（电力系统及其自动化专业论文）基于注入法的小电流接地系统单相接地故障定位方法.pdf

山东大学硕士学位论文 地区的配电系统中。 本文基于注入信号原理实现了配电网单相接地故障的自动定位方法， 设计了基于g s m 短信的故障区段定位系统，该系统已经应用于实际配电网 络，取得了良好的效果。论文论述了自动定位系统的定位原理、结构组成 以及工作模式，并且介绍了接地故障定位系统的实验室和现场试验方案。 本文对原有模拟式注入信号探测器进行改进。针对模拟式探测器在使 用过程中出现的抗干扰信号能力弱以及体积大、智能化程度低等不利因素， 本文采用集成芯片和具有高性能数字处理能力的c p u ，开发研制数字化的注 入信号探测器，并构造基于g s m 网络的g p r s 业务作为信息交互的通道，进一 步提高故障区段定位的准确性和可靠性。本文采用集成滤波芯片u a f 4 2 代替 原分立元件组成的模拟滤波功能，提高了装置的集成度和检测注入信号的 灵敏度；用高性能、低功耗的m s p 4 3 0 系列的数字处理芯片m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 来完 成注入信号提取后的数字量转化，并使用数字滤波和功能算法进一步提高 检测注入信号的准确性和抗干扰能力；用可实现g p r s 网络通信的s i e m e n s m c 3 5 通信模块提高探测器与主站之间信息的交互的快速性和可靠性改进 的注入信号探测器已经完成了初步的实验室测试，在进一步测试和完善后 将投入实际系统试运行。 关键词：小电流接地系统故障定位注入信号探测器数字处理 山东大擘硕士学位论文 a b s t 队c t n e u t r a lp o i n tn o n - e f f e c t i v e l y g r o u n d e ds y s t e m o rn e u t r a lp o i n te a r t h e dv i a a r c s u p p r e s s i o nc o i li sw i l d l ya d o p t e db ym e d i u m - v o l t a g ep o w e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r k i no u rc o u n t r y s i n g l e p h a s eg r o u n d e df a u l th a p p e n sm o s tf r e q u e n t l yi nt h en o n - s o l i d l y e a r t h e dn e t w o r kw i t ht h ep r o b a b i l i t yu pt o8 0p e r c e n t w h e ns i n g l e p h a s et oe a r t hf a u l t o c c u r si nan o n - s o l i d l ye a r t h e dn e t w o r k ，t h ef a u l tc u r r e n ti ss m a l la n dt h et h r e ep h a s e l 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 cs i n c en os h o r t - c i r c u i tl o o pi sf o r m e d ，t h el o a d c a nk e e po nr u n n i n gf o rap e r i o do ft i m e b u tw h e nt h ef a u l th a p p e n e d ，t h en o n f a u l t e d p h a s ev o l t a g ew o u l di n c r e a s ea n di n t e r m i t t e n ta r cg r o u n d i n gw o u l dl e a da r co v e r v o l t a g e ，a n dt h ei n s u l a t i o nw o u l db ed a m a g e di nl o n g t i m er u n n i n g ，t h e r e f o r et h e s y s t e mr e s u l ti nm o r es e r i o u sp h a s e - t o - p h a s cv o l t a g e s os i n g l e - p h a s et oe a r t hf a u l t s h o u l db er e m o v e di m m e d i a t e l y i nc a s eo ft h ef a u l tc a n tb er e m o v e di nt i m e ，t h ef a u l t l i n ea n df a u l tp o i n ts h o u l db ed e t e c t e dq u i c k l y t h ef a u l td e v i c es h o u l db