李開(kāi)文，徐光超，林才春，黃 亮，黃 蕾

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

基于IEC 61850的中壓配電網(wǎng)單相接地故障定位的研究

李開(kāi)文，徐光超，林才春，黃 亮，黃 蕾

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

為適應(yīng)配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)化的發(fā)展現(xiàn)狀以及IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展和擴(kuò)大的趨勢(shì)，以及進(jìn)一步提高配電網(wǎng)小電流接地故障定位算法的魯棒性和精度，根據(jù)環(huán)網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)合環(huán)前后零序電流潮流發(fā)生改變的特性，提出了環(huán)網(wǎng)合環(huán)零序電流增量法的小電流故障定位方法。該方法具有占用硬件、通信資源少，無(wú)需各個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)間同步，無(wú)需新增專門(mén)設(shè)備，以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。并給出了符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的故障定位基本單元的建模，建立了故障定位基本單元的邏輯節(jié)點(diǎn)和邏輯設(shè)備，提出了基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的配電網(wǎng)小電流接地故障定位系統(tǒng)。

配電環(huán)網(wǎng)；小電流接地；故障定位；IEC 61850

0 引言

在全國(guó)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，配電網(wǎng)是電網(wǎng)的重要組成部分，是保障電力“配得下、用得上”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。截止2011年底，國(guó)家電網(wǎng)公司中壓配電網(wǎng)中10 kV電壓等級(jí)的線路長(zhǎng)度、變壓器臺(tái)數(shù)和投資額都占絕大多數(shù)[1-2]。我國(guó)10 kV中壓配電網(wǎng)大部分已經(jīng)形成了“手拉手”和環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，隨著數(shù)字化變電站的不斷建設(shè)，IEC 61850協(xié)議已經(jīng)成為了迄今為止變電自動(dòng)化領(lǐng)域最為完善的通信標(biāo)準(zhǔn)。并且IEC 61850還在不斷地完善和發(fā)展，未來(lái)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，不僅涉及變電站內(nèi)部通信，還將涵蓋變電站與控制中心、變電站與變電站、配電自動(dòng)化、新能源和儲(chǔ)能等領(lǐng)域，即覆蓋電力生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)[3]。

由中壓配電網(wǎng)小電流接地接地故障短路電流小、配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、線路長(zhǎng)度短等特點(diǎn)導(dǎo)致的小電流接地選線和定位一直以來(lái)是研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，也取得了一些成果。傳統(tǒng)的故障選線定位方法按照其采用的故障特征信號(hào)量分類可分為暫態(tài)法、穩(wěn)態(tài)法和注入信號(hào)法。暫態(tài)法主要包括行波法[4-5]、暫態(tài)分量法[6-7]；穩(wěn)態(tài)法主要包括阻抗法、比相法[8-9]；信號(hào)注入法主要包括離線信號(hào)注入法[10]和在線信號(hào)注入法[11]。以上文獻(xiàn)所提出的方法一方面具有固有的不足：

（1）暫態(tài)法需要采集相應(yīng)的故障信號(hào)的暫態(tài)分量，因此對(duì)硬件要求較高，特別是在日益電纜化的配電環(huán)網(wǎng)，較大的對(duì)地等效電容對(duì)電壓行波波頭的破壞尤為嚴(yán)重，即使采用了小波變化等高級(jí)數(shù)學(xué)方法也無(wú)法從根本上保證判斷的準(zhǔn)確性。

（2）穩(wěn)態(tài)法（特別是判據(jù)采用的故障信號(hào)的絕對(duì)值）在負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化頻繁的配電網(wǎng)中效果不佳，使得其抗干擾能力不強(qiáng)，而比相法則需要各個(gè)采樣點(diǎn)同步采樣，增加了授時(shí)裝置。

（3）信號(hào)注入法具有最好的定位精度，但是存在如下問(wèn)題：離線信號(hào)注入法需要在線路停電下才能工作，違背了盡量減少停電時(shí)間的原則；在線信號(hào)注入法增加了額外的設(shè)備與電源，并且注入信號(hào)的容量受制于耦合設(shè)備的容量，過(guò)渡阻抗對(duì)定位精度有較大的影響。

另一方面，這些文獻(xiàn)沒(méi)有給出兼容IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的定義和模型。文獻(xiàn)[12-13]在IEC 61850框架下初步提出了故障定位選線的模型和裝置。

