（控制理论与控制工程专业论文）基于直流注入原理的配电网单相故障选线定位研究.pdf

r s t u d yo ns i n g l ep h a s e - - t o - e a r t hf a u l tl i n es e l e c t i o n a n df a u l tp o i n tl o c a t i o ni nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k b a s e do nd i r e c tc u r r e n t i n j e c t i o n b y z h ux i u - x i a n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f z h a n gh u i f e n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 0 r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 筮盔鸯 日 期： 2 q l l ：羔 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：基蠢玺导师签名：级髦：缓日期：丛f l ( 1 2 济南人学硕l j 学位论文 h i 一 ；i i i i i 曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇曼! 曼曼皇曼曼曼曼曼曼苎曼! 苎皇! 曼曼曼曼曼曼舅! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼 目录 摘要iii a bst r a c t v 第一章绪论1 1 1 选题的背景和意义1 1 2 小电流接地系统单相接地故障选线定位技术综述2 1 2 1 国内外对小电流接地选线定位的研究概况2 1 2 2 单相接地故障选线方案存在的问题5 1 3 论文的主要工作1 0 1 4 本章小结1 l 第二章小电流接地系统单相接地故障分析l3 2 1 小电流接地系统故障稳态分析1 3 2 1 1 中性点不接地系统单相接地故障稳态分析1 4 2 1 2 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障稳态分析1 8 2 2 小电流接地系统故障暂态分析2 1 2 2 1 暂态电容电流2 1 2 2 2 暂态电感电流2 3 2 2 3 暂态接地电流2 3 2 3 本章小结2 4 第三章基于直流注入原理的单相接地故障选线定位分析2 5 3 1 直流注入选线定位原理的提出2 5 3 2 直流注入选线定位原理的理论分析2 7 3 2 1 中性点不接地系统的直流注入选线定位理论分析2 7 3 2 2 中性点经消弧线圈接地系统的直流注入选线定位理论分析3 0 3 3 直流注入选线定位原理抗过渡电阻能力的分析3 3 3 4 直流注入选线定位原理对配电网的影响分析3 4 3 5 本章小结3 6 幕于直流注入原理的配电网单相故障选线定位研究 第四章直流注入选线定位原理的仿真分析与现场试验3 7 4 1p s c a d e m t d c 仿真软件简介3 7 4 2p s c a d e m t d c 数字仿真及结果3 9 4 2 1 仿真模型及设置3 9 4 2 2 仿真结果与分析4 l 4 3 现场试验及结果4 9 4 3 本章小结5 0 第五章直流注入原理的实现技术研究5 3 5 1 直流发生器的实现5 3 5 2 探测半波直流电流的检测方法5 3 5 3 自适应可调电阻的实现5 5 5 4 本章小结5 7 第六章结论59 参考文献63 致谢67 附录69 一、在校期间发表的学术论文6 9 二、在校期间参加的项目6 9 三、在校期间获奖情况6 9 i l 济南大学硕 j 学位论文 摘要 我国6 3 5 k v 的中低压配电网主要采用小电流接地系统，它主要包括中性点 不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统，小电流接地系统发生单相接地故障的 机率最高。当小电流接地系统发生单相接地故障时，只有系统的分布电容引起很 小的零序电流，三相线电压依然保持不变，在短时间内不影响对用户的正常供电。 所以规程规定小电流接地系统可带单相接地故障继续运行1 2 小时。但单相接地 故障会引起非故障相对地电压升高，长时间的接地运行容易造成两相短路。若发 生间歇性弧光接地还会引起全系统过电压，进而破坏系统的安全运行。因此必须 尽快查找出故障线路及接地故障点，从而尽快排除故障。 针对小电流接地系统单相接地故障查找的问题，国内外的继电保护工作者进 行了不懈地研究与探索。本文在参考诸多国内外文献的基础上，论述了小电流接 地系统单相接地故障选线定位保护的发展历史及国内外研究现状，分类探讨了现 有各种选线方案的原理、特点及其各自的优缺点。