基于GIS技术的配电网高压电缆接地故障定位方法

王良锋

（中国能源建设集团华东电力试验研究院有限公司，浙江 杭州 311217）

0 引 言

配电网高压电缆接地装置是保障电力系统安全性的重要基础，一旦出现接地故障，需要及时进行维修[1]。虽然现阶段已经能够实现对配电网高压电缆接地故障的快速识别，但是对于具体故障位置的定位仍然存在一定不足，影响了后续维护管理工作的实施效率，间接影响着电网环境的安全[2]。针对配电网高压电缆接地故障定位问题，文献[3]以含光伏电源配电网为研究对象，通过对暂态零序电流的属性特征进行分析，实现了对单相接地故障的准确定位。但是受研究范围的影响，该方法在实际应用方面存在一定的局限性。文献[4]以舰船中压电网为研究对象，利用小波分析为间歇性的接地故障进行定位，定位结果具有较高的精度，但是当接地故障为持续状态时，该方法的检测效果会受到明显影响。通过对上述研究成果进行分析可以发现，进一步深化对电缆接地故障定位技术的研究很有必要[5]。基于此，本文提出基于GIS技术的配电网高压电缆接地故障定位方法，并在实际应用中分析验证了设计技术定位结果的可靠性。

1 配电网高压电缆接地故障定位技术设计

1.1 基于GIS的配电网络模型构建

在对配电网高压电缆接地故障进行定位时，影响定位结果可靠性的主要因素是故障数据在配电网络中的匹配效果不够理想[6]。针对该问题，利用地理信息系统（Geographic Information Systems，GIS）技术构建配电网络模型。将目标高压电缆对应线路的导线段层和各设备层看作一个有机的组合，根据它们之间的连接关系构建几何网络模型[7]。将原来各层中的线要素作为几何网络的边线，以此为基础构建的基于GIS的配电网络模型可以表示为

式中：ki表示GIS配电网络中的接点；sj表示与接点存在直接连接关系的导线段。

按照这样的方式，完成对配电网络GIS模型的构建。

1.2 电缆接地故障定位

为了提高后续故障定位的可靠性，进一步明确GIS配电网中各网络要素的具体属性。将要素的结构统一定义为

式中：ki1表示GIS系统字段，主要负责标识空间数据及其属性数据；ki2表示要素类，按照实际的情况为该指标设置了电源、开关、变压器、导线段以及T接点5个可执行类；ki3表示要素的运行编号，对于具体参数的取值以电力规范命名的运行编号为准；ki4表示要素状态，利用或门设置该指标具体的参数，即处于运行状态或非运行状态；ki5表示其他，主要用于体现增加功能时为配电网要素添加的属性。

对于已经获得的故障数据，按照式（2）对故障数据对应的要素进行分析。需要注意的是，单一要素的结构并不唯一，在对已知的故障数据进行分析时需要结合配电网的实际运行状态。在此基础上，对于故障数据的分析方式可以表示为

式中：f(x)表示对于故障数据x的属性分析结果；sim[·]表示相似函数；ki(x)表示故障数据x的属性参数。

将f(x)代入到GIS配电网络模型中，实现对具体故障位置的匹配，即

式中：s(x)表示电缆故障位置的定位结果。

2 测试与分析

2.1 测试环境

在对基于GIS技术的配电网高压电缆接地故障定位方法的定位效果进行分析时，选择的仿真建模对象为ATP/EMTP。对于测试结果的分析与计算，选择的工具为MATLAB。在具体的测试环境设置阶段，根据电力系统运行的实际情况，为了降低测试环境构建阶段的难度，本文并未完全采用原始复杂的母线接线方式搭建测试环境，而是对电缆的线路结构进行了适当简化。最终搭建的综合测试模型如图1所示。

图1 综合测试模型

在构建的测试配电网环境中，采用理想电源作为电压源，为了有效模拟无穷大三相电源的特性，将电压的起始角设置为初始状态。变压器的空载损耗和负载损耗分别为5.5 kW和37 kW，电缆正序参数的阻值为0.026 8 Ω/km、电感为0.87 mH/km、电容为0.04 F/km，负序参数的阻值为0.268 Ω/km、电感为3.2 mH/km、电容为0.008 72 μF/km。与母线直接相连的元件为测量模块，其作用是获取测试环境中的电压和电流数据。同时，电缆接地故障暂态信号也是利用该装置采集。在母线段的分接设置上，共搭建了3条线路，3条电缆线路的长度分别为4.0 km、5.0 km以及6.0 km。其中线路l和线路2运行正常，线路3为故障状态。利用2根独立电缆（3-1和3-2）模拟线路3的故障段。在测试过程中，通过改变2根独立电缆（3-1和3-2）的长度，实现对不同电缆接地故障位置的模拟。

2.2 测试结果

按照100 kHz的采样频率获取综合测试模型的实时信号，在故障持续时间为0.125 s的条件下，分别测试设计方法对不同故障的定位结果。考虑到对测试结果分析的需求，分别将文献[3]和文献[4]提出的方法作为对照组，分别统计3种方法的定位结果。测试结果如表1所示。

表1 测试结果

通过对表1中的测试结果进行分析，文献[3]所提方法对于不同程度电缆接地故障定位结果的误差存在明显的差异。当电流线模、零模分量的幅值变化不大时，定位结果的误差基本稳定在0.1 km以内；当电流线模、零模分量的幅值明显增加后，对应的定位误差逐渐增大至0.2 km。在文献[4]所提方法的测试结果中，电缆接地故障定位结果的误差具有较高的稳定性，基本稳定在0.1 km范围内，并未受到故障状态的显著影响。

在本文所提定位方法的测试结果中，对于不同程度故障位置的定位结果具有较高的准确性，对应的误差始终稳定在0.05 km范围内，并且表现出了较高的稳定性。结合上述测试结果，基于GIS技术的配电网高压电缆接地故障定位方法可以实现对电缆接地故障位置的准确判断，对于实际的故障定位和故障检修工作而言具有较高的实际应用价值。

3 结 论

在对配电网高压电缆接地故障进行检测时，除了要实现对基础故障状态的有效诊断外，还要准确判断具体故障位置。通过将GIS技术融入到对应的故障定位研究中，实现了对电缆接地故障位置的有效分析，具有较高的定位精度。通过基于GIS技术的配电网高压电缆接地故障定位方法的应用，为实际的配电网高压电缆维护和检修工作提供帮助，促进配电领域的长久发展。