基于配电自动化系统的单相接地定位研究

南京南瑞继保电气有限公司 周玉荣

1 引言

分割机能够将电网划分成若干部分，在出现短路或接地故障时，能够迅速切断出现故障的部分，保证未出现故障的部分重新供电。电力系统目前普遍使用的是无功接地，在整个系统中，80%以上的故障都来自单相故障。因此，对电力系统的单相故障进行分析具有重要的意义。

配电系统自动化主站进行单相接地定位的方式是在单相接地时，将各单相接地检测设备所获取的信号全部传输至配电自动化系统主站，主站可以对单相接地进行判定，这样做虽无须再独立设置集中式主站，但也具有如下缺点。

一是要对传送波形进行扩展的通信协议。二是单相接地探测设备需要严格的时间同步，而且由于单相接地探测设备所使用的探测方式不同，波形取样频率会有很大的差别，所以主站很难进行统一的处理。三是各主基站要根据各自使用的检测方式，根据各自的特点，研制出各自的定位算法，但难以实施，需要有专业技术人员来进行分析。

本文所讨论的单相接地定位方案与相间故障定位类似，无须再增加配电网主站，无须传输波形，现场各单相接地检测设备将“两值化”后的位置信息向主站报告，并采用原有的相间短路定位法进行单相接地区的定位。本文对该方案的可行性和实际应用性进行了验证。

2 利用相间短路定位判据的配电网单相接地定位

配电自动化系统主要是根据配电网中短路电流的分布情况，对故障进行定位。以较少的间隔失效位置为中心节点。在配电自动化中，相间短路故障的定位准则包括以下几个方面。

一是在开环操作中，在最小相间故障定位区域的某端上报了短路电压的情形下，其他各终端均不能报送短路电压，说明该区段发生了短路故障；如果在其他端点中没有报告短路电压信号，表明这个区域没有发生故障。

二是在闭环系统运行时，如果最小相间故障定位点的所有故障电源方向都指向了该区域，则说明在该区间发生了短路事故。本文所述的相间短路故障定位准则是“两值性”的故障电压信息。这就是说，有“发生过故障电流”和“未发生故障电流”，或者“事故功率指向于内在”和“事故功率指向于外界”。“分化性”的失效信息在故障发生的位置。当事故的“两值性”状态改变时，相间短路事故的位置就会出现。分布在不同区域的多个设备向配电自动化系统主站传送有关数据的配电网，可以像单相接地位置的特性数据与相间短路故障信息一样具备“量值性”“分化性"，从而能够利用相间短路故障位置的准测数据直接实现单相接点位置[1-2]。

单相接地检测信息的两值性和分化性处理方法，现有的单相接地位置信息具有二值性和分散性，根据瞬时成分辨识的原理，将故障选线准则推广并扩展后，可以得出，如果单相接地故障检测设备所识别出的电容值为负值，就会显示出在其下游出现的单相接地故障。如果所识别的电容器值是正的，就会显示出在其上游出现的单相接地故障。

3 容错单相接地定位

在无功接地的高中性点电压时，对单相接地的信息测量是很困难的，同时终端的单相接地的信息也很难保持准确度。另外，因为通信和电力方面的困难，有时候还会发生简单的信号错报（或主站没有接收到）的情况。当配电自动化系统在实现单相故障定位功能后，可能面临的故障数据不完全现象就会较相间故障现象更加明显，而如果没有及时在配电自动主站中设置容错性定位机制，就会给单相接地定位的实际应用造成了极大的干扰[3]。

如果配电自动化主站点接到第一台单相接地检测设备报告的下游线路的单相接地故障，假设正确上报概率为pc1,i，错报概率为pM,i，则如式（1）所示：

如果配电自动化主变电站没有接到第i个单相接地测试设备的报告，则在其下游发生的单相接地故障。假设正确上报概率为pc2，i，漏报概率为pL，i，则如式（2）所示：

通常，准确的报告概率是一个很大的数值，而错误和漏报的概率很小，可以通过对同类装置的历史运行数据进行统计。假定单相接地探测设备能同时将各种原理所得到的位置信息上报，当断续电弧接地时，配电自动化主站会接收到单相接地探测设备的多个位置信息，假定N套位置信息同时被获取，假定k区会发生单相接地，则如式（3）所示：

