摘 要： 配電網(wǎng)發(fā)生最多的故障是接地故障。針對準(zhǔn)確地檢測隔離接地故障線路并盡快恢復(fù)供電，提出基于配電開關(guān)監(jiān)控終端（FTU）的配電網(wǎng)單相接地故障定位與恢復(fù)方法。利用配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)FTU的小波包變換暫態(tài)選線及相電流暫態(tài)特征選線技術(shù)，結(jié)合故障路徑自適應(yīng)處理控制策略，配合首開關(guān)延時合閘邏輯，從而實(shí)現(xiàn)多分支配電網(wǎng)故障定位與自動隔離恢復(fù)。所提方法能夠快速選出故障線路并隔離故障區(qū)段，有利于故障快速消除，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性。

關(guān)鍵詞： 單相接地故障; 小波包; 故障定位; 自動隔離恢復(fù); 配電開關(guān)監(jiān)控終端

中圖分類號： TM732

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）02-0072-07

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.02.012

Location and Restoration of Single-Phase-Grounding Fault in Distribution Network Based on Feeder Terminal Unit

PENG Junlin， SHI Yong， YU Zhe， ZENG Xianfeng， DU Jun

（Nanjing NARI-Relays Electric Co.， Ltd.， Nanjing 21110 China）

Abstract： The most common fault in distribution networks is grounding fault. To accurately detect and isolate grounding fault lines and restore power supply as soon as possible， a single-phase grounding fault location and recovery method based on distribution switch monitoring terminal （FTU） is proposed.Using the wavelet packet transform transient line selection and phase current transient characteristic line selection technology of FTUs at each node of the distribution network， combined with the fault path adaptive processing control strategy， and coordinating the delay closing logic of the first switch， the multi branch distribution network fault localization and automatic isolation recovery can be achieved. The proposed method can quickly select faulty lines and isolate faulty sections， which is conducive to the rapid elimination of faults and improves the safety and reliability of system operation.

Key words： single-phase grounding fault; wavelet packet; fault location; automatic isolation and restoration; feeder terminal unit（FTU）

0 引 言

單相接地故障是配電網(wǎng)中常見的問題，會導(dǎo)致設(shè)備故障、停電等負(fù)面影響。因此，準(zhǔn)確地檢測并隔離接地故障線路對于保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行非常重要［1］。

我國的中壓電網(wǎng)，電壓范圍在3～60 kV，通常采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地的方式。這種方式在發(fā)生單相接地故障時，故障線路的識別較為困難。目前，一旦發(fā)生單相接地故障，通常的做法是通過逐一拉閘停電的方式來判斷故障線路，這種方式無疑嚴(yán)重影響了供電的可靠性。為了提高配電網(wǎng)絡(luò)的自動化水平，國內(nèi)外專家們提出了一些選線方法。根據(jù)所使用的信號類型，這些方法主要可以分為兩類：利用外加信號的方法和利用故障信號的方法。利用外加信號法又可以分為強(qiáng)注入法和弱注入法;而利用故障信號法則可以分為故障穩(wěn)態(tài)信號法和故障暫態(tài)信號法。然而，這些傳統(tǒng)方法通常需要集中比較各條出線的零序電流的大小或相位，使得儀器的接線變得復(fù)雜，難以與饋線保護(hù)集成并在開關(guān)柜上就地安裝。此外，這些方法的現(xiàn)場運(yùn)行可靠性也不高。在單相接地故障發(fā)生時，目前主要的故障線路識別方法是跳開整條線路。然而，這種方法會導(dǎo)致非故障區(qū)域也被切除，從而使得供電恢復(fù)時間延長，供電的可靠性降低［2-4］。

本文提出了基于配電開關(guān)監(jiān)控終端（FTU）的配電網(wǎng)單相接地故障定位與恢復(fù)方法，配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)FTU采用小波包變換暫態(tài)選線法及相電流暫態(tài)特征選線法綜合判別小電流接地故障，再結(jié)合故障路徑自適應(yīng)處理控制策略，配合首開關(guān)延時合閘邏輯，從而實(shí)現(xiàn)多分支配電網(wǎng)故障定位與自動隔離恢復(fù)。該方法能適應(yīng)各種中性點(diǎn)接地方式，顯著提高選線準(zhǔn)確率;不依賴主站通信，自適應(yīng)多電源聯(lián)絡(luò)、多分支一次網(wǎng)架，實(shí)現(xiàn)單相接地故障的秒級定位、數(shù)十秒隔離和供電恢復(fù)，減少故障處理人力、物力消耗，提高供電可靠性;且可與饋線保護(hù)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)就地安裝。

