一种新型配电网单相接地故障定位策略及其应用

丁娟，张衡

（国网宁夏电力有限公司，宁夏银川 750001）

0 引言

中性点小电流接地在未来相当一段时间内仍将占据国内中低压配电网接地方式的主导地位[1-2]。单相接地故障是配电网小电流接地系统最常见的故障，约占80%以上[3]。现代电力系统中，由于馈线增多且对地电容电流变大，若长时间带故障运行将导致绝缘击穿，进而引起相间短路，破坏电力系统安全运行[4]。单相接地故障时电流微弱、电弧不稳定，从而导致此类故障可靠检测和定位困难。近年来，配电网单相接地故障选线技术取得了长足的发展，基本能够正确判定单相接地线路，但是，在配电网单相接地故障定位方面，仍缺乏有效的技术手段[5]。

配电自动化系统的大规模应用为配电网单相接地故障定位创造了有利条件，但是，目前的配电自动化终端一般都不具备有效的单相接地故障信息检测与判别功能，配电自动化主站系统不具备有效的单相接地故障区段定位功能。针对上述情况，本文提出一种基于多源信息综合判断的配电自动化单相接地定位策略。该策略采用“站内选线+站外区段定位”模式，变电站中性点消弧线圈并联中值电阻选线装置和电缆线路配电自动化终端分别采集故障信息，由主站根据该故障信息及配电自动化终端提供的零序过流动作等信息进行故障分析。利用配电自动化系统在数据采集、传输与应用方面的优势，并充分研究单相接地故障定位策略，实现配电网单相接地故障区段精准定位，通过建立不同接地方式的单相接地故障定位示范工程验证本方案的可行性。

1 配电网故障数据融合

配电网多级别结构按照信息价值的递进关系将信息融合分为数据层融合、特征层融合和决策层融合。这三个层次融合诊断信息的表征水平由低到高，分别满足故障检测、故障识别和故障定位的需要，最终通过融合决策得出诊断结果。其结构如图1所示。

图1 多级别融合结构

1.1 数据层融合

数据层融合直接对单相接地监测装置的原始观测数据进行综合和分析。要实现数据层融合，其监测装置必须相同或匹配，并能够在原始数据上实现关联，且需保证是对同一目标或状态的数据融合[6]。数据层融合即相当于对单相接地监测装置获取的信息进行综合处理。从图1可以看出，数据层融合的结果主要用于故障检测和为特征层融合提供信息两个方面。目前，用于故障诊断的数据层融合的主要方法有小波变换、FFT、加权平均法、算术平均法和贝叶斯理论等。

1.2 特征层融合

特征层融合通过对单相接地监测装置采集的数据进行预处理并获取数据特征信息和数据匹配，在此基础上对所获特征进行关联处理，从而完成目标的融合识别过程,因此，特征层融合本质上是一种模式识别方法。从图1可知，特征层融合过程主要包括三个方面：对数据层的融合结果进行预处理，完成故障识别和为更高级决策层融合提供信息。目前，应用于故障诊断领域的特征层融合方法主要有人工神经网络、卡尔曼滤波、模式识别诊断方法和模糊理论等。

1.3 决策层融合

决策层融合在配电网信息融合故障分析模型层次结构最高。决策层融合基于不同类型的监测装置建立起来的监测网络，通过预处理、特征提取、特征识别和判决来完成对某一目标或状态的监测和初步决策，通过关联处理和决策层融合判决获得联合推断结果；因此，决策层融合输出是一个综合所有信息的诊断结果，完成故障定位，并输出诊断结果。

2 配电网在线监测终端故障区段定位策略

配电自动化系统主站实时开展故障扫描，当满足故障启动判据时，故障定位分析程序将自动启动。利用故障信息解析技术提取线路多点间及同母线多线路间各测点的故障特征基因，并通过对不同选线方法提取出的故障特征基因进行归一化处理，进而构建故障特征基因集并生成配电网在线监测终端的故障区段定位策略。该策略运行如图2所示。

