基于自动化系统的配电网断线故障保护策略探讨

基于自动化系统的配电网断线故障保护策略探讨

俞发强 杨丛欢

广东电网有限责任公司清远供电局 广州航海学院 船舶与海洋工程学院

 （广东电网公司职工技术创新项目编码：031800KZ23050010）

摘要：本文主要针对10kV配电架空线路发生断线后难以准确定位和切除故障的问题，基于配网自动化系统可采集到的馈线终端和配电变压器监测终端数据，分析故障点后段电压互感器和配变低压侧电压特征，根据不同电压告警信息定位断线故障的区段和相别。进一步采用证据理论对上述两类来自不同终端设备和信息系统的相互独立证据体进行合成，得到置信度很高的断线故障区段定位结果。并通过配网自动化系统自动生成和执行故障切除和非故障区段复电策略，可显著提升配电网发生断线故障时的安全行和可靠性。

关键词：配电网；配网自动化；断线故障；证据理论

0 引言

配电网负责直接将电能配送至用户端，是电力系统各个环节中的重要组成部分，具有分布范围广泛、故障概率高、安全风险大等特点。配电网发生故障后，若不能及时检测定位和处理，将会对社会生产秩序和人民生活质量造成严重影响，带电的故障设备也会直接威胁到社会人员的生命和财产安全。

近年来，随着自动化开关成套设备在10kV配电网的广泛应用，馈线终端（feeder terminal unit, FTU）和站所终端（distribution terminal unit, DTU）可以实时检测到配电线路后段发生的相见短路故障和低阻接地故障，并控制开关跳闸来切除故障区段线路，大幅减少了故障停电范围、降低了安全风险。除短路和接地故障外，断线故障也是10kV配电网常见的故障类型。当架空线路的断线点电源侧断口为高阻接地或未接地时，线路上的FTU无法检测到故障电流，配电线路将保持缺相的故障状态持续运行较长时间，可能导致用电设备无法正常运行甚至烧毁，断线位置也极易引起森林火灾和社会人员触电事故。因此，迫切需要一种有效方法来准确检测并自动切除断线故障，研究配电网断线故障保护策略具有重要意义。

为了能够准确检测到断线后的接地故障，部分供电企业已对10kV配电系统中性点接地方式进行改造，将原来的中性点非有效接地系统改造为经小电阻接地的中性点有效接地系统。例如中国南方电网公司研究后建议对于新建变电站优先选用小电阻接地方式 []。小电阻接地系统虽能识别和切除过渡电阻较小的接地故障，但对于高阻接地故障（故障过渡电阻约为几百到上千欧姆）则会失效[]。而且对于架空线路而言，配电网中性点经小电阻接地改造后的供电可靠性明显降低[]。

目前，国内外许多研究机构和学者为了找到10kV架空线路断线后的检测判据，专注于分析断线点前后三相电压和电流的正序、负序和零序分量变化特征[4-9]。文献[]通过计算10kV架空线路沿线正序电压降、电压负序分量和零序分量的百分比这两个数据来检测高阻接地故障，可以清晰地识别出故障区段，但无法检测到只发生断线不发生接地的故障类型。文献[-]分析端口两侧零序电压幅值和相位特征，可以识别断线故障所在区段，具有不受中性点接地方式、接地过渡电阻、负荷大小影响的特点。文献[-]研究传统配电网和主动配电网单相断线时负序电流的分布特征，提出了一种基于负序电流的配电网单相断线故障保护方法。文献[]分析了各种单相断线故障情况下负序电压和负序电流的关系，然后提出了一种基于负序电压电流相关系数的断线故障诊断方法。但以上诊断方法需要在10kV线路上加装一定规模的电压电流互感器和测控终端才能实现，且个别终端数据的漏报和误报都会直接导致故障诊断结果不准确，鲁棒性不强。文献[-]考察断线点后段配电变压器监测终端 (distribution Transformer supervisory Terminal Unit，TTU)的三相电压特征来定位断线故障点所在位置，但未提及如何切除故障。

本文提出一种基于自动化系统的配电网断线故障保护策略。该策略通过配网自动化系统收集和分析断线故障点后段FTU和TTU发出的不同电压异常告警信号，采用D-S证据理论对两类不同来源的告警信号进行融合，推断出置信度较高的故障区段定位结果，并通过主站遥控自动化开关准确切除故障，可明显提升配电网的安全行和可靠性。