介绍了小电流接地系统单相接 地故障的特点，分别分析了中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统发生 单相接地故障时的特征，主要包括单相接地故障时的稳态特征和暂态特征。 介绍了一种小电流接地系统单相接地故障保护的新方法一“直流注入法”， 它的主要特点是在系统发生单相接地故障后，通过接地变压器向故障线路故障相 注入一种特殊的直流电流信号，该直流信号沿故障线路故障相流动并经故障点入 地，通过对注入的直流电流信号进行寻踪就可以找到故障线路和故障点的确切位 置。本文的重点是从理论上证明了该直流注入原理的可行性；建立了相关的电路 模型；详细分析了该原理各相关参数的计算公式；推导了直流注入原理耐受过渡 电阻能力的计算表达式；并分析了直流注入原理对配电网的影响。同时阐述了该 原理的优点：利用直流注入原理不仅提高了选线定位保护动作的准确率，还具有 较高耐受过渡电阻的能力。除此之外，当注入脉动直流电流的有效值在1 0 0 m a 2 a 之间变化时，不会对配电网的正常运行造成影响： 本文简单介绍了电力系统暂态仿真软件p s c a d e m t d c 的功能、元件库和 仿真程序执行的过程。利用软件p s c a d e m t d c 来搭建配电网系统发生单相接 地故障时的模型，通过仿真故障线路和非故障线路中的半波直流电流信号来验证 i i i 基于直流注入原理的配电网单相故障选线定位研究 文章中所提到的基于直流注入原理的配电网故障选线方法的可行性；通过仿真故 障线路故障点前和故障点后的半波直流电流信号来验证基于直流注入原理进行 配电网故障定位的可行性。 对实现直流注入原理的几个关键技术进行了简单的介绍：包括直流发生器的 实现；探测半波直流的检测方法及自适应可调电阻的实现。主要介绍了利用无线 传感技术探测半波直流电流的方法及利用普通的白炽灯实现自适应可调电阻的 方法。 关键词：小电流接地系统；单相接地故障；选线定位；直流注入原理； p s c a d e m t d c 仿真 i v 济南人学硕卜学位论文 a b s t r a c t i nc h i n a , m o s tm i d d l ev o l t a g ed i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e m ( 6 - 3 5 k v ) e m p l o y s n o n - e f f e c t i v e l ye a r t h e dn e u t r a l s ，w h i c hi n c l u d ei s o l a t e dn e u t r a ln e t w o r k sa n d n e t w o r k sg r o u n d e dw i t ht h en e u t r a lc o m p e n s a t o rc o i l s i n g l e p h a s et oe a r t hf a u l th a sa 1 1 i g hf a i l u r er a t ei nm i d d l ev o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k s w h e ns i n g l e - p h a s et oe a r t h f a u l to c c u r s ，i td o e s n tf o r mas h o r t c i r c u i tl o o p t h ef a u l tc u r r e n ti ss m a l la n dt h e t h r e ep h a s el i n et ol i n ev o l t a g e sa r es t i l ls y m m e t r i c ，s ot h el o a dc a i lb ei nn o r m a l o p e r a t i o nf o rap e r i o do ft i m e b u ta f t e rt h ef a u l t ，t h en o n f a u l tp h a s ev o l t a g ew o u l d i n c r e a s e l o n gt i m ee a r t h i n go p e r a t i o nw i l ld e s t r o yt h es y s t e m a t i cs a f eo p e r a t i o na s t h er e s u l to ft w o p o i n t ，m o r e o v e r , m u l t i p o i n te a r t h i n ga sw e l la st h es y s t e m a t i co v e r v o l t a g ec a u s e db ya r cl i g h t s os i n g l e - p h a s et oe a r