er e m o v e da s s o o na sp o s s i b l ea f t e rt h en e c e s s a r yl o a dt r a n s f e r r i n g w h e ns i n g l e - p h a s et oe a r t hf a u l to c c u r s ，o p e nl i n em e t h o di so f i e nu s e dt od e t e c t t h ef a u l tl i n ea n da r t i f i c i a l l ys e a r c h i n gl i n em e t h o di so f t e nu s e dt ol o c a t et h ef a u l t p o i n t o p e nl i n em e t h o dn e e dc a r r yo nm a n ys w i t c h i n go p e r a t i o n ，u s u a l l yc a u s em a n y e l e c t r i cu s e r sp o w e r o f f , a n da r t i f i c i a l l ys e a r c h i n gl i n em e t h o dw o u l dd r a i no nh u g e m a n p o w e ra n dm a t e r i a l r e s o u r c e s b o t ho l dm e t h o d sa r eu n f i tw i t ht h e h i g h a u t o m a t i c a l l ye l e c t r i cn e t w o r kc o n t e m p o r a r i l y r e s e a r c h e r sa l l o v e rt h ew o r l dh a v e m a d et h ee n o r m o u se f f o r t sf o ral o n gt i m e ，b u tt h e r ei sn o t as a t i s f a c t o r yr e s u l ts of a r a l t h o u g hd i s t r i b u t i o nn e t w o r k sl i n e sa r en o ta sl o n ga st r a n s m i s s i o nn e t w o r k sl i n e s b u th a v et h ef e a t u r e so fm a n yo f f s e t sa n de x t e n s i v e l yc o v e r i n ga r e a ，s oi ti sv e r y d i f f i c u l tt ol o c a t ef a u l tp o i n t m o r e o v e r ，w i t ht h ei n c r e a s i n gp o w e rs y s t e ma n dt h eh i g h d e m a n dt ot h eq u a n t i t yo fe l e c t r i c i t yp o w e r ，r i g h ta n df a s tl o c a t i o no ff a u l tp o i n t m e t h o dn e e db ed e v e l o p e d n o w a d a y s ，s - i n j e c t i o nm e t h o di st h em o s tu s e f u lm e t h o dt ol o c a t ef a u l tp o i n t m a n yt h e o r i e sb a s e do ni n j e c t i o nm e t h o dh a v eo b t a i n e dw e l le f f e c ta n dm a n yr e l a y s b a s e do ni n j e c t i o nm e t h o dh a v eb e e nu s e di nm a n yd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s m 山东大学硕士学位论文 b a s e do nt h ei n j e c t i o nm e t h o da n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rp u t f o r w a r dt h ef a u l tl o c a t i o nm e t h o do fs i n g l e p h a s et oe a r t hf a u l t w ed e s i g n e df a u l t l o c a t i o ns y s t e mb a s e do ng s m - s m sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n