淺談直流接地對(duì)電力系統(tǒng)的危害

陳利平

摘 要：直流電源是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其具有保障常規(guī)負(fù)荷、自動(dòng)配置、繼電保護(hù)和實(shí)時(shí)通信供電的作用。但是，絕緣裝置老化、繼電保護(hù)設(shè)備故障，均會(huì)造成直流電源接地，影響供電裝置的穩(wěn)定性以及整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。及時(shí)發(fā)現(xiàn)直流接地故障，對(duì)于保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。鑒于此，提出一種基于遺傳算法的接地故障搜索模型，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)直流接地故障。結(jié)果顯示，該模型對(duì)于接地故障搜索的準(zhǔn)確率達(dá)到95%，故障搜索時(shí)間小于30 s，整體效果較優(yōu)。該接地故障搜索模型適用于電力系統(tǒng)中直流電源接地故障監(jiān)測(cè)，可以為此類故障判斷、維修提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：直流接地故障;電力系統(tǒng);遺傳算法

0 引言

直流電源接地分為室內(nèi)接地和室外接地兩種。室內(nèi)接地是由于設(shè)備老化或施工工藝不規(guī)范引起的直流電源接地故障;室外接地是由于雷雨等異常天氣，使得端子箱或機(jī)構(gòu)箱受潮、積水，降低二次回路正負(fù)電源的絕緣性，導(dǎo)致直流電源接地。另外，施工人員、維修人員的誤操作，也會(huì)導(dǎo)致直流電源接地現(xiàn)象的出現(xiàn)。一般來說，設(shè)備老化、異常天氣是造成直流電源接地的主要原因[1]，因此，及時(shí)找出直流電源接地故障點(diǎn)，或依據(jù)直流電源異常變化進(jìn)行故障點(diǎn)預(yù)判，是目前電力系統(tǒng)亟待解決的問題?；谏鲜鲈颍疚奶岢鲆环N基于遺傳算法的接地故障搜索模型，可以幫助維修人員、監(jiān)測(cè)人員進(jìn)行故障搜索。

1 直流接地故障的數(shù)學(xué)描述

直流電源出現(xiàn)接地故障以后會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)的不穩(wěn)定電流，使得線路中頻繁出現(xiàn)電流幅值的變化。假設(shè)電網(wǎng)中的電容用C表示，線路為L，等值電阻為R，那么任意線路兩端的暫態(tài)電流可以表示為：

Rt+Lt+Itdt=Utsin（wt+θ）（1）

由公式（1）可知，R<2時(shí)，直流電源兩端的暫態(tài)電流呈現(xiàn)周期性波動(dòng);R0=2I時(shí)，說明R為初始值[2]，直流電源兩端的暫態(tài)電流呈非周期性波動(dòng)。其中，I為暫態(tài)電容電流，該電流由振蕩電流I振蕩、穩(wěn)定電流I穩(wěn)定組成，初始值為0。暫態(tài)電容電流與振蕩電流I振蕩、穩(wěn)定電流I穩(wěn)定的關(guān)系可以用拉氏變換等運(yùn)算表示，公式如下：

Itotle=∮I振蕩sin θtsin wtt-cos θtwtte+∮I穩(wěn)定cos（wt+θt）（2）

式中：Itotle為暫態(tài)下的總電流值;wt為暫態(tài)下的電流角頻率;sin θt為暫態(tài)下的電流變化幅值;δ為暫態(tài)下的電流衰變系數(shù)。

當(dāng)電流變化幅值最大時(shí)，θ=，I振蕩幅值最大，提示直流電源接地;否則，為I穩(wěn)定最大，非接地故障點(diǎn)。

2 故障點(diǎn)位置確定

以S為直流電源，用遺傳算法對(duì)直流電源的各個(gè)線路進(jìn)行劃分，得到各個(gè)線路相應(yīng)的特征信號(hào)，用于判斷接地線路，具體如圖1所示。

