基于改進(jìn)熵權(quán)法的調(diào)度端小電流接地選線方法

楊 湘，湯 俊，周 楊，段登偉，楊曉磊

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

中國(guó)6～35 kV中壓配電網(wǎng)廣泛采用中性點(diǎn)非有效接地方式，即不接地和經(jīng)消弧線圈接地(諧振接地)的小電流接地系統(tǒng)[1]。隨著城市電網(wǎng)快速發(fā)展，電纜線路所占比例越來(lái)越高，接地時(shí)故障點(diǎn)電流增大不易熄弧，且同溝電纜單相接地故障處理不及時(shí)極有可能會(huì)發(fā)展成大面積停電事故，嚴(yán)重影響供電服務(wù)質(zhì)量，危害極大。故目前大城市配電網(wǎng)多數(shù)采用經(jīng)消弧線圈接地的諧振接地方式。雖然諧振接地能有效減少流過(guò)故障點(diǎn)的電流，使電弧更易于熄滅，但是消弧線圈掩蓋了真實(shí)的接地現(xiàn)象，導(dǎo)致故障量不突出、不易辨識(shí)[2]。大量研究認(rèn)為諧振接地系統(tǒng)很難通過(guò)穩(wěn)態(tài)量進(jìn)行選線[3-4]，導(dǎo)致選線難度較大，選線時(shí)間較長(zhǎng)，存在的風(fēng)險(xiǎn)也更高，容易造成大量供電服務(wù)問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)小電流接地選線理論研究主要集中在廠站端選線[5-21]。其中大部分基于暫態(tài)零序量[5-6]、小波分析[7-11]、注入法[12-16]判斷方法的小電流接地選線裝置盡管在理論上判斷更迅速和準(zhǔn)確；但受現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾較多、安裝成本較高、對(duì)含消弧線圈的接地選線不夠準(zhǔn)確，其在變電站實(shí)際應(yīng)用效果并不理想，實(shí)際使用程度不高。部分研究融合了人工智能、深度學(xué)習(xí)[17-21]的小電流接地選線新算法仍處于理論探索研究階段，尚未投入實(shí)用化經(jīng)受現(xiàn)場(chǎng)考驗(yàn)。目前中國(guó)電網(wǎng)調(diào)度部門基本上實(shí)現(xiàn)了智能電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)(D5000)的部署應(yīng)用。調(diào)度主站端由于受數(shù)據(jù)量及傳輸影響，針對(duì)中壓配電網(wǎng)只采集了功率、電壓、電流等穩(wěn)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，無(wú)法應(yīng)用暫態(tài)量進(jìn)行選線判斷。這種情況導(dǎo)致相當(dāng)多的單相接地故障還是依靠調(diào)度員憑經(jīng)驗(yàn)人工拉路的方法實(shí)現(xiàn)選線。因此，在調(diào)度主站端系統(tǒng)上開發(fā)小電流接地選線功能具有更大的實(shí)際應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性，且能夠協(xié)助調(diào)度員在最短時(shí)間內(nèi)判斷出單相接地線路，并能充分考慮保電負(fù)荷和重要負(fù)荷的可靠供電，更好地確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行?；谡{(diào)度主站端的小電流接地選線方法研究迫在眉睫。

針對(duì)上述問(wèn)題，在分析了小電流接地系統(tǒng)接地現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)提出了適用于調(diào)度主站端的3種選線判據(jù)，并提出了針對(duì)諧振接地系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法和選線流程。

1 小電流接地系統(tǒng)接地分析

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的單相故障如圖1所示，正常情況下三相對(duì)稱，對(duì)地電容電流之和為0。以線路1的A相發(fā)生接地故障為例進(jìn)行分析。

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障

1)對(duì)于非接地線路，其三相對(duì)地電容電流分別為

(1)

非接地線路感受到的零序電流為

(2)

故非接地線路的零序電流大小由接地零序電壓和本線路對(duì)地電容決定。

2)對(duì)于接地線路，非接地相有其本身的電容電流流過(guò)，而流過(guò)接地相故障點(diǎn)的電流是電網(wǎng)中所有非接地相對(duì)地電容電流之和，即

(3)

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)接地線路感受到的零序電流為

(4)

經(jīng)上述分析可知，對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，接地線路的零序電流值將遠(yuǎn)大于其他線路的零序電流值，調(diào)度主站端可根據(jù)零序電流幅值大小進(jìn)行選線。

