本文是一篇电气工程论文，本文针对配电网接地故障定位问题，以不同中性点接地方式的配电网为研究对象，通过分析单相接地和两相接地故障的暂态特征，探讨了不同接地方式下配电网的故障特征，提出了一种基于零序电流模糊熵的故障定位方法，并对其进行了理论分析、仿真模拟及实验验证。
1绪论
1.1课题研究背景及意义
随着全球能源结构的转型以及我国“双碳”目标的提出，配电网作为电力系统中直接连接用户的关键环节，在能源的高效利用和绿色低碳转型中发挥着重要作用。配电网的安全稳定运行直接关系到社会生产、生活的正常进行，配电网故障的类型及其占比与电网结构、运行模式和接地方式密切相关[1]。单相接地故障最为常见，占总故障的60%-80%，通常可在短时间内带故障运行；两相接地故障较少见，占比低于单相接地；三相接地故障发生频率极低，占比不足5%，但一旦发生影响严重，需立即断电处理；相间短路故障相对较少，约占2%，但会产生较大的短路电流，带来设备损坏等严重后果[2]。配电网中的接地故障必然会带来严重后果，尤其是单相接地故障，如不及时处理，可能扩展至主电网，导致大范围停电并危及供电安全[3]。这种故障可能产生过电压，损坏设备，甚至危及人身安全，如导致高压线路断裂，影响铁路运行等。此外，接地故障会引发电压不对称，进一步影响供电稳定性，增加事故范围和处理难度。因此，及时发现和处理故障对电网安全运行至关重要[4]。
因此，展开配电网接地故障定位的研究，高效、准确地排除故障极为重要，如图1.1所示，配电网接地故障定位的研究具有以下意义：
（1）配电网故障定位技术的研究为电网的稳定性和可靠性提供了坚实的保障。通过应用先进的故障定位技术，能够快速准确地发现并定位故障点，从而缩短故障排查时间，减少停电对用户的影响。这种快速响应能力对于保证一级负荷的不间断供电至关重要，尤其是在极端天气或紧急情况下，可以提升电力系统的抗干扰能力[5]。
（2）传统的人工巡线故障排查方式往往耗时长、效率低，而现代的故障定位技术借助设备和数据分析的智能化，能够精确定位故障点，大大缩小巡检范围，减少人工巡线的需求，提高运维人员的效率，同时降低设备损耗和运维成本。这种技术特别适用于大规模配电网络的维护管理[6]。
1.2国内外研究现状
目前，国内外学者针对配电网接地故障定位展开了诸多研究，其研究方向主要可以分为三大类，分别为阻抗法、行波法和智能算法，本小节将进行详细介绍。
1.2.1阻抗法故障定位研究现状
阻抗法是配电网中一种广泛应用的故障定位技术，如图1.2所示其主要原理是利用故障发生时的数据，计算出故障点与测量点之间的阻抗来确定故障位置。其基本公式为Z=V/I，即通过测量电压和电流之比，估算故障点到测量点之间的阻抗[9]。这种方法因其实现简单且无需复杂的设备改装，成本较低，已被广泛应用于中低压配电系统。尽管存在上述优点，但阻抗法的精度容易受到线路参数变化和故障类型的影响[10]。例如，电阻和温度呈正相关关系，随着温度的升高，导线的电阻会增加；当负载增加、电流增大时，由于磁饱和效应，电感会减小，进而导致阻抗测量误差。此外，在高阻抗故障（如接地故障）情况下，因故障电流较小，导致定位精度降低[11]。长距离输电线路上的电容效应增加了容抗，使得总阻抗值偏小，在高电压下运行的长线路上测得的线路阻抗低于实际值，进一步加大了故障定位的难度[12]。
2 10kV配电网的接地故障特征分析
2.1中性点不接地系统单相接地故障特征分析
在中性点不接地10kV配电网接地故障系统的故障点处设置A相接地故障，故障点后P点的相电压、线电流、检测点零序电流图如图2.6所示，在10kV中性点不接地系统中，单相接地故障的发生会显著改变系统的电压、电流以及零序电流特性。首先，从相电压的变化来看，接地相电压Ua在故障发生瞬间迅速下降至接近零值，这是由于故障相直接与地相连，导致该相电压完全消失。与此同时，未故障相的电压（Ub和Uc）则从原来的5.83kV左右上升至约10.09kV，这一数值接近相间电压的幅值，表明在故障发生后，非故障相的电压相对于地的电压增加。这种电压升高现象是中性点不接地系统在单相接地故障下的典型特征。其次，线电流的分析显示，正常运行时三相电流Ia、Ib、Ic的幅值约为100A，波形对称且稳定。然而，在单相接地故障发生后，接地相电流（如Ia）可能会出现显著的偏移或增大，而其他两相的电流则保持稳定或稍有变化。这种不对称性的出现，反映了故障相电流受到接地点影响的特性，并可能成为故障检测的关键指标。零序电流的变化更为显著。在故障前，系统M、N、P、Q检测点的零序电流接近零（约0.01A以下），表明系统运行在正常状态下。然而，随着单相接地故障的发生，零序电流迅速增大，达到约0.5A的峰值，并在短时间内出现衰减，最终趋于稳定。这一突发的零序电流特性揭示了系统在故障初期的瞬态响应，也为故障的快速检测提供了重要依据。综上所述，10kV中性点不接地系统在单相接地故障下表现出显著的电气特性变化，尤其是在相电压的剧烈波动、线电流的不对称性以及零序电流的瞬时增大方面。
