基于相似性原理的配电网暂态分界技术研究

史建海，王敬华，褚宏鼎

（1.中国铁路济南局集团有限公司，山东 济南 250000；2.山东理工大学，山东 淄博 255049）

0 引言

近年来，自动分界开关在国内获得了广泛应用，分界开关是将线路分段开关和微机保护测控以及通信功能融为一体的装置，一般安装在用户供电系统与供电企业所管辖的公共配电网的分界点上，可直接切除用户系统故障，或在上级断路器（如变电站线路出口断路器）动作后隔离用户系统内的故障，防止用户侧故障造成同线路上其他用户停电。然而，分界开关在运行过程中，存在误动与拒动现象[1-3]。

配电网一般采用中性点不接地或者经消弧线圈接地方式，在中性点经消弧线圈接地系统中，由于消弧线圈对电流的补偿作用，采用稳态法检测故障的分界开关容易拒动。文献[4]所提故障分界方法过多依赖通信方式，制约因素较多；文献[5]需同时采集工频零序电压和工频零序电流的幅值与相位特征，方法复杂，且工频信号灵敏度差。

针对上述问题，提出一种基于暂态零序电流波形相似性的分界技术，可以避免消弧线圈补偿电流影响，并且利用波形相似的原理进行故障判断，该方法检测灵敏度高，能有效提高分界开关动作可靠性和准确性。

1 稳态法存在的问题

目前现场安装的分界开关一般通过检测稳态（工频）零序电流幅值的方法实现接地故障分界，实际应用中存在误动与拒动现象。

误动现象一部分是由分界开关电流定值过低导致，当故障点位于系统侧时，若用户侧线路较长、对地电容电流较大，则流过分界开关的零序电流可能超过动作值，造成分界开关误动；另一部分是由间歇性接地故障导致，间歇性接地时故障零序电流的暂态分量较大，导致普通稳态方法计算出的零序电流有效值远大于实际值，可能造成分界开关误动[6-7]。

采用中性点经消弧线圈接地的方式，可以有效抑制弧光接地对电力系统的损害，显著提高电力系统的供电可靠性。但当故障发生点位于用户侧时，由于受消弧线圈对电流的补偿作用，使得流过分界开关的故障零序电流减小，甚至小于整定动作值，造成分界开关拒动现象。

2 基于暂态零序电流波形相似性的分界技术

基于暂态零序电流波形相似性的故障分界原理是，选取线路发生单相接地故障时暂态零序电流波形作为参考波形，当发生区内故障时，故障暂态零序电流波形与参考波形相比，极性相同，幅值相近，波形相似度高；当区外故障时，零序电流波形与参考波形相比，极性有差异，幅值差距大，波形相似度低[8]。因此，将2条暂态零序电流采样计算后的相似系数数值作为分界判断的依据。

2.1 零序电流整定值计算

零序电流整定值按照大于本线路稳态电容电流幅值的η倍进行整定：

式中：η为常数，可取为6～10；IB0为稳态电容电流幅值，A；U0为零序电压幅值，A，其数值等于故障点位置正常运行时电压幅值；ω为工频角频率，Hz；C为本线路的单相对地电容。

对线路零序电流互感器所检测到的暂态零序电流 i1（t）进行有效值 I1（t）的计算，判断其是否达到整定值 ISet，若 I1（t）达到整定值 ISet，则进行下一步分界判定，否则判定为区外故障。

《继续医学教育》杂志是由天津市卫生和计划生育委员会主管，天津医学高等专科学校主办的综合类医学期刊，本刊的国际标准刊号为ISSN 1004-6763，国内统一刊号为CN 12-1206/G4。读者对象为各级卫生机构的管理、教学和临床实践的卫生工作者。本刊辟有继续教育实践、医学教育进展、卫生管理进展、医学人文研究、流行病学调查、医疗感染与控制、临床诊疗进展、护理经验探讨、医学检验前沿、医学影像观察、临床病理分析、药物研究进展、中医中药研究、社区卫生管理等栏目，所有栏目均接受作者投稿。栏目介绍如下：