dh a v eo b t a i n e d w e l le f f e c t a c c o r d i n gt ot h eu s i n go ft h ec o n c r e t ep r o j e c t ，t h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h e v a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d a b o u tt h eq u e s t i o ni np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h i s p a p e ra n a l y z e dp a r to ft h ep r o b l e ma n dp u tf o r w a r ds o m es o l u t i o n s i nt h i sp a p e rw ed e v e l o p e dd e t e c t o ro fi n j e c t e ds i g n a lb a s e do na n a l o gm e t h o d b y u s i n gi n t e g r a t e df i l t e rc h i pu a f 4 2t or e p l a c eo r i g i n a l l ys e p a r a t ec h i p s ；u s i n gh i g h p e r f o r m a n c e ，l o w - c o s td i g i t a lc h i po fm s p 4 3 0s e r i a l s ，a n du s i n gd i g i t a lf i l t e ri m p r o v e t h ea c c u r a c yo fd e t e c t i n gi n j e c t e d s i g n a l ；u s i n gs i e m e n sm c 3 5c o m m u n i c a t i o n m o d u l eb a s e do ng p r ss y s t e mw ei n c r e a s e dt h es p e e d i n e s sa n dr e l i a b i l i t yo ft h e i n f o r m a t i o nt r a n s f o r m i n g t h ei m p r o v e di n j c o t e ds i g n a ld e t e c t o rw o u l db ep u ti n t o p r a c t i c eo p e r a t i o ni nt h en e a rf u t u r e k e yw o r d s ：n o n - s o l i d l ye a r t h e d n e t w o r k ；f a u l tl o c a t i o n ；i n j e c t e ds i g n a l ； i v d e t e c t o r ；d i g i t a lp r o c e s s i n g 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。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 兰2 墨e t 期：盈4 经生a 予。日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、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 和借阅；本人授权山东大学可以将本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。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：聱坠 导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题背景 配电网是电力系统的重要组成部分，是连接输电系统和电力用户的桥 梁，配电网的安全稳定运行直接关系到电力用户的利益由于历史原因和 具体条件迥异，各个国家配电网中性点处理方式不尽相同“”，甚至同一国 家、同一地区的同一电压等级的电网也有不同接地方式并存的现象美国、 英国、加拿大采用中性点直接接地或小电阻接地方式；俄罗斯、日本多采 用中性点不接地或经消弧线圈接地方式；德国从3 2 2 0 k v 系统都采用消弧 线圈接地方式其中，中性点直接接地和中性点经低阻接地属于大电流接 地系统：而中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统以及中性点经 高阻接地系统均属于小电流接地系统。我国的6 3 5 k v 中低压配电网主要采 用中性点不接地和经消弧线圈接地方式，少数采用经高电阻接地方式乜1 ， 均属于小电流接地系统。 