圖2 接地前后電流矢量

|ΔIiA|=|IiA_fault-IiA_normal|

(5)

對(duì)于接地線路，絕大多數(shù)情況下，由于|θ2|≠|(zhì)θ1|，幅值變化量|ΔIiA|>0，其將發(fā)生明顯的變化；極特殊情況下當(dāng)|θ2|=|θ1|時(shí)，|ΔIiA|=0。對(duì)于非接地線路而言，由于A相電壓為0，A相對(duì)地電容電流為0，非接地線路A相電流幅值將幾乎沒有變化。因此，調(diào)度主站端可以將線路接地前后接地相的相電流變化量作為選線判據(jù)之一。

線路接地后，由于對(duì)地電容電流的存在，各條線路將產(chǎn)生零序電流，其將直接導(dǎo)致線路的無(wú)功功率發(fā)生相應(yīng)的變化，變化量為

ΔQi=ΔSisinθ

(6)

對(duì)于接地線路，接地點(diǎn)故障電流較大，其無(wú)功功率變化量也較大；對(duì)于非接地線路而言，其無(wú)功功率的變化量?jī)H由本身對(duì)地電容電容電流產(chǎn)生，其無(wú)功功率變化量將遠(yuǎn)小于接地線路。因此，調(diào)度主站端可以將線路接地前后無(wú)功功率變化量作為選線判據(jù)之一。

2 改進(jìn)熵權(quán)法選線判據(jù)權(quán)重計(jì)算

單一的選線判據(jù)具有其獨(dú)立的適用范圍，受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際影響，目前仍有多數(shù)地區(qū)電網(wǎng)未全部實(shí)現(xiàn)零序電流采樣及覆蓋，僅僅依靠零序電流單一判據(jù)進(jìn)行選線判斷具有一定的局限性。由上一章分析可知，接地前后接地相相電流及無(wú)功功率的變化量同樣可作為調(diào)度主站端小電流接地選線的判據(jù)。調(diào)度主站端小電流接地選線各判據(jù)比較情況如表1所示。

表1 調(diào)度主站端小電流選線判據(jù)比較

不同的選線判據(jù)存在結(jié)合的可能。為了彌補(bǔ)獨(dú)立選線判據(jù)準(zhǔn)確性不高、存在一定限制條件缺陷的情況，可以通過(guò)將零序電流、無(wú)功功率變化量和相電流變化量3個(gè)判據(jù)進(jìn)行合理的融合，得到調(diào)度主站端小電流接地選線綜合判據(jù)。

熵權(quán)法是一種客觀的賦權(quán)方法，通過(guò)對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理及熵值計(jì)算，可以確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值。

每次接地有n條線路，共有零序電流、相電流變化量和無(wú)功功率變化量3個(gè)特性指標(biāo)，接地后各條線路特性指標(biāo)值可記為

R=[I0，|ΔIi_f|，|ΔQ|]

(7)

式中：I0為接地后各條線路零序電流矩陣；ΔIi為接地前后第i條線路接地相相電流幅值變化量矩陣；ΔQ為接地前后各條線路無(wú)功功率變化量值矩陣。

對(duì)R中值進(jìn)行歸一化處理，可得第i條線路在第x個(gè)指標(biāo)中的貢獻(xiàn)度f(wàn)xi為

(8)

式中：rxi∈R；i=1，2，…，n；x=1,2,…,m；m為特性指標(biāo)總數(shù)。

第x個(gè)指標(biāo)的熵值hx可通過(guò)式(8)求得。

(9)

式中，k=1/lnn。

由于零序電流、相電流和無(wú)功功率具有一定的相似性，為了減少相似指標(biāo)產(chǎn)生的誤差，采用改進(jìn)熵權(quán)法計(jì)算公式對(duì)傳統(tǒng)熵權(quán)計(jì)算公式方法進(jìn)行修正[22]，每個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)wx為

(10)

式中：l=1,2,…,m；t=1,2,…,m。

最終通過(guò)式(7)—式(10)得到零序電流、相電流和無(wú)功功率變化量3種選線判據(jù)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的的權(quán)重向量W=[w1，w2，w3]。

通過(guò)改進(jìn)熵權(quán)法可得到每條線路接地概率，并以此進(jìn)行選線。

(11)

