昆明理工大学
硕士学位论文
辐射状配电网接地故障诊断方法研究
姓名：李绍文
申请学位级别：硕士
专业：水利水电工程
指导教师：束洪春
20030322
摘要
快速、准确的故障定位是迅速隔离故障和恢复供电的前提，对于维护配电网的安全运行具有重要意义。而配电网的单相接地故障定位长期以来是难以解决的课题。论文对国内外关于该课题的现有的各种研究情况做了全面深入的分析，在此基础上从接地故障测距算法和在线监测两方面进行了研究。
基于对配电网发生单相接地故障后的故障主要特征的分析，论文应用加信诊断方法，提出了相应的接地故障定位算法。首先论文对三相均匀换位线路的故障定位进行了公式推导和数值计算分析，并在频城内对故障函数的频谱曲线幅值、相角和频率特性进行了分析，提出了相应的故障定位判据。经过数值仿真计算分析表明，该方法对直配线的接地故障定位是有效的，对树形多分支线路的故障定位理论上也是可行的，但实际应用中还有许多重要问题需要进一步深入研究。其次论文基于辐射状馈线的任一分支线路发生接地故障，通过分析与推导，建构了配电线路单相短路点定位的故障定位函数和相应的故障判据，利用树网单端信息完成故障分支识别、故障定位和过渡电阻定值。大量故障测距的数值仿真计算分析表明，该方法对配电网的接地故障定位是有效的。基于此论文还编制了单相接地故障定位的计算机通用程序。该测距算法不受负载参数变化的影响，不受接地过渡电阻值大小的影响。利用馈线首端测量信息实现故障测距，测距装置不需通信；不需实时监测，实际应用成本较低，因此具有较好的发展前景。
可实现接地故障区段自动检测与隔离的馈线自动化技术是配电网自动化的发展方向。通过对配电网发生单相接地故障后馈线的电压、电流变化规律的分析，论文提出了基于馈线现场监控终端Ｆ１ｕ的故障点智能定位方法。该方法以馈线电压变化量为故障点定位的主要判据进行故障点自动监测与定位，并迅速隔离故障区段，恢复正常区段的供电。该方法与单独采用电流的电流型方法相比，可靠性更高，且不受系统接地方式的影响，能适用于较复杂的网络结构。
关键词：故障诊断；故障定位：ＦＴＵ；配电网自动化
Ａｂｓｔｒａｃｔ
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昆明理工大学学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下（或我个人……）进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：套≯吕丈
日期：ｚ，口；年年月８日
昆明理工大学硕士学位论文。
第一章绪论
１．１配电网接地故障定位计算研究的意义
我国ｌＯｋＶ和６ｋＶ架空线路配电网一般采用中性点不接地方式或经消弧线圈接地方式运行。在发生单相接地故障（用ｆ（１壤示）时，这种运行方式的短路电流往往比负荷电流小得多，而且故障点处的电弧通常能够自行熄灭，因此这样的系统常称为小电流接地系统。由于在发生故障时，这种系统仍能保证线电压的对称性，且故障电流较小，不影响对负荷的连续供电，不必立即跳闸，规程规定可以继续运行１～２小时，这在一定程度上保证了供电可靠性，因此小电流接地系统在我国和世界上许多国家中被广泛采用，而且已有４０多年前运行经验，基本情况良好…。，－
但随着城市配电网的高速发展，配网结构越来越复杂，电缆线路占供电线路总长度的比例逐年上升，使得配网的电容电流数值大幅度增加。加之小电流接地系统的配电线路不设避雷线，而且离地高度低、耐受过电压的能力低、网络拓扑结构和周围环境较为复杂，因而经常发生故障，其中ｆ（１）占配电网故障的８０％以上…。虽然Ｆ１）不会造成供电中断，但较长时间运行在∥１状态，那所产生的弧光过电压就会严重威胁甚至破坏系统绝缘，这样会导致ｆ（”进一步发展为两点或多点接地故障，所以及时地确定故障点并排除故障便显得非常重要。随着科技水平的发展和供电质量要求的提高，原有的小电流接地系统中馈线故障检测定位的方法已不能满足要求。现阶段配电网自动化的发展，一方面为实现馈线高精度故障测距提供了前提，另一方面也迫切需要发展新的高精度故障测距方法，以便快速查找、排除故障。缩短停电时间，保证供电质量。
１．２小电流接地系统发生ｆ（１）的主要特征
●‘小电流接地系统即中性点非直接接地系统（ＮＵＧＳ），它包括中性点不接地系
统（ＮＵＳ）、经消弧线圈接地系统（ＮＥＳ）和经电阻接地系统（ＮＲＳ）。在我国６～６６ＫＶ的ＮＵＧＳ中，大多是ＮＵＳ和ＮＥＳ，近年来在发电厂的厂用电系统中还出现了ＮＲＳ。ＮＵＧＳ系统发生ｆ（１）故障的主要特征有“’４‘”：