配电网故障中绝大部分是单相接地故障由于单相接地故障时不形成 短路回路，只在系统中产生很小的零序电流，三相线电压依然对称，不影 响系统正常工作。我国电力规程规定，小电流接地系统可带单相接地故障 继续运行1 2 小时。这样能够提高供电的持续性和可靠性，这是小电流接 地系统的突出优点但是，系统带单相接地故障运行时，接地相对地电压 降为零( 金属性接地短路) ，非接地相对地电压升高为线电压，若长期运行， 将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弧光接 地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行，因此必须 及时找出故障区段，尽快排除故障。 小电流接地系统运行方式多样，线路结构多变，故障情况复杂。单相 接地故障电流仅为线路对地电容电流或消弧线圈补偿后的残流，数值非常 小，故障特征不明显因此，配电网的单相接地故障定位至今仍是困惑电 力系统的难题。传统的方法是通过监测母线上的零序电压来判断是否发生 单相接地故障，若发生接地故障，则采用人工逐条线路拉闸的方法来判断 哪条线路出现故障。人工拉路的选线方法使正常线路也会短时停电，降低 了供电可靠性，影响了经济效益。当找到单相接地的故障线路后，为了 l 山东大学硕士学位论文 减少停电时间，必须尽快找到故障点以排除故障。目前的故障定位手段是 工作人员沿线路巡视，通过肉眼观察发现故障点，这不仅耗费了大量的人 力物力，而且对于绝缘被击穿等隐蔽故障不易发现。对于广大农村配电网， 由于交通不便，环境恶劣，故障定位需要相当长的时间。 。 综上所述，小电流接地系统单相接地故障定位技术能够提高供电可靠 性、维护电网设备、提高供电部门和用户的经济效益，对电力系统的安全 生产具有十分重要的意义 长期以来，国内外继电保护工作者对小电流接地系统的单相接地故障 定位进行了不懈地研究与探索。国内外专家根据单相接地故障特征提出了 多种定位算法，但真正应用于实际的并不多，基于注入法的单相接地故障 定位是目前用于实际电力系统唯一有效的方法。现有基于注入法的定位保 护虽然能较准确地定位，但需人工手动定位，还不能适应配电网自动化的 需要，有待进一步完善。随着配电网自动化的发展，一些基于配电网自动 化的故障区段定位和隔离方法随之出现n “”1 ，国外已有算法成功应用于 现场b “”1 ，但目前多数仅适用于短路故障的定位，适用于接地故障定位的 算法还不多。因此，配电网的单相接地故障选线和定位问题至今仍是困惑 电力系统的难题。 ， 小电流接地系统单相接地保护看似简单易行，但实践证明是十分复杂 的，这也是一些国家不采用小电流接地方式的主要原因之一。但毕竟小电 流接地系统有着得天独厚的优越性，并在我国及其他国家被广泛采用，因 此进一步研究中低压配电网的单相接地故障定位的方法并开发出相应的现 场装置，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定位方法的综述 目前对配电线路单相接地故障定位方法的研究主要可概括为三类： 第一类是以在线路端点处测量故障距离为判据的故障测距法，主要有 阻抗法测距和行波法测距两种方法。 ( 1 ) 阻抗法测距 该方法的前提是假定线路均匀，其原理为在不同故障类型条件下计算 出故障回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比，这样通过计算故 2 山东大学硕士学位论文 障时的测量阻抗或电抗值除以线路的单位阻抗或电抗值，就可以得到测量 点到故障点的距离阻抗法较简单，但受路径阻抗、负荷电流和电源参数 影响较大，对分支较多的线路，可能碍到多个故障点( 伪故障点) ，因此它 只适合结构简单的线路。 ( 2 ) 行波法h 1 根据行波理论，无论是相间短路故障还是单相接地故障，都会产生向 线路两端传播的行波信号，利用在线路测量端捕捉到的暂态行波信号可以 实现各种类型短路故障的测距行波法是通过测量故障产生的行波在故障 点及母线之间往返一趟的时问或利用故障行波到达线路两端的时间差来计 算故障距离。 行波法测距应用在输电线路上获得了良好的效果，但在配电系统中， 由于配电网结构复杂，混合线路接头处、线路分支处和负荷处均为波阻抗 的不连续点，行波在波阻抗不连续点的折射和反射造成线路一端测得的行 波波形特别复杂，很难正确识别出故障点的反射波，因而造成测距困难。 第二类以在故障发生后通过向系统注入信号实现寻迹的信号注入法。 该方法主要包括s 注入法、加信传递函数法、端口故障诊断法等 ( 1 ) s 注入法 s i t 入法是利用故障时暂时闲置的电压互感器注入交流信号电流，通过 检测故障线路中注入信号的路径和特征来实现故障测距和定位。在发生接 地故障后，通过电压互感器向接地线路注入特定频率的电流信号，注入信号 会沿着故障线路经接地点流入大地，用信号寻迹原理即可实现故障选线并 可确定故障点。 s 注入法最大的优点在于其灵活性，适合于各种结构和接线方式的配电 的系统。其缺点在于：注入信号的强度受t v 容量限制；接地电阻较大时线 路上分布电容会对注入的信号分流，给选线和定位带来干扰；如果接地点 存在间歇性电弧现象，注入的信号在线路中将不连续，给检测带来困难 目前基于s 注入法的故障定位方案主要采用人工巡线，由操作人员手持信号 探测器，沿故障线路巡视查找接地点。