小电流接地系统

小电流接地系统发生单相接地故障时，准确检出故障线路对快速排除故障、提高供电可靠性具有重要意义。目前现有的选线装置在技术和管理方面都有一定的不足之处，本文采用基于C/S模式的网络化虚拟仪器技术设计了小电流接地系统单相接地故障选线装置，装置采用LabVIEW编程实现，可以方便的实现复杂的选线算法，有可以缩短开发周期，并且可以通过网络实现对选线装置的管理，可以从技术和管理两个方面提高选线装置的性能。

我国大多数配电网均采用中性点不直接接地系统,即小电流接地系统,包括中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统。当发生单相接地故障时,由于故障点电流较小,而且不影响对负荷的正常供电,一般允许继续运行1～2h[1] 。但随着馈线的增多,电容电流也在增大,长时间运行易使故障扩大成两点或多点接地造成短路,弧光接地还可能引起全系统过电压,损坏设备,破坏安全运行,应及时选出故障线路给予排除。小电流接地系统单相接地故障选线装置的研究已经持续了将近二十年，但是应用一直不是很理想。

选线问题的解决，一要靠技术进步，二要靠管理创新，二者相辅相成，缺一不可。技术方面，现有的目前的采用选线装置判据不完备，选线方法单一，选线的正确率不是很高，这样要求选线装置的数据采集和处理方面的难度很大，装置不仅要求有高速的数据采集系统和强大的处理功能，并且具有大量数据的存储和远程数据通信的能力。还要实现方便复杂的选线算法。管理方面，由于小电流装置在现场中属于一种辅助设备, 受重视程度不高, 因此缺少定期的检查和维修，造成很多选线失败的原因。这样要求选线装置必须具有相应的后台管理系统，实时在线监测选线装置的运行情况，对装置进行在线诊断，并为完善和改进选线方法收集样本积累数据[2]。

随着计算机网络技术和现代测试技术的发展，网络化虚拟仪器应运而生，使人们可以从任和分散的地点获得测试数据，比以往虚拟仪器技术有了质的飞跃[3]。本文采用基于LABVIEW设计的网络化虚拟仪器，在技术上可以实现高速数据采集和复杂算法的实现，管理上可以网络进行对现场装置数据管理和远程监控，并且可以提高选线装置的性能，缩短开发周期。

1 选线方法

由于小电流接地系统单相接地时故障特征不明显,且易受诸多因素的影响,所以到目前为止,发展出的各种选线原理都存在着一定的局限性。目前尚没有任何一种单一选线方案能够适应小电流接地系统的各种情况[4]。本文在这里采用基于DS证据理论的信息融合方法进行选线，大大提高了选线判断的准确性。

电流群体比幅比相原理、基于小波变换的奇异性检测理论和能量法是目前常用的可靠性高的判断方法,本方法先对上述三种算法构造相应的故障测度，然后采用DS证据理论对进行融合。证据理论融合的过程是：首先，建立识别框架，来表征一个判决问题所有可能的结论。本问题的识别框架就是由母线及各条线路组成的集合。第二，构造基本信度分配函数，首先，对上述三种算法建立故障测度，根据分配函数可将故障测度值影射为满足证据理论要求的基本信度值。第三，证据融合。按照证据理论提供的组合算法，实现对上述三种测度信息的融合。第四，选线决策。建立一定的选线判决规则，根据融合后各条线路所具有的综合故障测度，做出最终选线决策[5]。整个算法的流程图如图1所示。

图1 证据理论选线算法流程图

2硬件构架

2.1 总体结构

C/S工作模式（客户端与服务器模式）在设备远程状态监测和故障诊断的设计方面是较为理想的模式，本文采用基于这种模式设计网络化虚拟仪器，实现小电流接地系统故障选线。其总体结构如图2所示。

图2 选线系统总体结构

2.2信号转化和调理部分

现场的中性点零序电压和各条线路零序电流经PT/CT完成由强电到弱电的隔离转换。这里采用的是电压互感器SPT204A，电流互感器SCT254AX。信号调理电路将经PT/CT隔离、变换后的电压电流信号进行滤波、电平转换，转换为标准的0—5V的电压信号，送入数据采集卡PCI6014，供计算机采集处理。

