谐振接地系统发生单相接地故障时，线路健全区段与故障区段的零序电压电流的伏安特性和零序功率方向存在差异，单相接地故障情况受影响因素多，且呈现随机性，采用单一接地故障特征量的区段定位方法准确率不高，提出一种基于多暂态特征量聚类的接地故障区段免阈值定位方法。 首先求取发生故障后线路各区段首半波暂态零序电压导数与暂态零序电流之间的伏安特性特征向量和零序功率特征向量，再对两特征量做归一化处理并融合得到综合特征向量，最后由免阈值设定的模糊C均值聚类算法判别健全区段与故障区段。通过仿真案例验证所提方法的有效性。
随着电力系统的发展以及高比例分布式电源的接入，配电网结构的复杂程度不断提高，更易引发故障。所有故障中，单相接地故障占80%以上，当非有效接地配电网发生永久性单相接地故障时，若长时间不能断开接地故障区段，容易使非故障相绝缘薄弱处发生击穿，形成相间短路故障，扩大故障范围。现有接地故障区段定位方法大多依赖数据的可靠传输，造成通信负担过重。同时，传统接地故障区段定位方法需要设置固定阈值，在不同配网结构、运行参数的情况下，适用的阈值是不确定的，造成该方法的适用性较低。此外，采用单一特征量的接地故障区段定位方法可能存在故障特征提取不全的问题，进而影响接地故障定位的准确性。因此，提出了基于多暂态特征量聚类的配电网接地故障区段定位方法，实现故障免阈值选段和就地定位，并缓解了通信负担，提高了故障区段定位的可靠性。健全区段的零序电压导数与零序电流成正比，极性相同。对零序信号做归一化处理，并绘制零序电压导数与零序电流的伏安特性散点图，各散点分布将具有正相关性。由于消弧线圈的电感电流在故障发生后的首半波内基本不变，可近似为零，则接地故障点上游采样点的零序电压导数与零序电流成反比，极性相反，同样对零序信号做归一化处理，绘制零序电压导数与零序电流的伏安特性散点图，各散点分布将具有负相关性。随着接地故障时间延长，消弧线圈过渡到过补偿状态，故障区段的零序电压导数与零序电流便不存在反比关系。因此，选择故障后首半周波的零序电压导数和零序电流绘制的散点图具有线性正相关或负相关关系。可通过K均值聚类算法求的聚类中心表征伏安特性散点图的分布情况，用聚类中心提取的伏安特性特征向量(volt-ampere characteristic eigenvector，VCE)区分健全区段与故障区段。
本文将零序电压导数与零序电流相乘可得零序功率，忽略线路阻抗，在健全区段中，零序功率值的正负性仅与线路总电容有关，由于线路总电容为正值，故零序功率值为正。对零序功率值按时间进行幅值的累加，累加值为正。在故障区段中，零序功率值正负性与消弧线圈的电感电流和线路总电容有关，消弧线圈的电感电流在故障发生后的首半波内基本不变，可近似为零，线路总电容为正值，故零序功率值为负，对零序功率值按时间进行累加，累加值为负。由其构造的零序功率方向特征向量(zero-sequence power direction eigenvector，ZPDE)可用于区分健全区段与故障区段。
故障区段定位算法流程如图3所示。当发生单相接地故障后，采集并提取故障后首半波的零序电压导数和零序电流，对暂态零序信号做归一化处理。利用零序电压导数与零序电流绘制伏安特性散点图，用K均值聚类求出的聚类中心来表征散点图整体趋势，以提取VCE。同时，零序电压导数与零序电流相乘，获得零序功率值波形，按时间点累加并提取得到ZPDE。将归一化处理后的VCE与ZPDE拼接得到综合特征向量，与历史数据的综合特征向量输入到模糊C均值聚类算法，判别健全区段与故障区段。
本文搭建配电网单相接地故障区段定位测试系统，如图4所示。通过将仿真故障数据、实时数字仿真系统数据、现场故障数据随机划分为训练集和测试集，总体准确率能达到93.3%。
本文提取零序电压导数-零序电流的伏安特性特征向量和零序功率方向特征向量，得到暂态零序信号的综合特征向量，作为模糊C均值聚类算法的输入。在健全区段上，零序电压导数与零序电流的伏安特性呈正比例关系，零序功率方向累加趋势为正；而在故障区段上，零序电压导数与零序电流不成正比例关系，零序功率方向累加趋势为负。由此构造的综合特征向量可有效区分健全区段与故障区段。采用模糊C均值聚类算法无需设置区段阈值就可判别健全区段与故障区段，具有较高的适用性。
福州大学配电网及其自动化研究中心长期致力于电力配电网监测、控制与保护新技术的研究与应用；结合人工智能技术、大数据分析技术、电力电子功率变换技术和智能优化调控技术，在电力配电网及其主设备故障诊断与抑制领域开展了基础研究以及工程应用。主要涉及配电网单相接地故障选线及区段定位、配电网单相接地故障柔性消弧、配电变压器故障诊断、光伏发电系统故障诊断、可再生能源发电与并网等研究方向。近年来，该团队完成了多个国家，省和电网企业的研究项目。 硕士研究生，研究方向为配电网单相接地故障区段定位。 博士研究生，研究方向为配电网单相接地故障诊断与定位。 博士，教授，博士生导师，通讯作者，研究方向为配电网单相接地故障信息处理、保护控制及柔性消弧等。 本工作成果发表在2023年第5期《电气技术》，论文标题为“基于多暂态特征量聚类的配电网接地故障区段定位方法”，作者为林骏捷、林佳壕、郭谋发。林骏捷, 林佳壕, 郭谋发. 基于多暂态特征量聚类的配电网接地故障区段定位方法[J]. 电气技术, 2023, 24(5): 16-22. LIN Junjie, LIN Jiahao, GUO Moufa. A method of grounding fault location in distribution network based on multi-transient characteristic cluster. Electrical Engineering, 2023, 24(5): 16-22.
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