该方法寻找故障点花费时间较长， 有可能在此期间引发系统的第2 点接地，造成线路自动跳闸 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 加信传递函数法“1 该方法的主要原理是在故障出线处加方波诊断信号，根据故障后电路 拓扑结构的变化，用频域分析进行定位。该方法基于频谱分析的原理和线 路的分布参数模型，从线路首端施加方波激励信号源，在首端测量时域的 零序电压的电流数据，计算得到频域传递函数，根据各分支端口传递函数 频谱的频率、相位和波形特征实现接地故障定位。 传递函数法对中性点不接地系统具有测距结果不受负载参数变化影响 的优点。但由于其取地模网络作为故障定位信息依据，不能解决只存在线 模分量的相间短路故障的定位问题。其在理论上可行，但在实用化方面还 存在不少困难和限制，尚未得到推广应用 ( 3 ) 端口故障诊断法 该方法将模拟电路故障诊断理论应用于分布参数传输网故障诊断，提 出利用单相接地后的故障电压和电流的特点进行测距和定位，从端口方程 出发，通过施加音频正弦信号，以比较传输网可测端口故障前后测试信号 的变化量为根据，实现自动在线定位故障分支。端口故障诊断法的优点是 故障诊断测后工作量小，适用于较大网络的故障诊断，缺点是分支上的故 障点位置只能归结为分支与主支的联接点，确切故障距离无法确定，且采 用线路两侧信息，需要数据通信，实用性不强。 第三类是利用户外故障探测器检测故障点前后故障信息的不同，以此 来确定故障区段的户外故障点探测法。， 户外故障点探测法就是在配电线路的主要节点加装故障探测器，将探 测信息加以汇总分析，得到故障所在区段。发生单相接地故障后，利用接 地点前后零序电流所产生的磁场大小来确定故障点。由于零序电流与电网 的分布电容大小及接地方式有关，此方法探测精度不高。国外对此已有研 究和应用，如挪威分段悬挂在线路和分叉点上的悬挂式接地故障指示器等， 其投资较大，不利于大面积推广。此外，根据故障点前向支路、后向支路 和非故障支路的零序电压、零序电流的特点，通过测量空间电场和磁场的5 次谐波并分析其幅值和相位关系，也可以判断小电流接地系统单相接地故 障点。但5 次谐波幅值较小，不易检测，如何提高检测装置的灵敏度和抗干 扰能力，是其推广应用的关键。上述各故障定位方法总结为如表1 1 所示： 4 山东大学硕士学位论文 表卜1 各种故障定位方法基本检测原理及适用的故障类型 故障定位适用的故障类 基本检测原理 检测方法 型 通过计算故障时测量点的阻抗或电抗除 单相接地故障 阻抗法以线路的单位阻抗或电抗值得到测量点 及相间故障 到故障点的距离 通过测量故障产生的行波在故障点及母 单相接地故障 行波法线之间往返一趟的时间或利用故障行波 及相间故障 到达线路两端的时间差来计算故障距离 通过检测故障线路中注入的交流信号的 s 注入法路径和特征实现单相接地故障测距和定单相接地故障 位 加信传递 从线路首端施加方波信号，根据各分支端 口传递函数频谱的频率、相位和波形特征单相接地故障 函数法 实现单相接地故障定位 利用单相接地后的故障电压和电流的特 端口故障点，从端口方程出发，以比较传输网可测 单相接地故障 诊断法端口故障前后测试信号的变化量为根据， 实现故障分支定位 根据故障点前后故障探测器检测的故障 信息的不同确定故障区段：通过检测线路 户外故障出现的过电流现象实现相间短路故障的单相接地故障 点探测法定位；通过检测零序电流的幅值或测量空及相间故障 间电场和磁场的5 次谐波并分析其幅值和 相位关系实现单相接地故障点的定位 由此可见，尽管投入了大量的人力和物力对小电流接地系统的单相接 地故障定位问题进行分析和研究“”，但至今没有得到较好的解决n “川 基于注入信号原理的配电网单相接地故障定位方法是目前实用性最强、效 果较好的方法，基于该原理的在线人工手动定位保护已经大量应用于我国 5 山东大学硕士学位论文 许多地区的配电系统中。本文在对基于注入信号原理的单相接地故障自动 定位原理和方案进行了深入分析和研究的基础上，结合接地选线和接地点 自动定位一体化设计的思想，实现了根据沿线安装的信号探测器检测的结 果进行故障区段确定的定位方法，结合具体工程实例说明该方案的有效性 和可行性。 1 3 本文的主要工作 本文在深入分析注入法应用于小电流接地系统发生单相接地故障的基 础上，主要做了以下工作： ( 1 ) 基于信号注入法的原理，对小电流接地系统单相接地故障的定位 方法进行了研究。运用故障自动定位算法，实现了根据沿线安装的信号探 测器检测的结果进行故障区段判定的定位方法 ( 2 ) 基于注入信号原理实现了配电网单相接地故障的自动定位方法， 应用于实际电网中，设计了基于g s m 短信的故障区段定位系统，详细说明 了自动定位系统的定位原理、结构组成以及工作模式。本文应用自动定位 系统于实际系统中，取得了良好的效果。本文结合具体工程实例说明了自 动定位方法的有效性和可行性，并且介绍了接地故障定位系统的实验室和 现场试验方案。本文针对山东枣庄市城区配电网设计的小电流系统单相接 地故障选线和定位系统已经在电网中运行并且通过省级技术验收。 ( 3 ) 对原有模拟式注入信号探测器进行改进。针对原模拟探测器在使 用过程中出现的抗干扰信号能力弱以及体积大、智能化程度低等不利因素， 本文采用集成芯片和具有高性能数字处理能力的c p u 开发研制数字化的注 入信号探测器，并构造基于g s m 网络的g p r s 业务作为信息通道，进一步提高 故障区段定位的准确性和可靠性。