式（3）中，Ω接收位置信息，并且在该区域中与单相接；一组单相接地探测设备，k 的假定是一致的；Λ 是一组单相接地探测设备，所述组单相接地探测设备没有接收到位置信息，并且与区域k 单相接地发生；（II）一组单相接地探测设备，用于接收位置信息，但是不符合假定在区域k 处单相接；（ii）一组单相接地探测设备，用于没有接收到位置信息，但是与假定在区域k 处单相接地发生的假定不符。k=0表明单相不会出现。

接收到的N 个信息集均符合假定k 区出现单相接地的可能性如式（4）所示：

那么，在单一接地假定下，在第k 个区域中出现单相接地的概率Pk如式（5）所示：

式（4）、式（5）中，k是单相的可能出现的所有地区。在实践中，可能的位置结果是可以选择所接收的单相接地点位置信息最符合的单相接地点位置信息。如果多个地区同时出现单相接地的概率不大，那么这些情况就可以被认为是同时存在的，同时也是寻找故障的一条重要线索。

一条发生单相接地的馈线如图1所示。图1中示出的分配线中，假设在由开关B、C、D所覆盖的区域（B-C-D）中出现单相接地（其他表述与此相似），则在S1、A、B、C、D 中分别安装了一个既具备暂态成分的参数辨识原理，又具备单相电流突变机理的单相接地定位装置，并可以直接把定位信号提交给配电价格的自动化主站。

图1 一条发生单相接地的馈线

假定根据参数辨识原则，配电网自动控制中心接收到的位置信息在A 中有遗漏。根据相电流突变原理，配电自动化主站接收到的位置信息也有误报，当分配自动化主站接收到特定的单相接地探测设备的位置信息时，准确度为0.9，没有接收到特定的单相接地探测设备的位置信息并且没有出现漏报的可能是0.8，那么，该容错故障位置的计算方法。

根据参数辨识原则，将位置信息上报到各个地区的故障假定中，其发生概率如式（6）所示：

式（6）中，D0表示没有故障区域；C－为开关C下游的区域；D－为开关D下游的区域。

根据相电流突变理论，将位置信息上报到各个区域的故障假定中，发生概率如式（7）所示：

将两种原则结合起来，将位置信息上报到各个区域的错误假定的概率如式（8）所示：

如果将以上的计算结果代入式（5），根据贝叶斯估算，可以计算出各区域出现单相接地的可能性是如式（9）所示：

根据研究可以看出，虽然采用了基于相流突变的参数辨识原理和单相接地定位设备，所报的资料均有误差，但是将两者的资料进行合并后，该地区（B-C-D）的单相接地概率明显大于其他地区，因此能够准确地得到位置。

4 工程应用

本方案无须改变配电自动化主站的应用程序，只需要直接使用已有的相间短路故障定位功能即可以完成单相接点的定位。然而，需要具备单相接地探测功能的终端，在“两值化”了位置信息后，可以通过分配终端的通讯协议上传至配电自动化系统主站。本文提出的方法在X 市东部地区的电力系统中的具体应用如下。

4.1 工程实施方案

X 市电力公司的配电自动化控制系统，使用了南瑞OPEN3200 型配电系统自动主站，在原来的应用软件基础上，进行了必要的重新配置，并增加了一个容错定位功能。X市东郊110kV 洪庆变电站在城乡交界处，线路总长为79390m，是一座架空型裸线路和单相接地多发线路，X 市东郊洪庆一线如图2所示。

图2 X市东郊洪庆一线

4.2 现场测试及应用效果

项目实施后，通过对地插入过渡电阻的方法，进行了单相接地效应的现场测试，并将置于3-1 上游、 46-2、 2-2 之间， 进行1000Ω、750Ω、500Ω、250Ω 金特性接地试验。通过现场测试，证明了单相接地定位的结果是准确的。电力公司进入运营后，共有19 个定位单相接地，多是暂态单相，3 个永久单相接地，经过实地勘查，全部都是正确无误。

5 结语

本单相接地定位设备的位置信息可以直接传输到配电自动化系统的主站，无须另建一个中央主站。在实际工程中，提出的容错单相接地定位法，在单相接点位置多、单站多点定位原则的情况下，容错效果更好。如果单相接点的终端数目很少，或者只有一个位置原则，就无法实现期望的容错效果。如要实现一个理想的容错效果，必须在单个终端上设置多少个定位原则，并且单条馈线上至少需要设置一个单相接定位的终端数目，然后再进行相关的研究。