基于電力擾動(dòng)信號(hào)的主動(dòng)式單相接地故障定位技術(shù)

肖開偉，許曉平，趙振剛，田慶生，梁仕斌，李 川

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))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(diǎn)非有效接地運(yùn)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(duì)稱，因而系統(tǒng)可繼續(xù)運(yùn)行1～2 h[4-5]。但若長期運(yùn)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(shè)備，甚至引起相間短路而擴(kuò)大事故，對(duì)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(xué)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(dòng)檢測定位法和被動(dòng)檢測定位法[12]。主動(dòng)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(hào)，根據(jù)相應(yīng)的定位原理確定故障位置，主要有信號(hào)源法[12-14]；被動(dòng)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(hào)特征的變化設(shè)計(jì)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(hào)源法的基礎(chǔ)上，采用電力擾動(dòng)信號(hào)裝置產(chǎn)生可控?cái)_動(dòng)電流，當(dāng)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(dòng)，然后根據(jù)可靠的擾動(dòng)信號(hào)提取算法和擾動(dòng)信號(hào)判定閾值確定方法提取和識(shí)別該擾動(dòng)信號(hào)，并根據(jù)該擾動(dòng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)發(fā)生裝置和檢測裝置實(shí)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(dòng)信號(hào)。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(fù)載電流和發(fā)生裝置產(chǎn)生的可控?cái)_動(dòng)電流。但由于裝置自帶CT傳變準(zhǔn)確度有限，加之負(fù)荷電流的波動(dòng)，使得正常情況下也會(huì)有一定強(qiáng)度的背景電流擾動(dòng)，給擾動(dòng)信號(hào)識(shí)別構(gòu)成障礙。因此必須有一種簡單可靠的擾動(dòng)信號(hào)提取算法和擾動(dòng)信號(hào)判定閾值確定方法對(duì)該擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行可靠提取和識(shí)別，將擾動(dòng)電流信號(hào)從總電流中分離出來，并盡可能還原擾動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度，從而實(shí)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(dòng)信號(hào)檢測裝置的信號(hào)提取

2.1 擾動(dòng)信號(hào)提取算法

擾動(dòng)信號(hào)提取算法由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，算法不能過于復(fù)雜和耗時(shí)。根據(jù)擾動(dòng)信號(hào)特征以及負(fù)荷電流的波動(dòng)特征，提出針對(duì)單相接地故障定位擾動(dòng)信號(hào)的“雙重提取算法”。該算法對(duì)采集到的線路電流進(jìn)行兩次不同規(guī)則的整周電流相減運(yùn)算，可以有效降低負(fù)荷波動(dòng)產(chǎn)生的背景電流擾動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)故障定位擾動(dòng)信號(hào)，即有效擾動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度。

電力擾動(dòng)信號(hào)發(fā)生裝置每隔一個(gè)周波觸發(fā)一次，在故障線路上產(chǎn)生一個(gè)電流擾動(dòng)。圖2的上圖所示為信號(hào)檢測裝置檢測到的疊加了電流擾動(dòng)的線路電流，其中周期C1、C3、C5含有電流擾動(dòng)，擾動(dòng)電流強(qiáng)度值約為5 A；周期C2、C4、C6中無電流擾動(dòng)。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(hào)(m=1, 2, 3, …)，以每3個(gè)周期為一個(gè)信號(hào)提取段，信號(hào)提取段N(N=1, 2, 3,…)的3個(gè)周期編號(hào)m為2(N-1)+1，2(N-1)+2和2(N-1)+3。提取信號(hào)規(guī)則為：C2(N-1)+2-C2(N-1)+1，C2(N-1)+3-C2(N-1)+2。這樣，m個(gè)周期提取n個(gè)擾動(dòng)信號(hào)(n=m)，每個(gè)擾動(dòng)信號(hào)占時(shí)一個(gè)周波。之后將第一次提取出來的n個(gè)擾動(dòng)信號(hào)再做Cn+1-Cn提取，得到(n-1)個(gè)增強(qiáng)的擾動(dòng)信號(hào)。

圖2中圖所示為第一次提取電流擾動(dòng)信號(hào)的結(jié)果，可以觀察到明顯的負(fù)荷波動(dòng)產(chǎn)生的背景電流擾動(dòng)。下圖所示為第二次提取電流擾動(dòng)信號(hào)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(fù)荷波動(dòng)引起的背景擾動(dòng)信號(hào)大幅度降低，同時(shí)還能將有用的擾動(dòng)電流信號(hào)強(qiáng)度從5 A增強(qiáng)到約8 A。

圖2 電力擾動(dòng)信號(hào)“雙重提取算法”

