丁娟，張衡

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏銀川 750001）

0 引言

中性點(diǎn)小電流接地在未來(lái)相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)仍將占據(jù)國(guó)內(nèi)中低壓配電網(wǎng)接地方式的主導(dǎo)地位[1-2]。單相接地故障是配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)最常見(jiàn)的故障，約占80%以上[3]?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)中，由于饋線增多且對(duì)地電容電流變大，若長(zhǎng)時(shí)間帶故障運(yùn)行將導(dǎo)致絕緣擊穿，進(jìn)而引起相間短路，破壞電力系統(tǒng)安全運(yùn)行[4]。單相接地故障時(shí)電流微弱、電弧不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致此類(lèi)故障可靠檢測(cè)和定位困難。近年來(lái)，配電網(wǎng)單相接地故障選線技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，基本能夠正確判定單相接地線路，但是，在配電網(wǎng)單相接地故障定位方面，仍缺乏有效的技術(shù)手段[5]。

配電自動(dòng)化系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用為配電網(wǎng)單相接地故障定位創(chuàng)造了有利條件，但是，目前的配電自動(dòng)化終端一般都不具備有效的單相接地故障信息檢測(cè)與判別功能，配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)不具備有效的單相接地故障區(qū)段定位功能。針對(duì)上述情況，本文提出一種基于多源信息綜合判斷的配電自動(dòng)化單相接地定位策略。該策略采用“站內(nèi)選線+站外區(qū)段定位”模式，變電站中性點(diǎn)消弧線圈并聯(lián)中值電阻選線裝置和電纜線路配電自動(dòng)化終端分別采集故障信息，由主站根據(jù)該故障信息及配電自動(dòng)化終端提供的零序過(guò)流動(dòng)作等信息進(jìn)行故障分析。利用配電自動(dòng)化系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、傳輸與應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)，并充分研究單相接地故障定位策略，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段精準(zhǔn)定位，通過(guò)建立不同接地方式的單相接地故障定位示范工程驗(yàn)證本方案的可行性。

1 配電網(wǎng)故障數(shù)據(jù)融合

配電網(wǎng)多級(jí)別結(jié)構(gòu)按照信息價(jià)值的遞進(jìn)關(guān)系將信息融合分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合。這三個(gè)層次融合診斷信息的表征水平由低到高，分別滿(mǎn)足故障檢測(cè)、故障識(shí)別和故障定位的需要，最終通過(guò)融合決策得出診斷結(jié)果。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多級(jí)別融合結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)層融合

數(shù)據(jù)層融合直接對(duì)單相接地監(jiān)測(cè)裝置的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合和分析。要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層融合，其監(jiān)測(cè)裝置必須相同或匹配，并能夠在原始數(shù)據(jù)上實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，且需保證是對(duì)同一目標(biāo)或狀態(tài)的數(shù)據(jù)融合[6]。數(shù)據(jù)層融合即相當(dāng)于對(duì)單相接地監(jiān)測(cè)裝置獲取的信息進(jìn)行綜合處理。從圖1可以看出，數(shù)據(jù)層融合的結(jié)果主要用于故障檢測(cè)和為特征層融合提供信息兩個(gè)方面。目前，用于故障診斷的數(shù)據(jù)層融合的主要方法有小波變換、FFT、加權(quán)平均法、算術(shù)平均法和貝葉斯理論等。

1.2 特征層融合

特征層融合通過(guò)對(duì)單相接地監(jiān)測(cè)裝置采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并獲取數(shù)據(jù)特征信息和數(shù)據(jù)匹配，在此基礎(chǔ)上對(duì)所獲特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，從而完成目標(biāo)的融合識(shí)別過(guò)程,因此，特征層融合本質(zhì)上是一種模式識(shí)別方法。從圖1可知，特征層融合過(guò)程主要包括三個(gè)方面：對(duì)數(shù)據(jù)層的融合結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理，完成故障識(shí)別和為更高級(jí)決策層融合提供信息。目前，應(yīng)用于故障診斷領(lǐng)域的特征層融合方法主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卡爾曼濾波、模式識(shí)別診斷方法和模糊理論等。

