基于配電自動(dòng)化系統(tǒng)的配網(wǎng)單相接地故障輔助研判方法

羅雪蓮，陳成功，劉志豪，曾歡悅

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司株洲供電分公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

10 kV電壓等級(jí)的配電網(wǎng)常采用中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地兩種中性點(diǎn)接地方式。隨著供電質(zhì)量要求的提升，越來(lái)越多10 kV配電網(wǎng)采用經(jīng)消弧線(xiàn)圈的中性點(diǎn)接地方式，這種接地方式雖然能夠有效提高供電可靠性，同時(shí)也帶來(lái)了故障量難以辨識(shí)的問(wèn)題[1-5]。因此，當(dāng)城市配網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，現(xiàn)有接地選線(xiàn)裝置普遍存在接地選線(xiàn)不準(zhǔn)的問(wèn)題，而接地輔助判斷手段有限，僅靠人工拉線(xiàn)會(huì)延誤接地故障隔離和處置，進(jìn)而導(dǎo)致其他不相關(guān)用戶(hù)短時(shí)停電，降低供電穩(wěn)定性的同時(shí)還會(huì)影響供電服務(wù)質(zhì)量。

為減少接地故障對(duì)供電服務(wù)質(zhì)量帶來(lái)的影響，應(yīng)避免采用人工手段進(jìn)行拉路，提高接地選線(xiàn)裝置的選線(xiàn)成功率被提上議程。目前常見(jiàn)的幾種接地選線(xiàn)方法中，穩(wěn)態(tài)零序電流相位比較法[6-8]是通過(guò)比較不同線(xiàn)路的零序電流方向進(jìn)行故障判斷；比幅比相法[9-11]是根據(jù)故障電流與非故障電流之間幅值與相位的區(qū)別進(jìn)行選線(xiàn)；負(fù)序電流法[12-13]是采用負(fù)序分量作為參數(shù)進(jìn)行選線(xiàn)保護(hù)；注入信號(hào)跟蹤法[14-16]是通過(guò)向系統(tǒng)注入并跟蹤高頻信號(hào)進(jìn)行故障判斷。但上述選線(xiàn)方法存在可靠性低、電流互感器精度要求高、安裝成本高、采樣困難等問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用效果不佳。

因此，本文的研究重點(diǎn)是在現(xiàn)有條件下，尋求一種切實(shí)可行的接地故障輔助研判手段，提升接地拉路準(zhǔn)確率和快速性，提高供電服務(wù)質(zhì)量，提升配網(wǎng)“兩降兩控”指標(biāo)。

1 小電流接地系統(tǒng)接地分析

圖1為某中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，正常情況下三相對(duì)稱(chēng)，對(duì)地電容電流之和為0。以圖1中線(xiàn)路1發(fā)生A相接地故障為例進(jìn)行分析。

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)全接地零序電流示意圖

1)無(wú)接地故障的線(xiàn)路的三相對(duì)地電容電流分別為:

式中，C0i為i線(xiàn)路的對(duì)地電容；UBG、UCG分別為B、C相對(duì)地電壓。

可以看出，無(wú)接地故障的線(xiàn)路的零序電流為:

式中，U0為零序電壓；ωC0i U0為正常運(yùn)行狀態(tài)下A相對(duì)地電容電流之和。

根據(jù)式(2)，無(wú)接地故障線(xiàn)路的零序電流由接地零序電壓和該線(xiàn)路對(duì)地電容決定。

2)對(duì)于接地線(xiàn)路，流過(guò)接地相故障點(diǎn)的電流為所有無(wú)接地故障線(xiàn)路對(duì)地電容電流的疊加，即:

式中，IBS、ICS分別為變壓器B、C相等效對(duì)地電流；C0Y為系統(tǒng)單相對(duì)地電容的總和，C0S；C0S為變壓器等效對(duì)地電容。

綜上分析，當(dāng)中性點(diǎn)不接地配網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)，接地線(xiàn)路的零序電流為所有無(wú)接地故障線(xiàn)路對(duì)地電容電流的疊加，而無(wú)接地故障線(xiàn)路的零序電流為正常運(yùn)行狀態(tài)下該線(xiàn)路的電容電流。通常情況下接地線(xiàn)路的零序電流值遠(yuǎn)大于任一無(wú)接地故障線(xiàn)路的零序電流值，可根據(jù)零序電流幅值大小進(jìn)行選線(xiàn)。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在以下問(wèn)題:

