1、第38卷第20期 电力系统保护与控制 V0138 No202010年10月16日Power System Protection and Control Oct16，2010配电网单相接地故障区段定位矩阵算法的研究齐郑1，高玉华2，杨以涵1(1华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206； 2廊坊供电公司， 河北廊坊065000)摘要：配电网由于分支多，接地电阻大，单相接地故障定位问题长期以来没有得到很好的解决。提出了一种基于矩阵算法的配电网单相接地故障区段带电定位方法。针对FTU(Feeder Terminal unit)测量数据建立故障信息特征矩阵，对于中性点不接地系统，特征矩阵中的元素
2、为FTU测量到的零序电流与零序电压的相位差；对于中性点经消弧线圈接地系统，利用残流增量原理，特征矩阵中的元素为FTU测量到的零序电流幅值变化量。应用统一判据对特征矩阵进行分析，确定故障点所在的区段，同时分析了当故障信息不完整时的解决方法现场试验数据充分验证了该方法的正确性与可行性。关键词：配电网；故障区段定位；故障信息特征矩阵；消弧线圈；残流增量；单相接地；在线定位Research on matrix-based algorithm for singlephase-to-earth fault section location in distribution gridQ1 Zhen91，GAO
3、 Yuhua2。YANG Yihartl(1School ofElectric and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2Langfang Power Supply Company,Langfang 065000China)Abstract：Due to the large amount ofbranches and high grounding resistance ofdistribution gad，the grounding fault location
4、has notbeen solved effectivelyThe matrixbased live location method is proposed for single-phase-to-earth fault section in distributiongridFault message character matrix is designed according tO the data measured by FTUFor neutral point insulation system，theelement of character matrix is the phase di
5、fference between zero-sequence voltage and zero-sequence current measured bY FTUForneutral point grounded by arc-suppression coil system，the element of character matrix is the variant of zercksequence-eurrentmeasured by FTU hsing the theory ofremnant current incrementThrough analysis ofcharacter mat
6、rix using united criterionfaultsection is determined and the solution is analyzed when fault information is not completedThe COlTCctness and feasibility of thistechnology has been fully approved by site experimentsKey words：distribution grid；fault section location：fault information character matrix；
7、arc-suppression coil；remnant currentincrement：single-phase ground：011-line locating中图分类号：TM71 文献标识码：A 文章编号： 16743415(2010)200159050引言我国配电网的特点是分支多、覆盖区段广、接地电阻大，而且多数采用中性点非有效接地方式，单相接地故障定位问题长期以来困扰供电部门，没有得到很好解决。目前配电网发生单相接地故障后存在两种处理措施，第一种是先将故障线路停电，然后进行定位，称为停电定位或离线定位，如c型行波定位法等【11；第二种是带故障运行过程中进行定位，称为带电定位或在线定
8、位。相对于停电定位来说，带电定位的难度更大，而现场在很多情况下需要进行带电定位。文献2】提出采用A型行波进行定位，其缺点是配电网通常存在多级分支和大量的终端，发生接地故障后行波折、反射情况复杂，无法有效区分故障点的特征波。文献3】提出利用测量零序电磁场的方法定位，但无法解决中性点经消弧线圈接地方式的单相接地故障定位。文献4提出“s”信号注入法，其不足之处在于由于线路对地的分布电容在高次谐波作用下容抗变小，使得高阻接地情况下信号能够在非故障区段流通，无法正确定位。文献【5】提出“故障指示器”方法，其不足之处在于对于中性点非有效接地系统，接地电流远远小于负荷电流，“故障指示器”无法进行有效识别。随