3 諧振接地系統(tǒng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法

當(dāng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時(shí)，在中性點(diǎn)電壓的作用下系統(tǒng)產(chǎn)生的電感電流為

(12)

式中：XL為消弧線圈感抗；L為消弧線圈電感。

電感電流將經(jīng)接地點(diǎn)沿接地相返回，故此時(shí)接地線路感受到的零序電流可由式(4)和式(12)計(jì)算得到。

(13)

對(duì)于諧振接地系統(tǒng)，由于消弧線圈電感電流的作用，接地線路的零序電流經(jīng)補(bǔ)償后將變小，甚至小于大多數(shù)不接地線路的零序電流，使得真實(shí)的接地信息和特征量被掩蓋，這將給調(diào)度員選線造成相當(dāng)大的困擾。

任意試?yán)_一條線路，如果此線路為非接地線路(其零序電流幅值為3I0i=3ωC0iU0)，接地點(diǎn)將不再流過(guò)被拉掉線路的對(duì)地電容電流，接地線路感受到的零序電流與接地初始狀態(tài)相比將動(dòng)態(tài)變化為

(14)

其有效值將變大為

(15)

因此，可根據(jù)拉開線路前后所有線路零序電流的變化量進(jìn)行選線。被拉開線路的零序電流越大，接地線路動(dòng)態(tài)感受的零序電流變化量也將越大；對(duì)于非接地線路，其零序電流將不會(huì)受影響。由前兩章分析可知，相電流變化量、無(wú)功功率變化量和零序電流3個(gè)特性指標(biāo)均是由對(duì)地電容電流引起，相電流變化量和無(wú)功功率變化量也將與零序電流有同樣的變化規(guī)律。改進(jìn)熵權(quán)法選出線路接地概率最高的線路即為電容電流變化最大的線路。

對(duì)于諧振接地系統(tǒng)，為了打破由于消弧線圈補(bǔ)償掩蓋真實(shí)信息的狀態(tài)，提出“動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法”：接地后先通過(guò)改進(jìn)熵權(quán)法選擇出電容電流變化最大的線路將其拉開，再計(jì)算出接地初始狀態(tài)和動(dòng)態(tài)拉開后的各線路特征量的補(bǔ)償差量；再次利用改進(jìn)熵法選出動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后電容電流變化最大的線路，此線路即為真實(shí)的接地線路。

采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法后，各條線路特性指標(biāo)值可記為

R2=[ΔI02，|ΔIi_f2|，|ΔQ2|]

(16)

式中：ΔI02為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償前后各條線路零序電流變化量矩陣；ΔIi_f2為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償前后前后i條線路接地相相電流幅值變化量矩陣；ΔQ2為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償前后各條線路無(wú)功功率變化量矩陣。

調(diào)度主站端小電流接地選線流程如圖3所示。

圖3 調(diào)度主站端小電流接地選線流程

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，可首先獲取并計(jì)算各條線路故障前后零序電流、相電流變化量、無(wú)功功率變化量，根據(jù)改進(jìn)熵權(quán)法計(jì)算出接地概率(對(duì)地電容電流)最大的線路并拉開。對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，所選線路即為接地故障線路，選線結(jié)束；對(duì)于諧振接地系統(tǒng)，此操作相當(dāng)于進(jìn)行“動(dòng)態(tài)補(bǔ)償”操作，可計(jì)算出動(dòng)態(tài)補(bǔ)償前后各條線路的零序電流、相電流變化量、無(wú)功功率變化量，再通過(guò)改進(jìn)熵權(quán)法計(jì)算出接地概率(對(duì)地電容電流)最大的線路拉開，進(jìn)行故障選線。此操作可重復(fù)進(jìn)行，直至選出故障線路。

4 實(shí)例驗(yàn)證

目前，基于改進(jìn)熵權(quán)法的調(diào)度端小電流接地選線方法及所對(duì)應(yīng)程序已經(jīng)部署在國(guó)網(wǎng)成都地調(diào)D5000智能電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)中，并已實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)計(jì)算、自動(dòng)選線排序、自動(dòng)拉合斷路器進(jìn)行故障處理查找接地線路。

4.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)案例

2020年10月21日06:11，成都?jí)郯舱?0 kVⅡ母發(fā)生A相接地(UA=0.89 kV，UB=9.64 kV,UC=10.42 kV)。由于該站未接入零序電流，其接地故障前后接地相電流變化量和無(wú)功功率變化量以及采用改進(jìn)熵權(quán)法(W=[0.460,0.540,0.000])后的選線結(jié)果如表2所示。