為此提出了一種利用安裝在各個(gè)分段點(diǎn)上的零序電流測(cè)量裝置監(jiān)測(cè)發(fā)生單相接地故障后配電環(huán)網(wǎng)通過(guò)合環(huán)操作改變系統(tǒng)零序電流分布的故障定位方法。把10 kV配電饋線線路、環(huán)網(wǎng)柜的FTU單元以及環(huán)網(wǎng)分段開(kāi)關(guān)納入到IEC 61850體系下，并參考文獻(xiàn)[12-13]給出了符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的故障定位系統(tǒng)基本測(cè)量單元、環(huán)網(wǎng)分段開(kāi)關(guān)的邏輯節(jié)點(diǎn)和設(shè)備模型的定義。

1 故障定位方法

1.1 配電環(huán)網(wǎng)典型接線

早期的配電網(wǎng)主要采用的是單電源輻射網(wǎng)接線方式，一旦線路或者電源發(fā)生故障，對(duì)用戶的影響和造成的損失較大。這種接線方式目前還存在于一些偏遠(yuǎn)地區(qū)。按照電力公司的規(guī)劃性文件，現(xiàn)在的城鎮(zhèn)配電網(wǎng)主要向環(huán)網(wǎng)化電纜化方向發(fā)展。參照文獻(xiàn)[14]，10 kV配網(wǎng)線路典型接線圖如圖1所示。

圖1 10 kV配電網(wǎng)絡(luò)典型接線

當(dāng)前的城市配電網(wǎng)一般采用的是環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)，開(kāi)環(huán)運(yùn)行的原則。正常情況下環(huán)網(wǎng)開(kāi)環(huán)點(diǎn)的分段開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，配電網(wǎng)處于開(kāi)環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)可以等效為兩個(gè)輻射狀網(wǎng)絡(luò)。一旦環(huán)網(wǎng)的一側(cè)出現(xiàn)電源或者線路故障，可以通過(guò)合上環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)、分開(kāi)分段開(kāi)關(guān)對(duì)負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)供并隔離故障。架空線路的分段開(kāi)關(guān)通常為柱上真空開(kāi)關(guān)，電纜線路的分段開(kāi)關(guān)通常由SF6負(fù)荷開(kāi)關(guān)為主要元件的環(huán)網(wǎng)柜構(gòu)成。隨著材料和工藝的進(jìn)步，這些分段開(kāi)關(guān)在短時(shí)間內(nèi)可以承受2 kA以上的合環(huán)沖擊電流。架空線路的戶外真空開(kāi)關(guān)通常和“看門(mén)狗”配合使用，而環(huán)網(wǎng)柜大多已經(jīng)安裝了零序電流互感器或者預(yù)留了其安裝位置。這些分段開(kāi)關(guān)和零序電流互感器構(gòu)成了新型故障定位方法的物質(zhì)基礎(chǔ)。

1.2 環(huán)網(wǎng)合環(huán)對(duì)系統(tǒng)零序電流分布的影響

在環(huán)網(wǎng)線路發(fā)生故障后，調(diào)度人員通常會(huì)進(jìn)行倒換負(fù)荷操作。負(fù)荷倒換存在熱倒和冷倒兩種方式，熱倒為先合環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)，再分開(kāi)相關(guān)分段開(kāi)關(guān)，反之則為冷倒。熱倒不會(huì)造成負(fù)荷供電中斷，提高了供電可靠性，但是在操作之前需經(jīng)過(guò)核算才能進(jìn)行。冷倒操作簡(jiǎn)單，但會(huì)造成用戶的短時(shí)停電。

當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，故障相對(duì)地電壓為零，非故障相對(duì)地電壓變?yōu)榫€電壓，故障電流為系統(tǒng)非故障相所有對(duì)地電容電流之和，從序分量角度分析為零序分量。但是配電系統(tǒng)的三相對(duì)稱并未被破壞，因此可以繼續(xù)帶故障運(yùn)行2 h，以便查找出故障點(diǎn)并進(jìn)行搶修。