1)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地的10 kV系統(tǒng)，接地線(xiàn)路的電容電流被消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償，補(bǔ)償度接近全補(bǔ)償時(shí)，接地線(xiàn)路的零序電流較小，通過(guò)零序電流大小進(jìn)行接地故障判別的方法辨識(shí)度較低；而補(bǔ)償度為過(guò)補(bǔ)償時(shí)，接地線(xiàn)路的零序電流方向與無(wú)接地故障線(xiàn)路的零序電流方向相同，接地現(xiàn)象同樣不明顯。

2)通常配網(wǎng)線(xiàn)路負(fù)荷存在三相不一致問(wèn)題，如果配網(wǎng)線(xiàn)路三相不平衡度高，可能出現(xiàn)接地告警信號(hào)誤動(dòng)的情況。

3)配網(wǎng)線(xiàn)路情況復(fù)雜，架空與電纜線(xiàn)路混合，線(xiàn)徑、長(zhǎng)度不一，且運(yùn)行方式種類(lèi)繁多，對(duì)電容電流的計(jì)算造成一定的困難，因此無(wú)法依據(jù)運(yùn)行方式變化調(diào)整接地告警定值。

因此，有必要研究一種適用于配網(wǎng)線(xiàn)路的接地選線(xiàn)方法，能夠在調(diào)度主站端可靠判別接地相。

2 改進(jìn)賦權(quán)接地選線(xiàn)方法技術(shù)原理

單一的選線(xiàn)判據(jù)具有其獨(dú)立的適用范圍，受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際影響，選線(xiàn)判斷具有一定的局限性。為了保證接地選線(xiàn)的可靠性和冗余度，提出一種基于零序阻抗與歷史數(shù)據(jù)比較的綜合選線(xiàn)方法，該方法只需要采集10 kV系統(tǒng)零序分量進(jìn)行判斷，簡(jiǎn)化輸入量。采用的是零序分量的穩(wěn)態(tài)值而非暫態(tài)值，對(duì)數(shù)據(jù)的采樣頻率沒(méi)有特別要求，能適用上傳到調(diào)度主站系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一判斷。同時(shí)通過(guò)統(tǒng)計(jì)歷史接地?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算配網(wǎng)線(xiàn)路發(fā)生接地故障的概率，可考慮結(jié)合配網(wǎng)線(xiàn)路投運(yùn)年限，對(duì)故障概率進(jìn)行修正，最終實(shí)現(xiàn)接地故障最小范圍的快速隔離。

2.1 基于零序阻抗比較的輔助判斷方法

假設(shè)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，三相電壓對(duì)稱(chēng)，有UA=UB=UC=UN。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生全接地時(shí)(以C相全接地為例)，中性點(diǎn)電壓由零電位偏移為-UC，A、B、C三相對(duì)地電壓分別為UA-UC、UB-UC、UC-UA，如圖2所示。

圖2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)全接地電壓示意圖

則母線(xiàn)零序電壓為:

同理，當(dāng)A、B相全接地時(shí)，同樣有母線(xiàn)零序電壓U0=UN。

無(wú)接地故障線(xiàn)路的零序阻抗不受系統(tǒng)其他線(xiàn)路發(fā)生單相接地故障的影響。故通過(guò)比較配網(wǎng)線(xiàn)路前后兩次接地故障發(fā)生時(shí)的零序阻抗，可以判斷該線(xiàn)路是否為接地線(xiàn)路。如果配網(wǎng)線(xiàn)路零序阻抗出現(xiàn)明顯變化，基本可以確定該線(xiàn)路為接地線(xiàn)路。

對(duì)于不完全接地故障，設(shè)中性點(diǎn)電壓偏移量(即母線(xiàn)零序電壓)為U0，對(duì)系統(tǒng)中第k條無(wú)接地故障的線(xiàn)路而言，其他線(xiàn)路發(fā)生單相接地故障時(shí)，本線(xiàn)路零序阻抗不變，如式(6)所示:

則不完全接地故障時(shí)，第k條無(wú)接地故障的線(xiàn)路的零序電流I0k為:

對(duì)于線(xiàn)路發(fā)生不完全接地故障的情況，通過(guò)零序電壓U0、非本線(xiàn)路全接地時(shí)零序電流ICk，可由式(7)計(jì)算得到零序電流I0k。通過(guò)計(jì)算得到零序電流I0k與配電自動(dòng)化終端上送的零序電流值進(jìn)行比較，即可判斷系統(tǒng)的接地故障情況。

2.2 基于歷史數(shù)據(jù)的接地輔助判斷方法

對(duì)兩變電站歷史接地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同一變電站配網(wǎng)線(xiàn)路發(fā)生接地故障的次數(shù)并不相同，呈現(xiàn)明顯的正態(tài)分布特點(diǎn)，2016年9月至2022年2月配網(wǎng)線(xiàn)路發(fā)生接地故障次數(shù)匯總，如圖3所示。

圖3 變電站配網(wǎng)線(xiàn)路接地故障次數(shù)匯總圖

從圖3中可知，同一變電站配網(wǎng)線(xiàn)路發(fā)生接地故障的概率并不相同，且數(shù)據(jù)量越大，這種差別越明顯，配網(wǎng)線(xiàn)路接地概率與接地次數(shù)一樣，呈現(xiàn)明顯的正態(tài)分布特點(diǎn)。

因此可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)歷史接地?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算配網(wǎng)線(xiàn)路發(fā)生接地故障的概率，輔助調(diào)度員進(jìn)行接地拉路。

2.3 接地選線(xiàn)綜合判據(jù)權(quán)值計(jì)算方法

為保證接地選線(xiàn)的可靠性和冗余度，提出一種綜合判斷方法進(jìn)行接地選線(xiàn)判別，其中權(quán)值的選取需要通過(guò)科學(xué)的算法得出。熵權(quán)法作為一種客觀(guān)的賦權(quán)方法，能夠利用歸一化處理對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行熵值計(jì)算，從而客觀(guān)決定各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重[17-18]。

每次接地有n條線(xiàn)路，共有歷史故障量、重要程度標(biāo)志量和零序電流3個(gè)特性指標(biāo)，接地后各條線(xiàn)路特性指標(biāo)值可記為:

式中，H0為各條線(xiàn)路歷史故障量矩陣；S0為各線(xiàn)路重要程度標(biāo)志量矩陣；I0為接地后各條線(xiàn)路零序電流矩陣。

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

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wx可通過(guò)式(10)求得。

最終通過(guò)式(8)—(10)，得到3種選線(xiàn)判據(jù)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的熵值wx，計(jì)算接地概率Pi并以此進(jìn)行選線(xiàn)。

2.4 新型配電網(wǎng)單相接地故障輔助研判方法

結(jié)合前面提出的接地選線(xiàn)方法和綜合權(quán)值計(jì)算方法，提出的新型配電網(wǎng)單相接地故障輔助研判方法流程如圖4所示。

圖4 零序阻抗接地故障選線(xiàn)原理流程

1)當(dāng)配網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，配電自動(dòng)化系統(tǒng)采集并存儲(chǔ)故障時(shí)刻無(wú)接地故障線(xiàn)路的零序電流ICk。

2)當(dāng)配網(wǎng)系統(tǒng)再次發(fā)生接地故障時(shí)，單相接地故障輔助研判模塊首先判斷本次接地故障的性質(zhì)是否符合全接地故障。

若符合全接地故障，研判模塊對(duì)本次故障采集的零序電流I0與系統(tǒng)存儲(chǔ)的歷史零序電流ICk進(jìn)行比較，如果比較結(jié)果(X為允許偏差設(shè)定值)，則判斷此次接地本線(xiàn)路為無(wú)接地故障的線(xiàn)路；如果則判斷本線(xiàn)路為疑似接地線(xiàn)路。

如果接地故障為非全接地故障，配電自動(dòng)化系統(tǒng)采集本次接地故障零序電壓U0，則由式(12)可得零序電流限值:

通過(guò)比較本次故障采集的零序電流I0與計(jì)算得到的零序電流I0k，如果(X為允許偏差設(shè)定值)，則判斷此次接地本線(xiàn)路為無(wú)接地故障的線(xiàn)路；若，則判斷本線(xiàn)路為疑似接地線(xiàn)路。