t hf a u l ts h o u l db er e m o v e da ss o o n a sp o s s i b l e i nc a s eo ft h ef a u l tc a n tb er e m o v e di m m e d i a t e l y , t h ef a u l tl i n ea n df a u l t p a t hs h o u l db ef o u n da sq u i c k l ya sp o s s i b l e r e l a yp r o t e c t i o nr e s e a r c h e r sa l lo v e rt h ew o r l dh a v em a d em u c hs t u d ya n d e x p l o r a t i o no nh o wt of i n ds i n g l e p h a s ee a r t h e df a u l ti nn o n e f f e c t i v ee a r t h e dp o w e r s y s t e m b a s e do nm a n yl i t e r a t u r e so fc h i n aa n df o r e i g nc o u n t r i e s ，r e v i e w st h e d e v e l o p i n gh i s t o r yo ft h er e l a ya b o u tt h es e l e c t i o no fs i n g l e - p h a s ee a r t h e df a u l tl i n ei n s m a l lc u r r e n tn e u t r a lg r o u n d i n gs y s t e ma l lo v e rt h ew o r l d ，a sw e l la sp r i n c i p l e sa n d t r a i t so fv a r i o u ss e l e c t i n gc r i t e r i aa r e a n a l y z e di nd e t a i l t h i sp a p e rp r e s e n tt h e c h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l ep h a s e - t o - e a r t hf a u l ti ns m a l lc u r r e n tn e u t r a lg r o u n d i n gs y s t e m t h es t e a d ya n dt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i co fi n e f f e c t i v e l ye a r t h e dd i s t r i b u t i o ns y s t e ma t e r e s e a r c h e dw h i l es i n g l ep h a s e - t o e a r t hf a u l to c c u r si ni t t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e wc r i t e r i o na b o u tt h es e l e c t i o no ff a u l tl i n ea n dt h e l o c a t i o no ff a u l tp o i n ti ns m a l lc u r r e n tn e u t r a lg r o u n d e ds y s t o n - - - t h ed i r e c tc u r r e n t ( p c ) s i g n a li n j e c t i o nm e t h o d w h e ns i n g l ep h a s e - t o - e a r t hf a u l to c c u r s ，ad cs i g n a li s i n j e c t e dt ot h ef a u l tl i n et h r o u g ht h ee a r t h i n gt r a n s f o r m e r t h ed cs i g n a li n j e c t e d m e t h o di d e n t i f i e st h ef e e d e ra n dl o c a t e st h ef a u l tp o i n tb yd e t e c t i n gt h et r a c eo ft h e i n j e c t e dd cc u r r e n ts i g n a l d e m o n s t r a t e si nt h e