（１）正常运行时零序ＰＴ开口电压以通常为零（实际上由于不平衡电压的影响而小于５Ｖ），对金属性接地，Ｕｏ—ｌＯＯＶ；经电阻接地时，Ｕｏ∈（３０，ｉ００）Ｖ。
（２）在非接地线路上有零序电流，其数值等于该线路对地等效电容电流，相
笾蘧蓑零澎惫垂巍９秽，毫蜜热光凌凄率魏实嚣方逡塞霉线滚淘线鼹。
（３）穗接地线路上，零序电流为由全系统非敞障元件对地电容电流之总和，数值一般较大，相位滞后零序患压９００，电容性凭劝功率的方向为由线路流向母线。
（４）对予系统ＮＥＳ系统，零净邀漉５次谐波对队上结论成立。
（５）以上维谂，与数薅点揍蘧逛疆、系绞运静方式、电基瘩乎嚣受蓊茏关。
发生接地故障时，系统踟放障前的稳态变化溯故障后的稳态有～个过渡过程，叫暂悫过程。在暂态过程中，短路点处接地相（零序）电压的剧烈降低，而健全相对地电压将升高√３倍（窳属性接地对），电源对地电压升商到桶电压。故障辐电压突然撵低弓ｌ起分布电凑瓣遣藏电，键全鞠电糕嚣嘉使分毒瞧銮炎邀。由予敖窀瞧瀛炎需经过母线梅藏瑟潞，’嚣充毫回鼹豁绥经过毫添（变压器）。疆诧敷毫过程比充电过程频率高，衰减快”。－由于系统对地电容与故障点之间的充放电，将产生掇懈比稳态基频大许莎的高频暂态分量。对ＮＥＳ系统，按照基频计算的消弧线圈，商频分量将使其对地臌抗成倍地增加，从而对故障后暂态高频电流分量静影稳较，ｊ、删。接遵兹簿绝大郝分发生在电瑶接近媾簸薅裁，骜态过稳醒譬鹅显，磊盈誓悫穗芍频率较毒，警态器净龟滚一般由多令按指数衰减靛正弦信号缓成，幅值较大。
另外，当ＮＵＳ发生ｆ（”时，在接地点要流过龛累统的对地电容电流，如果此电流比较大，就会在接地点燃越电弧。ｆ（１）有瞬时性、稳定性和阊歇性落３种。若是瞬时故障，大部分电弧都熊蠢行熄灭｛若是稳滋犍故障，那么可麓弓ｌ怒系统中氅缘薄嚣杰秘毒穿，雩ｌ发蘸豢袋多焦接建短路；若燕阗歇毪敬薄，鑫予魄掰其有电容和电感，可形成振荡回路，戮此间歇性故障将导数相与堍之间产生弧光按缝过电压，其德Ｗ达到２．５～３倍栩电压（ｐ．ｕ．），从丽馒非故障相的等效对她电压进一步升高，怨易使绝缘损坏，形成两点或多点短路，髓成停电事故。为解决此问题，有些系统豹巾性点对建之阅接入～个电撼线髑（称消弧线疆），形成ＮＥＳ系统。这搀兰孳掇按逮霹，在矮魏熹簸程～令亳惑分量麓惫浚流逶，魏毫瀛帮激系统孛豹电容电溅榴抵销，减少流避敏麟患的毫流，为了防止消弧线圈在线路上产生串联谐振，一般采用过补偿５～ｌＯ％的补偿方式，因此对ＮＥＳ系统，上述（２）、（３）条不再适用，此时非接地线路中露序电流不受影响，假接地线路中的零序电流为幅值很小的感｛雯电流。
交莲嚣黪磁毫凌孛一艇会蠢～定鼗量黪毫次潆波，系统委零王圣挈辩，嵩次港波含量鞍少，发生单褶揍缝愿，因梧电压舞高，赫磁电流中高次谐波慧余有一定程度的增加。３ｋ次谐波（ｋ为诋缒数）在变压器三角形线圈内形成环流，少量流入
２
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线路中。配电线路中零序电流所含的高次谐波主要是６ｋ一１次谐波，其中５次谐波含量最大。对于ＮＥＳ系统，消弧线圈对５次谐波所呈现的感抗是基波的５倍，而线路分布电容对５次谐波所呈现的容抗却是基波的１／５，因此消弧线圈基本上不能补偿谐波的电容电流。无论系统的中性点对地之间有无消弧线圈，５次谐波在系统中所呈现的规律与基波在中性点不接地系统中所遵循的规律基本相同。
，单相接地永久性故障一般是由短时性瞬间ｆ（”引起的，因此利用ｆ《”时的稳态故障分量即基频分量实现故障测距必然存在一定的弊端，此外这种系统ｆ（”仅使系统零序电压、零序电流有所改变，而没有其他比较明显的故障特征，因而ｆ【１）检测定位比较困难，小电流系统接地故障测距一直是测距研究的难点。
１．３配电网接地故障定位的研究动态和现状
精确的故障定位技术，可以帮助运行人员迅速找到故障点．以使故障后的电力线路得到迅速恢复，这样可以大大节省人力、物力。近几年来，人们为寻求精确有效的故障定位方法作出了艰苦努力，有些方法已付诸实践，并取得一定成效，但均没有从根本上解决问题。根据文献［７】可知，配电线路故障定位方法在原理上，其发展过程主要从零序电流保护发展到无功功率方向保护，从基波方案发展到５次谐波方案，以及首半波方案，到加信诊断，再到目前的“智能”定位。在装置上，从步进式继电器发展到微机群体比幅比相装置，到基于注入信号法与寻逊原理的电流探测器装置。再到目前基于ＦＴＵ的配电网自动化在线检测定位。零序电流保护方法不适合出线数少和变压器中性点经消弧线圈接地的情况，无功功率方向保护方法常因负荷电流的谐波电流太大而造成误判断和较大的定位误差，两种方法的共同问题是它们只适合馈线出线装有零序ＣＴ或架空线出线装有三相ＣＴ的情况，而目前小电流接地系统中９０％以上的架空线出线只装有两相ＣＴｔ８１，这就从原理上限制了它们的使用范围。
