摘 要：本文对供电事故中发生最频繁的单线接地故障所产生的特征进行分析和研究，确定使用广域比幅比相法作为单相接地故障的判断依据，并提出了区段定位思想。通过在配电网各个节点处安装采集装置，把整个配电网划分为不同的区和线路段，将故障点确定在某一区段当中，以实现单相接地故障的区段定位。
关键词：单线接地故障，广域比幅比相法，配电网，区段定位
1 引言
电力事故自动反馈系统的管理在各级电力自动反馈系统常设机构中加强是提高事故处理效率至关重要的一环。目前我国中压配电网大部分采用中性点不接地或中性点经消弧线圈接地,即小电流接地方式。而单相接地故障发生率最高大约占了总故障率的90%。实现故障定位可以提升用户的供电稳定性、保护电力电气设施，还能带来巨大的社会效益和经济效益，积极推动了我国电力网自动化的发展。
2 故障在线区段定位算法
2.1 小电流接地故障特征
目前我国6kV-10kV的中压配电网，中性点接地方式均为非有效接地方式，其中绝大部分采用中性点不接地系统，极少数使用消弧线圈接地方式。本文主要分析单相接地故障采用中性点不接地系统。
中性点不接地系统的变压器中性点与大地之间没有电气连接，在配电网正常运行时，线路中应流过三相对称的电流，所以理论上线路中是不存在零序电流和零序电压的。但是在现实中，配电网三相对地总会有一定不对称，因此线路中总会存在微小的零序电流，但是由于不对称度很小，一般小于15%所以正常状态下线路中的零序电流可以忽略不计。故障线路中的零序电流等于所有非故障路径中零序电流之和，并且方向是由线路流向变电站母线。
2.2 广域比幅比相法定位原理
通过上面的分析可得，当配电网发生单相接地故障时，线路中就会产生零序电压和零序电流，而广域比幅比相法的整体判别依据便是利用故障路径与非故障路径的零序电流与零序电压的相位关系和幅值大小来确定故障所在的区段。
区段定位判据如下:1)分支判别。故障分支路径的零序电流方向和非故障分支的零序电流方向相反，具体表现为:故障路径中零序电流相位滞后零序电压相位90o，而在非故障路径中，零序电流相位超前零序电压相位90o；2)故障点判别。故障点前零序电流方向与线路正方向逆向，故障点后零序电流方向与线路正方向相同。零序电压采自变电站变压器的中性点电压，零序电流则在三相线路处安装互感器，相位相加得到。零序电压和零序电流信息通过无线传输的方式传送到服务器，从而进行单相接地的区段定位。
3 总体方案
在线区段定位系统由一个监控中心和广泛分布在线路中的采集装置组成，其唯一的通信方式为无线 GPRS 数据传输，所以必须确保 GPRS 网络畅通可靠。监控中心主要负责与线路中各个节点的采集装置建立网络连接并进行数据的传输工作。监控中心网络的拓扑结构有多种实施方案，考虑到数据安全性、成本、时延等因素，设计了三种方案。方案一：监控中心采用 ADSL 和 Internet 公网连接，采用公网动态IP+DNS 解析服务。方案二：采用移动内网动态 IP+移动 DNS 解析服务。方案三：监控中心与采集装置采用 APN 专线，所有节点具有内网固定IP。三种方案的GPRS组网方案示意图如图1所示。综合考虑确定方案三为最终方案。
此方案需要向 GPRS 运营商申请 APN专用网络。当监控中心和采集装置得到 APN 后，便会在 APN 专网内部分配到固定 IP，并且限制其余 APN 的使用。这样采集装置与监控中心通信便不再需要DNS 服务器，减少了中间环节，增加了稳定性。并且由于所有数据传输均在APN 内网传输，无需通过 Internet 公网，避免了信息在传输过程中的泄漏。由于监控中心和采集装置均采用固定 IP，所以双方可使用防火墙进行隔离，限制其他 IP 的接入，大大增加了数据的安全性。
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图1 GPRS组网方案示意图
系统需要在变电站获取零序电压信号，同时在线路上获取多个测点的零序电流信号，因此为了实时获取同步的零序信号数据，必须解决数据的同步测量以及数据的无线传输两个问题。本系统利用GPS的授时功能实现广域相量的同步测量，并选用GPRS网络来实现广域测量数据的无线传输功能。采集装置分为零序电压和零序电流两种，这两种装置的硬件结构基本相同，只是零序电流采集装置还同时检测线路中的相电流。
为了满足小电流故障定位装置对控制、运算和成本集一体的要求，采用了Cortex-M3处理器。采用了M12MT GPS授时模块来保证GPS同步单元对零序电流与零序电压采集同步。为了解决在采集线路零序电流的同时兼顾采集相电流来确定是否发生相间短路故障，采用电流互感器与线路连接的方式。互感器无需与线路直接进行电气连接，只需要将线路穿过互感器即可，这样互感器就能通过线路所产生的电磁场产生相应的感应电流。互感器能快速传递电流行波信号属于无源器件，响应速度小于1us，相位误差能控制在50’以内，并且二次回路可直接连接回路无需额外设备，具有简单经济可靠等优点。互感器采样的模拟信号经过ADC采样保持电路和AD620运算放大器，转换为数字信号送给处理器处理。当线路发生故障时，会瞬间产生一幅很高的冲击电压，互感器会采样到这一电压信号，这一信号对分析接地故障没有任何意义，还会对采集装置造成严重损坏，为了避免这一现象，在互感器后加入桥式结构的限幅电路。采用AD736AC/DC转换器来实现交直流的转换。
具体工作流程为:零序电压、电流采集装置接受到GPS秒脉冲之后，便会同步采集线路中的电流信息，装置进行傅里叶运算出测量时刻的幅值和相位。然后将得出的数据加上GPS时间信息和各个装置独立的标记经过打包后由GPRS发送到Internet网络。经过Internet网络和GPRS网络再将各个采集装置的数据包发送至监控中心服务器，由服务器对数据进行储存和整理。最后对数据进行分析，依据零序电压和零序电流幅值的大小和相位的关系确定是否发生小电流接地故障，以及给出故障发生的地点。
4 小结
配电网自动化要求具备故障自动定位和预处理的能力，并且要求缩短故障处理时间。本文根据故障接地现象，选用广域比幅比相法作为判断依据，并结合GPRS通信技术以及GPS授时技术，实现了广域中的零序向量采集，并通过判断零序向量的关系对小电流接地故障进行自动定位。
参考文献:
[1] 于然.小电流接地系统单相电弧接地建模研究[D].西安科技大学.2012
[2] 高翔.小电流接地系统单相接地故障选线与定位技术的研究[D].天津理工大学.2014.
[3] 贺琳.有缘消弧线圈技术的研究[D].西安科技大学.2011