o r yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed cs i g n a l v 幕于直流滓入原理的配电网单相故障选线定位研究 i n j e c t i o nm e t h o di s t h ep a p e r s k e yp o i n t t h ec i r c u i tm o d e li sb u i l ta n dt h e c a l c u l a t i o no fr e l e v a n tp a r a m e t e r si s a n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i cf o r m u l au s e dt o c a l c u l a t et h ec r i t i c a lf a u l tr e s i s t a n c ei sd e d u c e d f a c t o r si n f l u e n c i n gt h ed i s t r i b u t i o n s y s t e mr e l i a b i l i t ya r ea l s oa n a l y z e d t h ed cs i g n a li n j e c t i o nm e t h o dh a si m p r o v e dt h e a c c u r a c yo fl i n es e l e c t i o ni ns i n g l e p h a s et oe a r t hf a u l ta n di n c r e a s e dt h ec r i t i c a lf a u l t r e s i s t a n c e 。 i n t h i sp a p e r , t h ef u n c t i o n , e l e m e n t sa n ds i m u l a t i o np r o c e d u r eo ft h ep o w e r s y s t e m t r a n s i e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r ep s c a d e m t d ci si n t r o d u c e db r i e f l y t h em o d e lo ft h e s i n g l e p h a s ee a r t h e df a u l t i nt h ed i s t r i b u t i o n s y s t e m i se s t a b l i s h e d u s i n g p s c a d e m t d cs o t b v v a r e f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，ac o n c l u s i o nc a nb ed r a w nt h a t t h ed cc u r r e n ti nt h ef a u l tl i n ei sd i s t i n c t l yd i f f e r e n tf r o mt h a ti nt h en o n f a u l tl i n e s o i tc a nb eu s e df o ri d e n t i f y i n gs i n g l e - p h a s et oe a r t hf a u l t i nt h i s p a p e r , t h ek e yt e c h n o l o g i e so fd cs i g n a li n j e c t i o np r i n c i p l e sa r e i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gi m p l e m e n t a t i o no ft h ed cs i g n a lg e n e r a t o r , m e t h o d so f d e t e c t i n gd cs i g n a la sw e l la sr e a l i z a t i o no fa d a p t i v ea n da d j u s t a b l er e s i s t o r + t h i s c h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e st h em e t h o d so fd e t e c t i n gd c s i g n a lt h r o u g hw i r e l e s ss e n s o r t e c h n o l o g ya sw e l la st h ei m p l e m e n t a