在系统发生ｆ（１）故障时，人为地向系统注入一个特殊的激励信号，激励信号电流主要在接地相线路中流动并经接地点入地，根据寻迹原理，可以实现故障分支辨别和故障点定位，这就是加信诊断法的基本原理。“ｓ注入法”【８’９一。１是一种通过检测注入信号的路径和特征实现故障选线、测距和定位的加信诊断法。它的原理接线如图ｌ?ｌ所示，它是在系统发生单相接地时，由信号电流发生器在故障相ＰＴ二次侧加入一特殊频率（不同于电网中任一种固有的谐波频率）的电流信号，由于对应相的ＰＴ一次绕组处于短接状态，二次绕组中的信号电流必然会感应到一次侧，在ＰＴ一次侧的中性接地点与故障接地点之间形成一个信号电流的通路，这个特殊频率的信号电流仅在接地故障线路中流通，非故障线路中没有该信号电流，只要检测各出线中有无注入的信号电流（由每一出线处安装的专用信号电流
第一章绪论
搽测器完域），便可查基接媲线鼹。透过捡铡注入信号豹毫浚、毫嚣簸，可诗算出母线到故障熹之间斡电藏，实现故障测距；翻瘸注入酶信号电流只猩变电菇与接地故障点之间的一段线路中流通，越过接地点艏，注入信号将不会稗在的特点，
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查找接地点的确切位置。依据遮一原理研制的微机巡俭式选线定位装凝已在一些行业静瞧阏串运亏亍，显示出越好约性能。毽这耪对搽测器装置静要求较巍，投资成本较大：另终系统经离辍接盘骜跨，藏藩穗信号嘏流将往不疆嚣，签荔造成故障定位的失败。文献［１１］提出了～种新的信号探测器检测装置，它的作渡机制是将接地线路上的注入信号所产缴的特定磁场接收祸☆下来后，经选频放火，用带通滤波器将肖用信号从谐波噪声中提取出来并整流，辫经Ａ／Ｄ采样进单片机进行解码判断娥瑷，最后趸液晶或糖豢灯显示结果。以上步骤在敌障检测道褪串以一个圈定魏溺期爱复撬霞，塞至ｌ羧溅弱教簿整萋燕未。为了减套注入频率上瓣粪谐渡噪声的干扰，装置在信号源中采稍了对注入信母避行数字化开关断绥加密的编码机制ｊ并在信号检测部分相成进行解码判断，从而提高了装置的可靠性。
文献Ｃ１２，１３］讨论了中（低）压配电网短路梭障自动定位的实现方法，利用时域反射诗（ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ，ＴＤＲ）装置向线路注入方波信号，售号在“Ｐ接点、短蘸熹、器鼹患等疆抗不嚣酝熬逶方产玺爱袈。褒获瓣信号豢谱特穗圈上，三榴线路中哭肖梭障相上短路点处的反射脉冲是唯一酶，裉据这一点应用比较和对照（ＣｏｍｐａｒｅａｎｄＣｏｎｔｒａｓｔ，Ｃ＆ｃ）谱线的方法实现故障点检测与定位。文献［１３］还讨论了地下电缆相间短路时的故障检测与定位方法。这种方法对直酝线或简单配电网具鬻较好的应用结果，德对多分支的复杂瓣魄溺，由于真穰多爱爨砉蕊号懿塞麓篌缮港线缀复杂，较复杂鹃鞭谱夔线上搜索滋簿瘸熬兹障信息麟辩黉专家级的经验判断。为了改善频谱特经黼线的可蕊察佼，文献［１４３提出了威用小波变化的方法对反射信号进行加工她理，但效果也不怒很理想。
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提出了应用小波变化的方法对反射信号进行加工处理，但效果也不是很理想。
加信诊断方法是一种解决中（低）压树状配电网接地故障定位问题的行之有效的方法，但有时会因高阻接地而故障特性不明显，而且电流探测器探头的灵敏度和可靠性易受各种外界因素影响，造成故障定位的失败。自动化“智能”定位方法受到人们的极大关注，它是馈线自动化技术最重要的功能之一，在城网改造和建设中有着广泛的应用前景。
１．４配电网馈线自动化技术研究前景
通常把从变电、配电到用电过程的监视、控制和管理的综合自动化系统，称为配电管理系统。其内容包括配电网数据采集和监控（ＳＣＡＤＡ，包括配网进线监视、配电变电站自动化、馈线自动化等）、地理信息系统、网络分析和优化、工作管理系统、需方管理等几个部分。配电网馈线自动化（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，简称ＤＡ）又是配电自动化系统中很重要的组成部分“”，它是配电系统提高供电可靠性最直接、最有效的技术手段，它的主要功能包括：配网馈线运行状态监测：馈线故障检测：故障定位；故障隔离：馈线负荷重新优化配置（网络重构）：供电电源恢复；馈线过负荷时，系统切换操作；正常计划调度操作；馈线开关远方控制操作；统计及记录：开关动作次数累计、供电可靠性累计、事故记录报告、负荷记录等。
