（电力系统及其自动化专业论文）基于配电自动化系统单相接地故障定位的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 目前我国6 k v 3 5 k v 中压配电网多采用中性点非直接接地方式，主要包括中性 点经消弧线圈接地、中性点经电阻器接地、中性点不接地【lj 等方式，通常称为小电 流接地方式。对于配电网的单相接地保护，人们长期以来研究颇多，提出了许多原 理和分析方法，也研制出了许多基于不同原理和方法的保护装置，但由于受到诸多 条件和因素的限制，对单相接地故障的处理基本上停留在故障选线这一层面。而且， 现有的小电流接地选线装置的选线正确率普遍偏低，存在着严重的漏选和误选，从 而严重影响供电质量。随着我国配电网改造的不断深入和配网自动化系统试点的逐 步开展，对小电流按地系统单相接地故障的处理具备了深入到故障定位层面上的条 件。本文正是基于配电自动化系统，对单相接地故障定位进行深入探讨与研究。 1 1 课题背景和意义 1 1 1 中性点接地方式概述 配电网中性点接地方式的选择需要从技术上进行分析，同时兼顾经济成本，应 络合电网的现状与发展规划进行技术经济眈较，全面考虑，使系统熟有更忧的技术 经济指榕，避免因决策失误而造成不良后果。 中槛点不接地，实际上是经过集中于电力变压嚣中性点的等值电容接地的，其 零序阻抗多为一有限值。而且不定是常数。如在工频零序电压作用下，零序容抗 锐减，高次谐波电流骤增，有时甚至在芷常运行情况下也会弓i 起通倍干扰。 中性点经电阻接地，是指在系统中性点接入适当的电阻，该电阻与系统对地电 容构成并联回路，是电容电荷释放元伴。扶蔽涮弧光接琏过嘏压的角度考虑，电弧 从点燃到熄灭期间，因系统所积累的多余电荷能够通过接地电阻泄漏掉，故基本上 不会产生润歇性电弧接缝过电压。中性点经电阻接地，由于接地电流大，能够筒他 继电保护，方便地检测接地故降线路，又有利于降低系统的绝缘水平，使一些进口 的焉予中性点煮攘接趣系统静趣气设器弱毫匆亳缆雅在中赣点经，j 、电阻缓她豹系 统中使用，具有较高的经济效赫。但是，中性点经电阻接地，特别是以架空线路为 主酶配惫溺，其单相接穗藏障的几率比离嚣秘络大，相应酶魏丽次数会大大增蕊。 如果尚未实现环阏供电，则停电次数将会增加，使供电可靠悔降低。 孛毪熹经消弧线霾接遮嚣，虽然调谐毫感只在个不太鹣范围内变动，但系统 的零序阻抗却接近于无穷大。邋行中的消弧线圈和现代的自动跟踪补偿装置并不都 楚渗好客猿振蠡运行，在一般猿嚣下它粕多袋瘸蝰微德饔谗强熹静遭蛰售运行方 式，“谐振接地”比较符合中性点经消弧线圈接地系统的实际情况，所以中性点经 j 华北电力大学硕士学位论文 消弧线圈接地的电力系统通常称为谐振接地系统。 在我国，电网相对薄弱，线路故障较多。据电力运行部门统计，每年发生单相 接地故障的次数占年故障总次数的8 0 强。由于采用小电流接地方式运行，单相接 地故障时线电压矢量三角形不变，三相对中性点电压不变，故对用户供电无明显影 响。虽然这种接地方式会由于非故障相对地电压可升高到3 倍，而对设备的绝缘水 平要求提高，但在电网电容电流不大，接地电弧能够自熄的条件下，电网可带故障 继续供电l 2 小时。因此，我国早期的中低压配电网多采用不接地方式，提高了供 电的可靠性和连续性。 1 1 2 配电自动化概述 艇谓酝瞧鑫动纯，鼹“零l 用魂徙电子、计算辍、逶镶及网终技零，爨聚邀爨在 线数据和离线数据、配电嘲数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成， 构或宠整豹爨动纯系统，实瑗配电阙及其设蓥正誉运蠢及誊敬状态下豹黢溅、像妒、 控制、用电和配电管理的联代化”。配电自动化系统( d a ) 在纵向结构分属于配电管 理系绕f d m s ) 的子罴绞，横肉与变电站综会囊动饯、调发皂动能、瞧力m i s 等紧 密关联。 酝电自动化系统，主要监控鸵设备是1 0 v 城嬲配电线路酶电力元l 牛，毽括枣圭上 丌关、变压器，随饕城网改造工作的开展，也出现了越来越多的箱式变电站、电缆 分支缎、小型开阙盎占等组会式设备。这些设各沿豢配电线路分散在城网的蹶寿拱如 范围。 依照配媳自动豫系统应完成的功能要求，考虑羞于年内的发鼹需要，配奄魏硬 化系统的整体结构俄括以下子系统：配电中心主站系统、通信系统和配电自动能终 端系统。主盘占系统怒配电网自动化系统的上层系统。完成对配网系统各种在线设备 的髓测和控制，并对线路发生的故障进行处理；通信系统是主站与配电终端系统信 息交赢的平螽和纽带，是整个配电自动化系统的神经；配电自动他终端对通过传感 器对线路电气量进幸予采集、处理和上传，弗对配墩设备避行监控。 鹦己电自动化系统应覆盏所有配电设备，但应考虑现有的调度自动化系统已般控 一部分设备，为避免设备的重复投入，配电自动纯系统通过与该系统进行数据通讯 并获取有关信息，同时，根据需要，可向调度自动化系统提供配网的楣关数据。