含分布式电源的配电网接地故障自动检测方法

孙小磊，高 骞，杨俊义，薄 洞

(1.国网江苏省电力有限公司连云港供电分公司，江苏 连云港 222000； 2.国网江苏省电力有限公司，江苏 南京 210024； 3.北京国电通网络技术有限公司，北京 100085)

分布式电源(Distributed Generation，DG)具有高环保性、灵活性以及可靠性，在电力系统中占据着不可或缺的地位[1-2]。分布式电源可以选择不接地与接地2种方式，接地方式还可分为：直接接地和通过消弧线圈接地[3]。不管接地还是不接地，这3种情况下产生的故障电流特征都不相同。分布式电源和主网可以通过故障相直接提供接地电流，二者也可通过健全相来交换故障电流[4]。分布式电源不同寻常的接地方式影响着整个系统的零序阻抗，给配电网带来了安全隐患，也增加了接地故障的检测难度。

目前，对于分布式电源并网产生的故障和影响研究较多，文献[5]提出基于BAS-IGA的含分布式电源配电网故障定位方法，生成初始群体，建立了遗传算法的数学模型，并对3个遗传算子进行优化，调整交叉变异率，通过遗传迭代得到了最佳的结果，从而实现了对故障区域的准确定位。文献[6]提出计及逆变型分布式电源的有源配电网单相接地故障分析，分析逆变型分布式电源故障电流特性，建立其故障等值模型，然后对零序电流特征分布进行了分析。虽然上述研究取得一定进展，但是对含分布式电源的配电网接地故障的研究却鲜有涉及，基于此，本文提出了一种接地故障自动检测方法。凭借S变换算法获取配电网接地故障信号特征，为了使提取到的信号时频能量更加聚集，引入控制参数，确保提取到的结果为精准特征；根据故障特征计算每条线路的暂态零序电流峰值，通过比较找出其中的故障线路；凭借线路的暂态能量比值判断其是否发生接地故障。经实验验证，所研究方法不受分布式电源容量影响，实现了对配电网接地故障的有效检测。

1 接地故障信号特征提取

在进行配电网接地故障检测前，需要对故障信号进行特征提取，本文利用S变换算法来实现。S变换算法是指利用高斯窗函数，使窗宽度与频率的倒数呈正比关系，从而避免了窗函数的选取，并改进了窗宽度固定的缺点。将定义为配电网接地信号，经S变换后为：

(1)

式中，τ为时间参数；t为时间；f为信号采样频率；e为采样系数。

对于配电网中故障信号的局部特征可以实现更加精准的提取，在提取配电网故障信号时[7-8]，为了使提取到的信号时频能量更加聚集，固定了高斯窗口的宽度，使提取到的配电网接地信号具有更优秀的时频能量聚集性，实现更加精准的故障信号特征提取。引入量子遗传算法来选取控制参数的最优值，利用时频分布集中程度对进行定量选取[9]：

(2)

Mx(p)的值越小，说明能量分布的集中程度就越高，p值也就越接近最优值。

配电网接地信号经过S变换形成复时频矩阵，可通过时频图像展现出来[10]。提取复时频矩阵中的信息量，即配电网接地故障特征向量。

The frequencies of acupoints,meridians,acupoints distribution on different body parts and acupoints attribute were extracted and analyzed.

2 配电网接地故障自动检测

分布式电源在接入馈线的过程中，零序电流高次谐波数量增加，此时通过积分运算来判断线路是否出现故障，得出结果存在较大误差[11]。基于此，通过比较暂态能量比值的方式，实现配电网接地故障的自动检测。

对比每条线路间的暂态电流峰值(绝对极大值)，明确幅值变化情况。如果仅考虑峰值而不考虑其他因素，由于峰值易受噪声的影响，容易判断失误。所以，本文对每条线路的暂态信号真有效值[12]进行计算：

(3)

式中，ikj为配电网中第k条线路上的第j个采样数据；Iok为配电网中第k条线路的暂态信号真有效值。

当参考线路仅与其中的一条线路呈现反极性时，说明这条线路出现了故障；如果所有线路都与参考线路出现了反极性[3-14]，则说明参考线路为故障线路。还有一种情况，就是所有线路与参考线路之间都是同极性，那么就可以判断配电网出现了母线接地故障[15]。

仅比较暂态零序电流的幅值是无法实现母线接地故障检测的，所以将馈线的暂态能量定义为：

(4)