ｉ．４．１．配电网自动化的发展进程
根据文献［１６］，当前配电自动化的建设中，根据自动化程度的不同可以将配电网自动化分成不同的层次。纵观国内外配电自动化的进程，以故障隔离模式为线索，大致划分为以下三个进程：‘
（１）借助开关的多次动作自动隔离故障区段，使停电范围和停电时间为最小：这是一种“就地智能”式的实施方案，开关的智能操作控制由自身所带的控制器来完成，而故障段的隔离靠各控制器的合理整定与配合，不受控于电站控制中心的继电保护系统二但是，在主干线上接的重合器、分段器愈多，在自动隔离故障过程中，无故障段用户所感受的短暂停电次数或时间就越多越长。说明这种方式的自动化层次还不高。
，（２）借助于专用通信线和微机只需线路开关一次动作即可最大限度地减小停电范围和停电时间；，这种用隔离故障的方式隔离接地故障（对我国中性点不接地系统或经阻抗接地短路电流不大的系统），可以做到使健全段不断电。若用于隔离相间永久性短路故障，健全段最多停电一次（跳一次，指短时停电几秒钟，不包括瞬时重合闸
第一章绪论
的无电流间隙）。显然，这比前述多次动作的方式减少了停电时间和次数，但需增设专线沟通，且线路开关一定要具备单片机式的控制器，过电流保护应能在０．Ｉｓ内完成。
（３）以遥信、遥测、’遥控、遥调（四遥）为特征的计算机实时监控：
这是当前技术条件下层次最高的配电自动化模式。其功能和内容尚在不断扩展和增加，但就相间短路故障的切除而言，它必须以“专用通信”为基础或者是成瑰地应用ＦＡＣＴＳ或超导限流装置等高新技术。四遥主要是针对电能、电量、供电质量的优化管理及事故后的供电恢复而言的。简言之，即可根据短路保护和负荷管理的需要，变电站工控主机能对小区变、箱式变或独立的柱上开关设备进行遥控操作：对流经这些开关的电流、功率或电压进行遥测；对这些开关的台分位置、机构储能情况或变压器的重要保护信息等实时遥信；对有载调压的变压器及网络重构后的保护动作参数实时遥调；对各下级设备的ＲＴＵ（ＦＴＵ）定期对时；对高低峰用电实时调价等等。在各主控室有丰富的图形、报表、曲线处理能力。这个层次的自动化程度是没有穷尽的，系统的安全、稳定及抗突变能力可达到目前超水乎的程度。
这种方式在实际应用中，有三种实用模式“”：
模式ｌＩ通过将户外设备层的信号送入变电站管理层，再将变电站层信号送入主配调站层的分层管理模式；?
模式２：通过将户外设备层信号和变电站层内信号分别送入主站系统层的相对集中的管理模式；，模式３：通过将户外设备信号层送入主站层的配电管理所，将变电站层信号送人调度管理所，再由调度管理所与主站层配电管理所之间交换信息的相对独立的管理模式。
１．４．２馈线自动化模式的分类““嘲
配电网自动化的主要任务之一是配电网馈线自动化。根据故障处理方式的不同，馈线自动化可以分为两种模式，即（故障）分布处理和集中控制。根据故障处理时是否需要通信，分布处理模式又可分成两种类型；无信道分布处理和有信道分布处理。其中，前一种类型在故障处理时只利用ＦＴＵ自身检测的故障信息做出判断和动作，因此又可称为基于点保护的分布处理；后一种类型在故障处理时除了利用ＦＴＵ自身采集的信息外。还利用了系统中其他信息作出判断和动作，又称为基于面保护的分布处理。馈线自动化模式的分类如图１—２所示。
１．４．３馈线自动化模式的比较“８”’”．
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１点保护模式
点保护模式【２０】属于配电网自动化建设中第一个进程，它是通过安装在馈线上的重合器／分段器与变电站出线断路器（具有重合闸功能）的动作配合实现故障的判断、隔离与恢复非故障线路的供电，整个故障处理过程无需通讯与子站／主站
馈线自动化故障分布处矗｛无信道故障分布处理（量保护）｛詈釜篓
ｌ有信道故障分布处理（面保护）
故障集中控制
－图ｌ一２馈线自动化模式分类’
Ｆｉｇ．１－２Ｓｏｍｅｐｒａｃｔｉｃａｌｍｏｄｅｓｏｆｆｅｅｄｅｒａｕｔｏｍａｔｉｏｎ
系统的参与。根据故障判断原理的不同，该模式又分为电压时间型、电流计数型和电压电流混合型三种。