另 矫，洳于大部分供嘏企堑已经建立7 自己的m i s 系统，配电自动纯系统成该充分和 用原有m i s 系统的网络资源和功能，将配电自动化系统的信息以w e b _ 形式发稚到 m i s 系统，实现配电鑫动能数据的m i s 浏藏。 1 1 3 单相接地故障保护的背景 魄网审性点接地方焱不同，接地放障处理方式也务髯。程美爆，电网中性点圭 2 华北电力大学硕士学位论文 要为电阻按地方式，采取零序过流保护，对于低阻接地，作用于跳闸；对于高阻接 地，作用于告警。在日本，电网主要是不接地或经高阻接地，高阻接地系统采用零 序过电流保护跳闸；不接地系统主要采用零序功率方向继电器。在俄罗斯，小电流 接地系统主要采取不接地和经消弧线圈接地方式，主要采用零序功率方向和首半波 法。在我国，大多数配电网采用中性点不接地方式或经消弧线圈接地方式，可带故 障运行1 2 小时而不立即跳闸，近年来，一些城市电网改用经电阻接地的运行方 式。 长期以来，小电流接地系统的单相接地保护课题研究不断，并提出了许多选线 方法，究其原理都不外乎是利用单相接地故障时系统电气量所呈现出来的特征及其 规律性刚3 1 1 4 i 【5 。这些特征可以在稳态的基波和谐波电流、电压中找出( 例如3 、5 、 7 次谐波) ，还可以在电磁暂态过程中找出。已有的方法有零序电流群体比幅比相法 1 6 1 1 ”、零序有功分量法1 8 1 、五次谐波功率方向法、d d a l 9 j 法、首半波法5 10 、注入法1 1 1 2 1 和小波法叫【4 i i 。扎1 、相关原理法等。 群体比幅比相法：当系统零序电压高于3 0 额定相电压时，认为发生了单相接 地故障。首先对各线路零序电流按幅值进行排队，选取零序电流最大的三条线路。 然后对它们的相位进行比较，相位与其它两相相反的为故障线路。如果三条线路的 电流同相则认为发生了母线故障。对中性点不接地系统，比幅比相对基波进行。对 中性点经消弧线圈接地系统，比幅比相对五次谐波进行。此法在实践中得到了补充 和发展，衍生出了一系列补充方案。群体比幅比相原理有整定简易、易于维护的优 点，但是受c t 不平衡影响较大。对于消弧线圈接地系统，完全依赖于五次谐波的 特征选线，信号过于微弱，可靠性不能保证。 有功功率法：配电网发生单相接地故障时，非故障线路零序电流中只包含本线 路的泄漏有功电流，且其方向为由母线流向线路；而故障线路零序电流为整个电网 总的有功电流与故障线路泄漏有功电流之差，其方向为由线路流向母线。利用零序 有功功率的大小及方向可选出故障线路。 五次谐波功率方向法：通过比较各出线五次谐波功率的正负来选出故障线路。 消弧线圈对五次谐波呈现高阻抗，此时的电感电流远小于系统电容电流，相差约为 2 5 倍左右，故可忽略电感电流。对五次谐波按中性点不接地系统选线，在非故障线 路首端检测到的五次谐波为容性而故障线路为感性，因此它们的五次谐波无功功率 方向正好相反。但实际上，系统中五次谐波电压数值较小且不稳定，受系统电压水 平、运行方式、负荷状态等因素的影响，完全依赖于谐波特征进行选线，工作的可 靠性没有保证。 还有秘方法是d d a ( d i f f e r e n t i a ld e t e c t i o nu s i n gp h a s e t o g r o u n da d m i t t a n c e ) ， 此稀方法识用到了零序嘏流的交化量，但它不仅考虑了这些交化量，而且考虑了整 个小电流接地系统的参数。d d a 葬法中蓠先确愆故障棚，然后姆每袈馈线运一佶算 3 华北电力大学硕士学位论文 出接地电阻，对于非故障线路，接地电阻趋向于无穷大；而对于故障线路，可以给 出接地电阻的估计值。这样就可以估算出高阻接地( 例如3 0 l o o k 9 1 ) 故障时的接 地电阻值。而且在接地电阻很大的情况下，由于接地电阻比线路阻抗大得多，因而 故障距离不影响选线。 暂态首半波法是利用发生单相接地的瞬间( u ( t ) = 0 除外) 非故障线路暂态零序 电流和电压首半波的方向相同，暂态零序功率由母线流向线路；而对于故障线路暂 态零序电流和电压首半波的方向相反，暂态零序功率由线路流向母线，据此可选出 故障线路。该方法适用于中性点不按地及经消弧线圈接地电网。但是，如果故障瞬 间为基波电压零点附近则自由分量很小，首半波电流较小，可能出现死区。 注入法选线原理是在系统发生单相接地故障时，首先用绝缘检测的电压获得接 地故障相别，然后通过该相电压互感器向电网注入种频率躲开工频及其倍频的信 号电流，接地相的p t 原边相当于被短接，由副边感应的信号电流只在接地线路中 流通，经过接地故障点后即行返回，非接地相的线路中没有信号电流。只要检测各 线路中有无注入信号电流，便可进行故障选线。而通过对注入信号电流和电压的检 测，计算变电所到接地故障点之间的电抗，便可实现故障测距。应用此法还可进行 运行方式的识别，区分配电网谐振状态与单相接地状态i j 。这种方法的优点是，原 理简单明了，将状态识别与单相接地选线结合在一起。它的缺点是结构比较复杂， 要附加信号源，探测仪等额外的设备，且探头的灵敏度和可靠性易受各种外界因素 影响而选线不准确，总在自动化站及无人值守站使用不便。高阻接地不准确。 