t i o no fa d a p t i v ea n da d j u s t a b l er e s i s t o ru s i n g o r d i n a r yi n c a n d e s c e n tl a m p k e yw o r d s ：i n e f f e c t i v e l yg r o u n d e ds y s t e m ；s i n g l e p h a s et oe a r t hf a u l t ；f a u l t yl i n e s e l e c t i o na n df a u l tp o i n t ；d cc u r r e n ti n j e c t i o nm e t h o d ；p s c a d e m t d cs i m u l a t i o n v i 济南大学硕 学位论文 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 电力系统的中性点以何种形式接地运行是一个综合性的问题，它涉及到技 术、经济和安全等多个方面，电力系统常用的中性点接地方式主要有：中性点不 接地、中性点经消弧线圈接地、中性点直接接地、中性点经容抗接地以及中性点 经低阻接地。其中，前两种称为小电流接地系统；后三种称为大电流接地系统。 目前，我国6 - - 3 5 k v 中低压电网普遍采用小电流接地方式。小电流接地系统 的主要优点是，发生单相接地故障时，故障线路不能与主变压器的绕组线圈形成 短路回路，因此，线路中不会出现短路和过负荷等大电流，只在系统中产生很小 的零序电流，三相线电压依然平衡，不影响系统正常工作。电力规程规定，在小 电流接地系统发生单相接地故障的情况下，可带单相接地故障继续运行l 2 小时 【1 1 ，这样可以提高供电的持续性和可靠性，因此小电流接地系统在我国得到了广 泛应用。但是，系统带单相接地故障运行时，故障相对地电压降为零( 金属性接 地短路1 ，非故障相对地电压升高至线电压，若长期带故障运行，容易使非接地 相绝缘薄弱处发生对地击穿，造成两相接地短路事故，影响对用户的供电。弧光 接地还有可能会引起全系统的过电膨2 1 ，进而损坏设备，破坏系统的安全运行， 因此及时找出故障线路，并尽快排除故障，对电网的安全可靠运行具有十分重要 的意义。 传统查找故障线路的方法是通过绝缘监察装置来检测是否发生单相接地故 障，若发生单相接地故障，则采用逐条线路拉闸的方法来判断到底是哪条线路出 现了故障，并通过人工寻线目测法寻找故障点。人工查找的传统方法不仅倒闸操 作复杂、需要耗费大量的人力、物力、不利于人身及设备安全，还容易造成用户 不必要的停电，使供电的可靠性得不到保障。 随着工业的飞速发展，单片机技术在电力系统继电保护领域得到了广泛的应 用，目前，在小电流接地系统中，大多安装了微机在线自动选线装置，当小电流 接地系统发生单相接地故障时，在线自动查找故障线路，无需有人在变电所值班。 单相接地故障发生后，它是通过提取各条线路电气量变化的故障特征，辨识故障 基于直流滓入原理的配电网单相故障选线定位研究 线路，选出故障线路后通过提取故障线路故障点前后电气量变化的故障特征，定 位出故障点。长期以来，国内外无数电力工作者对小电流接地系统单相接地保护 选线和定位进行了广泛而深入的研究，提出的技术方案在越来越多的同时，准确 率也在逐步的提高，并且基于不同的故障特征，提出了多种选线原理，随着选线 理论的发展，研制的各种接地选线装置也相继问世，已有不少装置在电力系统中 得到了应用，在一定程度上解决了单相接地故障选线问题。然而，由于小电流接 地系统单相接地时故障特征电流太小，且较弱的稳态特性易受系统接线、线路长 短、接地方式、电缆线径、互感器误差、负荷情况等诸多因素的影响，而较大的 暂态特性容易受系统参数的影响和约束，所以到目前为止，发展出的各种自动化 监测和选线原理都存在着一定的局限性【l , 3 1 。 因此，在小电流接地系统中，单相接地保护看似简单易行，但在实际运行中 证明单相接地保护是十分复杂的，这也是一些国家不采用小电流接地系统的主要 原因之一。但是小电流接地毕竟有着明显的优越性，并在我国及其他国家得到了 广泛采用，因此进一步研究小电流接地系统的单相接地故障检测方法，具有很强 的理论和实际意义。 1 2 小电流接地系统单相接地故障选线定位技术综述 1 2 1 国内外对小电流接地选线定位的研究概况 小电流接地系统单相接地保护的选线定位问题，一直备受国内外的关注。早 在1 9 5 8 年起，我国就已经开始对小电流接地系统的单相接地故障选线问题进行研 究，提出了很多的选线方法，并且研制了相应的装置。绝缘监察装置是最早出现 的小电流接地系统保护装置，5 0 年代，根据接地电流的首半波极性研制成功了小 电流接地系统的保护装置及利用零序电流五次谐波原理研制成功了接地选线装 置。7 0 年代后期，一批具有选择性的接地信号装置被上海继电器厂和许昌继电器 厂等单位研制出来，如适用于中性点不接地系统中的z d 4 型零序功率方向的保 护，以及适用于经消弧线圈接地系统中的z d 5 ，z d 一6 ，z d 7 型五次谐波零序功 率方向的保护【4 】。