2.2 电流波形相似系数计算

统计学中规定，相似系数是反映两个量之间相似度的量，电流波形相似系数计算公式[9]为

式中：t为采样点，t=1，2，…，n；i1（t）为故障波形暂态零序电流系列值，A；i2（t）为选定波形暂态零序电流系列值，A；ρ12为 i1（t）与 i2（t）间波形相似系数。

2.3 基于暂态零序电流波形法的分界判断

定义 ρset为相似度阈值，可按照 0.4＜ρset＜0.6 进行整定。若 ρ12＜ρset，判断为区外故障；若 ρ12≥ρset，判断为区内故障。

暂态零序电流波形法的分界判断流程如图1所示。

3 仿真验证

暂态零序电流波形法适用于中性点不接地和中性点经消弧线圈接地系统，以中性点经消弧线圈接地系统为例，进行单相接地故障情况下分界方法的仿真验证。

3.1 仿真模型线路结构与参数

基于ATP仿真软件建立仿真模型如图2所示。计算步长为10 μs，采样频率为50 kHz，暂态零序电流采样选取一周波1 000采样点。仿真模型中，线路1为0.24 km架空线路，稳态电容电流0.005 4 A，线路2为1 km电缆线路，稳态电容电流2.597 9 A。设置故障条件如下[9-13]：

1）故障点分别位于线路1、线路2分界开关负荷侧；

3）故障初相角分别为 0°、45°、90°。

含有多条出线的10 kV配电网中，系统接地方式为中性点经消弧线圈接地，全系统电容电流为30 A。系统消弧线圈过补偿度10%，消弧线圈大小为685 mH，并联电阻3 000 Ω补偿后接地电流为3 A。

图2 ATP仿真模型网络结构

3.2 仿真结果分析

为了验证方法准确性，采用图2中仿真模型。将ATP模型仿真数据导入MATLAB，利用编写程序进行数据处理，并加入FIR滤波器，采用200～2 000 Hz带通滤波，得到滤波后的波形，仿真结果如图3与图4所示。

图3 区内故障时波形相似性对比

图4 区外故障时波形相似性对比

图3与图4所示仿真波形中，包含1条零序电流参考波形和1条故障时本线路的零序电流波形。

由上述分析可得结论：区内故障，两故障条件相近时的波形相比，幅值相近、极性相同，波形相似度很高；区外故障时，与参考零序电流波形相比，暂态零序电流很小，两条波形幅值相差很大，且波形相似较低。

波形受故障初相角、接地电阻等条件影响较大，因此根据3.1节中故障条件进行仿真，并在MATLAB中计算得到两条波形的相似系数数值，计算结果如表1～3所示。

表2 区内高阻故障波形相似系数

表3 区外故障波形相似系数

由表1～3可知：

1）相同接地电阻、相同初相角条件下，相似系数数值为1，对于判断故障具有很高的灵敏性；

2）对于接地电阻差较大、不同初相角条件下，相似系数数值很低；

3）区内故障，接地电阻、初相角相近的情况下，相似系数多在0.6以上。区外故障，相似系数值普遍在0.1以下，因此，单相接地故障分界时，选择阈值可以有很大的裕度；

4）验证了基于相似性原理的暂态分界技术的可行性，并初步具备了一定的可靠性和准确性；

5）高阻接地故障下零序电流幅值很小，采用波形法容易导致误动。因此，上述方法中预设一个零序电流启动阈值，对于未达到零序电流动作值的波形，不进行相似系数计算。

4 结语

暂态零序电流波形方法同时适用于中性点不接地和中性点经消弧线圈接地系统。单相接地故障时暂态零序电流幅值很大，因此具有很高的检测灵敏性，并且不受用户线路长度影响。区内、区外故障波形相似系数计算值相差很大，有很大的相似度阈值。

所提暂态波形分界法相比稳态法有明显优势，具有更高的检测灵敏性和更好的可靠性，并且不需要提高硬件设备条件，实用性强。通过仿真实验，验证了方法可行性和可靠性。暂态波形法还处于仿真阶段，对于该方法可靠性的进一步研究工作，还需要大量的工程现场应用完成。