此處提出的配電網(wǎng)單相接地故障定位核心思想為：配電環(huán)網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，通過(guò)短時(shí)間的合環(huán)操作，改變?cè)袑?duì)地電容分布，從而改變了零序電流的潮流。分布在各個(gè)分段開(kāi)關(guān)的零序電流測(cè)量單元通過(guò)監(jiān)測(cè)零序電流的變化量進(jìn)行故障定位。假設(shè)環(huán)網(wǎng)帶單相接地故障合環(huán)后，有功無(wú)功潮流的改變不會(huì)使變壓器的保護(hù)裝置和線路的繼電保護(hù)裝置動(dòng)作。忽略線路的零序阻抗，環(huán)網(wǎng)帶單相接地故障合環(huán)的零序等效網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)零序等效網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)t1時(shí)刻環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)左側(cè)某點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，其零序電流的分布如圖2中所示，此時(shí)，由于K1尚未閉合，環(huán)網(wǎng)右側(cè)未引入單相接地點(diǎn)，右側(cè)系統(tǒng)無(wú)零序電壓，故I0N=0。為進(jìn)一步分析方便，假設(shè)r=0，可知：

環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)K1在t2時(shí)刻閉合，健全的線路引入了單相接地點(diǎn)，原本平衡的相電壓被打破，環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)左側(cè)的零序電壓不為零，線路對(duì)地電容在零序電壓的激勵(lì)下產(chǎn)生了零序電流。故障點(diǎn)左側(cè)的等效電容此時(shí)公式變?yōu)椋?/p>

1.3 環(huán)網(wǎng)合環(huán)零序電流增量法

當(dāng)過(guò)渡電阻不能忽略時(shí)，環(huán)網(wǎng)合環(huán)引起流過(guò)接地點(diǎn)的零序電流增加，導(dǎo)致故障點(diǎn)的零序電壓值下降，使得I0r必然小于但環(huán)網(wǎng)左側(cè)等效電容的大幅增加，使得I0l依然大于故可得出環(huán)網(wǎng)合環(huán)零序電流增量法判定故障點(diǎn)的判據(jù)：

式中：M，N為一段線路兩端的測(cè)量點(diǎn)；ζ為判斷上閾值；ξ為判斷下閾值。

ζ和ξ的引入是為了提高算法的魯棒性和抗干擾能力。ζ和ξ的值根據(jù)實(shí)際而定，一般ξ為1個(gè)很小的數(shù)，如0.02；ζ大于ξ，如1。發(fā)生環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)合環(huán)后從合環(huán)點(diǎn)向故障分段的電源方向搜索各個(gè)零序電流測(cè)量點(diǎn)合環(huán)后與合環(huán)前的零序電流之差，故障點(diǎn)即在MN之間。

2 符合IEC 61850的故障定位建模

根據(jù)以上提出的利用比較檢測(cè)環(huán)網(wǎng)合環(huán)前后零序電流有效值的增量法進(jìn)行故障定位。每個(gè)分段開(kāi)關(guān)處（“看門(mén)狗”或環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)）裝設(shè)的高精度零序電流互感器、開(kāi)關(guān)本體和FTU單元構(gòu)成了故障定位系統(tǒng)的IED（智能電子設(shè)備）。參照文獻(xiàn)[3]對(duì)故障定位系統(tǒng)基本單元進(jìn)行IEC 61850建模。

2.1 邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)

故障定位系統(tǒng)的IED的主要工作流程為測(cè)量零序電流值和開(kāi)斷環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)。依照盡量選用IEC 61850-7-4中已規(guī)定的邏輯節(jié)點(diǎn)類的原則，LSBU（定位系統(tǒng)基本單元）所有的邏輯節(jié)點(diǎn)如表1所示。

表1 定位系統(tǒng)基本單元IED的邏輯節(jié)點(diǎn)

其中，零序電流測(cè)量邏輯節(jié)點(diǎn)使用的是非相位相關(guān)測(cè)量邏輯節(jié)點(diǎn)，雖然饋線線路是三相系統(tǒng)，但是線路中的零序電流可以用單相電流表示。XSWILP與MMXNZ的邏輯節(jié)點(diǎn)見(jiàn)表 2和表3。

IEC 61850-7-4中已規(guī)定的XSWI和MMXN邏輯節(jié)點(diǎn)并不適應(yīng)本方法的實(shí)際需求，因此對(duì)這2個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)充。XSWILP.LoPtEna定義了負(fù)荷開(kāi)關(guān)是否為開(kāi)環(huán)點(diǎn)，其特性有：1條環(huán)網(wǎng)線路只有1個(gè)開(kāi)環(huán)點(diǎn)；只有被設(shè)定成開(kāi)環(huán)點(diǎn)的分段開(kāi)關(guān)才能進(jìn)行合閘操作，其他負(fù)荷開(kāi)關(guān)在定位過(guò)程中處于閉鎖狀態(tài)。MMXNZ.SapBeEna和MMXNZ.SapAfEna分別為合環(huán)前后采樣使能，當(dāng)其被主站置1后采集并計(jì)算一次零序電流有效值，并記數(shù)值于MMXNZ.SapBeVal和MMXNZ.SapAfVal。MMXNZ.DfVal為合環(huán)前后的零序電流采樣有效值之差，即MMXNZ.SapAfVal-MMXNZ.SapBeVal。