3)優(yōu)先按照故障選線(xiàn)識(shí)別結(jié)果排序。對(duì)于根據(jù)前述故障選線(xiàn)方法識(shí)別為故障線(xiàn)路的情況，可按照對(duì)應(yīng)零序電流超過(guò)限值的比重進(jìn)行排序；對(duì)于未識(shí)別為故障線(xiàn)路的情況，則通過(guò)賦權(quán)法對(duì)歷史故障概率、線(xiàn)路重合閘動(dòng)作因素等運(yùn)行工況進(jìn)行權(quán)值計(jì)算，由此實(shí)現(xiàn)拉路排序，研判流程如圖5所示。

圖5 新型配電網(wǎng)單相接地故障輔助研判流程

3 應(yīng)用案例

2022年3月14日04∶00∶45，某變電站10 kVⅠ母發(fā)生B相接地(UA=8.84 kV，UB=1.61 kV，UC=9.75 kV，U0=4.64 kV)。

依據(jù)零序阻抗比較法、歷史接地線(xiàn)路的概率、跳閘重合線(xiàn)路以及重要(敏感)用戶(hù)線(xiàn)路等因素，采用熵權(quán)法得出每條線(xiàn)路接地概率，根據(jù)接地概率大小形成拉路順序。

依據(jù)接地故障輔助判研模塊拉路順序進(jìn)行拉路，4∶15將其中312線(xiàn)路轉(zhuǎn)熱備用后，變電站10 kVⅠ母接地復(fù)歸。經(jīng)查，某施工單位將312線(xiàn)路29號(hào)桿避雷線(xiàn)拉線(xiàn)挖斷，拉線(xiàn)彈射觸碰在B相引起接地，接地故障輔助判研模塊選線(xiàn)正確。

統(tǒng)計(jì)2022年1月21日至2022年3月30日某市區(qū)發(fā)生的永久性故障接地，共41起，均利用配網(wǎng)單相接地故障輔助研判模塊進(jìn)行研判，其中選線(xiàn)成功的有35起。選線(xiàn)失敗的6起事件中有2起為新投運(yùn)線(xiàn)路，無(wú)歷史信息，剩余4起線(xiàn)路均為重要用戶(hù)線(xiàn)路，拉路優(yōu)先級(jí)較低。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)配電網(wǎng)單相接地故障選線(xiàn)裝置造價(jià)高、選線(xiàn)效率低、選線(xiàn)成功率不高等問(wèn)題，提出了配電網(wǎng)單相接地零序阻抗比較原理選線(xiàn)方法；并根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，得出配電網(wǎng)接地趨勢(shì)，利用配電自動(dòng)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一種基于零序阻抗比較和歷史數(shù)據(jù)參考的接地故障輔助研判模塊。該模塊優(yōu)點(diǎn)如下:

1)接地故障輔助判研模塊采用了穩(wěn)態(tài)建立于配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)，可真實(shí)反映故障穩(wěn)態(tài)信號(hào)，且無(wú)需加裝其他電氣設(shè)備，相較于其他接地輔助研判裝置投資更小。

2)隨著城市的發(fā)展，分布式電源在配電網(wǎng)中的占比逐漸增大。接地故障輔助研判方法基于零序阻抗不變?cè)?，通過(guò)比較配網(wǎng)線(xiàn)路前后兩次故障發(fā)生時(shí)的零序阻抗進(jìn)行接地拉路研判，適用于無(wú)源線(xiàn)路及有源線(xiàn)路。

3)接地輔助研判方法采用綜合線(xiàn)路零序阻抗比較法與歷史數(shù)據(jù)參考法，既可以有效排除一部分健全線(xiàn)路，減少運(yùn)算量，又確保了較高的選線(xiàn)成功率。

4)該接地故障輔助研判模塊已進(jìn)行測(cè)試與運(yùn)行，實(shí)踐證明，基于配電自動(dòng)化系統(tǒng)的配網(wǎng)單相接地故障輔助研判模塊能準(zhǔn)確研判接地故障線(xiàn)路，提高了接地拉路的快速性與準(zhǔn)確率，具有一定的工程意義和實(shí)際價(jià)值。