式中，Ei为第i条馈线的暂态能量；T为检测周期；n为对于馈线的采样点数[16]；si为第i条馈线经S变换后形成的模矩阵。

综上所述，对含分布式电源的配电网，可通过比较各条线路之间的暂态能量比值[17]是否大于1，来判断线路存不存在母线接地故障。判断依据可描述为：

(5)

式中，Ei-m为第i条馈线在采样点m处的暂态能量值。

分析线路的特征频带，找出满足λi>1的馈线，再比较这些馈线的λi值，找出最大值，最大值所对应的线路就是配电网中的故障线路。实现步骤为：①时刻监测配电网中线路电流是否发生突变，以此判断是否有线路发生故障，如果有，记录故障相邻周期内所有馈线的零序电流[18]；②利用S变换算法提取配电网中接地故障信号特征，通过公式(5)计算每条线路的暂态能量值[19]；③遍历所有值，找出最大的3个值，从大到小的顺序排列，得到λa、λb、λc。当λa>λb+λc时，则认定配电网发生了母线接地故障[20]。具体实现过程如图1所示。

图1 配电网接地故障检测流程Fig.1 Grounding fault detection flow chart of distribution network

3 仿真实验

为了验证本文提出的配电网接地故障检测算法在实际中是否同样有效，设计了仿真实验。利用Matlab搭建了含DG的配电网接地系统，具体如图2所示。其中，线路主电源为10 kV，配电网线路选择的是PI型线路。消弧线圈的电感L=0.869 7 H。4条线路的长度分别为13、17、15、15 km。

在L3线路上的1 km处添加1组A相接地故障信号，DG接入在L4线路上，额定容量8 MVA。用式(6)计算每条线路间的暂态能量比值：

(6)

由此，也可以判定L3线路发生了故障。其中配电网接地故障检测现场施工如图3所示。

图2 含DG的配电网接地系统Fig.2 Distribution network grounding system with DG

图3 配电网接地故障检测现场施工Fig.3 Site construction drawing of distribution network grounding fault detection

根据配电网接地故障检测现场施工情况，分析配电网接地故障。当配电网中三相断路器断开时，就发生了A相接地故障。利用本文方法，对故障发生的相邻2个周期做S变换，获得复时频矩阵。

本文构建的配电网接地系统采样频率为20 kHz，采样次数为270次。发生A相接地故障的情况大致分为2种：①中性不接地，故障的初始相角为30°；②中性点通过消弧线圈接地，故障的初始相角为90°。通过本文接地故障检测算法对以上2种情况展开实验分析，第1种故障下4条线路的暂态能量值比较结果见表1。从表1中可以很清楚地看出，L1、L2和L4三条线路的暂态能量值相差较小，只有L3线路的暂态能量值相差较大。所以，L3线路的故障特征最为明显，可判断该条线路出现故障。

表1 中性点不接地情况下4条线路的暂态能量值Tab.1 Transient energy values of 4 lines without neutral grounding

对中性点直接接地情况下进行实验验证，4条线路的暂态能量值如图4所示。

图4 中性点消弧线圈接地情况下4条线路的暂态能量值Fig.4 Transient energy value of 4 lines when neutral arc suppression coil is grounded

通过图4可以很明显地看出，在同一采样点处，L3线路与其他3条线路相比，暂态能量值波动起伏最大，并且与其他线路之间的能量值差异也最大。同时，其他3条线路之间的能量变化曲线波动幅度大致相同。由此可以证明，L3线路发生了故障。

当仅改变配电网中含有DG的容量、其他条件不变时，再次对本文方法进行实验验证。调整L4线路中DG的容量，利用本文方法计算4条线路的暂态能量比值，实验结果如图5所示。

图5 4条线路在DG不同容量下的暂态能量比值Fig.5 Transient energy ratio of 4 lines under different DG capacities

从图5中可以看出，配电网中DG的容量变化并不会影响本文方法对故障线路的检测，依然可以准确地判断L3线路发生了故障。

4 结语

在含DG的配电网中出现接地故障是极为普遍的，尤其是发生单相接地故障时，会导致线路中的零序电流变得极其微弱。但是在故障发生的瞬间，暂态电流信号幅度会突然增大，通过比较峰值即可检测出故障。本文基于这一思路，先利用S变换提取得到配电网接地故障信号特征，再比较线路中暂态零序电流峰值，判断线路是否发生故障。对于母线接地故障，通过比较暂态能量比值的方法来实现。通过仿真实验验证，本文方法可有效检测出配电网接地故障，且不受分布式电源容量的影响。