1 接地故障檢測技術(shù)

1.1 接地故障特征

在電力系統(tǒng)領(lǐng)域，小電流接地系統(tǒng)是指中性點(diǎn)不直接接地，通過消弧線圈或高阻抗接地的電力系統(tǒng)。在我國，66 kV及以下的大部分電網(wǎng)都采用這種接地方式。然而，這種系統(tǒng)在單相接地故障發(fā)生時，難以迅速確定問題線路。由于這種故障會導(dǎo)致相電壓升高，對系統(tǒng)的絕緣性能構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此必須迅速找到并排除故障線路。

接地故障暫態(tài)過程與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、運(yùn)行方式相關(guān)。暫態(tài)電流遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)電容電流，暫態(tài)最大電流值與故障電壓初始相角有關(guān)，暫態(tài)電流不受消弧線圈的影響，弧光接地和間歇性接地暫態(tài)分量更豐富。

小電流接地系統(tǒng)的接地故障具備以下特征：

（1）故障時穩(wěn)態(tài)特征不明顯，而暫態(tài)電流不受消弧線圈的影響。

（2）故障線路暫態(tài)電流相位與非故障線路相反。

（3）故障線路暫態(tài)電流幅值較大。

（4）故障線路暫態(tài)零序功率方向與非故障線路相反。

1.2 基于小波包的暫態(tài)選線方法

1.2.1 小波包分解與重構(gòu)

小波變換是一種具備多尺度分析能力的信號處理方法，具有出色的時頻局部化特性，特別適合分析那些非平穩(wěn)信號中的瞬態(tài)和時變特性。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，線路中的零序電流會呈現(xiàn)出非線性和復(fù)雜性，這是一種非平穩(wěn)信號。小波變換具有多分辨率的特性，可以很好地用于提取零序電流的暫態(tài)特征。因此，利用小波變換對零序電流進(jìn)行分析和特征提取是十分有效的。

當(dāng)進(jìn)行小波分解時，首先將信號分解為各占整個頻帶一半的高頻信號和低頻信號;再把低頻信號分為兩個等寬的頻帶，依次類推。小波包分解是根據(jù)需要對小波分解過程中沒被分解的高頻信號進(jìn)行再分解，其目的是根據(jù)代價函數(shù)選取合適的基波函數(shù)，然后在最佳小波包基函數(shù)下對分解后的信號進(jìn)行時頻分析。其不但具有小波分析的優(yōu)點(diǎn)，而且還擴(kuò)展了小波分析的優(yōu)點(diǎn)［5-7］。

本文采用的小波包是db正交小波包，用其設(shè)計的濾波器構(gòu)成了共軛正交濾波器。共軛正交濾波器具有能量無損性和功率互補(bǔ)性。能量無損性是指通過濾波器后信號的能量沒有損失，保持不變;功率互補(bǔ)性是指盡管每個通道的頻率特性不是全通的，也不是理想帶通的，但各個通道合在一起卻具有全通特性。同時，正交小波變換屬于線性變換，能夠利用小波包分解后的頻帶來分析原始信號的頻率分布，提取零序電流暫態(tài)信號的特征。

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，暫態(tài)電流的分布表現(xiàn)出一些特定特征。這些特征有助于識別故障線路。具體來說，故障線路的電流幅值會最大，并且電流的方向與非故障線路相反。為了實(shí)現(xiàn)選線，需要提取接地時刻的暫態(tài)電流，并對各線路的暫態(tài)電流進(jìn)行比較。當(dāng)檢測到3U0（零序電壓的3倍）超過整定值時，選線過程將被啟動。為了更精確地分析暫態(tài)電流數(shù)據(jù)，需要提取故障前后各一個周波的暫態(tài)數(shù)據(jù)。隨后，利用小波包變換對這些暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的分析處理。小波包變換是一種強(qiáng)大的工具，能夠揭示信號在不同頻率和時間尺度上的特性，從而更好地理解暫態(tài)電流的特征和變化。通過這種處理方法，能夠基于暫態(tài)電流的特征來準(zhǔn)確地識別和定位故障線路，從而提高配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1.2.2 基于小波包的暫態(tài)選線方法

采用基于小波包變換的暫態(tài)比相法、暫態(tài)比幅法、暫態(tài)功率方向法綜合判別方法，適應(yīng)不同類型單相接地故障，顯著提高選線準(zhǔn)確率。