小波分析法，是利用小波变换原理将零序电流分解成不同的尺度和位置的小波 系列，零序电流对定尺度和位置的小波的投影即为零序电流在此小波分量的幅 值，即小波变换。根据小波变换的模极大值检测理论，比较小波变换的大1 、g l 极性， 从而选出接地故障线路 棚关原理法，由予故障线路表现为电容放电的电路特镊，恧嚣故障线路均表嫒 为电容充电的电路特征，利溺相关分析原理。对故障后韵备条出线的暂态零序电流 波形农一定数据窗下进行两滔相关分柝，形成相关矩阵，求出各祭出线与其他出线 的相美系数，再经排序策略可得到按照线路发生接地故障的可能性大小的选线序 列，从而选线。 综上所述，对中性点非囊接接蛾系统单相接逾故障选线原理的研究，已取得了 很多成果，各种方法均有各融的优缺点，不网的保护原理遮用于不同的魄网结构。 稷据遮些故障选线琢疆研发豹选线装置，还不其备在电力系统中推广应用的可靠性 和准确性。因此，更充分的提取故障的信息蟹，更可靠的控制模式有待于进一步的 骚究。 本课题基于上述配网自动化系统平台，融合传统的多种选线原理和分析方法， 薅配爨挚耦接缝故薄定位迸纷磅究，使现蠢蠡每配嘲彝动纯系统在不瓒蠡鬣少蹭蕊设 4 华北电力大学硕士学位论文 备投资的基础上，结合配网自动化系统的f a ( f e e d e r a u t o m a t i o n ) 功能，实现单相 接地故障的快速定位，从而提高供电质量，改善服务水平。 1 2 国内外研究现状分析 小电流接地系统发生单相接她故障后，接地故障的定位一直是备受关注的研究 课题。经过多年的探讨已经有多种故障选线的原理和方法。有些方法在实际系统中 得到了较好的应用。在故障定位方面，近年来也有许多研究，但由于各种不利因素 的存在，一直没有很好的解决故障定位的精确度问题。目前小电流接地系统单相接 地故障定位的主要方法有故障分析测距法和“s 注入法”等。 例如：文献i l ”d t 提出了利用单相接地故障后的故障电压和电流的特点进行定 位，存在问题是故障测距精度随过渡电阻发生很大变化，而且模拟验证费时复杂， 实用意义差，尚需要做进一步的研究。 文献【1 7 1 按照高压输电线路故障测距中阻抗测距的思想，在小电流接地故障等效 序网上导出含有故障距离的二次方程，但此方法在等效网络简化以及提取基频分 量、求解等环节必然产生误差，且面临区别真伪根的问题。 文献1 17 1 提出了基于“s 注入法”的选线定位原理，它利用故障时闲置的电压 互感器注入交流信号电流，在故障线路中跟踪寻找所注入信号的通路进行故障定 位。但该原理要求必须在配电线路不停电的情况下，由巡线人员手持定位探测器沿 接地线路进行人工定位。所需时闻长，有可能在此期间引起系统中的第二点接地， 造成线路自动跳闸。 小电流接地系统发生单相接地故障时，由于系统对地电容与故障点之问的充放 电，将产生振幅比稳态基频大许多倍的高频暂态分量，而且按照基频计算的消弧线 圈，对于高频分量其对地阻抗将成倍的增加，因此对故障后暂态电流的影响较小。 由此可见单相接地故障的暂态分量故障特性更明显，其包含有刻画故障特征的更丰 富的信息，可以作为小电流接地系统单相接地故障定位的依据。文献( o 根据电力系 统故障相暂态信号的特征提出了时间序列小波神经网络，实现了小电流接地系统直 配线路单相接地故障定位。但是故障馈线上故障相总的暂态电流分量要受到相关系 统非故障线路对地电容的大小、故障时刻相电压的角度、故障过渡电阻、故障馈线 的不对称性以及系统运行方式和结构等诸多不确定因素的影响，因此利用故障相的 暂态电流分量进行故障定位并没有解决故障定位的精确度问题。 小电流接地系统发生单相接地故障时，故障馈线非故障相的暂态电流分量 ( t r a n s i e n tc u r r e n tc o m p o n e n t ，t c c ) 仅与自身参数有关，可以避免系统运行不确 定因素的影响。而且非故障相的暂态电流流过故障线路可以形成回路，此电流中包 含了故障距离的信息。文献l ”1 提出了利用故障馈线非故障相的暂态电流进行单相接 华北电力大学硕士学位论文 地故障定位的观点。但该理论目前尚处于初步探索阶段，对于这种方法是否合理、 合理的程度有多少，还缺少必要的实验和论证。 1 3 本文主要工作 基于配网自动化系统单相接地故障的定位是建立在配网自动化系统平台上。传 统的馈线己被分段开关区段化，在实现配网自动化的线路上装设有监控开关的f t u ， f t u 可通过随开关装设的c t 、p t 方便地测量得到线路上开关处的三相电流、- - n 电压等电气量和信号量。可见，配电网络电气量的采集和信号获取不仅仅局限于馈 线酋端的r t u ，而是扩展到了按线路分布的各个监控节点的f t u 。本文依据这些节 点的信息和配电网络架构，构建了三维逻辑空间分析模型，提出了小电流接地系统 单相接地故障定位的新方法，提高了故障定位的准确性。主要工作内容包括： ( 1 )在配网自动化系统中，f t u r t u 有很强的数据采集、计算和处理能力， 能快速采集各个监测点的电压、电流等电气量，并根据需要完成零序电压、 零序电滤、零序有功分量、零序无功分量，谐波分量、暂态分量以及相关 增量等的计算，完成小波分析及其特征信号的提取等等。