本文采用集成滤波芯片u a f 4 2 代替原分离 元件组成的滤波功能，提高了检测注入信号的灵敏度；用高性能、低功耗 的m s p 4 3 0 系列的数字处理芯片m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 来完成注入信号提取后的数字 量转化并采用数字滤波和功能算法来进一步提高检测注入信号的准确性； 用可实现g p r s 网络通信的s i e m e n sm c 3 5 通信模块来提高探测器与主站之间 信息交互的快速性和可靠性。改进的注入信号探测器将在近期内投入实际 运行。 6 山东大学硕士学位论文 第二章基于信号注入法的自动定位方法的原理以及应用 2 1 引言 注入法检测中低压配电网单相接地故障是一种行之有效的故障选线和 定位方法，基于该方法的选线和定位保护已成功地应用于中低压配电网中 基于注入法的原理，沿故障线路配置注入信号探测器，在系统发生单相接 地故障时各探测器能够自动检测注入电流信号并将探测结果自动传送至主 站，主站根据网络拓扑结构信息和探测器的检测结果信息就可以自动定位 故障区段 2 2s 一注入法定位原理 “s 注入法”配电网单相接地故障定位基本原理如图2 一l 所示” i c u 琏 i i 图2 一i “s 注入法”故障定位原理示意图 正常运行时，三相电压均为正常相电压且对称，零序电压为零，t v - - 次电压分别为u ，= u 。= u 。- - 5 7 7 v ，u 。= o v 当配电网发生单相接地时，如图4 1 中线路l n 的a 相发生单相接地，系统a 相对地电压降为零，b 、c 两相对地 电压升至原电压的撕倍，其二次电压也同样升高3 倍，零序电压升高为相 电压，分别为u a = o v ，u ，= u 。= u 。= i o o v 可见，t v 的a 相一次绕组被短接，a 相二次绕组中也无感应电压，使t v 的a 相处于不工作的“闲置”状态。正是 利用这一特点，将外加诊断信号注入到故障系统中 装置通过对上述电压变化的检测，判断出a 相接地，并自动地将信号电 山东大学硕士学位论文 源跨接在a 、n 端子之间，在a 相t v - - 次绕组注入信号电流，如图2 1 中虚线 所示由于a 相t v 一次绕组处于被短接状态，二次绕组中的注入信号电流 必然会感应到一次侧，即注入信号电流只在该接地相中流通，其回路如图2 1 中虚线所示。 由图2 一l 可以看出，注入的信号电流仅在变电站与接地点之间的一段 线路中流通，越过接地点后，注入信号将不再存在。在变电站与接地点之 间存在分支的情况下，注入信号也不会流入无接地故障的分支中。利用这 一特点，在分支始端配置注入信号探测装置，即可查找出接地分支和接地 点的确切位置，实现接地点的定位。 当前对配电系统单相接地故障进行定位主要依靠人工进行。当接地故 障发生后，运行人员手持信号探测器沿故障线路探测注入信号电流，注入 信号电流的消失点即为接地点。对有分支的线路，离开分支一定的距离然 后进行探测，探测到信号电流的分支即为接地分支，否则为无故障分支。 基于注入信号法的人工定位的优点是在不停电的情况下能够找到故障 点的确切位置，即使故障点在分支线上也能准确找到，定位误差小于1 0 米。 “ 缺点是：( 1 ) 该定位方法只能在系统不停电，故障点一直存在的条件 下进行；( 2 ) 工作人员手持注入信号探测器沿配电线路进行探测，对工作 人员有人身安全隐患，也不适应于配电网自动化的发展。 2 3 自动定位方法 由前面的分析可知，在配电系统中发生单相接地故障时，注入电流信 号在消弧线圈一次侧接地点、故障线路、故障点和大地之间形成回路，根 据故障线路沿线是否流过注入电流就可以判断故障点的确切位置。如果沿 故障线路配置注入信号探测器，在系统发生单相接地故障时各探测器能够 自动检测注入电流信号并将探测结果自动传送至主站，主站根据网络拓扑 结构信息和探测器的探测结果信息就可以自动定位故障区段。可见，实现 单相接地故障自动定位的关键有两部分，一是注入信号电流的自动检测和 传送；二是主站结合网络拓扑结构对探测器的探测结果进行处理。 对注入信号电流的自动探测功能可由固定安装在户外各测量点的信号 探测器来完成。受安装条件和投资等因素的限制，只能将探测器安装在有 2 山东大学项士学位论文 限的测量点上，因此故障定位结果只能精确到相邻探测器安装点之间的区 段，而不可能精确到点显然，探测器的安装点越紧密，故障定位精度也 越高，投资和系统复杂程度也越高；反之，虽然故障定位精度稍低，但可 大大减少投资，简化系统结构 在配电自动化系统中，通常在各分段开关和联络开关处配置f t u ( f e e d e rt e r m i n a lu n i t ) 采集相关参数，注入信号电流探测器也可以安 装的f t u 处并借用f t u 的电源，完成注入信号的自动探测功能，这样安装的 优点是可以与f t u 共享部分资源，节约成本，并且与f t u 同处安装，便于管 理和维护。 探测器探测结果的回传需要借助通信系统完成。在配电自动化系统比 较完善的情况下，可以借助现有的信道将探测器的输出信息传送至主站， 由于对配电系统单相接地故障定位的实时性要求不高，因此有充足的时间 收集、传送探测器的输出信息。