主动配电网单相接地故障定位方法

高俊青，李题印，胡晓琴，胡 翔

（1.杭州电力设备制造有限公司余杭群力成套电气制造分公司，浙江 杭州 311100；2.国网浙江杭州市余杭区供电有限公司，浙江 杭州 311100）

0 引 言

中国配电网的单相接地故障定位因为非有效性接地方式下故障电流微弱而成为故障定位领域一个亟待解决的难题[1]，这与中国配电网设施相对落后不无关系。目前，中国配电网正在大力发展配电自动化（Distribution Automation，DA）和分布式能源。配电自动化有助于实现精确定位，但分布式电源（Distribution Generator，DG）接入配电网后使得辐射状网络变成含有中小型电源的多电源网络，严重影响了配电网继电保护和故障定位，致使很多适用于传统配电网的故障定位方法不能满足主动配电网的故障定位要求[2]。因此，研究基于DA技术的含DG配电网单相接地故障定位方法具有重要的实用价值。

1 主动配电网单相接地故障特征分析

单相接地的故障特性与主动配电网接线方式具有十分密切的联系。配电网按接线方式可分为小电流接地系统和大电流接地系统。

常用的小电流接地系统接线方式有两种：①主网降压变为Yn-△接线，即配网侧为三角形接线，IIDG升压变接线方式为△-Y，即IIDG侧为三角形接线，配网侧为中心点不接地；②主网降压变为Yn-△接线，即配网侧为三角形接线，母线上添加接地变压器，接地变压器低压侧为Yn接地方式，中性点经消弧线圈接地，IIDG升压变接线方式为△-Y，即IIDG侧为三角形接线，配网侧为中性点不接地。

常用的大电流接地方式为主网降压变为Yn-△接线，即配网侧为三角形接线，母线上添加接地变压器，接地变压器低压侧为Yn接地方式，中性点经小电阻接地，IIDG升压变接线方式为△-Yn，即IIDG侧为三角形接线，配网侧为中性点经小电阻接地。

对于小电流接地系统，单相接地的故障电流为对地电容电流。稳态单相接地故障电流远小于相间短路稳态故障电流。特别对于经消弧线圈接地的小电流系统，由于消弧线圈补偿对地电容电流，单相接地故障电流更小。因此，对于小电流接地系统，必须研究单相接地的暂态特性。

故障后的暂态过程持续时间在10 ms以内，此时分布式电源的低电压穿越控制策略还未起作用，因此可忽略分布式电源对暂态特性的影响。

发生相间短路的馈线稳态故障电流幅值远高于正常馈线，可以直接判断出故障馈线，而单相接地稳态故障电流很小，需要依据暂态电流特征进行判断。图1为不同馈线的零序电流时域波形及频谱。馈线2发生单相接地故障，可以看出，初始时刻馈线零序电流幅值最大，在0～3 000 Hz频率范围，馈线2零序电流频谱能量最大。

在故障点上游设置2个监测点，下游设置1个监测点，所测暂态零序电流波形及频谱分别如图2所示。可以看出，故障点同侧的零序电流波形差异很小，而不同侧零序电流波形初始时刻极性相反，差异较大。同样地，故障点同侧电流频谱相似，而不同侧的电流频谱差异较大。

图1 不同馈线零序电流

图2 馈线2不同监测点零序电流

图3 为采用不同控制策略的故障相电流有效值及分布式电源机端正序电压与故障距离的关系。可以看出，大电流接地方式下，单相接地故障相电流较大，但小于两相短路和三相短路；随着故障距离的增加，故障相电流逐渐减小。

2 大电流接地系统单相接地区段定位方法

由于大电流接地系统单相接地故障电流较大，因此可采用相间短路的故障定位方法。如图4所示，E为主网电源，DG1、DG2为分布式电源，箭头代表负荷，标号1～8为监测点，每处安装FTU，将配网线路分成可①～⑨区段。采集电流信息并将其传输至主站。定义主网电源值负荷方向为正方向，当图4所示的F点故障时，1～8的电流信息依次为1、1、-1、1、-1、-1、0、0。依据FTU上传的0、1信息进行故障定位。

图3 单相接地故障特性

图4 主动配电网故障定位示意图

如图5所示，FTU上传的信息为10位二进制码。其中，前8位表示FTU的编号，第9位表示正负，1代表正方向，0代表负方向，第10位代表有无故障电流，1代表有，0代表没有。图5所示数据信息为第7个FTU没流过故障电流。

图5 FTU上传信息数据格式

定义开关函数如下：

建立如下目标函数：

其中，Ij为第j个区段依据上传的电流信息计算的开关函数，为第j个区段状态值。依据遗传算法求解式（2），得各区段的故障状态信息。

3 小电流接地系统单相接地区段定位方法

图6中E为主网电源，DG1、DG2为分布式电源。1～6装设馈线终端单元FTU，可采集暂态电流信息，并能够实现与主站以及相邻FTU的通信。

图6 单相接地区段定位图

依据前文所分析的主动配电网单相接地暂态故障特性，各监测点所采集的零序暂态电流波形满足以下特征：

（1）若故障点位于相邻两个监测点确定的区段内，则这两个监测点的电流波形不相似且极性相反；

（2）若故障点位于相邻两个监测点确定的区段外，则这两个监测点的电流波形相似且极性相同。

相邻两个电流监测点所获取的暂态电流波形依据式（3）求取相关系数：

由式（3）可知，0≤|ρud|≤1，ρud＞0表示两个波形极性相同，|ρud|越大，表明iu(t)与id(t)波形相似度越高。设定门槛值 ρT∈ [0.4,0.6]。当 |ρud|≥ ρT，表示波形相似度较大；反之，波形相似度较小。

4 结 论

单相接地故障特征与接地方式联系密切。当系统为大电流接地方式时，故障定位方法与相间故障相同；当系统为小电流接地方式时，需要采集暂态电流。由于暂态过程持续时间较短，该过程中分布式电源低电压穿越控制策略还未起作用，因此分布式电源支路可视为开路。主动配电网单相接地故障定位有利于缩短停电时间，提高配网运行可靠性。