因此，通过 f t u r t u 可方便地获得反映馈电线路在该节点处的相关信息，这些信息 数据通过配电自动化系统的通信通道向后台系统报送。换言蔽之： f t u r t u 能实时完成配电自动化系统对线路的“侦察”功能。本文结合 配电自动化系统f t u r t u 的测量功能特点，深入分析了小电流接地系统 发生单相接地故障时不同位置f t u r t u 测量值的特征，研究了基于单相 接地故障稳态和暂态特征的多种选线原理的应用，分析研究并按需提取相 关特征量做判据，如；零序电流有功分量、零序电流无功分量、零序导纳、 负序电流、暂态s f b 分量和小波模极值，并给出判定方法。 ( 2 ) 对中心主站的单相接地故障定位方法进行了研究，根据需要构建了三维逻 辑空间信息模型。结合逻辑空间信息模型，提出了一种分析故障定位的逻 辑算法。对算法的形成予以理论推导并给出了算法误差容错函数并对算法 的特点进行分析。 ( 3 ) 然后t 根据实际可能发生的情况，从特征判据误选、网络节点失效和随机 干扰这三个具有代表性的侧面结合具体算例予以验证了上述故障定位新 方法。? ? ( 4 ) 最后对本算法进一步作深入分析和探讨，并简述基于配电自动化系统单 相接地故障定位的发展趋势。 6 望! ! 皇垄奎兰堕主堂焦堡塞 第二章配电自动化系统概述 2 1 配电自动化系统构成 配电自动化的内容是对城域所辖的柱上开关、开闭所、配电变压器进行监控和 协调。既要实现f t u 的三遥功能，又要实现对故障的识别和控制功能。从而配合配 电自动化主站实现城区配网运行中的工况监测、网络重构、优化运行。另外，作为 系统自动化的一部分，它直接面向用户，且信息量大，故要求它必须具备很先进的 适应性和强大的多系统接口能力。与其它自动化系统比，它在使用上的特点是协调和 集成，在充分数据共享的基础上发挥集成后系统整体的性能以支持和带动电力企业 业务和管理水平的提高。 配电自动化的内容和特点决定了配电自动化的系统结构应当是一个分层、分级、分 布式的监控管理系统，应遵循开放系统的原则，按全分布式概念设计，系统整体设计可 分为主站系统、通信系统和监控终端单元三部分。下面分别这三部分进行简述。 2 1 1 主站系统 主站系统是整个自动化系统的枢纽和中央。为了提高网络的快速可靠性，主站 系统一般采用高速以太网双机配置、互为备用。该网络构成配网自动化的调度中心 ( 中- t l , 主站) ，是由共享同一数据库的实现配网自动化不同功能的工作站及服务器组 成。系统硬件设备及接口符合国际工业标准。操作系统可选用中文w i n d o w n t 网络 或u n i x 操作系统。在此基础之上提供配网自动化软件支持平台，包括数据库软件、 人机交互软件、通信软件、分布式的配电监控、管理应用软件。采用开放式和分布 式的体系及面向对象技术，具有开放性和可扩展性。应用软件以配网实时数据库为 基础，应用客户机 1 i 务器模式，各自独立实现不同的自动化功能。系统的接口能力 及开放性全依赖于这一层，所以目前良好的主站系统一般要求达到以下要求： ( 1 ) 底层数据的同一共享( 数据库唯一，标准接口) ； ( 2 ) s c a d a 与地理信息系统( g i b ) 紧密集成； ( 3 ) 实时数据和管理数据的结合( “营配合一”，与电力m i s 集成) ； ( 4 ) 先进、灵活的发布和支持查询能力： 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 通讯系统 图2 心远程终螬 主站构成 通讯系统是将各子系统有机连接起来豹非常重要的环节，楚配电自动化系绞的神经 系统。配电自动化的许多功能都要通过通讯系统来进行，一个完善、高速可靠的通汛网 络，对配窀自动化的实时监控起整至关霪要的佟用。通信系统可分两层，雄主站与其他 系统问的通信和主站与配电终端间的通信。 2 。l 。2 。l 圭站与其他系统蠲的通信 配电自动化主站系统与e m s 夏进于亍数据交换，从e m s 获取变电站的数据信息，并 可将配电自动化系统的信息，按要求传送绘e m s ；圆霹，配电囊动化系统的数据信息， 可以在m i s 上进行发布，实现远程数据测览功能。由于配电自动化系统( d m s ) 、e m s 、 m i s 都建或了各色豹计舞机弼络t 供毫众篷豹蚤个单位之闻，慕本土都实现了羯域嗣曩 8 华北电力大学硕士学位论文 通。因此，在这些系统之间实现通讯，可以方便地通过局域网( 以太网) 方式实现。 2 1 2 2 主站与配电终端问通信 该层是配电自动化通讯系统中关键的一个层。由于配电终端设备数量庞大，节 点众多，分布范围广，地理位置分教，路由复杂。该层的通讯网络，基本是一个一 点对多点的结构。因此，结合具体的情况，一般采取以光纤通讯为主，辅助以一定 的有线通讯、载波的方案，达到既通讯可靠，又经济可行的目的。另外为提高通信 的可靠性，通常采用光纤通信中的双纤自愈环组网方式。