基于配电自动化系统的单相接地定位技术研究

引言

故障定位是配电自动化的重要功能之一,由于单相接地故障是配电网中最常见的故障,研究单相接地故障定位方法对于减小停电范围、缩短停电时间以及提高供电可靠性具有重要意义。我国中低压配电网一般都采用中性点非直接接地方式,当发生单相接地故障时,故障电流小,尤其是消弧线圈补偿导致故障线路与健全线路电流特征相似,因此,故障的准确检测一直是个技术难题。经过多年的研究和实践应用,单相接地故障选线技术已相对成熟,多数能够准确地选定故障线路。在选出故障线路的基础上,如何进一步检测出故障点所在线路区段,即实现故障定位的技术尚不成熟,现场实际应用效果不好。

在现有的研究成果中,利用稳态故障信号实现定位的较多,如零序电流比幅法、零序电流比相法、零序导纳法、负序电流法、谐波分量法、零序电流有功分量法等,普遍存在受消弧线圈补偿度影响、存在检测盲区以及定位时间长的缺点:利用暂态故障信号进行定位的方法,因不受消弧线圈影响且定位速度快,是目前的研究方向。如暂态零模电流相似度法、无功功率方向法,能快速准确定位,但存在线路电压获取、波形同步、波形传输等实际困难。小波变换法能很好地解析信号的频率特征,但算法相对复杂,实际应用前景有待检验。

本文以暂态零模电流相似度法为基础,以零模电流暂态分量的谐振主频率为特征量,作为计算相似度的依据,实现区段定位。由于无需波形同步及波形传输,故降低了对采样装置和通信系统的要求,避免了通信故障导致的定位错误。

1单相接地故障的暂态特征和故障判据

单相接地故障暂态分析时,常用m形线路模型,精度高,计算复杂。理论分析表明,由于中低压线路通常较短(在10km以内),对于频率在2000Hz以内的暂态分量来说,采用r形模型和m形模型误差不大,因此下面采用r形线路模型,建立如图1(a)所示的单相接地故障暂态分析模型。图中R1、L1分别为去除故障点下游电阻、电感的系统的总电阻及总电感:R2、L2分别为故障点下游线路的电阻及电感:C1为去除故障点下游对地电容的系统的总电容:C2为故障点下游线路对地电容:Rf为接地电阻:uf为故障点虚拟电压源:i01、i02分别为流经故障点上游和下游的零模电流。

由于暂态分量频率较高,消弧线圈Lp以及线模网络Lx的影响可忽略,由此得到简化分析模型,如图1(b)所示,其中各符号含义和图1(a)相同。

根据图1(b)的简化模型,以零模电流i01、i02为变量,可得到回路电压方程分别为:

其中,虚拟电压源为uf=Umsin(/l+o),解微分方程并略去稳态量,可得故障点两侧暂态零模电流分别为:

式中,i01,l、i02,l分别为故障点上下游暂态零模电流:e为自然常数:

分别为故障点上下游暂态电流的衰减系数:

分别为故障点上下游暂态零模电流的主谐振频率。

由于健全线路与故障点上游线路长度之和远大于故障点下游线路长度,则有C1>C2、L1>L2,所以有/01=/02,即故障点上游暂态零模电流的主谐振频率远小于故障点下游,而故障点两侧频率偏差不大。

根据故障点上游零模电流的主谐振频率远小于故障点下游这一特点,当选线装置选出故障线路后,可以根据相邻检测点暂态零模电流的主谐振频偏差大小,实现故障定位,具体方法为:从母线开始,计算当前检测点和下一个检测点零模电流主谐振频率比,如果频率比小于1/2,则认为故障点在这两个检测点之间:否则,故障不在这两个检测点之间。

2基于配电自动化的单相接地定位

从上文分析可以看出,故障定位需要检测出暂态零模电流的主谐振频率。在实现了配电自动化的配电网中,FTU分布在整个配电网的线路节点处,配电自动化主站可从分布的FTU获取检测点的暂态故障电流波形,然后由自动化主站计算各检测点的暂态零模电流的主谐振频率,但该方法和常规基于波形相似性的方法一样,都需要波形传输,失去了本方法的最大优点。更合理的方法是由FTU计算出暂态零模电流的主谐振频率,直接将其上传至主站,从而极大地降低对通信系统的要求。而对于一些自动化程度低的配电网,可通过三相电流合成的方式得到零序电流,如利用带电流互感器的故障指示器或其他电流采集设备获取三相电流,然后通过计算得到故障零序电流,用数字滤波器滤除稳态分量后(工频分量),便可得到暂态零模电流,计算出主谐振频率后上传至主站。

具体在配电自动化系统中实现单相接地定位的流程为:

(1)配电自动化系统主站接收选线装置上报的故障线路结果:

(2)各检测点计算暂态零模电流的主谐振频率,将结果上传至配电自动化系统主站:

(3)主站从故障线路出口处向下搜索,找到暂态零模电流频率比小于设定阈值的区段,即为故障区段:

(4)如果到最后一个区段频率比仍不小于设定阈值,则最后一个检测点的下游区段为故障区段。

图2给出了配电自动化主站实现单相接地故障定位的流程图。

3仿真验证

为验证定位方法的准确性,下面对图3所示系统进行仿真。图3中,共有3条10kV出线,分别为L1、L2和L3,其中线路L1与L2均只有一段,线路L3分为①、②、③、④共4段。系统中有D1至D6共6个检测点,接地故障点位于D4、D5之间的②区段上。开关K用于改变中性点的接地方式,可分别对不接地系统和经消弧线圈接地系统进行仿真。具体仿真线路参数为:L1=8km,L2=30km,①区段长4km,②区段长1km,③区段长2km,④区段长0.5km,正序阻抗为:1=0.17＋j0.38Q/km,正序对地导纳为b1=3.045us/km,零序阻抗为:0=0.23＋j1.72Q/km,零序对地导纳为b0=1.884us/km,各条线路等效负荷阻抗统一采用71=400＋j20Q。

仿真中,首先考察不同接地故障相位角对定位结果的影响,设接地电阻为5Q,故障区段发生在②区段。按照前文的故障判据,首先读取各检测点的暂态零模电流主谐振频率,然后计算各区段首端和末端的主谐振频率比值,如果比值小于0.5,则该区段为故障区段。表1给出了部分仿真结果。

从表1的定位结果可以看出,不同故障相位角下,本定位方法都可准确定位。同样,在固定相位角的情况下,改变接地电阻大小,本定位方法也可准确定位。

切换开关K的状态重新进行仿真,可以看出无论是中性点不接地系统还是经过消弧线圈接地系统,本定位方法均可准确定位。为节省篇幅,本文未给出全部仿真结果。

4结语

本文利用r形线路模型建立了适用于故障点两侧暂态分析的电路模型,忽略消弧线圈电抗和线模电抗后,得到简化电路模型。利用简化模型求解零模电流的暂态分量,得出了故障点两侧暂态零模电流主谐振频率差距较大的暂态特征。基于此特征设计了以暂态零模电流主谐振频率为基础的配电网单相接地区段定位判据,进而设计了基于配电自动化的单相接地故障区段定位方法,仿真结果验证了方法的正确性。本方法不受中性点接地方式及线路参数影响,计算简单且通信数据量小,具有较高的工程实用价值。