1 配网自动化系统构成

配网自动化系统主要由配网自动化主站（以下简称主站）、配网自动化终端、配网自动化开关及相关附属设备，经配电网通信通道连接组成[]，如图1所示。其中，主站是配网自动化系统的核心构成部分，主要实现配电网数据采集、分析、计算与决策，并与GIS系统、计量自动化系统等其他应用信息系统进行信息交互，为配电网生产运行中的故障检测、隔离和自愈提供技术支撑。

图 1 配网自动化系统

FTU、DTU等终端利用开关和互感器设备直接采集10kV线路上的电气量，进行边缘计算分析，并通过光纤专用网络或无线公用网络与主站通信。TTU则采集配电变压器低压侧的电气量，通过无线网络将数据传输至计量自动化系统，再由计量自动化系统与主站通过局域网进行数据交互。

2 断线点后段配变低压侧电压特征分析

2.1 配电变压器的联接组别

在10kV公共配电网中,配电变压器选择DYn11联接组别具有很大的优越性，但我国在电力系统建设初期大量选用了Yyn0联接组别的配电变压器[]。据统计，我国目前在运行配电变压器联接组别为DYn11的约占85%，为Yyn0的约占15%，两类配变的绕组连接图如图2所示。

图 2 常用配电变压器绕组连接图

联接组别为DYn11的配电变压器低压侧相电压为高压侧线电压与高低压绕组匝数比之商，具体如式（1）所示；联接组别为Yyn0的配电变压器低压侧相电压为高压侧相电压与高低压绕组匝数比之商，具体如式（2）所示。

                  (1)

                   (2)

2.2 单相断线故障

假设正常供电时，配变低压侧的相电压有效值为Ue。当10kV架空线路发生A相断线故障，B、C相由正常电压供电时，故障点后段联接组别为DYn11和Yyn0的配电变压器等效电路如图3所示。

图 3 A相断线时的配变高压绕组等效电路

此时，由式（1）、（2）可知DYn11和Yyn0配变低压侧的三相电压有效值分别为式（3）、（4），同理可推算当发生B相或C相单相断线故障时故障点后段配变低压侧的三相电压。归纳可知，当10kV架空线路发生单相断线故障时，故障点后段DYn11接线配变低压侧滞后于故障相的一相电压正常，另外两相为额定电压的0.5倍；故障点后段Yyn0接线配变低压侧与故障相对应的一相电压正常，另外两相为额定电压的倍。

                  (3)

                   (4)

2.3 多相断线故障

当10kV架空线路发生两相或三相同时断线的故障时，由图2可以看出，无论配电变压器的联接组别为DYn11还是Yyn0，其高压三相绕组上都没有电压，故低压侧三相电压都为0。

3 断线点后段FTU告警特征分析

为节省投资，柱上自动化开关成套设备的典型配置是在开关电源侧和负荷侧各安装一台单相电压互感器（Potential Transformer, PT），一般默认电源侧PT接在A相和B相之间，负荷侧PT接在C相和B相之间，如图4所示。

图 4 柱上自动化开关成套设备PT接线示意图

FTU通过两台单相PT实时监测UAB和UBC两路线电压，当监测到电压低于正常值时，则分别触发电源侧失压、负荷侧失压的异常告警信号，并主动上送至主站系统。由图4可看出，自动化开关成套设备电源侧线路当A相单相断线时，电源侧PT1失压、负荷侧PT2正常；当B相单相断线时，电源侧PT1失压、负荷侧PT2失压；当C相单相断线时，电源侧PT1正常、负荷侧PT2失压；当任意两相断线或三相都断线时，电源侧PT1失压、负荷侧PT2失压。

4 告警证据合成及策略执行

理想情况下，根据计量自动化系统TTU的电压告警信息和主站系统FTU的PT交流失压告警信息都可以分别定位出断线故障所在区段。但考虑到设备运行中存在的异常情况以及通信不稳定因素，会存在漏告警的可能性。根据运行经验，因配变数量较多，参与定位判断的信息来源具有冗余性，定位结果的准确率一般可达到0.98；FTU相对来说数量较少，一台终端漏告警就会导致定位不准确，定位结果的准确率约为0.95。