9、着配电网自动化的广泛开展，馈线终端设备(FTU)等现场监控终端越来越多地得到应用，为万方数据160 电力系统保护与控制故障定位方法提供了强有力的数据平台。目前很多学者提出了基于FTU的短路故障区段定位方法睁11 J，但是对基于FTU的单相接地故障区段定位方法研究不多。文献7】提出了利用自动化开关FTU进行单相接地的区段定位，不足之处在于需要逐个区段识别，不适用于计算机分析，当网络复杂时，搜索难度增加。本文提出了一种基于矩阵算法的配电网单相接地故障区段带电定位方法。针对FTU测量数据建立故障信息特征矩阵，并且对于中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统，特征矩阵的形式统一。应用统一判据对特征矩
10、阵进行分析，确定故障点所在的区段，同时分析了当故障信息不完整时的解决方法。该算法尤其适用于网络复杂情况下的计算机计算。1 故障信息特征矩阵的建立11节点特征矩阵首先建立配电网的节点特征矩阵，需要注意的是本文所研究的节点并不是配电网的物理节点，而是如下三类节点：线路的出线断路器；线路上的FTU设备；线路末端。对上述所有的节点进行统一编号，同时给配电网上的主干线及各个分支确定一个参考方向：由变电站电源指向负荷方向为主干线及各个分支的参考方向。该参考方向也是线路零序电流的参考方向。节点特征矩阵D的元素按如下原则赋值：编号f聊，“一。(1)mH=pii+p Hp其中：M。表示第后个区段的故障测度；聊。
11、表示该区段包含的某条支路的故障测度；Pif，pI；，P表示该支路所对应的故障信息特征矩阵P中的元素。(3)对比各个区段的故障测度，故障测度非负并且值最小的区段为故障区段。上述算法的原理是：根据故障信息特征矩阵P中的元素定义可知，故障路径节点对应的元素为l，非故障路径节点对应的元素为一1或0，因此通过式(1)计算后，必然故障路径所包括区段的测度值为非负，而非故障路径所包括区段的测度值为负，同时故障路径当中故障区段的测度值为最小。如图l所示，如果单相接地故障发生在节点2和4之间，各个区段的故障测度如表l所示。表1故障测度数据Tab1 Data of fault measurement区段 包括支路
12、 支路测度 区段测度12 2I 13 0 423 2H 24 1 lIII 35 1 一l由表l可见，区段I、II的测度为非负，说明这两个区域在故障路径上，而区段II的测度最小，说明区段II为故障区段，判断正确。如果单相接地故障发生在节点1和2之间，各个区段的故障测度如表2所示。表2故障测度数据Tab2 Data of fault measurement区段 包括支路 支路测度 区段测度12 0l 13 O O23 OII 24 一l 一1III 35 一l l由表2可见，只有区段I的测度为非负，说明区段I为故障区段，判断正确。由于中性点不接地方式及经消弧线圈接地方式两种情况下，故障信息特征矩
13、阵P的表述形式一致，因此定位算法也一致，因此称为统一判据。22故障信息不完整时的解决方法设某配电网区段1发生故障，区段2包含区段l，由故障信息特征矩阵P的建立及故障定位的统一判据可知，区段2同样满足故障判据。因此如果故障信息不完整时，判定的故障区段范围会扩大，但是不会出现错误。当某些节点处没有配置FTU，或者因FTU故障而不能得到该节点信息时，在形成节点特征矩阵D以及故障信息特征矩阵P时不考虑这些节点即可，即D、P两个矩阵的维数降低，上述故障定位万方数据162 电力系统保护与控制统一判据仍然适用。例如，图1中，若故障发生在节点2，但节点2的信息不确定，得故障信息序列X=【1，木，-1，0，0】
14、删除无效节点2，得故障信息序列X=l，-1，0，01矩阵D，P中均不考虑节点2，得P=l l 0 00 一l 0 l0 0 0 00 O 0 O在变电站检测到的零序电压、电流波形如图4所示；4之间， 投入电抗器后，在变电站检测到的零序电压、电流波形如图5所示。可以判定故障在节点l、3之间，由于失去了节点2的信息，导致故障区段的范围扩大了，包括了原来区段I和区段II，结果仍然是正确的。3定位算法流程综上，发生单相接地后带电定位的算法流程如图2所示。由于D、P矩阵为稀疏矩阵，因此大大降低了计算机的资源占用，同时提高了运算速度。4算例分析图2算法流程Fig2 Algodth琊flow本文提出的方法已
15、在现场得到了实际应用，并通过现场试验得到了验证。如图3所示，该配电网为10kV系统，试验线路上安装两个FTU装置分为三个区段，中性点接地方式为经消弧线圈接地，消弧线圈与一个40 kVA的电抗器相并联，用于产生残流增量。图3配电网结构Fig3 strllcture ofdistribution鲥d在区段II上模拟单相经3 kO电阻接地，接地后短时投入电抗器产生残流增量。投入电抗器前，lms图4残流增量前检测的波形Fig4 Waveform measured before remnant current increment、腰飘W W W V0 10 20 30 40 50 60 70 80tms
16、图5残流增量后检测的波形Fig5 Waveform measured after remnant current increment节点l3在电抗器投入前后检测到的零序电流数据如表3所示。表3各节点零序电流数据Tab3 Zero sequence current ofeach node节点 投入前A 投入后A 变化量Al 566 707 6782 312 265 O143 167 14l O05表3中零序电流的变化量是根据实际零序电压折算到金属性接地后的值。由于投入电抗器后电感电流变化678 A，因此由表3可知节点1的零序电流发生变化，节点2和3的零序电流没有发生变化。建立故障信息特征矩阵P为