2.3 数据采集和处理部分

PCI-6014具有200kS/s采样率、16位精度的16路模拟输入，可以进行实时高精度的多通道数据采集，采样的速率和精度可以达到选线系统的要求。计算机通过采集卡采样中性点零序电压和各条线路的零序电流，通过软件进行选线操作。

2.4 开关量输出部分

开关量输出部分主要用来将选线结果、系统状况等状态信息输出并远传，开关量输出信号由软件以编码方式发给PCI-6014采集卡，由采集卡的开关量输出口输出给开关量板，经译码、放大后驱动继电器输出。

2.5 网络通信部分

网络模式采用C/S组网模式，客户端计算机位于现场侧，一般选择性能好的工控机。通过数据采集卡PCI6014经PCI总线与现场设备进行数据通信，并通过Internet网连接到服务器计算机，实现对测试数据远传和对装置远程监控。

采用虚拟仪器技术可以大大简化硬件部分设计,传统测试系统的A/D转换,采样保持以及数据通信登功能集成在通用数据采集卡中,由计算机完成数据处理功能。用户可以根据不同需求采用不同的传感器和编写相应的程序即可实现要求的测试功能，大大增强了系统的灵活性。

3软件设计

系统的软件设计包括客户端部分和服务器部分的设计，由LabVIEW开发，LabVIEW是目前较为流行的虚拟仪器软件开发环境。LabVIEM使用图形化程序设计语言G(Graphic)，用框图代替了传统的程序代码。利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序设计[6]。

3.1 总体功能

客户端主要实现数据采集，数据处理，故障记录的存储和查询，生成报表以及与服务器端的网络通信，上传故障信息或接收执行服务器的命令。运行界面如图3所示。其主要软件流程图如图所示。

图3 软件运行界面

服务器主要功能是发生故障时接收客户端上传的数据，作为改进和完善选线方法的样本，定期向对客户端进行在线诊断，向客户端发送故障特征数据检验其判断结果。通过网络实现远程管理。

图4 软件流程图

3.2 数据采集的实现

在使用数据采集卡之前，必须进行配置。数据采集卡一般有多个通道，因此必须对要使用的通道进行配置。一般常用安装程序自带的软件MAX来对采集卡进行通道配置，如通道名，输入输出类型，测量类型，定义单位和范围等。

LabVIEW中可以利用其中的函数方便的操作PCI-6014。LabVIEW的数据采集函数位于函数模板的DATA ACQUISITION子模板中。该模板根据操作涉及到的类型不同分成六个子模板，模拟输入，模拟输出，数字输入，数字输出，数字I/O，计数器，校准器和配置，信号调理。用户可根据不同的需要进行选择。

本文中的程序实现过程如下：利用analog input子模板中的ai sample channel vi函数进行数据采集，该函数可以实现对指定通道号的信号进行测量，并返回测量的电压值。在使用之前要对其端口参数进行设置，包括设备号，通道号和上下限。

图5 数据采集部分的程序框图

采集进来的数据为波形数据，我们将其转换为一个一维数组，以方便我们使用，由于采集卡至于计算机内部，受到计算机内部噪音的干扰，采集进来的数据难免有些误差，我们将直接采集进来的数据首先进行滤波处理，这样会消除高次谐波干扰，获得较好的数据。将进行滤波前后的数据曲线进行比较，便可以发现滤波之后的数据比较平稳，误差比较小。这样处理后的数据每5个作为一组，去掉最大值和最小值后在进行求取平均值，最后获得数据比较接近真实值。

在本文设计中，由于采多路信号，而且在主程序中不同的位置进行调用，为了方便，将数据采集程序做成子程序。这样，在调用时，只需要对接口参数（设备号和通道号）进行修改就可以。数据采集部分的程序框图如图5所示。

3.3 网络通信的实现

本文采用LabVIEW提供了TCP/IP函数进行网络通信，其通信程序分为服务器和客户端两部分程序。服务器程序要守候在一个固定网址上等待客户端程序的请求，客户端程序则向这网址请求连接，然后得到相应的服务。TCP应用程序的网络通信基本步骤如下：1）服务器开始工作，聆听客户请求2）客户建立请求；3）服务器响应并建立连接；4）客户请求所需要的数据；5）服务器接受请求，并发送数据给客户。6）客户端收到数据，请求下一数据[8]。