主站与终端通信的结构如 下图2 2 所示： 图2 2 主站与配电终端通信结构 配魄终端设备数量庞大，终端通讯子网结构又复杂，因j 眈，配魄中心主站系统 全数据的刷新速度，与调度自幼化系统的相比，存在着一定的差距，但配电中心对 9 华北电力大学硕士学位论文 配电网重要时间的实时性响应，仍然有相当高的要求。因此，除了要规划合理的通 讯子网的结构外，在通讯协议的选择和站端对终端设备的巡测方式的设计上，同样 也得合理地选择。站端系统与终端的通讯协议，要求具备重要事件优先检出，并优 先传送，站端对重要数据也具备优先处理原则，才可以保持配电自动化系统整体的 实时性。目前较常用的协议有d n p 3 0 ，i e c 8 7 0 5 - 1 0 1 等。 2 1 3 配电终端 配电终端主要是监控、监测中压1 0 k v 电力网络和设备的自动化单元，主要有监 控开关f t u 、开闭所r t u 、配电变压器t t u 组成。 f t u 是安装在柱上开关的现场数据采集、控制终端装置。f t u 现场采集开关的 位置信号、电流、电压、有功、无功、功率因数、电量等数据，执行主站遥控命令 对开关进行分、合闸控制操作。主站通过f t u 的测量实现配网的s c a d a 功能，并 能通过对各f t u 的控制实现配网的故障识别、故障隔离、网络重构及配网的无功 电压控制和优化运行等功能。 f t u 的功能主要可体现在： ( 1 ) 采集并发送状态量信息，遥信变位主动上报 ( 2 ) 采集并发送模拟量测值 ( 3 ) 过电流识别( 短路、过流、浪涌) ( 4 ) 故障区段的自动隔离和恢复 ( 5 ) 接受并执行遥控命令 ( 6 ) 被测量越死区传送 ( 7 ) 越限告警 ( 8 ) 交流采样 ( 9 ) 接地故障报告 ( 1 0 ) 程序自恢复 ( 1 1 ) 支持主动上报规约 ( 1 2 ) 装置自测 ( 1 3 ) 与主站通讯功能 ( 1 4 ) 装置远程诊断 ( 1 5 ) 远程参数下载 ( j 6 ) 自带u p s ( 1 7 ) 开关失电后对开关作一次分合操作 开闭站终端( r t u ) 是安装在开闭所的数据采集与控制终端装置，开闭站r t u 完成对开闭所开关设备的位置信号，电压、电流、有功、无功、功率因数、电量等 数据的采集，执行主站遥控命令，对开关进行分、合闸操作。开闭所r t u 通过光纤 1 0 华北电力大学硕士学位论文 与主站进行通讯。 r t u 主要的功能有： ( 1 ) 采集并发送状态量信息，遥信变位主动上报 ( 2 ) 采集并发送数字量 ( 3 ) 采集并发送模拟量测值 ( 4 ) 采集并发送脉冲计数值 ( 5 ) 过电流识别( 短路、过流、浪涌) ( 6 ) 故障区段的自动隔离和恢复 ( 7 ) 接受并执行遥控命令 ( 8 ) 接受并执行校时命令 ( 9 ) 被测量越死区传送 ( 1 0 ) 越限告警 ( 1 1 ) 事件顺序记录并向远方传送，站内分辨率1 0 m s ( 1 2 ) 交流采样 ( 1 3 ) 接地故障报告 ( 1 4 ) 程序自调，单端运行 ( 1 5 ) 支持主动上报规约 ( 1 6 ) 通道监视 ( 1 7 ) 装置自诊断，远程诊断 ( 1 8 ) 远程参数下载 ( 1 9 ) 自带u p s ( 2 0 ) 与主站及当地保护设备通信功能 配变监测终端( t t u ) 是安装于共用变压器旁的监测终端装置。采集配电变压器的 电流、电压、有功、无功、分时电量、电压合格率等数据，t t u 通过r s 4 8 5 接口利用 光纤或双绞电缆与f t u 内通信节点联接，经通信节点与主站进行通讯。 2 2f a 的实现 不嚣簿线鹣秘条鑫线逶过联络开关s 3 联戒手拉手供电环，在正零情况下，篷强 开关( 断路器) c b l 、c b 2 和分段开关s 1 、s 2 、s 4 、s 5 处于合状态，线路a 、b 、c 、 蛰、e 、f 璃繁魄。灸下强2 3 掰示： 华北电力火学硕士学位论文 图2 3 手拉手环供电方式 囤 o 口 断路器 分段开关 当在线路b 发生永久相间故障时，故障电流流过断路器c b i 、和分段开关s ， 断路器断开重合在分开，在此过程中f t u 0 、f t u l 检测到故障电流，向主站报过流 信号，丽f t u 2 、f t u 3 、f t u 4 、f t u 5 、f t u 6 无过流信号。主站根据收集到的过流 信号和断路器c b l 分信号后，遥控分开开关s l 、s 2 ，合上断路器c b l 和开关s 3 ， 故障被隔离，c 段负荷被转带后恢复供电。如下图2 4 所示。 图2 4f a 故障处理和负荷转带 2 6 故障定位的实现思路 囤 o 断路器 口分段开关 f t u 豹丰富测量功缝搜褥线路上瑟关楚豹三撩电滤、三矮电压霹戳方便褥到， 1 2 华北电力大学硕士学位论文 导致电气特征量的选取不再依赖于零序电流 f t u 具有很高的测量精度，有利于特 征提取；配电自动化的通信系统使得新一代小电流接地保护能够获取任意f f u 处的 特征量并进行综合比较。