17、：O加柏v，媾脚，出母万方数据齐郑，等 配电网单相接地故障区段定位矩阵算法的研究 163-P=l l0 10 O0 Ol Ol l0 0 0 0各个区段的故障测度如表4所示。表4故障测度数据Tab4 Data of fault measurement区段 包括支路 支路测度 区段测度I 12 0 0II 23 -2 -2III 34 1 1由表4可见，只有区段I的测度为非负，说明区段I为故障区段，判断正确。5结论本文提出了一种基于矩阵算法的配电网单相接地故障带电区段定位方法。该方法具有以下优点：快速准确建立形式统一的故障信息特征矩阵P，适用于网络复杂情况下的计算机计算；故障定位判据正确，算法运
18、行速度快，占用计算机资源较少；对于不完整数据同样能够进行正确故障定位。该方法适用于中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统，适用于金属性接地或经过渡电阻接地多种情况。现场试验数据充分验证了该方法的正确性与可行性。参考文献1 于盛楠，杨以涵，鲍海基于C型行波法的配电网故障定位的实用研究【J】电力系统保护与控制，2007，35(10)：l_4，12YU Shengnail，YANG Yihan，BAO HaiStudy on faultlocation in distribution network based on Ctypetravellingwave schemeJPower System Pr
19、otectionand Control，2007，35(10)：1-4，122 于桂旨，陈平，徐丙垠，等基于行波原理的优化组合故障测距技术【J】电力系统保护与控制，2008，36(9)：1116YU Gui-yin，CHEN Ping，XU Bing-yin，et a1Anoptimal combined transmission line fault locationtechnique based on travelling wave principlesJPowerSystem Protection and Control，2008，36(9)：11163 张利，杨以涵，杨秀媛，等移动式比
20、相法配电网接地放障定位研究，中国电机工程学报2009，29(7)：9197ZHANG Li，YANG Yi-hart，YANG Xiu-yuan，et a1Method of mobile phasecomparison for fault location ofdistribution networkJPreceedings ofthe CSEE，2009，29(7)：91-974 张朝平，周有庆，王娜基波电流注入法实现的单相接地选线【J】电力系统保护与控制，2006，34(9)：7072ZHANG Chaoping，ZHOU Youqing，WANG NaSinglephase earth
21、ing line selection based onfirstharmonic current injectionJPower SystemProtection and Control，2006，34(9)：70725 王敏配电系统实施自动化的可靠性投资评估J】电力系统保护与控制，2004，32(7)：31-34WANG MinInvestment evaluation of reliability ofdistribution network automationJPower SystemProtection and Control，2004，32(7)：31346 刘会家，李宁一种基于F
22、TU的馈线故障定位优化算法【J】电力系统保护与控制，2004，32(10)：4043LIU Huiojia，LI NingAn optimized algorithm for feederfault location based on FTU【J】Power System Protectionand Control，2004，32(10)：40437 张国平，杨明皓配电网10 kV线路单相接地故障区段定位的有效值法【J】电力系统保护与控制，2005，33(8)：3437ZHANG Guoping，YANG MinghaoA virtual valuemethod of locating sin
23、gle-phase grounding fault sectionof 1 0 kV feeders in power distribution systemJPower System Protection and Control，2005，33(8)：34378Lo K L，Ng H SPower systems faults diagnosis usingpetrinetsJ1EE Proceedings on Generation,TransmissionandDistribution,1997，144(3)：23l一2369Hadjicostis C，Verghese G CPower