圖1中，S為直流電源，L后面的數(shù)字代表不同層和位置。對(duì)直流電源的各個(gè)線路進(jìn)行判斷時(shí)，遺傳算法將上級(jí)線路細(xì)分，利用Hilbert空間，得到精準(zhǔn)的接地位置。遺傳算法將線路Ln j分為同層位置Vj和上層位置Wj，具體計(jì)算公式如下：

L0 j=Vj，L1 j=Wjj∈N，為自然數(shù)（3）

公式通過遺傳算法逐層進(jìn)行搜索，直至找到直流接地故障點(diǎn)。

3 直流電源接地故障模型的構(gòu)建

3.1? ? 電流信號(hào)識(shí)別函數(shù)

在進(jìn)行直流電源接地判斷時(shí)，要利用主直流電源函數(shù)進(jìn)行電流信號(hào)突變、頻率變化檢測(cè)，主要分為4個(gè)步驟：第一，將正交函數(shù)作為直流電源判斷函數(shù);第二，設(shè)置電流變化幅度閾值，分別得到穩(wěn)定電流集合、振蕩電流集合;第三，比較不同集合的電流值，電流變化幅度超過預(yù)期，則發(fā)出直流電源接地信號(hào)[3];第四，找出電流變化幅度最大的時(shí)間，并進(jìn)行接地位置追蹤。

3.2? ? 選擇暫態(tài)電流判斷尺度

依據(jù)直流電源函數(shù)，得到暫態(tài)電流判斷尺度。（1）確定最大暫態(tài)電流變化幅值;（2）暫態(tài)電流幅值對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的影響;（3）噪聲對(duì)暫態(tài)電流信號(hào)的影響程度。依據(jù)上述3個(gè)方面，確定暫態(tài)電流判斷尺度。

3.3? ? 接地故障定位

直流電源運(yùn)行正常時(shí)，電流無顯著變化，呈現(xiàn)相同的波形。如果直流電源出現(xiàn)接地故障，將出現(xiàn)反向波形，并對(duì)電力系統(tǒng)造成危害。暫態(tài)電流變化波形中，反向波形出現(xiàn)的頻率越多，說明接地越嚴(yán)重。假設(shè)電流波形正常，輸出結(jié)果為0;出現(xiàn)反向波形，輸出結(jié)果為1;如果電力系統(tǒng)由于反向波形受到危害，輸出結(jié)果為2。依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定，對(duì)電力系統(tǒng)中的電流接地故障進(jìn)行判斷，并得出是否對(duì)電力系統(tǒng)造成危害。

4 基于遺傳算法的接地故障搜索模型驗(yàn)證

4.1? ? 案例介紹

以IEEE 36為測(cè)試對(duì)象，對(duì)節(jié)點(diǎn)中的直流電源接地故障進(jìn)行判斷，得出接地故障對(duì)電力系統(tǒng)的危害。具體的線路模型如圖2所示。

圖2中直流電源屬于110 kV電源，由6條線路組成，編號(hào)分別為L1～L6，各線路長度為10 km、12 km、16 km、22 km、24 km、27 km。所有線路的等值電阻均設(shè)置為1 Ω/km，那么長度數(shù)值與電阻值相等。

4.2? ? 直流電源接地判斷

依據(jù)公式（3）將直流電源線路分解，S=[1.275×e-5，1.884×e-5，9.645×e-4]。其中，第3列值9.645×e-4高于其他序列，所以以此為閾值，對(duì)整個(gè)線路進(jìn)行判斷。同時(shí)，將整個(gè)故障的頻率劃分為高、低兩個(gè)頻率帶，并構(gòu)建矩陣如下：

C（0）? ?C（1）? ?C（2）? ?C（3）? ?C（4）? ?C（5）? ?C（6）? ?0? ? ? ? ? 0? ? ? ? ?1? ? ? ? ? 0? ? ? ? ? 0? ? ? ? ?1? ? ? ? ? 1? ?0? ? ? ? ? 0? ? ? ? ?0? ? ? ? ? 0? ? ? ? ? 0? ? ? ? ?0? ? ? ? ? ?3