肖開偉，許曉平，趙振剛，田慶生，梁仕斌，李 川

(1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；2.云南電力試驗研究院(集團)有限公司，云南 昆明 650217)

我國中低壓配電網(wǎng)大多采用中性點非有效接地運行方式[1]。在小電流接地系統(tǒng)中發(fā)生最多的故障是單相接地故障[2-3]，發(fā)生單相接地后，非故障兩相的相電壓升高，但線電壓卻依然對稱，因而系統(tǒng)可繼續(xù)運行1～2 h[4-5]。但若長期運行，不僅影響了用戶的正常供電，而且可能產(chǎn)生過電壓，燒壞設備，甚至引起相間短路而擴大事故，對電力系統(tǒng)造成重大損失。

為解決單相接地故障的精確定位問題，許多學者做了大量的研究[6-11]。目前接地故障檢測的方法主要分為主動檢測定位法和被動檢測定位法[12]。主動式故障檢測定位方法是在線路故障發(fā)生后向系統(tǒng)注入特定信號，根據(jù)相應的定位原理確定故障位置，主要有信號源法[12-14]；被動式故障檢測定位方法則是利用線路故障前后線路本身電壓、電流信號特征的變化設計定位判據(jù)，確定故障位置，主要有暫態(tài)綜合判據(jù)法、首半波法、阻抗法、行波法等[15-17]。本文在信號源法的基礎上，采用電力擾動信號裝置產(chǎn)生可控擾動電流，當單相接地故障形成后，在故障相上人為制造可控、可檢測的電流擾動，然后根據(jù)可靠的擾動信號提取算法和擾動信號判定閾值確定方法提取和識別該擾動信號，并根據(jù)該擾動信號的傳播范圍判定故障位置，解決單相接地故障的定位問題。

1 單相接地故障定位方法基本原理

單相接地故障定位方法的基本原理如圖1所示，故障定位通過電力擾動信號發(fā)生裝置和檢測裝置實現(xiàn)，發(fā)生裝置在故障線路上產(chǎn)生可控、可檢測的電流擾動信號。檢測裝置安裝在線路上，由裝置自帶的CT模塊取得故障線路故障相的電流，此電流包含負載電流和發(fā)生裝置產(chǎn)生的可控擾動電流。但由于裝置自帶CT傳變準確度有限，加之負荷電流的波動，使得正常情況下也會有一定強度的背景電流擾動，給擾動信號識別構(gòu)成障礙。因此必須有一種簡單可靠的擾動信號提取算法和擾動信號判定閾值確定方法對該擾動信號進行可靠提取和識別，將擾動電流信號從總電流中分離出來，并盡可能還原擾動信號強度，從而實現(xiàn)故障定位。

圖1 配電線路單相接地故障定位技術(shù)原理圖

2 電力擾動信號檢測裝置的信號提取

2.1 擾動信號提取算法

擾動信號提取算法由單片機實現(xiàn)，算法不能過于復雜和耗時。根據(jù)擾動信號特征以及負荷電流的波動特征，提出針對單相接地故障定位擾動信號的“雙重提取算法”。該算法對采集到的線路電流進行兩次不同規(guī)則的整周電流相減運算，可以有效降低負荷波動產(chǎn)生的背景電流擾動強度，增強故障定位擾動信號，即有效擾動信號的強度。

電力擾動信號發(fā)生裝置每隔一個周波觸發(fā)一次，在故障線路上產(chǎn)生一個電流擾動。圖2的上圖所示為信號檢測裝置檢測到的疊加了電流擾動的線路電流，其中周期C1、C3、C5含有電流擾動，擾動電流強度值約為5 A；周期C2、C4、C6中無電流擾動。圖2的中、下圖描述了“雙重提取算法”過程，每一步提取都采用特定規(guī)則的整周相減方法，具體規(guī)則為：將電流周期數(shù)用m編號(m=1, 2, 3, …)，以每3個周期為一個信號提取段，信號提取段N(N=1, 2, 3,…)的3個周期編號m為2(N-1)+1，2(N-1)+2和2(N-1)+3。提取信號規(guī)則為：C2(N-1)+2-C2(N-1)+1，C2(N-1)+3-C2(N-1)+2。這樣，m個周期提取n個擾動信號(n=m)，每個擾動信號占時一個周波。之后將第一次提取出來的n個擾動信號再做Cn+1-Cn提取，得到(n-1)個增強的擾動信號。

圖2中圖所示為第一次提取電流擾動信號的結(jié)果，可以觀察到明顯的負荷波動產(chǎn)生的背景電流擾動。下圖所示為第二次提取電流擾動信號的結(jié)果，從圖可看出通過采用“雙重提取算法”，不僅可以將負荷波動引起的背景擾動信號大幅度降低，同時還能將有用的擾動電流信號強度從5 A增強到約8 A。

圖2 電力擾動信號“雙重提取算法”