24、 system monitoringusing petrinet embeddingJIEE Proceedings onGeneration，Transmission and Distilbution,2000，147(5)：29930310Chen C S，Ke Y L，Wu I SColoured petri nets approachfor solving distribution system contingency byconsidering customer load patternsJIEE Proceedingson Generation，Transmission and D
25、istribution，2001，148(5)：463-47011Huang Y C，Huang C M，Liao C C，et a1A newintelligent fast petrinet model for fault section estimationof distribution systemsCProceedings，PowerConInternational Conference on Power System Technology2000收稿日期：2009-10-31； 修回日期l 2009-12-02作者简介：齐郑(1977-)，男，博士，讲师，主要研究方向为电力系统分析
26、与控制、配电网自动化等；Email：qizhen9319126tom高玉华(1983-)，男，硕士研究生，主要研究方向为配电网自动化；杨以涵(1927-)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统分析与控制、光学互感器、配电网自动化等万方数据配电网单相接地故障区段定位矩阵算法的研究作者： 齐郑， 高玉华， 杨以涵， QI Zheng， GAO Yu-hua， YANG Yi-han作者单位： 齐郑,杨以涵,QI Zheng,YANG Yi-han(华北电力大学电气与电子工程学院,北京,102206)，高玉华,GAO Yu-hua(廊坊供电公司,河北,廊坊,065000)刊名： 电力系统保护
27、与控制英文刊名： POWER SYSTEM PROTECTION AND CONTROL年，卷(期)： 2010,38(20)参考文献(11条)1.张利;杨以涵;杨秀媛 移动式比相法配电网接地故障定位研究期刊论文-中国电机工程学报 2009(07)2.于桂音;陈平;徐丙垠 基于行波原理的优化组合故障测距技术期刊论文-电力系统保护与控制 2008(09)3.王敏 配电系统实施自动化的可靠性投资评估期刊论文-电力系统保护与控制 2004(07)4.张朝平;周有庆;王娜 基波电流注入法实现的单相接地选线期刊论文-电力系统保护与控制 2006(09)5.Huang Y C;Huang C M;Liao
28、 C C A new intelligent fast petri-net model for fault section estimationof distribution systems 20006.Chen C S;Ke Y L;Wu I S Coloured petri nets approach for solving distribution system contingency byconsidering customer load patterns外文期刊 2001(05)7.Hadjicostis C;Verghese G C Power system monitoring
29、using petrinet embedding 2000(05)8.Lo K L;Ng H S Power systems faults diagnosis using petrinets 1997(03)9.张国平;杨明皓 配电网10 kV线路单相接地故障区段定位的有效值法期刊论文-电力系统保护与控制 2005(08)10.刘会家;李宁 一种基于FTU的馈线故障定位优化算法期刊论文-电力系统保护与控制 2004(10)11.于盛楠;杨以涵;鲍海 基于C型行波法的配电网故障定位的实用研究期刊论文-电力系统保护与控制 2007(10)本文读者也读过(6条)1. 齐郑.张善.杨开增.QI Zhe
30、ng.ZHANG Shan.YANG Kai-zeng 10 kV系统单相接地故障自动隔离与定位技术的研究期刊论文-电力系统保护与控制2010,38(2)2. 司冬梅.齐郑.钱敏.闫宝庚.SI Dong-mei.QI Zheng.QIAN Min.YAN Bao-geng 10 kV配电网故障定位的研究和实现期刊论文-电力系统保护与控制2008,36(18)3. 杜刚.刘迅.苏高峰.DU Gang.LIU Xun.SU Gao-feng 基于FTU和“S“信号注入法的配电网接地故障定位技术的研究期刊论文-电力系统保护与控制2010,38(12)4. 武娜.焦彦军.WU Na.JIAO Yan-
31、jun 基于模拟植物生长算法的配电网故障定位期刊论文-电力系统保护与控制2009,37(4)5. 杨鹏.杨以涵.杨景.冯少辉.孙新海.YANG Peng.YANG Yi-han.YANG Jing.FENG Shao-hui.SUN Xin-hai 基于直流法的配电网单相接地故障离线定位研究期刊论文-电力系统保护与控制2008,36(22)6. 赵锦莹.戚宇林.Zhao Jinying.Qi Yulin 基于脉冲信号注入法的配电网单相接地故障定位的研究期刊论文-电力科学与工程2009,25(10)引证文献(1条)1.赵高帅.杨明玉.吴博 基于暂态零序电流特征分量的小电流接地故障定位期刊论文-陕西电力 2011(10)本文链接：http:/