服务器与客户端之间采用特定通信协议，进行数据通信，从实现不同的操作。通信命令由服务器发起，客户端接受执行，客户端收到信息后，首先检验地址码，然后核对校验位，如果错误，则放弃，执行其他程序。否则，根据操作码的内容进行相应操作，发送信息给服务器，服务器接收后采用同样的方式进行信息处理。

4 网络测试分析

在局域网和INTERNET网对系统测试分析，在服务器将不同故障下的特征数据（各个线路的零序电流和中性点零序电压）通过网络发送客户端，对客户端进行在线诊断测试，测试的故障类型包括中性点不接地系统和谐振接地系统经不同的大小过度电阻接地，每种情况均能取得良好测试效果，既验证了装置所采用算法的可靠性，又验证了C/S模式数据传输的稳定性以及选线系统的良好的通信性能。

应用网络化虚拟仪器，可以对比传统的选线装置能实现复杂的算法，提高选线的准确率，可以通过先进的网络技术对现场侧装置进行诊断和管理，从技术和管理两个方面提高小电流接地选线系统的性能。

5 结论

经实际运行和性能测试，系统软件及硬件各项技术性能指标符合设计要求，采用LABVIEW开发的选线装置能实现复杂的选线算法，提高选线准确率，C /S模式通信时，数据传输稳定，以实现仪器的远程测试与诊断，提高测试效率。随着网络技术的不断发展，网络化虚拟仪器应用将会进一步解决小电流接地系统单相接地故障选线这一难题。

（摘编自《电气技术》，原文标题为“基于网络化虚拟仪器的小电流接地系统故障选线”，作者为皮志勇、孙伟红等。）

小电流接地系统高阻故障定位示范应用

朱毅勇

（国网泉州供电公司，福建 泉州362100）

摘要

小电流接地系统单相接地故障检测技术是困扰配电网运行管理多年的世界性难题。近年来，基于暂态信号的单相接地故障检测技术成为研究热点，各类选线及定位装置在现场崭露头角；然而，普遍存在对低阻接地有较高可靠性，高阻接地故障时，准确性能大打折扣。针对上述问题，国网泉州供电公司开展了2种接地方式下的2种不同实现方式的一些示范工程建设。首先介绍基于暂态信号的定位方法、分析高阻故障适应性，接着全面阐述工程总体概况，最后介绍实际现场开展的人工接地试验。该示范工程的建成及投运有效验证了基于暂态信号的诊断方法具备高阻接地故障检测能力，可为提高配电网供电可靠性提供有益借鉴。

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引言

小电流接地系统中，接地电流小、稳态特征不明显。传统基于工频信号的故障检测技术缺乏灵敏性和适用性，现场实用性不高。近年来，针对金属性接地或低阻接地故障，基于暂态分量的选线及定位技术已取得一定突破；而对于高阻接地故障，如单相坠地断线、避雷器不完全击穿、树木搭落导线等因素诱发的故障，故障电流更小、故障特征差异更不明显。一方面，造成单相接地故障检测技术大打折扣；另一方面，各类保护装置无法正确做出研判，长期失地运行时人身接近故障点范围内，易引发跨步电压触电伤亡事故。

当前，电网企业已逐步由保人身、设备安全的传统观念过渡到以保障人身安全为首，设备安全为辅的新高度跨越。有效预防人身安全，提高电网安全运行成为当务之急。针对高阻故障，也成为解决问题的突破口之一；然而，现有研究普遍停留在理论研究阶段，针对现场实际应用成果鲜有涉及。

近年来，针对“基于暂态信号的单相接地故障定位技术”研究领域，示范工程建设与应用取得了一定的成果，依托国家“863”计划“智能配电网新型量测、通信、保护技术研究与开发”、国家电网公司科技项目“提高配电网故障处理能力研究与开发”等建成了一套完整的接地故障检测系统，单相接地故障检测准确率大幅提升。然而，高阻接地故障仍是一个待解决的问题。为寻求突破口，依托国家电网公司科技项目“基于配电自动化系统的配电网单相接地故障定位技术研究与应用”，在国内率先开展高阻接地故障定位技术示范建设。

