分布式電源配電網(wǎng)單相接地故障快速定位方法

曾和平

（國(guó)網(wǎng)漢陰縣供電公司，陜西 安康 725100）

0 引 言

單相接地保護(hù)的定值受到保護(hù)原理、配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)電容電流水平、故障點(diǎn)過(guò)渡電阻大小以及配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)單位采取的故障處理策略等因素的影響，與傳統(tǒng)繼電保護(hù)的定值整定有較大區(qū)別。為降低配電網(wǎng)單相接地故障引起火災(zāi)等安全事故和大面積停電的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)配電網(wǎng)單相接地故障的快速處理提出了更高的要求，為此提出農(nóng)村配電網(wǎng)單相接地故障分段自動(dòng)定位方法。配電網(wǎng)單相接地保護(hù)要求動(dòng)作發(fā)生在告警環(huán)節(jié)，同時(shí)越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)景要求出口跳閘，進(jìn)而快速準(zhǔn)確定位單相接地故障位置[1]。

1 分布式電源配電網(wǎng)單相接地故障快速定位方法

1.1 設(shè)計(jì)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文章設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)模在1～50 MW，能夠在負(fù)荷附近以散裝的形式提供電能，具有小投資低損耗的優(yōu)點(diǎn)。文章根據(jù)分布式的電源配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇了電流源型逆變器與電壓源型逆變器作為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)核心，這2種變電器損耗較低且控制簡(jiǎn)單[2]。分布式電源配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式電源配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1中的主要單元結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，獲得結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型為

式中：H為濾波器等效電感；R為網(wǎng)側(cè)等效電阻；i為分布式電源交流側(cè)輸出電流；Up為公共連接點(diǎn)處的電網(wǎng)側(cè)單相電壓；U為分布式電源的輸出電壓；t為單相接地故障的發(fā)生時(shí)間。

文章根據(jù)分布式電源配電網(wǎng)的特性，對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電源控制進(jìn)行了一些設(shè)定。首先，能夠有效地向電網(wǎng)輸送電能，且應(yīng)確保配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；其次，安裝于負(fù)載側(cè)，電能就地消納；最后，根據(jù)配電網(wǎng)的實(shí)際電壓等級(jí)，選擇不同電源容量，對(duì)并網(wǎng)位置進(jìn)行分析[3]。

1.2 分析電網(wǎng)接地故障電流特性

在發(fā)生接地故障時(shí)，所產(chǎn)生停電問(wèn)題的影響由故障情況來(lái)決定。因此，在實(shí)際的配電網(wǎng)的運(yùn)行中，為了減少停電問(wèn)題，降低對(duì)日常工作生活的影響，需要在線路的中性點(diǎn)位置設(shè)置消弧線圈進(jìn)行連接，這種做法可以減少故障線路中的幅值區(qū)域。文章設(shè)置的消弧線圈的連接方式如圖2所示。

圖2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地結(jié)構(gòu)

發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)電位上升至相電壓，消弧線圈產(chǎn)生感性電流補(bǔ)償電路中的容性接地電流，補(bǔ)償后的容性接地電流殘余分量很小，不足以維持電弧，避免故障規(guī)模擴(kuò)大[4]。

通過(guò)圖2的接地結(jié)構(gòu)，分析單相接地故障問(wèn)題的特性。在正常運(yùn)行時(shí)，選擇線路1、線路2和線路3中的某一線路作為分析的單相接地，其中的單相平衡被打破，產(chǎn)生了電流放電問(wèn)題。在零序分量的計(jì)算中，以消弧線圈的工作內(nèi)容為參數(shù)的分析的基點(diǎn)，那么各線路中的電流大小的計(jì)算表達(dá)式為

式中：ω為電流頻率；L為電流的線路長(zhǎng)度；U'為當(dāng)前電路中的平均電壓；E為當(dāng)前電壓的電動(dòng)勢(shì)；j為消弧線圈的參數(shù)值。那么此時(shí)的故障點(diǎn)中的電流之和為

式中：Iz為故障線路中故障點(diǎn)的電流，也是單相接地線路中的全部對(duì)地電容電流。

1.3 計(jì)算配電網(wǎng)單相接地故障影響參數(shù)

在配電網(wǎng)單相接地中，出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)，大多數(shù)是因?yàn)槎喾矫娴脑蚓C合作用，使得線路出現(xiàn)故障。因此，文章通過(guò)單相接地中的暫態(tài)過(guò)程來(lái)對(duì)故障影響參數(shù)進(jìn)行分析[5]。

暫態(tài)過(guò)程中，消弧線圈還未開(kāi)始進(jìn)行補(bǔ)償作用，因此中性點(diǎn)不接地方式和經(jīng)消弧線圈接地方式在故障發(fā)生后的一小段時(shí)間內(nèi)，具有相似的過(guò)渡過(guò)程。由等值電路可以看出，回路內(nèi)共流向3種電流，分別是故障發(fā)生后容性對(duì)地電容電流、故障后消弧線圈開(kāi)始補(bǔ)償作用產(chǎn)生的感性電感電流以及容性對(duì)地電容電流與感性電感電流在接地位置疊加而成的接地電流。

出現(xiàn)單相接地故障后，電流的影響效果表達(dá)式為

式中：Uφ為零序電壓U0的幅值；C為零序網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部對(duì)地電容總值；R'為電流中的電阻值；S為消弧線圈的電感值大小?；趯?shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的考慮，在電力系統(tǒng)中，單相接地故障通常發(fā)生在幾十毫秒到幾分鐘的時(shí)間范圍內(nèi)，因此選取60 s作為式（4）積分上限，即可覆蓋大多數(shù)實(shí)際運(yùn)行情況下的接地電流變化過(guò)程。根據(jù)式（4）的電流暫態(tài)過(guò)程，分析出其周期的衰減特性。將電阻設(shè)定在一般范圍內(nèi)，通過(guò)故障發(fā)生時(shí)的電阻阻值為零來(lái)設(shè)定約束條件，那么且電流頻率處于配電網(wǎng)范圍內(nèi)，即300～1 500 Hz。