在通信措施不完善或不便与配电自动化系 统共享通信信道的情况下，需要建立新的通信信道。通信的种类和方式有 很多并可供选择，但考虑到投资、安装等各方面条件，可优先考虑无线通 信方式，如数字电台、s m s 网络、g p r s 网络等都是安装简便、成本低廉、性 能优良的通信方式，非常适合用于接地故障自动定位系统中 探测器输出结果传送至主站后，主站要对信息进行辨识和处理，结合 当前网络拓扑结构得出接地故障区段，为运行和检修人员提供参考。 配电系统单相接地自动定位系统由如下六个部分组成： ( 1 ) 启动部分 启动部分的任务由选线定位主机完成配电系统正常运行时，三相电 压均为正常相电压并且对称，零序电压为零在母线t v - - 次侧的测量值为 三相对地电压u n = u b n = u c n = 5 7 7 v ，零序电压u l n = o v 当发生单相接地故 障时，故障相电压降为零，非故障相对地电压升高为线电压，零序电压升 高为相电压，在t v - - - - 次侧，故障相电压也为零，非故障相对地电压升高为 线电压即为1 0 0 v ，零序电压升为u o = i o o v 。信号注入装置通过对t v - - - 次侧 三相对地电压和零序电压的采集计算，判断是否发生了单相接地故障并找 出故障相，同时启动系统其它部分进入故障定位程序。 9 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 注入信号源 系统发生故障后注入信号源自动投入，找到故障线路和故障点后自动 退出注入信号源实际为一特制的交流信号发生器，当发生单相接地故障 时，将该信号加在电压互感器的二次侧。 ( 3 ) 接地选线部分 要进行接地故障定位，首先要选出接地故障出线。在变电站的各馈线 出口处装设信号探测装置接地故障发生后，通过采集、测量注入信号电 流的大小，并将检测的结果送回选线定位主机，在主机中通过比较各信号 的大小判断出发生接地故障的线路，完成接地选线功能。 ( 4 ) 故障定位部分 确定故障线路后，收集故障馈线上各探测器安装处注入信号电流的探 测结果并将该结果发送至监控主机，监控主机的自动定位软件根据各探测 处注入信号电流的有无或强弱自动判别故障区段。 ( 5 ) 监控主机 监控主机为能够执行自动选线和定位功能的p c 机，安装于主控制室 内正常运行时监控主机的主界面为所监视系统的一次接线图。当接地故 障发生后，可通过声音、图像、数据表格等方式为运行和检修人员提供故 障信息。 ( 6 ) 通信系统 选线定位主机和信号探测器将相关信息发送到主站监控主机需要借助 通信系统。目前可以利用的无线通信方式有数字电台、g s m 网络、g p r s 网络 等。 2 4 基于关联矩阵的自动故障定位算法 配电系统一般具有网状结构、开环运行的特点，比较适合采用图论的 理论进行描述。通过探测器与故障区段之间的关系可以得到二者的关联矩 阵，结合探测器的输出结果对关联矩阵进行运算处理，可以方便的判断出 接地故障区段。 ( 1 ) 无分支结构馈线的故障定位算法“们 简单的配电系统网络结构如图2 2 所示。 1 0 山东大学项士学位论文 d l d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 图2 2 无分支馈线结构示意图 图2 2 中，s l s 6 为开关，用“n ”表示；d 1 - d 6 为注入信号探测 器，用。口”表示；l l l 6 表示被探测器分割的线路区段这里信号探 测器安装在分段开关处，二者是对应的。根据图论的基本理论，如果将信 号探测器看作节点，将相邻两个探测器直接的线路区段看作支路，得到简 化后的网络如图2 3 所示。 d 1 d 2 d 3 d 4d 5d 6 l 1l 2l 3l 4 l 5 l 6 图2 3 简化后的无分支馈线网络 根据图论的知识，可以用节点一支路关联矩阵描述探测器与各线路区 段之间的关联关系，结合探测器的工作原理，对关联矩阵l 中的元素勺定义 如下： i l节点i 与支路f 直接相连且支跷，位于节点i 的正方向 = 一1 节点f 与支路，直接相连且支跷，位于节点f 的反方向 l o 节点f 与支跷f 不直接相连 ，= l 2 ，抑( 2 1 ) 在这里，正方向规定为故障发生前负荷电流的方向在图2 2 中，假 设故障前的负荷电流方向为自左向右，则该图中的正方向如图2 3 中箭头 所示。 矩阵l 为一m x n 阶矩阵，其中，m 为注入信号探测器的数日，n 为线路区 段数目。矩阵中的元素( i , j - - 1 ，2 ，疗) 表示第f 个节点与第，个支路的连 接关系，当第f 个节点与第_ ，个支路直接相连且支路_ ，位于节点f 的正向时， 毛- - 1 ；当第f 个节点与第，个支路直接相连且支路_ ，位于节点f 的反向时， l = 一1 ；否则，= 0 对图2 3 所示的网络结构列出关联矩阵l 为： 山东大学硕士学位论文 l = loo 一1lo oll ool o0o o00 1l 0一l ( 2 - 2 ) 接地故障发生后，安装在故障线路上的注入信号探测器会有不同的输 出，这可用探测器信息相量g 来描述。g 为一具有m 列的行相量，m 为探测器 数目。当探测器f 检测到注入电流信号时，对应的第i 列元素值取1 ，否则取 0 。