（１）电压时间型工作模式是：变电站出线处安装断路器（带重合闸功能１或重合器，馈线以电压一时间型分段器（通常是带控制器的负荷开关）分段。当线路出现故障时，通过断路器、重合器和分段器的密切配合，经过开关多次动作自动隔离故障区段。这样对系统和设备形成冲击，而且故障处理及供电恢复速度慢，然而它的优点是：投资少，无需通信，动作可靠，适合我国中性点不接地架空线系统。近几年来，这种模式有了较大的改进，文献［２ｌ，２２，２３，２４］提出了利用三相电压（虚拟３Ｅｏ）的变化规律，通过采用智能化更高的二次控制设备，依靠断路器、分段开关、联络开关根据不同时延的相互配合，先断开故障线路、再逐段恢复供电的方法，实现故障区段的隔离，恢复健全区段供电。文献［２２］中出线开关后第一个分段开关的分闸并闭锁，其故障判据采用“失压后短时间内又检测到过流”，文献［２４］确定故障区段的判据是：该段相邻开关或出线断路器合闸前没有出现、而合闸后的故障识别期内出现接地现象。文献［２５］针对１０ＫＶ电缆构成的地下电网，提出了应用短路产生的电弧过电压使得配网摆动频率发生变化的特点进行故障定位，因为配网摆动频率是随着网络拓扑结构和线路参数的变化而变化，通过分析故障点位置与摆动频率之间的特定关系就可以实现故障定位。
（２）电流型故障处理有两种工作模式：①断路器／重合器＋电流计数型分段器；②重合器＋重合器。前一种模式的工作原理为：电流计数型分段器不能用来开断故障电流，只能与断路器／重合器配合使用。当线路发生故障时，电源侧保护装置切断故障线路，分段器的计数装置进行计数，当达到预先整定的动作次
第一章绪论
数后，在断路器／重合器跳开故障线路的瞬间，分段器自动分闸并闭锁。若未达到预先整定的次数，在断路器／重合器再次重合成功后，分段器所累积的计数值经过一段时间后会自动清零，为下一次动作做好准备。这种模式无需通信，投资少．与电压型分布处理相比，分段开关动作次数少．故障恢复速度快，缺点是当馈线长，线路分段较多时，需增加变电站断路器／重合器的重合次数：当靠近电源侧的区段发生故障时，出线开关重合次数多，对系统冲击大；无法同时实现故障区段两侧分段器的同时闭锁，对于开环运行的环网结构，在恢复供电时，会造成非故障区段的停电。第二种模式中，以具有开断短路电流能力的重合器做为馈线分段开关，故障发生后，根据预先设定的卜ｔ曲线延时分闸，通过前后级重合器的Ｉ～ｔ曲线的配合，完成故障的隔离。该模式的故障处理过程无需通信，减少了故障后停电范围和出线开关动作次数（只需～次重合）。存在的不足是投资较大，馈线长，分段多时，保护级差配合困难，并且使出线开关速断保护延时增大，对配电系统的影响越大。
（３）从以上分析中可知，电压．时间型模式存在不足，电流一记数型模式存在保护动作速度慢、快速保护范围有限的缺点。电压电流型混合模式则是综合了以上两种模式的优点，使两种模式相互配台．结果较为明显。文献［２６。２７］提出了利用单端故障电气量的快速保护新原理和构成方案，应用一个实时处理算法抽出ｊ：１三、负、零序分量，算出序分量的有效值，若负序分量和零序分量的和与正序分量相比超过整定值，则判定故障发生。用对端断路器动作后所造成的本端故障序分量的变化来识别保护区内外故障，这样能显著缩短配电网线路故障后的故障切除时间。这种方法不受故障位置和过渡电阻的影响，提高了保护动作的可靠性，但这种方法不能正确反映对称故障，在系统遭受瞬时性扰动时会造成误动。文献Ｃ２８］根据故障点前镯支路、故障点后囱支路以及菲散侮支路的零序电压、电流的特点，分析了它们周围的电场和磁场５次谐波的幅值关系和相位关系，得出：故障之路下方的电场强度和磁场强度幅值明显增强；菲故障支潞和故障支路前向线路下方的磁场强度超前电场强度的相位约为丌／２；而故障支路的后向线路下情况刚好相反。由此提出了利用５次谐波零序电场、磁场探铡接地点的新方法。
２面保护模式∞３０?３１?３２】
这种模式采用配置ＦＴＵ的负荷开关或环网桓作为馈线分段开关，故障发生时，由变电站出线断路器切断故障电流，并进行一次重合闸，若为暂时性故障，重合成功；若为永久性故障，断路器分闸，此时馈线上ＦＴＵ与相邻ＦＴＵ交换故障信息，通过与本身故障信息的逻辑比较，确定是否分闸并闭锁（对于联络开关，确定是否合闸），隔离故障段：断路器第二次重合时，恢复送电。可皿，该模式
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是建立在各ＦＴｕ之间对等（ｐｅｅｒｔｏｐｅｅｒ）通信的基础上。
该模式采用基于面保护的故障就地分布处理，故障处理和通信环节少，所需信息相对较少，故障处理速度快，可靠性高。该模式故障处理过程中无需子站／主站的参与，ＦＴＵ与子站／主站的通信主要用于实现线路运行状态监视和正常情况下的遥控操作，因此对主一从通信方式ｆｆＴＵ与子站／主站之间的通信，如ｐｏｌｌｉｎｇ方式）的速度、可靠性等要求相对较低。尤其适合于双电源环网或不存在最优恢复供电的多电源配网系统。’
该模式存在的不足是对ｐｅｅｒｔｏｐｃｃｒ方式通信的速度和可靠性要求高；对于存在最优恢复供电的多电源、复杂配网系统，联络开关是否合闸应该由子站／主站决定。
