能量量值很大，且随各参数的变化有较规律的变化。背景电流扰动能量量值呈现无规律分布，负荷噪音分布规律，且量值很小，满足所提的能量法判据，说明方法和判据有效，能对扰动信号正确识别。

3.2 频谱法判据仿真分析

在仿真系统各故障点D15、D14、D13、D16处，设置A相发生单相接地故障，B相首端短时导通晶闸管，通过二次提取的方式，提取扰动信号以及没有晶闸管导通时的电流信号，并进行FFT分析，得到分别的2～4次谐波电流幅值，将两则进行对比。设置不同的接地电阻阻值(100～1 000 Ω)，不同的晶闸管导通角大小(10°～30°)，得到一系列2～4次谐波比值数据，表3和表4所示为故障点D15(5 km)、D14(10 km)的数据。

表3 故障点D15(5 km)仿真-谐波 (2～4次)比值(×103)

续表3

7007.177.27.27.29.69.49.39.49.311.210.910.210.5101 000746.66.96.79.83.87.39712.03.46.9106.3

表4 故障点D14(10 km)仿真-谐波(2～4次)比值(×103)

在表3和表4中，数据从上到下为扰动信号与无晶闸管导通时的电流信号2～4次谐波幅值之比。由表中数据可以看出，扰动信号的谐波幅值与没有晶闸管导通时的电流信号谐波幅值比达数千倍，验证了该判据的可行性。

4 结束语

单相接地故障是电力系统中发生率最高的故障，基于此，本文提出了一种基于电力扰动信号的主动式单相接地故障定位方法，该方法利用主动注入信号的方法改变原有故障电流信号的特性，电力扰动检测装置对该扰动信号进行可靠提取和识别，从而实现故障定位。采用的 “双重提取算法”可以有效地降低负荷波动产生的背景电流扰动强度，增强故障定位扰动信号。采用能量法和频谱法来判定扰动信号的阈值，Matlab仿真结果表明该方法和判据有效，能对扰动信号正确识别。该故障定位方法，能够在不影响线路正常工作的前提下，对单相接地故障进行准确定位，此方法原理简单，定位准确度高，成本较低，易于推广。目前该方法已经应用在云南配电网中。

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