8 0 年代中期，我国又成功研制了微机型的小电流接地系统单相 接地故障的保护装置，相继也出现了适合微机进行故障选线的理论，其中包括南 京自动化研究所提出的比较零序电流五次谐波的大小和方向的接地选线装置，东 2 济南人学硕t 学位论文 北电力学院提出的由无线电接收的谐波电流利用比相原理实现的接地选线装置； 华北电力大学提出的根据零序电流五次谐波比相原理研制出的m l a 9 8 型小电流 接地装置；西安交通大学提出的是通过比较零序电流的3 、5 、7 次谐波分量之和 及自适应独立判别法进行故障选线的原理【5 】。9 0 年代，潘贞存等研究出了群体比 幅比相法，郝玉山等提出了模糊理论的选线方法，檀国标等提出了a ( i s i n c p ) 选 线方法，徐丙垠等提出了暂态行波选线原理。由山东大学的桑在中教授提出的“s 注入法”选线定位原理，该方法与其他方法相比在理论和应用上有了较大的突破。 最近几年，又推出了许多的选线理论及装置，其中的选线装置包括基于“注入变 频信号法 及“接地残留增量法等原理研制的新型选线装置；并且基于小波理 论研制的选线装置也已投入运行【2 6 】。提出的新选线理论有基于粗糙集理论的小 电流接地系统故障选线的方法、基于数学形态谱的配电网接地选线新方法以及利 用电磁场感应检测小电流接地故障等【7 8 】。 早在上世纪初期，国外就已有许多的继电保护工作者对单相接地故障保护装 置进行了大量的研究。在原苏联，小电流接地系统得到了广泛的应用，并对其保 护原理及装置的研究给予了很大的重视，同时发表了多篇论文，成功研制了几代 选线定位装置。在电力、钢铁及煤炭行业中得到了应用，保护原理从最初的过流、 无功方向，发展到群体比幅；装置也由电磁式继电器、晶体管式发展到了模拟集 成电路、数字电路以及微机构成的保护装置。 在日本的电力、钢铁、化工中普遍采用中性点不接地和经小电阻接地系统， 因此选线原理较为简单，不接地系统采用无功方向的方法，经电阻接地系统主要 采用零序过电流保护，以便迅速切除故障线删9 1 。近年来，在怎样获取零序电流 信号以及接地点分区方面投入了较大的人力和物力，利用光导纤维研制出的架空 线及电缆零序电流互感器，通过实验获得了成功。 在德国应用较为广泛的是中性点经消弧线圈接地系统，早在三十年代，德国 就首次提出了利用零序电流首半波极性进行故障选线，随后发表了几篇论文，并 成功研制了几代单相接地故障保护装置，现在已研制出便携式接地报警装置【l o 】。 而挪威一家公司则是利用测量空间电场和磁场的相位，来反映零序电压和零序电 流的相位，并且研制了悬挂式接地指示器 1 l , 1 2 1 。法国、波兰等欧洲国家在使用经 小电阻接地几十年后，现在正用经消弧线圈接地系统取代小电阻接地系统，对小 3 基于直流沣入原珲的配电网学相故障选线定位研究 电流接地系统的保护方法及装置进行了大量的研究，开发了零序导纳法及d e s i r 的接地保护装置 1 3 , 1 4 】。 9 0 年代初期，国外已经将人工神经网络应用于单相接地故障的保护中，并发 表文献提到应用专家系统的方法，可进一步提高选线的准确率。随着小波变换方 法的出现和发展，有国外的文献提及利用故障暂态电流中的高频分量进行故障选 线，并研究了离散小波变换法的选线原理。 目前配电网单相接地故障的定位方法主要是采用人工巡线的方法确定接地 点的具体位置，人工巡线的方法不仅浪费了大量人力和物力，还延长了停电的时 蝌1 5 】。小电流接地系统的故障定位技术不像故障选线一样有较多研究成果，目前， 故障定位方法主要分为两种：一是行波法【1 6 ，1 7 1 ，该法是通过测量故障产生的行波 在故障点与母线之间往返一次的时间或通过故障行波到达线路两端的时间差来 计算故障距离。荚中又可分为a 、b 、c 、d 、e 、f 六型方法。其中仅有c 型方法， 即单端注入行波法适用于多终端配电网络。c 型行波法的基本思想是在线路始端 注入检测的信号，并通过计算注入信号的时刻与故障点返回信号时刻的时间差来 确定故障位置，这种方法在输电线路上获得了良好效果【1 8 , 1 9 。但由于配电网的结 构复杂，在实际应用中此法还往往会受到过渡电阻及分支数目的影响；另一种是 信号注入法 2 0 1 ，即故障发生后通过向系统注入一定频率的信号，通过对该信号的 检测来判断故障点的位置，但此法容易受过渡电阻大小和分布电容大小的影响。 小电流接地系统单相接地故障定位难的主要原因有：( 1 ) 小电流接地系统线路参 数受外界影响大，很难获取准确值，因此“阻抗法失效；( 2 ) 配电网一般分支 线路较多，单端行波定位法( a 型) 和双端行波定位法( b 型) 也不可取；由于小电流 接地系统存在大量的分支线路，因此确定故障分支是也是一个公认的难点【2 1 捌。 