在保证通信可靠性的基础上，该模式仅需一次重合闸，就可完成故障的判断、隔离及电源侧非故障区段的供电恢复（分段开关采用断路器），具体实现过程如下：故障发生后，出线断路器跳闸，经过短暂延时后，第一次重合，若为瞬时性故障，则重合成功；若为永久性故障，则延时△ｔ后分闸：因为Ｆ１Ｕ之间进行的是对等通信方式（可考虑采用总线结构），通信速度快，所以在△ｔ时间内，故障段两端的兀ｕ就可以完成分闸，隔离故障；联络开关在故障隔离后合闸，恢复负荷侧区段的供电。
３集中控制模式
Ｉ－
集中控制模式由负荷开关、兀Ｕ、通信网络和配调子站／主站构成。故障发生后，出线断路器分闸，短暂间隔后，第一次重合闸，若为瞬时性故障，重合成功；若为永久性故障，再次分闸，配调子站／主站查询馈线上各盯ｕ的故障信息记录，判断故障发生区段，并发出相应的分／合闸指令，遥控相应开关动作，恢复供电。显然，该模式是建立在各Ｆ１Ｕ与子站／主站之间主一从通信的基础上。
该模式的故障处理速度快，适合于存在最优恢复供电的多电源、复杂配网系统；缺点是故障处理过程中涉及的通信环节多，对通信的速度和可靠性要求高，通信投资大。
１．５配电网自动化故障定位与隔离研究方法综述
配电网的故障定位和隔离是配电自动化的关键功能之一，是提高供电可靠性的重要保证，随着配电网规模的不断扩大，配电网中大的电源点和Ｔ接点的数量也将不断增多，对配电网故障定位的实时性要求也越来越高。目前，实现配电网故障定位和隔离的算法主要有两类：
第一苹绪论
一类是以图论知识为基础，根据配电网的拓扑结构进行故障定位。文献［３３］提出了一种利用各开关的故障信息状态生成网络描述矩阵，采用’‘。异或”计算，并经规格化处理后确定故障区段和故障隔离的矩阵算法，但其数学模型的建立没有充分利用配电网的特点，无法反映网络的实际运行方式，而且规格化过程也较为繁琐，不适用于双电源或多电源网络的情况；文献［３４］虽然具有处理多电源网络故障的能力，但其数学模型仍然没有对配电网的特点加以充分利用，同时没有摆脱规格化处理过程。在此基础上ｊ文献［３５］针对树型配电网辐射状的整体结构，提出了一种利用树的双亲表示法的馈线有向描述模型的故障区段判断的新型矩阵算法，无需进行诸如规格化等额外的变换，可以用统一的表达式处理复杂配电网单、重故障时的故障区间判断，但要进行矩阵相乘运算，计算量大，处理时间长，而且故障区间判断矩阵要多次经过繁杂的“或”和“异或”运算，对具有多节点多分支的网络计算量太大，处理较为费时和繁琐。文献［３６，３７，３８］采用过热弧搜寻算法，将配电网的馈线看作弧，将开关看作顶点，则馈线供出的负荷可以看作弧的负荷，开关流过的电流可以看作是顶点的负荷。定义归一化负荷为弧负荷与额定负荷之比再乘以１００．则故障区段显然是归一化负荷远大于１００的那些弧，这些弧称为过热弧。因此故障区段的问题实际上是过热弧搜寻问题。文献［３６］将区域与一般弧同等对待，先要计算区域内各条弧的平均负荷，造成了计算的复杂。文献［３９］将区域与一般弧分别描述、分别判断，简化了故障定位的计算。文献［４０］将馈线当作弧，从负荷的角度描述配电网，并采用邻接表的数据结构来加以描述，在此基础上发展了配电网故障区域判断方法。该方法具有迭代次数少、不需要量测馈线配电变压器参数等优点。
另一类是以人工智能为基础，如采用遗传算法、神经网络和模式识别算法等。由于某种原因，实时信息中出现信息畸变或信息不全，致使普通算法会造成误判，因此有必要研究具有高容错性能的算法。文献［４１，４２］采用遗传算法，将网络拓扑结构信息通过评价函数反映出来，不仅可以避免误判，实现准确定位，而且具有很强的容错性能，可以应用于单一电源或多电源并列供电的复杂配网情形。但随着网络拓扑结构的变化，必须修改评价函数，甚至需要寻找新的评价函数的构造方法，以保证遗传算法快速而准确地收敛于全局最优解。文献［４３，４４］从模式识别的观点出发，采用神经网络理论来进行故障定位，具有一定地容错性能，但通过神经网络训练识别，计算时间长，同时网络拓扑结构发生变化，又需要重新进行神经网络训练。文献［４４］提出应用新型径向基函数（ＲａｄｉａｌＢａｓｉｓＦｕｎｃｔｉＯｎ。ＲＢＦ）神经网络解决故障诊断问题，文中将正交最小二乘（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅ）算法扩展用于优化ＲＢＦ神经网络参数，能够更有效地解决问题。尤其是对于存在保护和断路器不正常动作或多重故障地严重故障情况下，效果更
Ｏ
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维护等非常困难，并成为专家系统方法应用的颈瓶。而且，专家系统必须搜索庞’