如图2 2 所示，当接地故障发生在区段l 3 时，对应的探测器信息相量g 表示为： g = 【l l 10 0 0 】 ( 2 - 3 ) 探测器信息相量g l = j 关联矩阵l 进行乘运算，就可以得到线路故障区段 信息向量p 。 p gl 扛110 0 0 】 = l o 0100 o j ( 2 - 4 ) 分析式( 2 - 4 ) p 向量中元素的值可以发现，区段l 3 对应的值为1 ，其余 区段对应的值为0 ，也就相当于注入信号在区段l 3 上出现了一个“奇异 点”，其它非故障线路无论有注入信号电流流过( 区段l 2 、l 3 ) ，还是没有 注入信号电流流过( 区段l 4 、l 5 、l 6 ) ，都不会出现所谓的奇异点，据此可 以判断l 3 为故障区段。 ( 2 ) 带分支结构馈线的故障定位算法 配电系统的一个显著特点就是带有大量的分支线和t 接线，网络结构 往往比较复杂。图2 4 表示就是带分支结构的配电网络结构示意图。 1 , 2 o o o o l 1 0 o o l d o o o l 0 o o 0 l o o o o 山东大学硕士学位论文 d 1 d 2d 3d 4 图2 4 带分支结构的配电系统结构示意图 用节点和支路表示的简化图如图2 5 所示 d 5 r + 7 7 z ：呵 l 5 z d 6 i l 6 图2 5 简化后的带分支馈线网络 节点一支路关联矩阵l 为： 工= 1o ll 0一l oo 01 oo o0 o o 0o l0 1l 0o 0o 一1o 0 o0 o o o o oo o 0 o l0o llo o 01 ( 2 - 5 ) 假设故障发生在区段l 5 上，对应的探测器信息相量g 为： g = 【l 10010 0 l ( 2 6 ) 线路故障区段信息向量p 为： p = g 三= 【o 0 0 010o 】 ( 2 - 7 ) 由式( 2 - 7 ) 可以看出，区段l 5 对应的值为“1 ”，其余区段对应的值 为“0 ”，由此可以判断出l 5 为接地故障发生的区段。 综上，基于关联矩阵和信息矩阵的接地故障定位算法对简单的辐射性 1 3 山东大学硕士学位论文 网络和较复杂的带分支网络都是适用的。 上述分析是在各探测器工作正常且指示正确的前提下得到的结论，在 实际运行过程中，难免出现探测器工作不正常或无法获得探测器读数等情 况，下面讨论各种非正常情况对故障定位算法的影响 2 5 探测器读数不正常的情况处理 这里主要对无法获得探测器读数这类情况进行分析，探测器误输出( 本 应输出“o ”但现在输出“1 ”；或本应输出“1 ”但现在输出“0 ”) 与无 法获得探测器读数情况一致以图2 4 所表示的结构为例，则节点一支路 关联矩阵l 仍为式( 2 - 5 ) 所示。假设故障仍然发生在区段l 5 上，但没有获 得探测器d 2 的读数，此时d 2 对应的读数为“0 ”而非“1 ”，此时的探测器 信息向量0 如式( 2 - 8 ) 所示： g = 【1 00 0lo 0 】 ( 2 8 ) 线路故障区段信息向量p ，为： f f g 三= 【1 1 0010 0 】 ( 2 - 9 ) 分析式( 2 - 9 ) 可见，故障区段信息向量p 有三种取值：0 ；一1 ；1 ，而 正常情况下的故障区段信息向量p 仅有o 和l 两种取值。因此通过判断有无元 素“一1 ”的出现就可以断定是否出现故障探测器非正常运行的情况。 再来分析另外一种情况：假设故障发生在l 1 上，探测器d 5 误输出“1 ”， 其它探测器输出均正常，此时得到的探测器信息向量g 。为： g ”2 【l 000l0 o 】_ g ( 2 1 0 ) 由式( 2 1 0 ) 可以看出，在上述两种不同的情况下得到的探测器信息 向量g 和g 是一样的，再与关联矩阵l 进行运算，得到的线路故障区段信 息向量p 7 和r 也是一样的，如式( 2 - 9 ) 所示 当探测器非正常工作时，得到的探测器信息向量不能正确反映真实故 障区段的情况，可能将某些非故障区段判断为故障区段。由于线路故障区 段信息向量所表达信息量的限制，无法判断真实的故障区段，只能将所有 1 4 山东大学项士学位论文 对应元素值为“1 ”的区段均列为故障区段，通过人工排查的方式确定实际 故障区段所以，当获取探测器信息出现偏差的时候，故障区段的范围将 不可避免的扩大 2 6 本章小结 本章主要介绍了信号注入法在配电网系统中发生单相接地故障时，定 位故障区段的原理和作用基于信号注入法的原理，沿配电网线路配置注 入信号探测器，当系统发生单相接地故障时，各探测器能够自动检测注入 电流信号，并在主站系统查询探测器状态时将所探测结果通过通信通道传 送至主站，主站根据网络拓扑结构信息和探测器的探测结果信息就可以自 动定位故障区段。根据配电网的闭合设计、开环运行的特点，应用基于关 联矩阵的自动定位算法定位故障区段，并且分析了当出现注入信号探测器 出现读数不正常的情况，通过关联矩阵的自动定位算法能够判断出现故障 探测器非正常运行的情况，但是故障区段的范围将不可避免的扩大 山东大学硕士学位论文 第三章应用g s m - s m s 实现故障区段的自动定位方法研究 3 1 引言 实现配电网单相接地故障的自动定位要解决两个主要问题，一是准确 可靠的故障定位算法，二是适用于配电系统特点的通信系统。其中第一个 问题在上一章自动定位方法中已经进行了详细的讨论，本章主要讨论第二 个问题，即所采用的通信系统既能满足故障定位系统要求，