利用完全分布的f t u 很容易得到整个配电网的电气特征量 分布情况，通过配电主站综合分析各f t u 处的故障特征，确定出故障线路及故障区 段。 华北电力大学硕士学位论文 3 1 原理简介 第三章单相接地故障时各特征量分析 在实现配电自动化的线路中，配电线路被分段开关区段化，开关即为配电网络 的节点，如图3 1 ，每一开关处均装有p t 和c t 以及监控开关的f t u ，f t u 通过p t 、 c t 采集本段线路酋端的电压、电流，并按既定的功能进行计算、处理、记录并实 时响应配网主站对电气量数据的召回命令，主站可通过s c a d a 系统实现对整个配 电自动化线路的监控功能。 l 1 l 2 l n 趾皿翌兰 一 分一 一 s n |s n 2s n 3 图3 1 配电网线路 开关n 主懿摄键醚耄嬲孛性焘接线方式，选取据应熬邀气特薤量，熟零痔邀滚、零序 电压等。对每一个特征量，将出线各节点处f t u 所测得的特征豢数值形成行向摄形 式，懿筹i 条出线豹零痔瞧滚囱繁； ，。；。) 即第i 条峦线第j 段篱端的工频零净电流( 本文豹魄气量冤特溺说臻， 频基波分量) 。 ( 3 一i ) 均指工 由子不瀚整线鹃分羧数量不溺，嚣魏各密线觞零痔电流两堂长度粥，也不一样， 但擞妨进一步处理。 麓母线瓣拧出绞熬零净瞧漉麓鬟写藏二维数缀形式，都： 华北电力大学硕士学位论文 ，i 川? ( o ，2 i ( 0 ) ，2 ，2 【o ，唧) i 圳) 2 ( o j ： ，月2 ( o ) ， ，邶) ，2 删 ： ，州) ，。( o ) ，m ( o ) ( 3 2 ) 主站获取各点f t u 的零序电流值，实时刷新电流数组，并记录在后台的历史库 中。同理，可获得零序电压数组： u ，2 ( o ) u l 川 u 2 ，2 t o ) u 2 j ( o ) u ，2 ( o ) u f ，j ( o ) u 。2 ( 0 ) u ，肿) u i ，m ，( o ) u 2 m 2 ( o ) ! u ，m ，( o ) ： 以出线各段的零序电压为参考零序电流相角数组： b ，l ( 0 ) 钆( 0 ) 气( o b 岛、2 ( o 】8 2 ，j ( o 只，i ( o )只，2 ( o )只川。 只m ( 0 ) 岛n ( 0 1 p t0 ) j 幺j ( o ) 吼2 l o ) 见“o ) 见 ( o 3 2 零疼毫流无功分量 ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 在鹣电基动忧网络中，线鼷一般不超过数十公曼，线路分奄特性可用集中“n ” 型等值电路来袭示i 2 引。而在n u s 中，豳于线路的零序工频等值电阻和感抗相对容抗 寒说可以搜忽峨，线路特性可用电容来近似1 2 “，教冀邀容电漉也逶过诗箕零穿电流 的无功分量来j 琏似。当放生单相接地故障时，非故障线路上释线段留过的零序电流 为叁本段线路蓠端至本条线路寒端这段线路瓣她的电容电流，其方趣均由姆线淡趣 线路：而故障线路首端的零序电流为歙系统非故障线路对地电容电流之和，在故障 线路的接地点至母线这区段中，流过分段开关的零序电流在数值上较本故障线路首 端的零净电流大，其方向均为线路流向母线，而故障点后备段的零静电流方向为蹲 线至线路。各段的零序电流的笼功分皴，。： ，h ，( o ) o = ，( o ) + s i n ( 9 , ，j ( o ) ) ( 3 5 ) l s 旧 o 0 0 o j j； j j 队仉 玑 玑 华北电力大学硕士学位论文 于是得到零序电流无功分量数组 厶 ，i - l ( 0 ) p j 2 1 ( 0 ) p ( 3 6 ) 选式( 3 - 6 ) 数组的第一列： 【，( 。1 。，2 、l 【。) q，f j ( 。l q，。凡。l qy 进行比幅比相1 引，即选取符号为负数值为大者，刈( 。砌，则零序无功电流阀值，m ) p ，d ( o ) 口= k d ( o 垃+ ，j ，l f o ) 。( k d ( o ) 0 为调整系数可取0 9 ) 零序无功电流i l j ( o ) 口与i d ( o ) 口比较，输出逻辑( 1 或0 ) - 如图3 2 所示： 珍 图3 2 无功电流幅值比较 ，i f o ) o = l ，说明第i 条出线第j 个分段开关( 下文称“监控节点p ，”) 在接地 故障线路的前侧( 即从故障点至母线这段线路，不含母线，后文皆称“故障线路前 侧”) ；l ，i ( 0 o = 0 ，说明该监控点p ，不在故障线路或者在故障线路后侧( 即从故 障点至本线路末段，后文皆称“故障线路后侧”) ：同时代表母线接地逻辑上。，= o 。 如前比幅比相得出结果为母线接地，则代表母线故障的逻辑量厶。= 1 ，所有线 路逻辑量j ( o i o = o 。 将上述方法车寻到的逻辑量写成二维数组形式，即： 厶州5 i 1 ( 0 】o i 1 ( o ) 口上l 川q ，1 ( o l ，2 ( o 三f ，( 。) o ，。( o ) 口 ； ； ； ! 