对某一次断线故障区段定位结果而言，FTU和TTU的告警信息分别来源于两类不同的终端设备和信息系统，属于相互独立的证据体，可运用D-S证据理论进行融合[]。现定义假设空间Q为一个非空集合，至少包含Y、N两个元素，其中Y代表准确、N代表不准确。基于FTU和TTU的定位结果准确性在Q上进行基本概率分配（Basic Probability Assignment，BPA），其mass函数分别定义为、，则各元素概率如式（5）所示。

      (5)

设B、C为Q中的任一元素，计算归一化常数K：

       (6)

则合成后判断故障定位区段准确和不准确的概率分别为：

        (7)

    (8)

告警证据合成之后，断线故障区段定位的准确率达到了0.999，比原来基于FTU和TTU的告警信息的两种定位方法的准确率都有了大幅提升。在这个置信度的基础上，主站可生成故障切除和非故障区段复电策略，并通过配网自动化系统遥控自动化开关来自动执行策略。

6 结束语

本文基于配网自动化系统可采集到的告警信号，针对10kV架空线路断线故障，分析故障点后段配电变压器低压侧和自动化开关PT的电压特征，从而根据FTU和TTU不同电压告警信息定位断线故障的区段和相别。进一步采用D-S证据理论对以上两类来自不同终端设备和信息系统的相互独立证据体进行合成，得到置信度极高的断线故障区段定位结果，并通过配网自动化系统自动生成和执行故障切除和非故障区段复电策略，可显著提升配电网的安全行和可靠性。

本文所提的断线故障保护策略虽然对于大部分10kV配电网断线故障场景能起到良好的效果，但无法适用于所有场景。例如，考虑到配电网任何位置都有可能发生断线故障，而该策略要求断线故障点后段既要有安装自动化开关又要有配电变压器，两者缺其一都会严重影响定位的准确性，无法合成高置信度的定位结果将给配网自动化系统自动切除故障时带来误切风险。适用范围更广的配电网断线故障保护策略还有待进一步研究。

参考文献

[] 袁耀,邹林,喇元等. 10kV配电系统中性点接地方式选取的有效性分析 [J]. 供用电, 2017, 34 (05): 7-13.

[] 任伟,薛永端,徐丙垠等. 小电阻接地系统高阻接地故障纵联差动保护 [J]. 电网技术, 2021, 45 (08): 3276-3282.

[] 任伟,薛永端,徐丙垠等. 小电阻接地系统高阻接地故障纵联差动保护 [J]. 电网技术, 2021, 45 (08): 3276-3282.

[] Mini Shaji Thomas,Namrata Bhaskar,Anupama Prakash.Voltage Based Detection Method for High Impedance Fault in a Distribution System[J].Journal of The Institution of Engineers (India), Series B. Electrical eingineering, electronics and telecommunication engineering, computer engineering,2016,97(3):413-423.

[] 常仲学,宋国兵,王晓卫. 基于零序电压幅值差的配电网断线识别与隔离 [J]. 电力系统自动化, 2018, 42 (06): 135-139.

[] 周斌,李赫,郑海涯等. 基于零序电压相关系数的配电网单相断线故障保护方法 [J]. 供用电, 2023, 40 (02): 9-16. 

[] 朱玲玲,李长凯,张华中等. 配电网单相断线故障负序电流分析及选线 [J]. 电力系统保护与控制, 2009, 37 (09): 35-38+43.

[] 王开科,熊小伏,肖扬等. 基于负序电流的主动配电网单相断线故障保护方法 [J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49 (06): 10-18.

[] 常仲学,宋国兵,张维. 配电网单相断线故障的负序电压电流特征分析及区段定位 [J]. 电网技术, 2020, 44 (08): 3065-3074. 

[] 武鹏,徐群,沈忠旗等. 基于负荷监测系统的配电网故障测寻方法 [J]. 电力系统自动化, 2012, 36 (03): 111-115.

[] Li Zichang,Liu Yadong,Yan Yingjie,Wang Peng,Jiang Xiuchen.An Identification Method for Asymmetric Faults With Line Breaks Based on Low-Voltage Side Data in Distribution Networks[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2021,36(6):3629-3639.

[] 汪云. 电力系统中配网自动化的应用研究 [J]. 电子元器件与信息技术, 2022, 6 (09): 243-247. 

[] 王红霞. 配电变压器接线组别的选择 [J]. 宁夏电力, 2005, (02): 11-13.

[] 高帆. 基于DS证据理论的数据融合关键技术研究[D]. 西安理工大学, 2023.