1.3 決策層融合

決策層融合在配電網(wǎng)信息融合故障分析模型層次結(jié)構(gòu)最高。決策層融合基于不同類(lèi)型的監(jiān)測(cè)裝置建立起來(lái)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)預(yù)處理、特征提取、特征識(shí)別和判決來(lái)完成對(duì)某一目標(biāo)或狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和初步?jīng)Q策，通過(guò)關(guān)聯(lián)處理和決策層融合判決獲得聯(lián)合推斷結(jié)果；因此，決策層融合輸出是一個(gè)綜合所有信息的診斷結(jié)果，完成故障定位，并輸出診斷結(jié)果。

2 配電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)終端故障區(qū)段定位策略

配電自動(dòng)化系統(tǒng)主站實(shí)時(shí)開(kāi)展故障掃描，當(dāng)滿(mǎn)足故障啟動(dòng)判據(jù)時(shí)，故障定位分析程序?qū)⒆詣?dòng)啟動(dòng)。利用故障信息解析技術(shù)提取線路多點(diǎn)間及同母線多線路間各測(cè)點(diǎn)的故障特征基因，并通過(guò)對(duì)不同選線方法提取出的故障特征基因進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而構(gòu)建故障特征基因集并生成配電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)終端的故障區(qū)段定位策略。該策略運(yùn)行如圖2所示。

圖2 策略運(yùn)行

故障定位策略運(yùn)行的整體思路如下：

第一步，當(dāng)主站系統(tǒng)接收到配電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)終端錄波啟動(dòng)動(dòng)作信號(hào)后，主動(dòng)召喚母線下所有線路故障錄波文件。

第二步，利用波形解析技術(shù)，將收集的波形文件進(jìn)行進(jìn)一步解析，將抽取出的三相電流、三相電壓、零序電流等電氣量采樣值繪制出波形圖，以供人工分析。

第三步，對(duì)波形文件進(jìn)行深度解析，定量計(jì)算相電流突變值、波形相似度以及基于EMD分解技術(shù)的固有模態(tài)能量值，提取出故障特征基因。

第四步，對(duì)通過(guò)不同故障診斷方法計(jì)算出的故障特征量進(jìn)行歸一化處理，構(gòu)建特征基因集。

第五步，將特征基因最明顯的配電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)終端特征基因轉(zhuǎn)換成配電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)終端接地翻牌動(dòng)作信號(hào)，并發(fā)送給短路故障處理機(jī)制。

第六步，根據(jù)前幾步提取的故障信號(hào)量，沿用短路故障處理的拓?fù)渌惴ê吞幚頇C(jī)制完成單相接地故障定位的閉環(huán)處理。

2.1 提取故障特征基因

通過(guò)解析波形文件可獲取各電氣量的采樣值并完成波形還原，此外，需要通過(guò)定量計(jì)算來(lái)輔助故障區(qū)段定位，并利用基于EMD分解技術(shù)的固有模態(tài)能量法，對(duì)單相接地故障進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而提取出不同接地方式、不同接地過(guò)渡電阻、不同的故障初相角等條件下配電網(wǎng)單相接地故障穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)特征原始數(shù)據(jù)。

2.2 構(gòu)建故障特征基因集

由于不同選線方法所提取出的故障特征基因沒(méi)有橫向可比性，因此需要將不同維度下提取的基因值進(jìn)行歸一化處理，構(gòu)建不同級(jí)別的故障特征基因集以提高定位故障區(qū)段的可信度。構(gòu)建基因集如圖3所示。其中，黃色代表特征基因組號(hào)B，故障特征最明顯；紅色代表特征基因組號(hào)A，故障特征僅次于組號(hào)B的特征；藍(lán)色代表特征基因組號(hào)C，故障特征不明顯。

圖3 故障特征基因集

基于EMD分解技術(shù)的固有模態(tài)能量法仿真數(shù)據(jù)，可以得出，故障區(qū)段的固有模態(tài)能量值最大。根據(jù)該特點(diǎn)，可提取出其特征基因并構(gòu)建成基因集，具體實(shí)施方法如下：