三n i ( o m上以2 ( o 世 ，( o 。【o 坩 零序电流无功分量对中性点不接地系统的金属性接地故障是很好的特征判据，但特 征量的显著性受接地时过度电阻的影响，对反复燃弧的接地故障无法保证选择性，且不 量! ； ； m 曼l 地 坩 至l 删r p 删 几匕 l 哪 唧 2 2 ， 薰靴 - k 堇 t d l 以 华北电力大学硕士学位论文 适用于中性点经消弧线圈接地的配电网络。 3 3 零序电流的有功分量 在中性点经消弧线圈接地的配电网络中，其中性点经消弧线圈串( 并) 电阻接地。 发生单相接地故障时，零序电流中的有功分量从故障点经故障线路前侧流向消弧线 圈2 ”，故障线路前侧的各监控点均能检测到零序有功电流分量，而非故障线路及故 障线路后侧的监控点几乎检测不到有功电流分量。 在线路监控节点的零序有功电流( 第i 条出线第j 段线路) ，j ( oj r2 t o ) c o s ( 只+ 1 8 0 。) 根据消弧线圈接地电阻的大小和线路参数，按躲开母线金属接地时个监控节点最大 零序有功电流来整定零序有功电流阀值，扪、，： ，d ( o ) p = k 州o ) p 幸i j ，i ( o ) 户( k d ( o ) p 为调整系数，k d ( o ) p 1 0 ) 零序有功电流“与，舢) p 比较，输出逻辑( 1 或0 ) ，如图3 3 所示： ，f o ，p ，d p珍 图3 3 有功电流幅值比较 。，一l ，说明监控点只，在接地故障线路翦侧：t 疆。f 2 0 ，说明该监控点f 、，不 在故障线路或者在故障绫路后铡；同时代表鸯线接魄逻辑l o , l | f o ) , = 0 。 如所有线路逻辑量五。渤，= 0 。则岛趣o ) j j = t ，表示母线接地故障。 将上所得的逻辑量胬成二维数组影式，即； l 1 、，( o ) ，t m j 删p ： 一 ： 王。朐r 三。m ， ( 3 8 ) 零序电流的套功分量同样也受接地过度电阻的影响，由于零序电流密功分擞较小， 为了提搿灵敏度，可在消弧线霞上并联魄阻，阻增大酸隙电流酌有功分餐。 0 e 2 2 8 o o 0 华北电力大学硕士学位论文 34 零序导纳 非故障线路或故障线路后侧的f t u 零序测量导纳为自监控节点以后线路自身对 地的导纳，而故障线路前侧f t u 的零序测量导纳为所有非故障线路的导纳与监测节 点前侧线路导纳之和的相反数。 配网自动化系统对配网线路监控，线路特征参数也实时更新，在主站数据库中， 备有一份单相接地故障时非故障线路零序导纳表，其二维数组形式，即： ( 3 9 ) “o ) 表示配网线路( 第i 条出线除外) 或母线发生单相接地故障时，第i 条线路 为非故障线路，该线路的第j 个监测节点( f t u ) 的零序测量导纳为零序电流，。，与 零序电压u 。( o ) 的比值，即r ) ： r 川。，。l 。“。， 相角为只“们 r 。；是自适应整定的，每次接地故障时，除了在故障线路前侧监测节点的测量 导纳外，数组中的其余导纳都以实际测量值实时刷新。 系统发生单相接地故障，非故障线路和故障线路后侧各监测节点的测量导纳几 乎不变，而故障线路前侧f t u 的零序测量导纳的变化量即为本母线所有线路对她导 纳之和【2 8 i ，即： r “。) = r j ( 。) ( 3 1 0 ) 根据线路选择一会瓒阂值a 巧蝴： 。，阻邶，l c k a y 一, a y d ( o ) k kw 靴s ， 。“i 。，l (w 取o 5 ) l ，= fi 每个监测节点测量导纳的变化量“0 1 的幅值与巧( 0 ) 比较： 妇| 鑫誓“钟| z ，z o ) z 1 2 】，上式可改写为： ，川，2 ，肿，一m ，2 ，。甄e f 在复合序网中提取负序网络，如下图3 4 所示： 图3 4 配电网线路 1 9 r r r 舢； 胛： 胛 厶 厶 乙 圹 圹 圹 ”； 帅； 帅 厶厶 厶 “ 华北电力大学硕士学位论文 z 小，为高压侧系统负序阻抗折算到配网低压侧的值，z 州：) 、z ，) 为线路l k 和l i 的负载负序阻抗，z 蚍) 、zj f ( ：) 为线路l k 和l i 的负序阻抗，考虑到：系统高 压侧的负序阻抗折算到低压侧时其数值很小，远小于线路的负载负序阻抗，即：z “2 ， z 州) ，z 巾) z ( 2 ) ，z d 2 1 z “( 2 ) ，则有下列零序电流关系3 0 1 ： 厶2 1 4 ，t 2 ) 。，；2 ) 即接地故障产生的负序电流大部分由故障点经故障线路前侧流向系统高压侧， 非故障的负序电流相对很小。为此，可得单相接地故障时线路负序电流的分布特征： 接地故障线路前侧的流过的负序电流远大于非故障线路的负序电流，且方向由线路 流向母线，而非故障线路的负序电流方向为母线流向线路。 主站根据配电网线路结构，建立相应负序电流数组，。，并随各f t u 送来的数据 实时刷新。 _ 2 ( 2 ) j 2 ) ，2 2 ( 2 )j 2 ，“2 1 。 ，2 i2 )“2 ) 。 