图2 策略运行

故障定位策略运行的整体思路如下：

第一步，当主站系统接收到配电网在线监测终端录波启动动作信号后，主动召唤母线下所有线路故障录波文件。

第二步，利用波形解析技术，将收集的波形文件进行进一步解析，将抽取出的三相电流、三相电压、零序电流等电气量采样值绘制出波形图，以供人工分析。

第三步，对波形文件进行深度解析，定量计算相电流突变值、波形相似度以及基于EMD分解技术的固有模态能量值，提取出故障特征基因。

第四步，对通过不同故障诊断方法计算出的故障特征量进行归一化处理，构建特征基因集。

第五步，将特征基因最明显的配电网在线监测终端特征基因转换成配电网在线监测终端接地翻牌动作信号，并发送给短路故障处理机制。

第六步，根据前几步提取的故障信号量，沿用短路故障处理的拓扑算法和处理机制完成单相接地故障定位的闭环处理。

2.1 提取故障特征基因

通过解析波形文件可获取各电气量的采样值并完成波形还原，此外，需要通过定量计算来辅助故障区段定位，并利用基于EMD分解技术的固有模态能量法，对单相接地故障进行仿真分析，进而提取出不同接地方式、不同接地过渡电阻、不同的故障初相角等条件下配电网单相接地故障稳态、暂态特征原始数据。

2.2 构建故障特征基因集

由于不同选线方法所提取出的故障特征基因没有横向可比性，因此需要将不同维度下提取的基因值进行归一化处理，构建不同级别的故障特征基因集以提高定位故障区段的可信度。构建基因集如图3所示。其中，黄色代表特征基因组号B，故障特征最明显；红色代表特征基因组号A，故障特征仅次于组号B的特征；蓝色代表特征基因组号C，故障特征不明显。

图3 故障特征基因集

基于EMD分解技术的固有模态能量法仿真数据，可以得出，故障区段的固有模态能量值最大。根据该特点，可提取出其特征基因并构建成基因集，具体实施方法如下：

（1）将所有的固有模态能量值组成一个集合{i0_emd}，从中获取到该集合中的最大能量值i0_emd_max，最小能量值i0_emd_min；

（2）计算两个最值之间的中间值i0_emd_mid，即i0_emd_mid=（i0_emd_max-i0_emd_min）÷2，归集原则：特征基因落在[i0_emd_min，i0_emd_mid]区间，特征基因组号置为1；落在[i0_emd_mid,i0_emd_max]区间，特征基因组号置为3。

最后，综合波形相似度和固有模态能量值构建的故障特征基因集，如果至少有两种方法构建的某一配电网在线监测终端波形特征基因组号都为3，就确定该配电网在线监测终端代表的是故障点，并将其作为故障区段定位的一个策略发送给短路故障处理机制，供后续定位分析。

3 配电网单相接地故障定位

配电网的多级别分析中，数据层来源于配电网在线监测终端对接地故障的录波文件，通过解析技术提取录波文件中的故障特征因子和故障基因集并组成特征层，并利用调度自动化主站和配电自动化主站系统的相关数据集构建决策层，进而完成对单相接地故障分析定位。

单相接地故障研判采用“站内选线+站外区段定位”的模式，由变电站中性点消弧线圈并联中值电阻选线装置和电缆线路配电自动化终端分别采集故障信息，并由主站进行综合研判。主站研判所需信号来源主要分为两部分：由主网EMS系统转发变电站母线接地故障指示信号、母线3U0和并联中值电阻选线装置选线结果，由配电自动化终端提供包含零序电流峰值的零序过流动作信息。