大的知识库以得到最终的诊断结论，这使得它不能很好的满足故障诊断得实时性要求。另外，当系统存在保护和断路器不正常动作时，专家系统可能会因缺乏识别错误信息的能力而导致错误的诊断结论。
１．６主要研究内容７
作者对国内外研究中性点不接地配电系统的故障定位的一些方法进行了仔细的分析，试图解决现有方案的缺陷，对理论和方法有所改进和创新。同时注意借鉴输电线路的故障定位理论、小电流接地系统故障选线方法、配电网自动化和馈线自动化故障点智能定位研究的发展实践等方面的研究新成果，在此基础上对小电流接地系统单相接地的故障测距方法进行了深入研究，对智能定位方案进行了试探性研究。
在线路发生故障时，第二章采用＃ｂ；０ｎ激励源，利用单端测距方法，构建了基于导纳的故障函数，应用故障函数的频谱特性实现故障测距。该方法引入了基于地模量的分布参数网络模型，克服了末端负载参数变化对定位的影响。经过深入的研究分析，这种方法对直配线路单相接地故障的故障距离计算有效，对辐射型配电网，理论上也可以搜索到任意予分支上的故障点，但由于“Ｔ”型节点的增加，使故障函数的频谱特性非常复杂，因此对计算方法有待进一步的改进和完善。第三章同样利用单端的测量信息，应用较为精确的故障线路等值模型，推导出了基于纯阻性过渡电阻的故障计算函数，分别对直配线和树型配电网分支线路上的实际故障点进行了大量的数值仿真计算，应用双频激励法，在馈线始端测试数据准确的前提下，故障点定位准确，故障距离计算结果精度很高。基于这个故障函数，利用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ和ＭＡＴＬＡＢ语言，在第四章中编制了配电网单相接地故障定位与计算的通用程序。通过大量的数值仿真分析表明，通用程序是可行的。
配合目前配电网馈线自动化的发展实践，论文第五章在分析比较馈线自动化控制模型的基础上，结合应用零序故障电流进行选线的方法，提出了监测线路主要分支点的馈线电压变化以实现故障点自动定位与隔离的方案。该方法与电流型方法相比，可靠性更高，且不受系统接地方式的影响，能适用于较复杂的网络结构。
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Ⅳ
图２—２Ａ相接地短路时的复合序网图．
Ｆｉｇ．２－２ＳｅｑｕｅｎｃｅｎｅｔｗｏｒｋＩｎｔｅｒｃｏｎｕｃｃｔｉｏｎｆｏｒ‘‘Ａ”ｐｈｚｓｅ－ｔｏ?ｇｒｏｕｎｄｆａｕｌｔ从以上的分析计算可知，单相接地故障有以下一些基本特点：
（１）短路故障点处线路中的各序电流大小相等，方向相同，故障相中的电流满足屯＝３气。＝３乇。＝３屯：，而两个健全相中的电流为零；
（２）故障点处正序电流的大小，与在故障点处原正序网络上增加一个附加阻抗即ｚ。：＋ｚ：ｚ而发生三相短路时的电流大小相等；
（３）短路点故障相的电压等于零；
２．２直配线单相接地故障定位方法
２．２．１理论分析
对于任一配电网，在配电网结构确定后，其电路的拓扑结构也是确定的，不管其复杂程度如何，在馈线首端（可以任选一主线，并定其首末端）加入激励信号（三相均加），就可以确定其首末端或任意位置的任何检测系统的响应，且关系是一一对应的。当配电网发生接地故障时，必然引起网络的拓扑结构和参数均发生变化，因而在配网发生故障前后，同样激励下的响应将不同，而且接地故障发生在不同点处，对应的响应也各不相同。基于这一点可利用所加的激励信号及其相应的响应之间的特定关系，来构造配电网接地故障函数和故障定位判据，从而进行接地故障点的确定。
采用三相配电线路的分布参数模型来进行分析，在发生接地故障时，从线路首端向三相线路注入零序单位阶跃信号，同时采集响应信号，应用快速傅立时变换（ＦＦＴ）对数据进行处理，再应用模变换的方法，构造出配电线路地模量模型，并形成接地故障函数进行研究，这样在中性点不接地系统中就避免了负载变化的影响，提高了计算的准确性。在外加激励确定的条件下研究接地故障前后系统响应的变化，这就排除了配电网电压波动引起响应的变化，因而可以大大提高信号
第＝章直目Ｂ线单相接地故障定位分析
检测的准确度：又由于是在频域上研究配电网接地故障前后系统故障函数的变化，雨故障函数的波形、零极点等所包含的信息量将远大于单一的数值和比值，因而接地故障定位的灵敏度将大大提高。
２．２．２接地故障方程的建立
对于三相配电线路，分布参数为月，厶Ｃ，Ｇ，那么线路波动方程为：
一掣删州Ｍ掣
础优一掣：ＧＵ（蹦）＋Ｃ＿ＯＵ（ｘ，ｔ）ＯＣ＊ｔ（２—３）（２—４）