（1）將所有的固有模態(tài)能量值組成一個(gè)集合{i0_emd}，從中獲取到該集合中的最大能量值i0_emd_max，最小能量值i0_emd_min；

（2）計(jì)算兩個(gè)最值之間的中間值i0_emd_mid，即i0_emd_mid=（i0_emd_max-i0_emd_min）÷2，歸集原則：特征基因落在[i0_emd_min，i0_emd_mid]區(qū)間，特征基因組號(hào)置為1；落在[i0_emd_mid,i0_emd_max]區(qū)間，特征基因組號(hào)置為3。

最后，綜合波形相似度和固有模態(tài)能量值構(gòu)建的故障特征基因集，如果至少有兩種方法構(gòu)建的某一配電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)終端波形特征基因組號(hào)都為3，就確定該配電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)終端代表的是故障點(diǎn)，并將其作為故障區(qū)段定位的一個(gè)策略發(fā)送給短路故障處理機(jī)制，供后續(xù)定位分析。

3 配電網(wǎng)單相接地故障定位

配電網(wǎng)的多級(jí)別分析中，數(shù)據(jù)層來(lái)源于配電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)終端對(duì)接地故障的錄波文件，通過(guò)解析技術(shù)提取錄波文件中的故障特征因子和故障基因集并組成特征層，并利用調(diào)度自動(dòng)化主站和配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)集構(gòu)建決策層，進(jìn)而完成對(duì)單相接地故障分析定位。

單相接地故障研判采用“站內(nèi)選線+站外區(qū)段定位”的模式，由變電站中性點(diǎn)消弧線圈并聯(lián)中值電阻選線裝置和電纜線路配電自動(dòng)化終端分別采集故障信息，并由主站進(jìn)行綜合研判。主站研判所需信號(hào)來(lái)源主要分為兩部分：由主網(wǎng)EMS系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)變電站母線接地故障指示信號(hào)、母線3U0和并聯(lián)中值電阻選線裝置選線結(jié)果，由配電自動(dòng)化終端提供包含零序電流峰值的零序過(guò)流動(dòng)作信息。

單相接地故障多源信息處理流程如圖4所示，流程處理如下：

圖4 單相接地故障定位流程

（1）收到母線發(fā)生接地故障指示信號(hào)；

（2）啟動(dòng)分析，分析母線下游所有線路是否有配電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)終端上送的接地故障告警信號(hào)；

（3）找到有接地故障告警信號(hào)的線路，與變電站提供的選線結(jié)果進(jìn)行比對(duì)；

（4）比對(duì)結(jié)果符合，開(kāi)始進(jìn)行故障定位并提供相應(yīng)的建議操作步驟；

（5）比對(duì)結(jié)果不符，按照配網(wǎng)動(dòng)作信號(hào)的結(jié)論進(jìn)行故障定位并給出相應(yīng)的建議操作步驟，同時(shí)提示結(jié)果與變電站選線結(jié)果不符，提示調(diào)度人員加以分析；

（6）沒(méi)有找到配網(wǎng)保護(hù)動(dòng)作信息，檢查變電站是否有選線結(jié)果；

（7）變電站有選線結(jié)果，提示故障接地區(qū)域?yàn)檫x線線路的出線電纜故障；

（8）變電站沒(méi)有選線結(jié)果，提示有接地故障，但是無(wú)法判定故障區(qū)域。

單相接地故障分析功能與傳統(tǒng)故障定位功能的區(qū)別在于需要對(duì)保護(hù)關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行更正，這是由于指示短路故障的指示信號(hào)與指示接地故障的指示信號(hào)所對(duì)應(yīng)的設(shè)備列表可能不相同；因此，需要對(duì)設(shè)備關(guān)聯(lián)的保護(hù)/配電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)終端的類(lèi)型做區(qū)分，接地故障時(shí)讀取接地故障類(lèi)型的信號(hào)關(guān)聯(lián)關(guān)系，短路故障時(shí)，讀取短路故障類(lèi)型的信號(hào)關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而滿(mǎn)足多類(lèi)型故障的需求。

3.1 站外區(qū)段定位

站外區(qū)段定位結(jié)果由并聯(lián)中值電阻投入期間配電自動(dòng)化終端采集零序電流幅值經(jīng)主站分析后給出。主站對(duì)零序過(guò)流峰值量測(cè)信息的分析邏輯如下：