单相接地故障多源信息处理流程如图4所示，流程处理如下：

图4 单相接地故障定位流程

（1）收到母线发生接地故障指示信号；

（2）启动分析，分析母线下游所有线路是否有配电网在线监测终端上送的接地故障告警信号；

（3）找到有接地故障告警信号的线路，与变电站提供的选线结果进行比对；

（4）比对结果符合，开始进行故障定位并提供相应的建议操作步骤；

（5）比对结果不符，按照配网动作信号的结论进行故障定位并给出相应的建议操作步骤，同时提示结果与变电站选线结果不符，提示调度人员加以分析；

（6）没有找到配网保护动作信息，检查变电站是否有选线结果；

（7）变电站有选线结果，提示故障接地区域为选线线路的出线电缆故障；

（8）变电站没有选线结果，提示有接地故障，但是无法判定故障区域。

单相接地故障分析功能与传统故障定位功能的区别在于需要对保护关联关系进行更正，这是由于指示短路故障的指示信号与指示接地故障的指示信号所对应的设备列表可能不相同；因此，需要对设备关联的保护/配电网在线监测终端的类型做区分，接地故障时读取接地故障类型的信号关联关系，短路故障时，读取短路故障类型的信号关联关系，从而满足多类型故障的需求。

3.1 站外区段定位

站外区段定位结果由并联中值电阻投入期间配电自动化终端采集零序电流幅值经主站分析后给出。主站对零序过流峰值量测信息的分析逻辑如下：

（1）系统收到母线接地信号，等待一定时间收集信号；

（2）系统开始对母线下游到联络开关的所有设备进行拓扑搜索，搜索设备中零序过流电流峰值最大的设备，并根据该设备搜索到上游断路器，确定接地线路；

（3）对该条线路上的保护动作信号有效值进行比对；

（4）校验下游设备动作的电流峰值与紧邻的上游设备动作的电流峰值之差是否大于规定限值（限值由用户根据经验给出）；

（5）大于规定限值的保护动作认为无效；

（6）没有大于规定限制的保护动作认为有效；

（7）完成零序保护信号的有效值分析，开始进行故障定位。

具体流程如图5所示。

图5 基于零序过流的单相接地主站研判流程

3.2 站内选线

站内选线的结果由消弧线圈并联中值电阻选线装置独立给出。并联中值电阻并联在消弧线圈两端，在接地时快速投入并联电阻，投入时间不超过1 s，通过这种方式向接地点注入有功分量，使接地线路的电流幅值与相位都有比较明显的变化，以便与其他正常线路相区分。与以往的小电流选线相比，该选线方法选线时流入接地点的电流幅值大，相位变化明显。单相接地发生后，系统等效电路见图6，通过理论计算得到各回出线线路系数K和电阻投切有关的系数δ，根据系数δ判定是母线接地还是非母线接地，通过线路系数K找出接地故障线路。

图6 并联中值电阻选线

消弧线圈并联中值电阻选线方式综合了调匝式消弧线圈补偿速度快和电阻选线两种方式的优点，既保持了电阻接地可以准确选线的优点，又采用预调式消弧线圈减少接地点残流，限制弧光接地过电压，确保对瞬时性接地进行有效补偿，对于永久性接地故障准确选线，必要时可以跳闸。

4 应用效果

为了验证本文所提策略的可行性，某供电公司在78座变电站内配置小电流接地选线装置49座，在221条架空线路安装暂态录波型故障指示器301套。配电网架空线路中，通过2021年的实际应用，截至到2021年6月，累计反馈架空线路接地148次，暂态故指动作148次，正确率由小于30%提高到100%。

在配电网电缆线路中，累计发生跳闸369次，经检查均因单相接地造成，根据调研结果，累计判断接地365次，正确率由小于30%提高到98․91%，可靠性提高到99․991%。

5 结语

随着国网公司对配电自动化实用化加速推进，各种类型的配电终端、故障指示器接入配电自动化主站，为单相接地在线定位提供了条件。本文充分利用配电自动化系统在数据采集、传输与应用方面的优势，结合配电自动化主站，提出一种新型配电网单相接地故障定位策略。该策略采用“站内选线+站外区段定位”模式，由主站根据该故障信息及配电自动化终端提供的零序过流动作等信息进行综合研判。通过建立不同接地方式的单相接地故障定位工程应用，验证了该策略可有效提升配电网的接地故障准确率，对实际的工程应用具有很强的推广作用。