表2 分段開(kāi)關(guān)邏輯節(jié)點(diǎn)

表3 零序電流測(cè)量邏輯節(jié)點(diǎn)

2.2 邏輯設(shè)備和服務(wù)器的構(gòu)建

對(duì)于整條配電線路，同一個(gè)FTU物理設(shè)備可構(gòu)成不同的邏輯設(shè)備。區(qū)別于其他線路自動(dòng)化功能所對(duì)應(yīng)的邏輯設(shè)備，此處提出的故障定位系統(tǒng)的基本定位單元的邏輯設(shè)備如圖3所示。

在現(xiàn)實(shí)中，1條環(huán)網(wǎng)線路需安裝若干故障定位系統(tǒng)的基本單元。在IEC 61850體系中，故障定位系統(tǒng)所提供的故障定位服務(wù)同樣也包含了若干故障定位系統(tǒng)基本邏輯設(shè)備。由于本定位方法不需要在通信線路上傳輸瞬時(shí)采樣值，因此1個(gè)具有MMS訪問(wèn)點(diǎn)的服務(wù)器即可構(gòu)成故障定位系統(tǒng)的服務(wù)器，其通信方式采用客戶端/服務(wù)器的通信模式。

圖3 故障定位系統(tǒng)基本單元邏輯設(shè)備

3 IEC 61850體系下故障定位過(guò)程

饋線上安裝的故障定位系統(tǒng)基本單元通過(guò)通信媒介接入變電站所屬的IEC 61850網(wǎng)絡(luò)。通信媒介可為與饋線一同鋪設(shè)的光纜、電力公司通信專用網(wǎng)，在偏僻地區(qū)可用3G或GPRS與站屬網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的VPN（虛擬專用網(wǎng)絡(luò)）等。隨著通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，通信媒介也在不斷發(fā)展，但該技術(shù)不在本文討論范圍。本文假設(shè)各個(gè)基本單元均接入站屬饋線小電流接地故障定位服務(wù)器所在的IEC 61850網(wǎng)絡(luò)。

通過(guò)基本定位單元IED、IEC 61850通信總線和定位服務(wù)器構(gòu)成的數(shù)字化小電流接地故障定位系統(tǒng)是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中由分段開(kāi)關(guān)、饋線和相應(yīng)變電站母線組成的配電系統(tǒng)的有效建模，如圖4所示。在圖4中，單相接地故障發(fā)生在分段開(kāi)關(guān)M和N之間，在故障定位系統(tǒng)啟動(dòng)之前，環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)K1一直處于分閘狀態(tài)。當(dāng)變電站內(nèi)部故障選線裝置選出故障線路之后，本故障定位系統(tǒng)啟動(dòng)。故障定位流程如下：

（1）合環(huán)前故障定位服務(wù)器向所有故障定位邏輯設(shè)備發(fā)出采集一次零序電流指令。即發(fā)送廣播信號(hào)，使所有邏輯設(shè)備的零序電流測(cè)量邏輯節(jié)點(diǎn)的SapBeEna數(shù)據(jù)置位。

（2）零序電流測(cè)量邏輯節(jié)點(diǎn)在采樣、計(jì)算零序電流有效值后置StaBe標(biāo)志位，并通過(guò)通信總線發(fā)送至服務(wù)器，表示轉(zhuǎn)換完畢。同時(shí)存儲(chǔ)當(dāng)前零序電流有效值至SapBeVal。

（3）服務(wù)器在確認(rèn)所有節(jié)點(diǎn)均采集完合環(huán)前有零序電流有效值后，發(fā)送合環(huán)開(kāi)關(guān)閉合指令。但是只有XSWILP.LoPtEna=1的負(fù)荷開(kāi)關(guān)接受到合環(huán)指令后，負(fù)荷開(kāi)關(guān)才會(huì)動(dòng)作。

圖4 IEC 61850體系下故障定位過(guò)程

（4）服務(wù)器在確認(rèn)環(huán)網(wǎng)合環(huán)后，向所有故障定位邏輯設(shè)備發(fā)出采集環(huán)網(wǎng)合環(huán)后零序電流指令。即發(fā)送廣播信號(hào)，使所有邏輯設(shè)備的零序電流測(cè)量邏輯節(jié)點(diǎn)的SapAfEna數(shù)據(jù)置位。