2.2 擾動(dòng)信號(hào)判定閾值方法

(1) 能量判據(jù)。由主動(dòng)注入信號(hào)法產(chǎn)生的電力擾動(dòng)信號(hào)，一周期內(nèi)的能量累積會(huì)明顯大于沒有晶閘管導(dǎo)通時(shí)的電流信號(hào)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(shí)別出擾動(dòng)信號(hào)的能量判據(jù)。為能有效識(shí)別出擾動(dòng)信號(hào)，需躲過正常電流的波動(dòng)的大小，一般情況下實(shí)際負(fù)荷波動(dòng)電流峰值約為1%～2%的負(fù)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(dòng)時(shí)的周期能量值(含負(fù)荷波動(dòng)和人為擾動(dòng))，W0為晶閘管未導(dǎo)通時(shí)，提取的負(fù)荷波動(dòng)能量值，即背景電流擾動(dòng)能量值。能量值的計(jì)算方式如下

(2)

其中，in為在擾動(dòng)周期中的采樣瞬時(shí)值，N為整個(gè)擾動(dòng)周期(晶閘管導(dǎo)通期間)的采樣點(diǎn)數(shù)；

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

(3)

其中，Ih1為擾動(dòng)信號(hào)的2、3、4次諧波電流幅值；Ih0為沒有晶閘管導(dǎo)通時(shí)電流信號(hào)的2、3、4次諧波電流幅值，當(dāng)3個(gè)諧波比值同時(shí)滿足判據(jù)時(shí)，判定擾動(dòng)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(yàn)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(gè)線路模塊模擬5 km架空線。仿真模型共設(shè)置4個(gè)故障點(diǎn)，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(diǎn)D15處設(shè)置A相發(fā)生單相接地故障、B相首端短時(shí)導(dǎo)通晶閘管，設(shè)置不同的接地電阻大小、不同的晶閘管導(dǎo)通角，得到一系列二次提取的擾動(dòng)信號(hào)能量量值與沒有晶閘管導(dǎo)通時(shí)電流信號(hào)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(dòng)信號(hào)的周期能量量值，W0為背景電流擾動(dòng)一個(gè)周期的能量量值。

圖4 故障點(diǎn)D15(5 km)當(dāng)有無晶閘管導(dǎo)通時(shí)的電流能量分布

將另外3個(gè)故障點(diǎn)下也分別設(shè)置不同接地電阻、不同晶閘管導(dǎo)通角，得到一系列擾動(dòng)信號(hào)能量量值與沒有晶閘管導(dǎo)通時(shí)的電流信號(hào)能量量值數(shù)據(jù)，如表2為D14(10 km)故障點(diǎn)仿真能量值。

表2 D14(10 km)故障點(diǎn)仿真-能量值

由圖4和表2可以看出，故障點(diǎn)擾動(dòng)信號(hào)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(dòng)能量量值呈現(xiàn)無規(guī)律分布，負(fù)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(duì)擾動(dòng)信號(hào)正確識(shí)別。

3.2 頻譜法判據(jù)仿真分析

在仿真系統(tǒng)各故障點(diǎn)D15、D14、D13、D16處，設(shè)置A相發(fā)生單相接地故障，B相首端短時(shí)導(dǎo)通晶閘管，通過二次提取的方式，提取擾動(dòng)信號(hào)以及沒有晶閘管導(dǎo)通時(shí)的電流信號(hào)，并進(jìn)行FFT分析，得到分別的2～4次諧波電流幅值，將兩則進(jìn)行對(duì)比。設(shè)置不同的接地電阻阻值(100～1 000 Ω)，不同的晶閘管導(dǎo)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(diǎn)D15(5 km)、D14(10 km)的數(shù)據(jù)。

表3 故障點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)信號(hào)與無晶閘管導(dǎo)通時(shí)的電流信號(hào)2～4次諧波幅值之比。由表中數(shù)據(jù)可以看出，擾動(dòng)信號(hào)的諧波幅值與沒有晶閘管導(dǎo)通時(shí)的電流信號(hào)諧波幅值比達(dá)數(shù)千倍，驗(yàn)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(dòng)信號(hào)的主動(dòng)式單相接地故障定位方法，該方法利用主動(dòng)注入信號(hào)的方法改變?cè)泄收想娏餍盘?hào)的特性，電力擾動(dòng)檢測裝置對(duì)該擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行可靠提取和識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)故障定位。采用的 “雙重提取算法”可以有效地降低負(fù)荷波動(dòng)產(chǎn)生的背景電流擾動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)故障定位擾動(dòng)信號(hào)。采用能量法和頻譜法來判定擾動(dòng)信號(hào)的閾值，Matlab仿真結(jié)果表明該方法和判據(jù)有效，能對(duì)擾動(dòng)信號(hào)正確識(shí)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(duì)單相接地故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位，此方法原理簡單，定位準(zhǔn)確度高，成本較低，易于推廣。目前該方法已經(jīng)應(yīng)用在云南配電網(wǎng)中。

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