2.2 擾動信號判定閾值方法

(1) 能量判據(jù)。由主動注入信號法產(chǎn)生的電力擾動信號，一周期內(nèi)的能量累積會明顯大于沒有晶閘管導通時的電流信號在一周期內(nèi)的能量累積，所以可以通過比較兩者在能量量值上的差異，確定出能識別出擾動信號的能量判據(jù)。為能有效識別出擾動信號，需躲過正常電流的波動的大小，一般情況下實際負荷波動電流峰值約為1%～2%的負荷電流峰值，利用上文中所采用的“雙重提取算法”，考慮一定的裕量，確定取能量法判據(jù)為

(1)

其中，W1為有擾動時的周期能量值(含負荷波動和人為擾動)，W0為晶閘管未導通時，提取的負荷波動能量值，即背景電流擾動能量值。能量值的計算方式如下

(2)

其中，in為在擾動周期中的采樣瞬時值，N為整個擾動周期(晶閘管導通期間)的采樣點數(shù)；

(2) 頻譜特性判據(jù)?？紤]到?jīng)]有晶閘管導通時的電流信號在不同情況下波動較大，諧波幅值波動也較大，所以在晶閘管導通角較小時，兩者之比很小且呈現(xiàn)隨機分布的規(guī)律，為了防止誤判的發(fā)生，將識別擾動信號的判據(jù)確定為

(3)

其中，Ih1為擾動信號的2、3、4次諧波電流幅值；Ih0為沒有晶閘管導通時電流信號的2、3、4次諧波電流幅值，當3個諧波比值同時滿足判據(jù)時，判定擾動發(fā)生。

3 單相接地故障定位方法仿真分析

如圖3所示為仿真驗證用10 kV配電線路系統(tǒng)圖，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。16XL-26XL為π型等效線路，每個線路模塊模擬5 km架空線。仿真模型共設置4個故障點，分別為D15(5 km)、D14(10 km)、D13(15 km)、D16(20 km)。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

圖3 系統(tǒng)仿真模型

3.1 能量法判據(jù)仿真分析

在仿真系統(tǒng)故障點D15處設置A相發(fā)生單相接地故障、B相首端短時導通晶閘管，設置不同的接地電阻大小、不同的晶閘管導通角，得到一系列二次提取的擾動信號能量量值與沒有晶閘管導通時電流信號能量量值數(shù)據(jù)，如圖4所示。其中，Rf為接地電阻、W1為有擾動信號的周期能量量值，W0為背景電流擾動一個周期的能量量值。

圖4 故障點D15(5 km)當有無晶閘管導通時的電流能量分布

將另外3個故障點下也分別設置不同接地電阻、不同晶閘管導通角，得到一系列擾動信號能量量值與沒有晶閘管導通時的電流信號能量量值數(shù)據(jù)，如表2為D14(10 km)故障點仿真能量值。

表2 D14(10 km)故障點仿真-能量值

由圖4和表2可以看出，故障點擾動信號的能量量值很大，且隨各參數(shù)的變化有較規(guī)律的變化。背景電流擾動能量量值呈現(xiàn)無規(guī)律分布，負荷噪音分布規(guī)律，且量值很小，滿足所提的能量法判據(jù)，說明方法和判據(jù)有效，能對擾動信號正確識別。

3.2 頻譜法判據(jù)仿真分析

在仿真系統(tǒng)各故障點D15、D14、D13、D16處，設置A相發(fā)生單相接地故障，B相首端短時導通晶閘管，通過二次提取的方式，提取擾動信號以及沒有晶閘管導通時的電流信號，并進行FFT分析，得到分別的2～4次諧波電流幅值，將兩則進行對比。設置不同的接地電阻阻值(100～1 000 Ω)，不同的晶閘管導通角大小(10°～30°)，得到一系列2～4次諧波比值數(shù)據(jù)，表3和表4所示為故障點D15(5 km)、D14(10 km)的數(shù)據(jù)。

表3 故障點D15(5 km)仿真-諧波 (2～4次)比值(×103)

續(xù)表3

7007.177.27.27.29.69.49.39.49.311.210.910.210.5101 000746.66.96.79.83.87.39712.03.46.9106.3

表4 故障點D14(10 km)仿真-諧波(2～4次)比值(×103)

在表3和表4中，數(shù)據(jù)從上到下為擾動信號與無晶閘管導通時的電流信號2～4次諧波幅值之比。由表中數(shù)據(jù)可以看出，擾動信號的諧波幅值與沒有晶閘管導通時的電流信號諧波幅值比達數(shù)千倍，驗證了該判據(jù)的可行性。

4 結(jié)束語

單相接地故障是電力系統(tǒng)中發(fā)生率最高的故障，基于此，本文提出了一種基于電力擾動信號的主動式單相接地故障定位方法，該方法利用主動注入信號的方法改變原有故障電流信號的特性，電力擾動檢測裝置對該擾動信號進行可靠提取和識別，從而實現(xiàn)故障定位。采用的 “雙重提取算法”可以有效地降低負荷波動產(chǎn)生的背景電流擾動強度，增強故障定位擾動信號。采用能量法和頻譜法來判定擾動信號的閾值，Matlab仿真結(jié)果表明該方法和判據(jù)有效，能對擾動信號正確識別。該故障定位方法，能夠在不影響線路正常工作的前提下，對單相接地故障進行準確定位，此方法原理簡單，定位準確度高，成本較低，易于推廣。目前該方法已經(jīng)應用在云南配電網(wǎng)中。

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