（1）系統(tǒng)收到母線接地信號(hào)，等待一定時(shí)間收集信號(hào)；

（2）系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)母線下游到聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的所有設(shè)備進(jìn)行拓?fù)渌阉?，搜索設(shè)備中零序過(guò)流電流峰值最大的設(shè)備，并根據(jù)該設(shè)備搜索到上游斷路器，確定接地線路；

（3）對(duì)該條線路上的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)有效值進(jìn)行比對(duì)；

（4）校驗(yàn)下游設(shè)備動(dòng)作的電流峰值與緊鄰的上游設(shè)備動(dòng)作的電流峰值之差是否大于規(guī)定限值（限值由用戶(hù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出）；

（5）大于規(guī)定限值的保護(hù)動(dòng)作認(rèn)為無(wú)效；

（6）沒(méi)有大于規(guī)定限制的保護(hù)動(dòng)作認(rèn)為有效；

（7）完成零序保護(hù)信號(hào)的有效值分析，開(kāi)始進(jìn)行故障定位。

具體流程如圖5所示。

圖5 基于零序過(guò)流的單相接地主站研判流程

3.2 站內(nèi)選線

站內(nèi)選線的結(jié)果由消弧線圈并聯(lián)中值電阻選線裝置獨(dú)立給出。并聯(lián)中值電阻并聯(lián)在消弧線圈兩端，在接地時(shí)快速投入并聯(lián)電阻，投入時(shí)間不超過(guò)1 s，通過(guò)這種方式向接地點(diǎn)注入有功分量，使接地線路的電流幅值與相位都有比較明顯的變化，以便與其他正常線路相區(qū)分。與以往的小電流選線相比，該選線方法選線時(shí)流入接地點(diǎn)的電流幅值大，相位變化明顯。單相接地發(fā)生后，系統(tǒng)等效電路見(jiàn)圖6，通過(guò)理論計(jì)算得到各回出線線路系數(shù)K和電阻投切有關(guān)的系數(shù)δ，根據(jù)系數(shù)δ判定是母線接地還是非母線接地，通過(guò)線路系數(shù)K找出接地故障線路。

圖6 并聯(lián)中值電阻選線

消弧線圈并聯(lián)中值電阻選線方式綜合了調(diào)匝式消弧線圈補(bǔ)償速度快和電阻選線兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，既保持了電阻接地可以準(zhǔn)確選線的優(yōu)點(diǎn)，又采用預(yù)調(diào)式消弧線圈減少接地點(diǎn)殘流，限制弧光接地過(guò)電壓，確保對(duì)瞬時(shí)性接地進(jìn)行有效補(bǔ)償，對(duì)于永久性接地故障準(zhǔn)確選線，必要時(shí)可以跳閘。

4 應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證本文所提策略的可行性，某供電公司在78座變電站內(nèi)配置小電流接地選線裝置49座，在221條架空線路安裝暫態(tài)錄波型故障指示器301套。配電網(wǎng)架空線路中，通過(guò)2021年的實(shí)際應(yīng)用，截至到2021年6月，累計(jì)反饋架空線路接地148次，暫態(tài)故指動(dòng)作148次，正確率由小于30%提高到100%。

在配電網(wǎng)電纜線路中，累計(jì)發(fā)生跳閘369次，經(jīng)檢查均因單相接地造成，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，累計(jì)判斷接地365次，正確率由小于30%提高到98?91%，可靠性提高到99?991%。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)網(wǎng)公司對(duì)配電自動(dòng)化實(shí)用化加速推進(jìn)，各種類(lèi)型的配電終端、故障指示器接入配電自動(dòng)化主站，為單相接地在線定位提供了條件。本文充分利用配電自動(dòng)化系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、傳輸與應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合配電自動(dòng)化主站，提出一種新型配電網(wǎng)單相接地故障定位策略。該策略采用“站內(nèi)選線+站外區(qū)段定位”模式，由主站根據(jù)該故障信息及配電自動(dòng)化終端提供的零序過(guò)流動(dòng)作等信息進(jìn)行綜合研判。通過(guò)建立不同接地方式的單相接地故障定位工程應(yīng)用，驗(yàn)證了該策略可有效提升配電網(wǎng)的接地故障準(zhǔn)確率，對(duì)實(shí)際的工程應(yīng)用具有很強(qiáng)的推廣作用。