容性對(duì)地電容電流的暫態(tài)過(guò)程也可以看作是穩(wěn)態(tài)階段的容性對(duì)地電容電流與呈周期性衰減的高頻振蕩電流疊加而成，當(dāng)周期性衰減的高頻振蕩電流衰減至無(wú)窮小，即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段[6]。

然后通過(guò)實(shí)際的配網(wǎng)的接地故障，分析故障信息的暫態(tài)過(guò)程的頻率特性，其中的衰減特性取決于故障中的相角。暫態(tài)過(guò)程的幅值大于穩(wěn)態(tài)過(guò)程，甚至?xí)p到故障后的過(guò)程，能夠豐富體現(xiàn)出單相故障的特性信息，對(duì)故障模型的構(gòu)建及其之后的快速定位起到了重要作用。

1.4 搭建故障模型實(shí)現(xiàn)快速定位

為實(shí)現(xiàn)故障的快速定位，文章選擇使用誤差反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)定位故障點(diǎn)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)的映射能力和其自身屬性中的學(xué)習(xí)能力，將上述所分析的故障特性，作為輸入層輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)在隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)配置其中閾值的神經(jīng)元，完成對(duì)于故障點(diǎn)的辨識(shí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)單相接地故障的快速定位[7]。

首先，通過(guò)對(duì)故障信號(hào)的搜尋，得到隱含層中第m個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入Nm。將Nm代入隱含層的激活函數(shù)h可得到相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)yh，將yh作為輸出層的節(jié)點(diǎn)系數(shù)，可得輸出層第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入Nk為

將式（5）所的結(jié)果代入輸出層的激活函數(shù)，得到實(shí)際輸出值Qk。根據(jù)輸出值的特性判定，可以分析出對(duì)應(yīng)的單相故障，處于具體的某一配網(wǎng)線路中[8]。此外，根據(jù)配網(wǎng)線路中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入，通過(guò)隱含層的計(jì)算，最后得到的輸出值，即為單相接地故障中的故障具體定位。

2 實(shí)驗(yàn)論證

2.1 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

為驗(yàn)證文章設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。通過(guò)與基于小波變換的故障定位方法（對(duì)照組Ⅰ）、基于K均值分類算法的故障定位方法（對(duì)照組Ⅱ）進(jìn)行對(duì)比，分析文章設(shè)計(jì)方法（實(shí)驗(yàn)組）的優(yōu)勢(shì)性。選擇8組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)隨機(jī)篩選的方式，選取分布式電源配電網(wǎng)的單相接地故障數(shù)據(jù)，各組中的故障點(diǎn)數(shù)量分別為20個(gè)、40個(gè)、60個(gè)、80個(gè)、10個(gè)、30個(gè)、50個(gè)以及70個(gè)，通過(guò)在其他篩選的實(shí)際數(shù)據(jù)，在故障樣本中進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，將8組故障樣本輸入模型，然后基于多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

配電網(wǎng)參數(shù)設(shè)置如下：配電網(wǎng)額定容量為12 500 kVA；額定頻率為50 Hz；額定電壓為10.5 kV，電壓基于額定電壓上下波動(dòng)2.5%。

為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)中的簡(jiǎn)化電路，需要仔細(xì)排查配網(wǎng)中可能出現(xiàn)故障的狀況，避免產(chǎn)生電位差問(wèn)題。因此，分析故障問(wèn)題特征，初步定位到故障區(qū)段，再分析故障發(fā)生處的信號(hào)，經(jīng)金屬線路的電流故障流經(jīng)接地線，并且向中性點(diǎn)注入。通過(guò)故障檢測(cè)對(duì)其進(jìn)行上下游的定位，并判斷其是否為電流信號(hào)。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同方法定位故障的時(shí)間如表1所示。

表1 不同方法的對(duì)比結(jié)果

由表1可以看出，隨著故障點(diǎn)數(shù)量的變化，3種方法定位故障所需的時(shí)間均呈現(xiàn)出逐漸增加的態(tài)勢(shì)?？v不同方法定位故障所需的時(shí)間，在故障點(diǎn)數(shù)量由10個(gè)增加至80個(gè)的過(guò)程中，對(duì)照組Ⅰ定位故障所需的時(shí)間由2.6 s增加至21.5 s，對(duì)照組Ⅱ定位故障所需的時(shí)間由3.4 s增加至22.3 s，實(shí)驗(yàn)組定位故障所需的時(shí)間由2.1 s增加至19.8 s。因此，實(shí)驗(yàn)組定位故障所需的時(shí)間更短。由此表明，文章設(shè)計(jì)方法能夠相對(duì)快速的定位故障問(wèn)題，為配網(wǎng)的故障處理，提供時(shí)間優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié) 論

文章通過(guò)對(duì)配網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，進(jìn)而分析故障問(wèn)題的特性，通過(guò)對(duì)故障影響參數(shù)的計(jì)算，構(gòu)建出故障點(diǎn)的定位模型。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果證明了文章設(shè)計(jì)方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單相接地故障的快速定位。但是，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，文章方法對(duì)故障點(diǎn)的說(shuō)明不夠詳細(xì)，這些不足之處將在之后的研究中深入分析，并進(jìn)行改進(jìn)。