最近由华北电力大学提出的配电网离线故障定位方法，考虑到了接地电阻和线路 长度对注入信号的影响，采用交直流综合定位方法，直流法可以避免电容和分支 多的影响，交流法检测很方便，优势互补，这两种方法相结合使故障定位的精度、 可靠性、效率都得到了很大的提高，为离散状态下确定配电网单相接地故障的位 置提供了一种非常有效的方法【2 3 刀】。 4 济南大学硕卜学位论文 1 2 2 单相接地故障选线方案存在的问题 小电流接地系统单相接地故障的选线定位技术，是近年来电力系统领域研究 的热点问题之一f 2 5 】。经过多年的研究，已有多种选线原理问世，同时也有许多的 实用化装置投入运行，取得了较好的应用效果【2 6 1 。在已经提出的故障选线和定位 的原理中，从大的方面可分为四类：第一类是利用故障稳态分量特征的选线方案 f 2 7 1 ；第二类是利用故障暂态分量特征的选线方案网；第三类是利用外加诊断信 号的选线方案2 9 , 3 0 】；第四类是基于现代信息融合技术的选线方案【2 9 】。 ( 一) 利用故障稳态分量特征的选线方案 目前，大多数已开发出的接地选线装置是利用接地故障后产生的稳态基波或 谐波信号，称为基于稳态特征的选线法。基于故障稳态信息的选线判据，在经消 弧线圈接地的配电网中选线的准确率很低，主要原因是接地故障产生的稳态电流 很小，以及故障线路零序电流在幅值和方向上都与非故障线路的没有明显差异， 因此对零序电流的检测较为困难，下面介绍几种基于稳态特征选线的方法。 ( 1 ) 零序电流比幅法【3 1 】 当中性点不接地系统发生单相接地故障时，流过故障线路的零序电流在数值 上等于所有非故障线路对地电容电流之和，即通过故障线路上的零序电流最大， 因此只要通过对零序电流幅值大小的比较就可以查找出故障线路。但该方法不能 排除受c t ( 电流互感器) 不平衡、接地过渡电阻大小、系统运行方式及线路长短的 影响，且配电网系统中有可能存在某一线路远远长于其它线路，即其分布电容的 大小与系统总的分布电容大小相差不大时，装置有可能会拒动，并且不适用于经 消弧线圈接地系统。 ( 2 ) 零序电流群体比幅比相法【3 2 。5 】 此法实质是比幅和比相两种方法的结合。首先需要选几条故障零序电流幅值 比较大的线路作为故障线路的候选，进而再比较这几条线路间的相位，其中零序 电流的流向与其它线路零序电流的流向相反的即为故障线路。此法利用的是相对 信息，避免给出绝对整定值的缺陷，在一定的程度上克服了c t 不平衡的影响， 但同样对中性点经消弧线圈接地系统失效。 ( 3 ) 五次谐波分量法【3 岳3 8 1 该方法在某种程度上解决了中性点经消弧线圈接地系统的选线问题。故障时 5 基于直流注入原理的配电网甲相故障选线定位研究 由于受接地电阻，消弧线圈及变压器线圈等电气设备的非线性影响，故障电流中 将会引起高次的谐波电流，其中5 次谐波的含量最大。因消弧线圈对5 次谐波电容 电流的补偿作用仅相当于对基波电容电流补偿的1 2 5 ，可忽略不计。因此，故障 线路的5 次谐波电容电流要比非故障线路的5 次谐波电容电流大并且方向相反，据 此可选出故障线路。但五次谐波含量较基波微弱很多，且系统本身存在诸多谐波 源干扰，故实际应用效果不理想。 ( 4 ) 负序电流法【3 8 2 9 1 发生单相接地故障时，配电网系统中负序电流的分布与零序电流相似，故通 过比较各线路负序电流的大小和方向可完成故障线路的选择。该种方法的优点是 抗弧光接地能力及抗过渡电阻能力较强，并且满足配电网自动化的要求，适用于 各种中性点的接地方式。但单相接地故障时的复合序网是将三个序网串联，负序 电流分量与零序电流分量的幅值相等，当故障电流较小时，获取负序电流比零序 电流将更加困难。并且配电网系统中的负序电流受负荷电流不对称的影响极大， 因此该法在实际应用中的效果不佳。 ( 5 ) 有功分量法【4 0 。5 】 在消弧线圈上串、并联阻尼电阻品，在刚发生故障的初期不接入凡，充分 发挥消弧线圈的补偿作用以便消除瞬间故障；若零序电压持续存在则接入阻尼电 阻尼，可知故障线路的零序电流中包含流过尼的有功电流，此电流远大于非故 障线路的有功电流，因此，通过检测各线路中零序电流有功分量的大小和相位即 可选出故障线路。此法不受消弧线圈的影响，但是尼的接入加大了故障电流的 有功分量，导致接地电流的增大。因此对见阻值的选择较为困难，阻值过小将 会导致接地电流过大，增加了对故障点绝缘的破坏，尤其是对于电缆线路更易扩 大事故；阻值过大将无法保证正确选线。 ( 二) 利用故障暂态分量特征的选线方案 小电流接地系统发生单线接地故障时，故障暂态电流的幅值比故障稳态电流 的幅值大几倍甚至几十倍，并且不受消弧线圈接地的影响，因此，利用暂态信号 进行故障选线能够避免稳态选线存在的电流信号小及受消弧线圈接地的影响，但 故障暂态信号的电气量存在时间短不易采集故障数据，因此，对暂态信号的实时 检测较为困难。下面介绍几种基于暂态特征选线的方法。 6 济南大学硕 ：学位论文 ( 1 ) 首半波法【4 6 , 4 7 1 该方法有一个前提假设的条件是：单相接地故障发生的时刻是在故障相电压 接近最大值附近。在故障发生后的第一个半周期内，暂态零序电流与暂态零序电 压之间存在固定的相位关系，对放射形结构的电网而言，故障线路上的两者极性 相同，非故障线路上的两者极性相反，由此可选出故障线路。