2.2中性点不接地系统两相接地故障特征分析
在中性点不接地10kV配电网接地故障系统的故障点处设置A、B两相接地故障，故障点后P点的相电压、线电流、检测点零序电流图如图2.8所示，在10kV中性点不接地系统中，两相接地故障的发生导致系统的相电压、线电流和零序电流出现明显的变化。首先，相电压的变化反映了系统中各相电压在故障前后的显著差异。故障前，三相电压约为5.84kV。当两相接地故障发生时，A相电压迅速下降至接近零值，表明该相已经接地。同样地，B相电压出现波动降至0V左右，并保持在这一较低的水平，这显示出B相也参与了接地故障。C相电压上升至10.04kV左右的幅值，波形受到了故障的干扰，表现出一定的波动性。这些变化表明，在两相接地故障下，未故障相的电压也会受到影响，表现出一定的不对称性。其次，线电流的分析显示出故障对系统电流分布的显著影响。在故障前，三相线电流（Ia、Ib、Ic）基本对称，幅值约为100A。在故障发生后，接地相的电流波形（如Ia和Ib）表现出明显的幅值变化，波动幅度较大，最大值接近100A，最低值则降至接近0A。未故障相的电流波形相对稳定，但同样受到故障的影响，波动有所增加。这种电流的变化反映出两相接地故障对系统电流的不对称影响，以及故障相电流的剧烈波动特性。最后，零序电流的变化提供了对系统故障响应的进一步理解。正常运行时，零序电流接近零或非常小（约为0A），而在两相接地故障发生后，零序电流迅速增大。例如，M和N点零序电流的峰值达到10A左右，随后呈现出衰减的趋势，最终趋于稳定。零序电流的这一变化特征表明，在两相接地故障下，系统的零序电流出现了显著的瞬态响应，并且表现出明显的衰减特性。综上所述，在10kV中性点不接地系统中，两相接地故障导致相电压的显著下降、线电流的剧烈波动以及零序电流的瞬时增大。
3 配电网接地故障定位方法研究 ........................ 24
3.1 熵值计算算法基本原理.......................... 24
3.1.1 近似熵算法基本原理 ................................ 24
3.1.2 样本熵算法基本原理 ................................ 26
4 配电网接地故障定位的装置 ........................ 44
4.1 硬件设计 ................................ 44
4.1.1 模块及元器件介绍 ........................... 44
4.1.2 电路原理图及PCB图 ............................. 47
5 总结与展望............................... 61
5.1 总结 ................................ 61
5.2 展望 ............................. 61
4配电网接地故障定位的装置
4.1硬件设计
本装置通过INA214CIDCKT电流感应放大器实时采集电流信号；通过AD7606模块对采集到的零序电流信号进行降噪处理和数模变换，以减少环境噪声的干扰并输出数字信号；数字信号输入至STM32F103C8T6最小系统开发板，计算零序电流，基于模糊熵算法计算各测点的零序电流波形的模糊熵值，并计算相邻检测点之间的熵值比通过分析各测点的模糊熵值和熵值比，确定故障发生的区段，当相邻测点的熵值比超出设定的阈值范围时，即可判定故障点在母线上的位置；将判断结果通过单路高速RS485隔离收发模块上传至主站；STM32F103C8T6最小系统开发板通过PLF12FAC220V/DC5V模块和LM1117IMPX-3.3低压差稳压器进行供电。该方案通过实时采集、降噪处理和边缘计算有效减少了存储需求。INA214CIDCKT和AD7606模块对零序电流信号降噪并数模转换，仅保留关键数据，避免原始波形存储。STM32F103C8T6开发板本地化计算模糊熵值和熵值比，仅需存储和传输分析结果，无需海量原始数据。同时，通过阈值判断故障点位置，将结果直接上传至主站，进一步降低存储和通信压力。硬件优化设计保证系统稳定运行，实现了高效、低存储占用的故障定位。
5总结与展望
5.1总结
电力行业国民经济发展中占据着举足轻重的作用，电力系统运行的安全可靠更是关系着国计民生。本文针对配电网接地故障定位问题，以不同中性点接地方式的配电网为研究对象，通过分析单相接地和两相接地