1.2.2.1 暫態(tài)比相法

在處理暫態(tài)數(shù)據(jù)時，選取暫態(tài)幅值最大的頻段，然后對這部分信號的相位進(jìn)行比較。通過這一步驟，可以判斷哪條線路的暫態(tài)相位與其他線路存在差異。如果某條線路的暫態(tài)相位與其他線路不同，那么這條線路即為故障線路。如果經(jīng)過比較，發(fā)現(xiàn)所有線路的暫態(tài)相位都相同，那么可以判斷故障可能發(fā)生在母線上。因此，根據(jù)各線路暫態(tài)相位的差異，可以精確地定位故障位置，從而提高對配電網(wǎng)故障的處理效率。

1.2.2.2 暫態(tài)比幅法

當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，故障線路的暫態(tài)分量幅值會顯著大于非故障線路的分量。暫態(tài)幅值最大的線路即為故障線路，暫態(tài)比幅法不比較相位。在電流互感器極性接錯的情況下也可以進(jìn)行選線，但是無法識別母線故障。

1.2.2.3 暫態(tài)功率方向法

在單相接地故障發(fā)生時，暫態(tài)功率方向在故障線路中呈現(xiàn)為反向，而非故障線路則表現(xiàn)為正向。利用各線路的暫態(tài)分量進(jìn)行暫態(tài)功率計算，通過判斷功率方向，可以準(zhǔn)確地識別出故障線路。如果所有線路的暫態(tài)功率方向都為正向，則可以判斷故障發(fā)生在母線上。這種基于暫態(tài)功率方向的故障檢測方法，能夠快速、準(zhǔn)確地定位故障位置，提高配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3種暫態(tài)選線方法選線完成后，對3種暫態(tài)方法的選線結(jié)果進(jìn)行判斷，分為以下幾種情況：

（1）3種方法選線結(jié)果一致，則以暫態(tài)比相法結(jié)果為首選接地線路跳閘。

（2）暫態(tài)比相法及暫態(tài)功率方向法選線結(jié)果都為母線接地時，母線接地跳閘。

（3）3種方法選線結(jié)果其中有兩種一致，則以兩種一致的結(jié)果為首選接地線路跳閘，剩余另一結(jié)果作為備選接地線路以報文顯示出來但不跳閘。

（4）3種方法選線結(jié)果各不相同，則以暫態(tài)比相法結(jié)果為首選接地線路跳閘，暫態(tài)比幅法、暫態(tài)功率方向法選線結(jié)果作為備選接地線路以報文顯示但不跳閘。

1.3 基于相電流暫態(tài)特征的接地檢測技術(shù)

基于相電流暫態(tài)特征的接地檢測技術(shù)，主要依賴于小電流接地故障時對暫態(tài)相電流特征的深入分析。該技術(shù)利用故障線路與非故障線路在各相電流上的差異，通過波形識別和辨識，準(zhǔn)確地選出故障線路。這種方法的關(guān)鍵在于對暫態(tài)電流特征的準(zhǔn)確提取和識別，從而實(shí)現(xiàn)對故障線路的有效篩選。僅用三相電流即可進(jìn)行選線、選相，無需零序電壓及零序電流。非故障線路和故障線路三相暫態(tài)特征電流分別如圖1、圖2所示。在負(fù)荷電流中精確提取出暫態(tài)特征電流，非故障線路三相暫態(tài)特征電流幅值及相位一致;故障線路故障相暫態(tài)特征電流相位與非故障相相反，幅值大于非故障線路。

2 接地故障定位及恢復(fù)

2.1 饋線自動化技術(shù)

饋線自動化（FA）具備監(jiān)測和控制配電線路運(yùn)行狀態(tài)的功能，能夠在發(fā)生故障時快速準(zhǔn)確地定位和隔離故障區(qū)間，并恢復(fù)非故障區(qū)間的供電。通過自動化技術(shù)，F(xiàn)A能夠迅速報告、診斷、定位、隔離和修復(fù)配電網(wǎng)故障，降低故障排除的成本和時間，從而顯著提高配電網(wǎng)的供電可靠性和供電質(zhì)量。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，F(xiàn)A可以分為集中型和就地型。就地型FA無需依賴通信系統(tǒng)，因此部署迅速，適合在配電自動化建設(shè)的早期階段率先實(shí)施。目前，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出了多種就地型饋線自動化技術(shù)，包括電壓時間型、電壓電流型和自適應(yīng)綜合型等。這些技術(shù)基于不同的原理和策略，針對不同的應(yīng)用場景和需求進(jìn)行優(yōu)化。如電壓時間型技術(shù)主要依賴于電壓信號和時間延遲來控制開關(guān)設(shè)備的動作;電壓電流型技術(shù)則同時考慮電壓和電流信號來進(jìn)行故障判斷和隔離;自適應(yīng)綜合型技術(shù)則通過集成多種檢測和判據(jù)來提高故障處理的能力和適應(yīng)性。無論是集中型還是就地型FA技術(shù)，都在不斷發(fā)展和優(yōu)化，以滿足日益增長的對配電網(wǎng)高效、可靠、安全運(yùn)行的需求［8］。