（5）零序電流測(cè)量邏輯節(jié)點(diǎn)在采樣、計(jì)算零序電流有效值后置StaAf標(biāo)志位，存儲(chǔ)當(dāng)前零序電流有效值至SapBeVal，計(jì)算DfVal值并存儲(chǔ)。之后各個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)向服務(wù)器端上傳DfVal值。

（6）服務(wù)器根據(jù)公式所構(gòu)成的判據(jù)，從各個(gè)邏輯設(shè)備上傳的DfVal順序查找發(fā)生故障的區(qū)間。并向開(kāi)環(huán)點(diǎn)的環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)發(fā)出分閘指令，使環(huán)網(wǎng)工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)。

（7）根據(jù)判據(jù)和數(shù)據(jù)能判斷出故障點(diǎn)時(shí)，故障定位服務(wù)器向控制中心和配電檢修工程師站同時(shí)發(fā)出故障發(fā)生地點(diǎn)告警信號(hào)，使得故障線路得到及時(shí)搶修。即使因某種原因（如通信校驗(yàn)錯(cuò)誤）未能判斷出故障點(diǎn)，待故障線路經(jīng)過(guò)校驗(yàn)后，重新進(jìn)行一次故障定位流程即可，或者給出相關(guān)信息以便工作人員及時(shí)排除故障。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)配電環(huán)網(wǎng)化的發(fā)展趨勢(shì)，分析了當(dāng)配電環(huán)網(wǎng)一側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，環(huán)網(wǎng)合環(huán)后零序電流穩(wěn)態(tài)量的變化趨勢(shì)，并根據(jù)這種變化趨勢(shì)提出了利用環(huán)網(wǎng)合環(huán)前后零序電流有效值變化量作為小電流故障定位原理及判據(jù)。

該方法的優(yōu)點(diǎn)有：采用線路的零序電流的增量值作為故障特征量，相比于行波法和暫態(tài)分量法，減少了對(duì)故障信息采集硬件的要求；相比于比相法，由于不需要同步采樣計(jì)算相位，因此省去了時(shí)間同步環(huán)節(jié)；相比于零序比幅法，消除了因故障電流絕對(duì)值小和共模干擾帶來(lái)的誤差；相比于注入信號(hào)法，本方法無(wú)需增加額外的物理設(shè)備和相應(yīng)的電源。

同時(shí)根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)分布在線路分段開(kāi)關(guān)的基本定位單元進(jìn)行了符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的分層建模，構(gòu)建了對(duì)應(yīng)基本定位單元的邏輯設(shè)備及其包含的邏輯節(jié)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上給出了一種適應(yīng)未來(lái)配電網(wǎng)的小電流接地故障定位系統(tǒng)。通過(guò)統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的信息交互模型和數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)為進(jìn)一步提高故障定位精度、隔離故障直至最終實(shí)現(xiàn)自愈電網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)，對(duì)智能配電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)具有積極意義。

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2017-09-22

李開(kāi)文（1991），男，助理工程師，從事電力系統(tǒng)調(diào)度監(jiān)控運(yùn)行工作。

（本文編輯：陸 瑩）

Study for Single-phase Grounding Fault Location in Medium Voltage Distribution Networks Based on IEC 61850

LI Kaiwen， XU Guangchao， LIN Caichun， HUANG Liang， HUANG Lei
（State Grid Ningbo Power Supply Company， Ningbo Zhejiang 315000， China）

In order to adapt to the development of distribution ring networks and the continuous development and expansion of IEC 61850 and further improve the robustness and accuracy of small current grounding fault location algorithm，this paper puts forward a small current fault location method which is called ring network loop closing zero-sequence current increment method based on the characteristic of zero-sequence current flow change before or after loop closing in the case of single-phase earth fault in ring network.This method has the advantages of less hardware， less communication resources and strong anti-interference ability， which needs no synchronization of each measuring point and no new special equipment.This paper also gives the modeling of the basic unit of fault location in accordance with IEC 61850 standard，which establishes the logic node and logic equipment of the basic unit of fault location.A small current fault location system for distribution networks based on IEC 61850 is proposed in this paper.

distribution ring network； small current grounding； fault location； IEC 61850

10.19585/j.zjdl.201711007

1007-1881（2017）11-0040-05

TM862

B