其中【，（ｘ，ｆ）＝眇。（工，ｆ），Ｕｂ（ｘ，ｔ），Ｕ。（五ｆ）ｒ，，（工，ｆ）＝阮（ｔｆ），，６（ｘ，≠）＇ｔ（ｚ，ｆ）ｒ分别为线路电压电流，Ｒ、Ｇ、上、Ｃ分别为线路电阻矩阵、电纳矩阵、电感矩阵和电容矩阵参数，即：．
Ｒ＝［ｉ喜墨］，Ｇ＝［誊丢兰］，三＝［乏乏ｌａｂ霉］，ｊ！！：！ｌ釜；立！＝（Ｒ＋吐）（Ｇ＋ｓｃ）ｕ（ｘ，ｓ）
学＝（Ｇ＋ｓＣ凇＋五№。）蚓（２—５）（２—６）
其中ｕ（ｘ，Ｊ）＝【Ｕ。＠，Ｊ），Ｕｂ（ｘ，ｓ），Ｕｏ（ｘ，Ｊ）】ｒ，，（五Ｊ）＿－ｐ。（工，ｓ），Ｉｂ（ｚ，Ｊ），，。（ｚ，ｓ）】７。引入不同的模变换矩阵．ｓｆ和口，并设口阮ｓ）＝．帆∽Ｊ），ｌ（ｘ，ｓ）＝Ｑ／。（ｘ，Ｊ）。其中ｕ二（ｘ，Ｊ）＝阢（ｔＪ），己乞（ｘ，ｓ），Ｕ，（ｘ，ｓ）Ｉｔ，Ｌ（五ｓ）＝ｋ（ｘ，Ｊ），，。（ｚ，Ｊ），Ｉａ（ｘ，ｓ）］７。若令口＝（胄＋蚴（Ｇ＋Ｊｃ），则口７＝（Ｇ＋。ｃ）俾＋吐），由于口和护７不相等，所以选取不同模变换矩阵Ｓ和Ｑ，可取Ｓ＝Ｑ～，这样就可得：
尘％笋爷‘蛾“ｓ）－－ＡＵ．“ｓ）（２＿７）
４乌笋－Ｑ＿铲矧掣）＝川邵）（２－－８）
巳％％
＝
Ｃ
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其中Ａ为对角阵，设得到的对角阵为：Ａ＝硪口ｇ护。（ｓ）心（ｓ）托（ｓ）｝，这样就可得各模量电压方程和电流方程如下：
—ｄ—２Ｕ＿ｉ（ｒｘ，ｓ）＝ｎＯ）ｕｆ（工，ｓ）（ｆ＝。，ａ，∥）（２—９）出。
皇：乏；；兰！；，，，（ｓ）‘（ｘ，ｓ）（ｆ＝。，ａ，尸）（２—１。）
其中心（５），％（ｓ），％（Ｊ）为模量上的线路传播常数的平方ａ
设三相线路Ａ相在距首端ｆ处经电阻如接地，在三相首端均加单位阶跃信号，其边瓢件虬吣加÷，（ｉ＝ａ，ｂ，ｃ），枷）＝半，
Ｉｊ（ｆ，ｓ）＝０，（，＝６，ｃ），联立求解方程组（２—５）～（２—１０），获得线路零模量网络参数，这样就可得到由故障点信息构成的零模量故障函数为：
尸（ｓ）＝百ｌｏ而（Ｏ，ｓ）（２－－１１）在以上计算中，模变换矩阵的选取是个难点。现选用数值计算的方法来求取模变换矩阵Ｑ，具体步骤为“…；
‘①通常线路参数矩阵上和Ｃ都是对称正定矩阵，于是Ｒ＋ｓＬ，Ｇ＋ｓＣ也都是正定矩阵，这样对Ｒ＋ｓＬ进行平方根分解，得Ｒ＋ｓＬ＝日７日，并形成Ｈ（Ｇ＋ｓＣ）Ｈ７：
②用Ｊａｃｏｂｉ方法求解对称矩阵日（Ｇ＋ｓＣ）Ｈ７的特征值＾和特征向量ｚ，，构
成ｘ＝ｋ，ｘ：，…，ｋ】，其中玎为Ｇ＋ｓＣ的维数。
’③这样＾也是Ｐ７的特征值，而对应的特征向量为Ｑｆ＝Ｈ“ｘ，，于是Ｑ＝Ｈ一１ｘ。
２．２．３故障定位判据分析
要从配电线路的接地故障函数中构造故障定位判据，需要找出故障函数与接地点位置之间的相互关系。由于三相配电线路的接地故障函数式（２－１１）很复杂，
第二章直配线单相接地故障定位分析
难以直接进行理论分析，只能以数值计算的方法来加以分析。对频率因子ｓ＝２ｊｎｆ，取计算步长为２ｋＨｚ，得到５００个数据点，通过数值计算程序，进行故障函数的频率特性分析，设置不同的故障位置，可得到不同的频率特性曲线，如图（２—３）所示。
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２３‘矗５７８９。，≯
（ａ）故障距离为Ｉｋｍ
№（ｃ）故障距离为３ｋｍ（ｂ）故障距离为２ｋｍ０１２３●Ｓｅ７８９１０№ｘ１，（ｄ）故障距离为４ｋｍ图２—３取不Ｊ司故障距离时得到的故障函数频率特性Ｆｉｇ．２－３Ｆａｕｌｔｆｕｎｃｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒｕｍｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｌｏｃａｔｉｎｇｅｑｕａｔｉｏｎ
通过大量的数值计算分析，可得到接地故障函数在频域内具有这样的规律性：①对应于一定故障距离的线路，故障函数在某些频率点上出现峰值点，各峰值点在频率轴上等间隔分布；②峰值点间的间隔与线路故障距离存在近似反比关系，可通过计算此间隔得到故障距离，从而可以实现准确定位。
接地故障函数之所以呈现前述①的特征，是因为所加信号到达故障点后，又从故障点反射到加信端的结果在频域中的反映所致，而前述②的特征是由于信号反射传播的时间与故障距离成正比，于是就出现了在频域上的反比关系。
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２．２．４配电网单相接地故障定位计算分析
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