自適應(yīng)綜合型饋線終端FTU遵循特定的標(biāo)準(zhǔn)，如雙側(cè)失壓分閘和單側(cè)來電合閘，結(jié)合短路故障與接地故障監(jiān)測技術(shù)以及故障路徑先行處理的保護(hù)控制策略。通過與變電站出線斷路器的二次重合閘配合，這種終端能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)的故障切除和自適應(yīng)隔離非故障區(qū)間。從經(jīng)濟(jì)角度來看，自適應(yīng)綜合型FA是就地型FA控制策略中一種優(yōu)秀的故障復(fù)電方案。其優(yōu)勢在于投資少、見效快、易于實(shí)施。而從技術(shù)角度看，該方案不依賴通信系統(tǒng)、主站支持，并且維護(hù)工作量較小。這些優(yōu)點(diǎn)使得自適應(yīng)綜合型FA成為一種高效、可靠的故障處理方案，對于提高配電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和供電可靠性具有重要意義。

2.2 自適應(yīng)型FA故障處理方法

各分段開關(guān)對應(yīng)終端都具有小波包變換的暫態(tài)功率方向及相電流暫態(tài)特征的接地識別功能。根據(jù)“雙側(cè)失壓分閘、單側(cè)來電合閘”方式、結(jié)合接地故障檢測技術(shù)與故障路徑優(yōu)先處理控制策略，配合首開關(guān)重合閘邏輯，實(shí)現(xiàn)多分支配電網(wǎng)故障定位與隔離自適應(yīng)。

2.2.1 單相接地故障選線

當(dāng)線路正常運(yùn)行時在FS14與FS15之間發(fā)生單相接地故障，整個饋線上將會產(chǎn)生零序電壓，所有監(jiān)測到零序電壓的開關(guān)，啟動暫態(tài)算法選線。首開關(guān)FS11根據(jù)單相接地特征方向進(jìn)行接地選線，判斷為本線路接地故障后，經(jīng)接地選線延時跳閘。單相接地故障發(fā)生如圖3所示;接地選線如圖4所示;首開關(guān)FS11選線成功跳閘如圖5所示。

2.2.2 首端FTU延時合閘

首開關(guān)重合閘進(jìn)行區(qū)段定位如圖6所示。對于首端FTU，當(dāng)開關(guān)在分位且沒有閉鎖合閘信號時，若沒有單相接地特征方向記憶，則首端FTU經(jīng)［C時間］合閘，［C時間］應(yīng)大于變電站出線開關(guān)處重合閘充電時間;若首端FTU檢測到單相接地故障選線跳閘后，由首端FTU經(jīng)［首FTU選線后重合閘時間］合閘。

2.2.3 非首端FTU延時合閘

逐級合閘定位故障如圖7所示。首開關(guān)FS11選線跳閘后重合閘，其他開關(guān)逐級來電合閘，進(jìn)行區(qū)段定位。對于非首端FTU，當(dāng)開關(guān)在分位且沒有閉鎖合閘信號，若FTU檢測到曾發(fā)生單相接地故障或相間短路故障，在單側(cè)恢復(fù)有壓時，經(jīng)［X時間］合閘;若FTU檢測到?jīng)]有發(fā)生單相接地故障和相間短路故障，在單側(cè)恢復(fù)有壓時，經(jīng)［S時間］合閘。［S時間］為自適應(yīng)延時，默認(rèn)值應(yīng)大于該線路最長主干線所有［X時間］之和。逐級合閘，開關(guān)FS14合于故障，故障定位在FS14與FS15之間。

2.2.4 故障隔離及供電恢復(fù)

對于所有FTU，當(dāng)開關(guān)合閘后，若在合閘后的［Y時間］內(nèi)，檢測到單相接地故障發(fā)生，則經(jīng)短延時跳閘。［Y時間］是指開關(guān)合閘后的無故障確認(rèn)時間。