但当故障发生在故 障相电压过零点时刻时，暂态电容电流将达最小值，其幅值的大小仅与基频稳态 电容电流相近，并且没有振荡过程，此时，暂态过程不明显，容易引起误判。 ( 2 ) 基于小波分析的选线方法【4 】 当配电网发生单相接地故障时，故障电压和故障电流的暂态过程含有丰富的 特征量，因此选择一种能够分析暂态分量的新理论，将有利于故障的选线。小波 分析可以对信号进行精确的分析，尤其是对暂态突变信号及微弱信号的变化较敏 感，能够可靠的抽取出故障特征。利用适合的小波及小波基对暂态零序电流特征 分量进行小波变换后，能够看出故障线路上的暂态零序电流特征分量的幅值包络 线明显高于非故障线路的，并且其特征分量相位也与非故障线路的相反，这样就 构造出了利用暂态信号的选线判据。但由于电力系统实际运行的复杂性，可能会 出现暂态分量小于稳态分量的情况。并且现有小波变换的多种方法仅给出了实现 方法和仿真结果。 ( 3 ) p r o n y 算法【4 8 】 p r o n y 算法是一种用指数项拟合模型较为有效的频谱分析的方法。它对接 地故障电流的分析有很高的准确性，配电网发生单相接地故障时，故障电流暂态 分量的阻尼、相位、频率和幅值等参数与故障特征有明显的相关性，通过p r o n y 算法来分析高频分量频率和直流分量阻尼，实现故障选线定位的方法是有效的， 但该种算法的计算量较大。 ( 三) 利用外加诊断信号的选线方案 ( 1 ) s n 注入法【4 9 - 5 2 】 该种方法不需要采集故障特征分量，而是人为向系统中注入一种特殊的电流 信号，它的频率不同于各次谐波及基波。发生金属性接地故障时，从母线电压互 感器的二次侧向故障相注入一特殊的电流信号，由二次侧感应来的信号电流仅沿 故障线路的故障相流动并通过故障接地点入地。因此只有故障线路中有该特殊的 7 基于直流沣入原理的配电网单相故障选线定位研究 电流信号，利用寻迹原理即可实现故障选线。缺点是受电压互感器容量的限制， 所注入特殊信号电流的强度有限，使感应到故障一次系统中的注入信号比较微 弱，对注入信号检测装置的技术要求较高且易受干扰，而且需外加专门的特殊交 流信号发生装置。若发生高阻接地时，非故障线路分布电容会对注入的电流信号 分流；若发生弧光接地，则注入的信号在线路中不再连续，因此正确选线就难以 实现。 ( 2 ) 注入变频信号法【5 3 1 该方法可较好地解决“s 注入法 高阻接地存在的问题。其原理是：考虑到 故障后位移电压大小的不同，向消弧线圈的二次侧注入谐振频率恒流信号，或向 故障相电压互感器的二次侧注入频率是7 0 h z 的恒流信号，然后检测各馈线注入 信号产生的零序电流阻尼率和相角的变化，考虑线路受潮及绝缘老化等因素，通 过比较各馈线阻尼率的大小，可选出故障线路。但接地电阻较小时，信号电流大 多都经故障线路流通，导致非故障线路上阻尼率误差比较大，难以实现正确地选 线。 ( 四) 基于现代信息融合技术的选线方案 小电流接地系统的故障选线问题是对弱信号进行辨识的一种技术，仅利用电 流信号的幅值及相位等一些常规的方法，很难实现满意地选线结果。因此，有些 研究者将现代信息技术与人工智能应用于这一领域。 ( 1 ) 基于神经网络的选线方案【5 4 1 神经网络可应用在难于建模的问题上，并且可以提高建模的精度，配电网单 相接地故障选线中，抽取故障特征与通过抽取的故障特征进行故障选线的结果之 间存在着复杂的非线性关系，很难建立精确地数学模型，因此，可以通过神经网 络来建立故障选线的模型。 ( 2 ) 基于粗糙集理论的选线方案【5 5 】 已有的各种故障选线方法都有其各自适用的范围即有效域。实现多种方法智 能融合的关键是确定各种选线方法的有效域，可利用粗糙集理论来确定各种选线 方法的有效域，此法是以决策表为主要依据，对故障样本的数据进行离散化，对 冗余的信息进行知识的约简，最终得到故障信号特征和故障选线方法中的决策规 则。利用概率的形式表达，针对不协调的决策规则进行处理。 8 济南人学硕i j 学位论丈 ( 3 ) 基于模糊理论的选线方案【5 4 5 5 】 模糊理论属于人工智能技术中比较成熟的技术，基于模糊理论的小电流接地 故障选线方法，就是通过模糊理论对各种的选线方案进行智能融合，得到最后的 选线结果。此法是结合了各种算法的互补性，扩大了正确选线的范围，提高了选 线结果的可靠性。 综上所述，以上的四类选线方案均有一定的可行性，但它们都存在各自使用 的局限性和动作死区。稳态分量法主要的缺陷是：受消弧线圈的影响较大，稳态 零序电流的幅值较小、无法检测瞬时性接地故障等。暂态分量法虽然能克服稳态 分量法存在的缺陷( 受消弧线圈影响较大，选线灵敏度低等问题) ，但对采样频率 要求较高，并且受故障类型、接地方式、故障时刻等因素的影响。外加诊断信号 的选线方案容易受过渡电阻、分布电容及电压互感器容量等的影响。基于现代信 息融合技术的选线方案虽然充分的利用了人工智能方面的技术，但是没有深入分 析信号本质的特征，只是在信号处理的层次上做出了努力，实际的应用效果还是