本文主要介绍福建省泉州市开展的示范工程的总体情况，包括：城东洛江片区示范工程，主要实现中性点经消弧线圈接地故障定位技术的应用；河市罗溪变电站示范工程，主要实现中性点不接地系统故障定位技术的应用，两者都实现对高阻接地的定位功能。示范工程的选取秉承技术可行、经济性好为宗旨，选取基础条件优越、交通便捷、配电网通信覆盖率高的地区进行试点。

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配电网小电流接地系统单相接地故障定位方法

1.1 基于暂态电流波形的配电网故障定位方法

无论是不接地系统还是经消弧线圈接地系统，单相接地故障时，故障点两侧的暂态电流存在差异。当末端故障时，暂态电流近似相同，仅极性相反。因此，综合权衡暂态电流相似性及极性的定位方法可有效完成定位。区段定位方法如下：

1）故障点两侧测量点暂态电流相似但极性相反。从母线开始向下搜索，第一个两侧暂态零序电流差异的馈线段就是故障段。

2）当所有的相邻检测点的零序暂态电流波形和极性都相似，则判别为检测点末端故障。

1.2 基于功率方向的配电网接地故障定位方法（略）

1.3 基于暂态功率方向和波形比较的综合定位方法

综合利用暂态功率方向信息和暂态电流波形比较的方法能提高故障定位的有效性和适应范围。暂态功率方法比波形比较可靠性更高。但暂态功率法适用范围较差，而暂态电流波形比较可适用于所有检测点。因此，综合定位法可表述为：

1）针对一些已安装有TV的设备，先行计算暂态功率方向，初步定位故障所处大区段。

2）根据步骤1）定位大区段，接着，针对大区段内的检测点启动临近终端暂态电流波形相似性比较判据实现小区段定位，最终确立故障位置。

如图1所示，STU1具备零序电压信号采集，STU2仅提供零序TA采集，STU3提供CA线电压采集功能。当A、C任意相发生单相失地，计算STU1和STU3功率方向，确立故障区段位于这2个检测点之间；接着，启动波形比较判据最终确立故障区段。而对于B相发生失地的特殊情况，只能通过暂态波形比较原理完成定位。

图1 综合判据示例图

1.4 高阻接地故障适应性分析

根据文献［9-10］，无论何种接地方式，故障线路（区段）与健全线路（区段）功率方向极性始终相反、波形差异明显，故障线路（区段）暂态电流峰值也始终大于非故障区段，当且仅当过渡电阻与对地电容非常大时，才出现难以预测情况。因此，传统基于暂态分量的综合选线与定位方法仍然适用于高阻接地故障研判。

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示范工程总体情况

福建省泉州市开展的示范工程应用主要包括城东洛江片区示范工程和河市罗溪变电站示范工程。

2.1 城东洛江片区示范工程

城东洛江片区示范工程，总面积17 km，涵盖辖区内3个变电站（万安变电站、城东变电站、东星变电站）、20条馈线，采用消弧线圈的中性点接地方式。该区域作为泉州新兴建设区，以电缆线路为主，配电网通信光缆覆盖率高、基础条件较为优越。示范工程累计安装50多套新型智能终端，采用两相TA加零序TA的方式进行电流采集，通信方式采用光缆方式。图2显示了万安变电站示范工程接线图。该示范工程实现了中性点消弧线圈接地方式下，电缆线路的高阻接地定位功能。采用的技术路线是DTU光缆主站方式。

图2 万安变电站示范区接线图

2.2 河市罗溪变电站示范工程

河市罗溪变电站示范工程总面积9 km，涵盖辖区内罗溪变后双线、虹山线及广桥线3条馈线，共装设站内选线装置1套、故障指示器21台，如图3所示。该部分线路为农村架空线路，系统电容电流较小，中性点采用不接地方式。采用的技术路线是新型故障指示器无线通信主站方式。

