小电流接地系统单相接地注入信号源协调控制策略研究*

杨海生，王先佐，杨孟卓，孙凯，宫鑫，齐郑

(1. 国网晋中供电公司，山西 晋中 030600； 2.国网辽宁省电力有限公司，沈阳 110006； 3.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206)

0 引 言

小电流接地系统单相接地故障定位问题长期以来没有得到很好地解决[1-3]。近年来，为了解决故障定位问题，我国配电网安装了大量的注入信号源，与故障指示器或者FTU、DTU配合，进行故障定位[4-7]。但是当配电网的运行方式发生变化时，有可能出现多个注入信号源并列运行的情况[8-9]。在实际运行中，并列运行的单相接地注入信号源往往同时动作，不仅导致中性点电压的长时间波动，也导致了故障电流增加，甚至转化为相间短路故障，影响了供电可靠性[10-11]。多注入信号源协调控制的难点在于两个方面，第一个是协调控制策略，第二个是不同情况下的定位方法[12-13]。

研究分析了多注入信号源协调控制策略，主站调度服务器和多个注入信号源之间进行实时通信，形成分布式控制系统。当配电网的运行方式发生变化时，主站调度服务器控制一台注入信号源投入运行，同时闭锁其他注入信号源，避免单相接地注入信号源误动和频繁调节。根据注入信号源的不同位置，本文深入分析了定位方法的差异。数字仿真分析验证了所提出的方法的有效性。

1 协调控制系统结构

1.1 注入信号源基本原理

注入信号源由一次设备和二次设备组成，一次设备如图1所示，包括电压互感器、电流互感器、开关、电阻，二次设备为控制器。控制器实时监视变电站母线三相电压和零序电压，当检测到中性点电压升高或者某一相电压降低而其他两相电压升高时，控制器有规律的控制开关闭合和断开。开关闭合后将原来的单相接地故障转变为经过电阻的相间短路故障，产生了相电流的变化，安装在线路上的故障指示器或者FTU设备根据相电流的变化情况进行故障定位。

图1 注入信号源基本原理

1.2 注入信号源协调控制系统

注入信号源协调控制系统的结构如图2所示，Sub1、Sub2和Sub3为三个变电站，Circuit1、Circuit2、Circuit3、Circuit4和Circuit5为线路，s1、s2、s3是线路上的单相接地注入信号源，b1、b2、b3和b4为线路的联络开关。正常运行时，所有线路分段运行，每一个电源都有一个单相接地注入信号源。但是当电网运行方式发生变化的，有可能导致多个单相接地注入信号源在同一个电网中并列运行。

图2 注入信号源协调控制系统

所有注入信号源的控制器通过光纤连接到位于调度端的主站服务器Server上，进行实时通信，上传本地单相接地注入信号源信息；当配电网运行方式改变时，调度主站服务器Server选择其中一个单相接地注入信号源控制器为主控制器，闭锁其他单相接地注入信号源；当配电网发生单相接地故障时，所述主控制器控制单相接地注入信号源注入信号，其他单相接地注入信号源由于闭锁不会注入信号。

1.3 协调控制策略

理论上位于配电网上的任何一个注入信号源都可以作为主控制器，但是注入信号源的位置有可能影响故障定位，所以应优先选择位于电源侧的注入信号源作为主控制器。

仍以图2为例，当变电站Sub2停电后将b3闭合，由线路Circuit1来转供线路Circuit4的负荷，此时会导致s1和s2并列运行。此时，在新的网络结构下，s1位于电源侧，s2位于线路末端，所以调度主站服务器自动优先选择注入信号源s1作为主控制器，同时闭锁注入信号源s2。当发生单相接地故障时，仅仅由s1注入信号。这样就保证在任何一个来自同一个电源的区域内，只有一台单相接地注入信号源工作，其余闭锁。

2 单相接地故障定位方法

目前与注入信号源配合的故障指示器的原理比较简单，只是判断相电流是否随着注入信号源投入电阻发生变化进行判断，但是如果注入信号源的位置不同，产生的相电流变化并不相同，因此需要分别进行分析。

2.1 注入信号源位于电源侧

如果注入信号源位于电源侧，则等值电路如图3所示，假设线路2发生A相单相接地故障，注入信号源将闭合C相的开关。

图3 注入信号源位于电源侧

发生单相接地后，注入信号源投入之前，故障指示器检测到的电流为：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

根据图3可知，只有电源和接地点之间路径上(包括分支线路)的故障指示器能够检测到电流的变化，而其他非故障线路和非故障分支线路检测不到电流的变化。

2.2 注入信号源位于线路末端

如果注入信号源位于线路末端，则等值电路如图4所示。

图4 注入信号源位于线路末端

可以发现投入C相电阻造成的短路电流路径为电源-接地点-注入信号源，这样在电源至注入信号源路径上的故障指示器也会检测到电流的变化。因此不能单纯通过电流变化与否进行故障定位。

通过图4可以发现，在故障线路上，电源和接地点之间路径上(包括分支线路)A相的故障指示器会检测到电流变化；而在非故障线路上，电源和注入信号源路径上C相的故障指示器会检测到电流的变化。这样根据检测电流变化的相是否为故障相，可以判断故障指示器是否位于故障路径上。

2.3 单相接地故障统一判据

综上，无论注入信号源位于电源侧还是线路末端，都可以采用如下统一判据进行故障定位：

(1)某个故障指示器检测到电流发生变化；

(2)该故障指示器位于故障相上。

满足这两个条件的故障指示器一定在故障路径上，根据网络拓扑关系就可以进行故障定位。

3 数字仿真分析

3.1 注入信号源位于电源侧分析

利用EMPT/ATP软件建立数字仿真模型如图5所示，所有参数都与现场实际情况匹配。

图5 注入信号源在电源侧仿真

设0.1 s时A相发生单相接地故障，0.2 s时注入信号源投入C相电阻，0.3 s时断开电阻。由图6可见，电阻投入前后故障路径上的相电流发生了较大变化。

3.2 注入信号源位于线路末端分析

注入信号源在线路末端仿真模型如图7所示，故障时间及注入信号源的投入时间保持不变，故障路径上的相电流与图6一致，而非故障线路上的A、C两相电流变化如图8所示。可以看出电阻投入前后C相电流发生了变化，而A相电流没有发生变化。

图6 故障区段A相电流

图7 注入信号源在线路末端仿真

图8 非故障线路A、C相电流

综上可以看出，如果故障指示器仅仅判断是否检测到电流变化，而不区分是否为故障相的话，将会产生误判，而文章提出的方法可以有效解决这一问题。

4 结束语

所设计的注入信号源协调控制策略能够在配电网的运行方式发生变化时，保证只有一台注入信号源投入运行，闭锁其他注入信号源，避免单相接地注入信号源误动和频繁调节。同时提出的故障定位统一判据可以保证注入信号源在任何位置的情况下，实现准确的故障定位。数字仿真验证表明，提出的方法准确可行，具有很高的实用价值。