l ，2 ( 2 l ，( 2 ) 选数组i ( 2 ) 的第一列进行比幅，即： m a x 1 2 ) = m a x “，：j ( ：，f 2 ) ，川y 则负序电流整定阀值： l a t2 ) 2 k ( 2 ) ，m 。，( 2 )( k ( 2 、，为调整系数，可取0 8 ) 每段线路的负序电流，。( ：】与l a ( 2 之比较： u ( 2 ) l ( 2 ) ，相应的逻辑量l ，( 2 ) ，2 1 ，否则l t , j ( 2 ) t = 0 ； 如所有三。( ：) ，。o ，则0 l f 2 ) ，= 】，表示母线接地故障。 从而得到相应的二维逻辑量数组： ( 3 一1 2 ) 2 2 2 2 州川； 州； 州 l l l 华北电力大学硕士学位论文 厶2 ) ， 上l ，2 ( 2j ，l l ( 2 ) ，i 1 2 ) ， 唧) ，删) ，j ( 2 ) ， 上h 2 【2 ) ，n ，( 2 ) ，三月，m 。( 2 ) ， ( 3 13 ) 考虑到负序电流易受配电变压器低压侧负载不对称的影响，可选零序电流作辅 助判据。根据上文分析，发生单相接地故障时，流过故障线路前侧线路的负序电流 和零序电流大小相等，方向相同。为此，可根据两电流的差别程度，来判断负序电 流受负载不对称的污染程度，从而决定是否采信此负序电流判据。 负序电流作单相接地故障的特征判据，适应于中性点不接地和中性点经消弧线圈接 地的配电网，然而故障残流的大小也影响其保护精度。另外，负序回路阻抗及时间常数 远小于零序回路，故负序电流的振荡衰减比零序电流的迅速，以负序电流作判据，有很 强的抗弧光接地能力。 3 6 暂态零序电流s f b 分量 根据电网络理论，配电线路分布参数特性可以作如下图3 5 等值电路： 图3 5 输电线路等值电路 忽略电阻r 时，线路的串联谐振频率为： 国。= 1 2 , r 为此，第i 条线路相应的零序串联谐振频率为： 。石扭忑2 形万厢 仔1 4 ) 。c o ，为线路i 单位长度的电感和电容，为线路长度，l ，、c f 为按上图进行 等效的等效电感和等效电容。则在( o ，脚。) 段频率内，线路i 呈容性，于是取 0 3 = m i n ( “，2m ，国。) 在( 0 ，m t ) 频段内，所有线路均呈容性，称此频段为s f b 3 ”。 如在n e s 中，调整s f b 为( ，) ，其中 2 例y y 厶厶 “ “ 华北电力大学硕士学位论文 。2 么厅厄西丽 上，为消弧线圈的电感，c ，为所有线路按上述等效图等效的电容，而c ： c 。= m a x ( c ic 2 c f e ) 发生接地故障时，由于暂态零序电流含有丰富的频率分量，在选定的频段内 ( s f b ) 系统的零序电流分量为容性，满足下列关系： 非故障线路或故障线路后侧的暂态零序电流电压的s f b 分量( t “0 。( ，) 、 1 0 x 聊( f ) ) 有 “) ( r ) 。c 。幽。( 哪) ( ，) 胪 ( 3 _ 1 5 ) c 。为监测点至线路末端的零序电容，而故障线路前侧的暂态零序电流电压的 s f b 分量( f ，“。( f ) 、甜，“。x n ) ( f ) ) ，有 机( 0 x n ( f ) 2 一c z j 砒，( o ) ( f ) 出 ( 3 - 16 ) c 。为监测点前网络的零序等效电容。侧数值显著，方向明显，可用作接地故障 定位的判据。 由于零序s f b 分量变化和衰减很快，配网自动化处理暂态信号的机制也有别于 稳态信号的处理，在此作一概述：f t u 实时采获零序电压、零序电流，带通滤波以 提取s f b 分量，如s f b 分量( 1 f j ( o x s ) ( ，) 、u f , ( o ) 【s ) ( ，) ) 满足既先整定的条件( 如超 过整定值) ，触发s o e ( s e q u e n c eo f e v e n t ，) ，s o e 是带时标的事件序列，其分辨率 为1 m s ，f t u 能为每个s o e 事件存储从时标前4 个周波开始共1 6 个周波暂态s f b 分量的数值，f t u 的采样速率一般为每周波1 2 8 个点，能捕捉到6 4 次谐波，s f b 一般不超过3 2 0 0 h z ，故零序s f b 分量能被捕捉，其幅值计算： 拈- - x 彳? ( 3 - 1 7 ) _ a l = i 1p ，d | a 为零序s f b 分量幅值，a 为频率为i 分量的平均幅值，t 取1 1 6 周波，即 1 2 5 m s 。 为了计算屯( 。( 。) 的方向，为每个监测点定义参量g 。( 。( f ) ： q ，( 。h s ) ( f ) 2f ，( 。x s l ( t ) d u ，j ( o s ) ( t ) d t 华北电力大学硕士学位论文 则非故障线路或故障线路后侧的监删币点码 吼( 0 x 。) ( ，) 2l j ( o ) ( s ) ( 矿1 , 4 ( o x s ) ( f ) c 。2 ( o c 。 o ( 3 - l 8 ) 相应的零序电流s f b 分量i 。( o