图3 河市罗溪变电站示范区接线图

2.3 高级配电自动化主站系统建设

此外，还升级了配电自动化主站系统。在原有主站系统正常生产运行的前提下，升级高阻接地单相故障定位模块，将2个示范工程的所有终端数据均接入该主站。通过升级主站能实现对高阻单相接地故障的馈线自动化功能，从而实现了主站对中压配电网故障类型的功能全覆盖。主站系统由众多硬件体系构成，比如服务器、工作站、网络设备、安全防护设备以及同步时钟组成，并配套定位软件。服务器主要包括DSCADA服务器、历史服务器、数据服务器、Web服务器等。服务器均采用双机热备结构，能够提供数据采集、接收、存储、计算、分析功能，通信采用光纤以太网传输，如图4所示。

图4 高级变电站主站系统硬件架构

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现场试验

为检验示范工程中单相接地故障定位理论和性能，在实验室建成一套RTDS动模系统，模拟电缆线路和架空线路故障，针对不同接地类型开展试验，定位性能得到可靠验证。同时，针对示范工程开展了人工接地试验，结果均十分理想。以下将重点介绍河市罗溪变中性点不接地系统高阻接地故障检测技术的示范工程总体成效。

选取泉州罗溪变电站10 kV后双线进行现场接地试验，该线路杆上共装设3套三遥故障指示器，实现定位功能。故障点位于后双线后虹支线32号杆验电接地环处。将适当长度的高压绝缘导线一端固定于实验线路故障点断路器出口线夹处，另一端与大功率电阻（或间隙、熔断器等）连接，并经接地引下线装置可靠接地；其中，在线路中串接入TA完成故障录波。故障线路与虹山线联络，故障点位于线路末端。根据理论分析，末端故障，故障点附近零序电流最小，加大定位难度。现场接线见图5。

图5 罗溪变电站后双线人工接地试验接线图

试验方案确认完毕后，还需确定试验方法，选择接地类型。根据美国德克萨斯农机大学对12 kV直接接地配电网导线坠落至各种类型地面（沙土地、草地等）的接地电流，测试结果如表1所示，计算可得大部分导线故障接地电阻普遍在1 000以下。相比于直接接地系统，不接地系统接地电流更小。因此，参考上述试验接地类型，综合权衡示范工程故障线路现场实际情况，最终选取经电阻（＜3 000）、草地（干燥及湿润）、避雷器击穿、球隙、绝缘子击穿等高阻接地故障的不同种接地类型，验算高阻定位可靠性。

共进行15次高阻接地试验，得到表2所示结果，其中定位成功次数11次，成功率接近70%。针对小于2 000的接地故障，定位系统均能准确实现定位。针对出现的5起故障定位失败，主要原因仍是接地电阻较大，导致零序电流较小，达不到阈值启动条件。然而，根据美国德克萨斯农机大学模拟的有关现场实际中的导线坠地类型实验（除2 000电阻接地故障外），该定位系统均能较准确实现定位功能，因此，高阻接地故障定位可靠性得到有效验证。

表1 导线坠落到不同地面时接地电流

图6为球隙接地和经2 000高阻接地的故障录波图，由于球隙接地局部放电，暂态录波特征差异明显，高频分量占主要成分。而对于高阻接地故障，零序电流无法达到启动阈值，故障指示器未能正常工作。

图6 后双线典型故障录播图

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结语

小电流接地故障定位技术是一项系统工程，涵盖通信、保护、自动化等多学科融合。目前，针对金属性接地或小阻值接地故障已取得一定突破，各类选线及定位系统已在实际应用中崭露头角。而针对高阻接地故障，仍然存在许多瓶颈。为提升小电流接地系统高阻接地故障定位准确性，在泉州市开展不接地系统高阻故障定位技术示范工程建设。结果表明，对于通信条件较好电缆线路，采用DTU方式实现高阻接地的判断效果较好，在架空线路上，可以采用新型故障指示器方式，实现高阻故障的检测。第24届国际供电会议（CIRED 2017）关于高阻接地检测能力逐步升温。今后，加大终端、故障指示器部署，扩大系统覆盖面，捕捉实际运行数据并进行优化改进将成为研究重点。

作者简介

朱毅勇，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为配电自动化及应用管理。

［引文信息］

朱毅勇．小电流接地系统高阻故障定位示范应用［J］．供用电，2018，35（5）：25-30．

ZHU Yiyong．Demonstration application of high-impedance faults diagnosis approach in small current neutral grounding system［J］．Distribution & Utilization，2018，35（5）：25-30．

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《供用电》