表2 成都?jí)郯舱局行渣c(diǎn)不接地系統(tǒng)選線結(jié)果

06:11:54接地后，系統(tǒng)按照改進(jìn)熵權(quán)法選線結(jié)果對(duì)接地概率第1(30.6%)的壽民路924斷路器自動(dòng)進(jìn)行控分操作；06:12:30時(shí)，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)小電流接地信號(hào)復(fù)歸，接地現(xiàn)象消失，證明該方法選線成功，整個(gè)故障處理僅耗時(shí)36 s。

4.2 諧振接地系統(tǒng)案例

2021年6月10日12：28，成都沙堰子站10 kVⅡ、Ⅲ母發(fā)生諧振系統(tǒng)A相單相接地(UA=1.98 kV，UB=8.76 kV，UC=10.42 kV)，接地后各判據(jù)指標(biāo)及采用改進(jìn)熵權(quán)法(W1=[0.307,0.314,0.379])后的選線結(jié)果如表3所示。

表3 成都沙堰子諧振系統(tǒng)接地系統(tǒng)第1次選線結(jié)果

12:28:57接地后，系統(tǒng)按照改進(jìn)熵權(quán)法選線結(jié)果對(duì)接地概率最高(31.8%)的堰航線922斷路器自動(dòng)進(jìn)行控分操作，等待一段時(shí)間后故障并未消失，系統(tǒng)隨即采用“動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法”。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償前后其他線路零序電流變化量、相電流變化量和無(wú)功功率變化量以及采用改進(jìn)熵權(quán)法(W2=[0.203,0.268,0.529)后的選線結(jié)果如表4所示。12:30:33時(shí)，系統(tǒng)按照第2次改進(jìn)熵權(quán)法選線結(jié)果對(duì)接地概率最高(74.6%)的堰白線923斷路器進(jìn)行控分操作，隨后于12:30:38發(fā)現(xiàn)小電流接地信號(hào)復(fù)歸，接地現(xiàn)象消失。僅通過(guò)兩次拉路即實(shí)現(xiàn)諧振接地系統(tǒng)故障選線，整個(gè)故障處理僅耗時(shí)101 s。

表4 成都沙堰子諧振系統(tǒng)接地系統(tǒng)第2次選線結(jié)果

在成都地調(diào)近1年的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行中，共發(fā)生小電流接地單相故障120次，采用基于改進(jìn)熵權(quán)法選線方法的選線成功率達(dá)到100%，平均接地故障處理時(shí)間由過(guò)往的30 min縮減至1min左右，平均拉路數(shù)由過(guò)往4.8次下降至1.5次。所提方法大大提高了諧振接地系統(tǒng)單相接地選線成功率和故障處置時(shí)間，同時(shí)也解決了過(guò)往甚至試?yán)?條線路的不利情景。

5 結(jié) 論

針對(duì)目前中國(guó)廣泛存在的諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后選線難度大、選線時(shí)間長(zhǎng)問(wèn)題，基于對(duì)小電流接地系統(tǒng)分析理論分析及生產(chǎn)實(shí)際，提出了基于改進(jìn)熵權(quán)法的調(diào)度端小電流接地選線方法，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)綜合考慮零序電流、相電流、無(wú)功功率等特征量進(jìn)行選線，以改進(jìn)熵權(quán)法增加選線判據(jù)合理性，避免了單一判據(jù)的局限性，具有更廣的適用性。以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法解決了諧振接地系統(tǒng)選線難題。

2)提高小電流接地選線的自動(dòng)化水平，減少傳統(tǒng)人工拉路法的“盲拉”次數(shù)，提高供電可靠性，小電流接地故障平均處理時(shí)間縮短了95%，對(duì)抑制單相長(zhǎng)時(shí)間接地可能引發(fā)的同溝電纜起火和森林草原火災(zāi)有一定的意義。

3)相較于廠站端每個(gè)站部署選線裝置投資大、須停電施工等缺點(diǎn)，所提方法部署在調(diào)度主站端具有更強(qiáng)的實(shí)用性和推廣性。

4)通過(guò)在成都地調(diào)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，檢驗(yàn)了所提方法的準(zhǔn)確性和有效性。