故障區(qū)段隔離如圖8所示;非故障區(qū)段恢復(fù)供電如圖9所示。FS14合于故障后主動跳閘，正向閉鎖來電合閘;FS15檢測到來電后迅速失電，反向閉鎖來電合閘;完成故障區(qū)段隔離。非故障區(qū)段開關(guān)FS12、FS13自適應(yīng)長延時合閘，恢復(fù)供電。

3 實(shí)驗驗證及應(yīng)用

在湖北鄂州示范應(yīng)用實(shí)驗時，在實(shí)際運(yùn)行的線路上選取接地故障點(diǎn)，在中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧接地和中性點(diǎn)延時經(jīng)小電阻投入3種方式下，分別模擬1 400 Ω、500 Ω、150 Ω、50 Ω以及金屬性接地，首FTU均準(zhǔn)確選線，其他開關(guān)配合首FTU自動完成故障區(qū)段定位和隔離恢復(fù)。

在中國電力科學(xué)研究院、國家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院、江蘇電網(wǎng)電力科學(xué)研究院等進(jìn)行入網(wǎng)驗證實(shí)驗時，在過補(bǔ)償、欠補(bǔ)償方式下，分別在不同支路進(jìn)行金屬性接地、經(jīng)弧光接地、經(jīng)220 Ω電阻串聯(lián)球隙 、經(jīng)1 kΩ電阻串聯(lián)球隙、經(jīng)2 kΩ電阻等接地故障多次試驗，裝置全部正確動作。

某電科院配電網(wǎng)戶外真型試驗場擁有7條10 kV試驗線路。其中，前四條線路采用集中參數(shù)柜來模擬真實(shí)線路的分布式參數(shù)，而第五～第七條線路則是實(shí)際的電纜線路。零序電流互感器的變比為10∶1，此外還配置了兩面電容器柜，用于調(diào)節(jié)對地電容電流。試驗場還配置了額定容量為400 kVA的預(yù)調(diào)式消弧線圈，其電流調(diào)節(jié)范圍在20～66 A。通過有載分接開關(guān)，可以等差調(diào)節(jié)電流。在中性點(diǎn)不接地的情況下，投入第五和第七條線路，此時系統(tǒng)電容電流為9.11 A。而當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)消弧線圈接地時，會同時投入對地電容及第三、第五、第七條線路，此時母線總電容電流為27.86 A。消弧線圈的檔位設(shè)定為31 A。接地故障測試時運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示。

戶外試驗場開關(guān)站內(nèi)安裝FTU裝置，將試驗3線、5線、7線的3路零序電流及母線零序電壓接入裝置進(jìn)行錄波。波形中裝置采樣率為9.6 kHz，每周波192點(diǎn)。根據(jù)在該電科院真型實(shí)驗室接地測試獲得波形共計50余條，均準(zhǔn)確選出故障線路。不接地系統(tǒng)經(jīng)500 Ω電阻接地如圖10所示;消弧接地系統(tǒng)經(jīng)500 Ω電阻接地如圖11所示;消弧接地系統(tǒng)經(jīng)弧光接地如圖12所示。試驗7線為故障線路。

根據(jù)在各電科院真型實(shí)驗室、國網(wǎng)真型實(shí)驗場及現(xiàn)場變電站接地測試結(jié)果表明，采用小波包暫態(tài)法并結(jié)合波形分析法綜合判別小電流接地，可以使選線準(zhǔn)確率超過95%。不同故障條件下接地選線結(jié)果如表2所示。

由表2可見，均能正確選出故障線路。其中，系統(tǒng)相電壓為5 700 V，系統(tǒng)阻尼率為1.5%，電流傳感器變比為50∶1，電壓傳感器變比為100∶1。

4 結(jié) 語

基于FTU的配電網(wǎng)單相接地故障定位與恢復(fù)方法的優(yōu)點(diǎn)：

（1）適應(yīng)各種中性點(diǎn)接地方式，顯著提高選線準(zhǔn)確率;不僅能夠有效地判別出線路故障與母線故障，還能對故障發(fā)生相進(jìn)行識別。

（2）不依賴通信網(wǎng)絡(luò)，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高供電經(jīng)濟(jì)性。

（3）實(shí)現(xiàn)接地故障的秒級定位、數(shù)十秒隔離和供電恢復(fù)，減少故障處理人工干預(yù)，提高供電可靠性。

（4）實(shí)現(xiàn)從接地故障定位、隔離到恢復(fù)供電自動化，提高配電自動化水平。

（5）可與饋線保護(hù)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)就地安裝。系統(tǒng)擴(kuò)展更加容易，這對于我國配電網(wǎng)改造具有重大的意義。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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收稿日期： 20231017