基于配电自动化系统的配网单相接地故障辅助研判模块开发及应用论文

SCI论文（www.lunwensci.com）
 
　　摘要:针对接地选线装置造价高、选线效率低、选线成功率不高等问题,基于配电自动化主站系统稳态零序量,开发了一种基于零序阻抗比较和历史数据参考的接地故障辅助研判模块。首先对单相接地故障下10 kV电压等级配电网的电气特征进行详细分析,根据零序阻抗比较的原理得出一种接地选线方法。同一变电站的配网线路受环境、材料等多种因素影响通常呈现不同的接地趋势,通过统计历史接地数据,计算得到配网线路发生接地故障的概率,并利用熵权法对历史故障量、重要程度标志量和零序电流等研判依据进行赋权,形成一种基于配电自动化系统的配网单相接地故障辅助研判模块。最后,通过案例分析表明,开发的模块选线准确率高,具有一定的实用意义。

　　关键词:配电网;故障选线;暂态零序;熵权法

 

　　Development and Application of Auxiliary Research and Judgment Module for Single-phase Grounding Fault in Distribution Network Based on Distribution Automation System

　　Luo Xuelian,Chen Chenggong,Liu Zhihao,Zeng Huanyue

　　(State Grid Hunan Electric Power Co.,Ltd.,Zhuzhou Power Supply Branch,Zhuzhou,Hunan 412000,China)

　　Abstract:Aiming at the problems of high cost of grounding line selection device,low line selection efficiency and low success rate of line selection,based on the steady-state zero sequence quantity of distribution automation master station system,an auxiliary grounding fault research and judgment module based on zero sequence impedance comparison and historical data reference was developed.Firstly,the electrical characteristics of the 10 kV voltage level distribution network under the single-phase grounding fault were analyzed,and a grounding line selection method was obtained according to the principle of zero-sequence impedance comparison.At the same time,the distribution network lines of the same substation usually show different grounding trends due to various factors such as environment and materials.The probability of grounding faults in the distribution network lines was calculated through statistics of historical grounding data,and the entropy weight method was used to calculate the historical fault quantity,importance level indicator and zero-sequence current and other research and judgment basis were weighted to form an auxiliary research and judgment module for single-phase grounding fault of distribution network based on distribution automation system.Finally,the case analysis shows that the module has high accuracy of line selection and has certain practical significance.

　　Key words:distribution network;fault line selection;transient zero sequence;entropy weight method

　　0引言

　　10 kV电压等级的配电网常采用中性点不接地和中性点经消弧线圈接地两种中性点接地方式。随着供电质量要求的提升,越来越多的地市的10 kV配电网采用经消弧线圈的中性点接地方式,这种接地方式虽然能够有效提高供电可靠性,同时也带来了故障量难以辨识的问题[1-5]。因此当城市配网发生单相接地故障时,现有接地选线装置普遍存在接地选线不准的问题,而接地辅助判断手段有限,仅靠人工拉线会延误接地故障隔离和处置,进而导致其他不相关用户短时停电,降低供电稳定性的同时还会影响供电服务质量。

　　为减少接地故障对供电服务质量带来影响,有必要避免采用人工手段进行拉路,提高接地选线装置的选线成功率被提上议程。目前常见的几种接地选线方法中,稳态零序电流相位比较法[6-8]是通过比较不同线路的零序电流方向进行故障判断,比幅比相法[9-11]是根据故障电流与非故障电流之间幅值与相位的区别进行选线,负序电流法[12-13]是采用负序分量作为参数进行选线保护,注入信号跟踪法[14-16]是通过向系统注入并跟踪高频信号进行故障判断。但上述选线方法存在可靠性低、电流互感器精度要求高、安装成本高、采样困难等问题,实际应用效果不佳。

　　因此,本文的研究重点是在现有条件下,寻求一种切实可行的接地故障辅助研判手段,提升接地拉路准确率和快速性,提高供电服务质量,提升配网“两降两控”指标。

　　1小电流接地系统接地分析

　　图1所示为某一中性点不接地系统,正常情况下三相对称,对地电容电流之和为0。以图中线路1发生A相接地故障为例进行分析。

       无接地故障的线路的三相对地电容电流分别为:

   

　　式中:C0i为i线路的对地电容;U·BG、U·CG分别为B、C相对地电压。

　　可以看出,无接地故障的线路的零序电流为:

      

　　式中:U·0为零序电压;ωC0i U·0为正常运行状态下A相对地电容电流之和。

　　根据式(2),无接地故障的线路的零序电流由接地零序电压和该线路对地电容决定。

　　对于接地线路,流过接地相故障点的电流为所有无接地故障的线路的对地电容电流的叠加,即:

　

　　式中:I·BS、I·CS分别为变压器B、C相等效对地电流;C0Y为系统单相对地电容的总和为变压器等效对地电容。

　　综上分析,当中性点不接地配网发生单相接地时,接地线路的零序电流为所有无接地故障的线路对地电容电流的叠加,而无接地故障的线路的零序电流为正常运行状态下该线路的电容电流。通常情况下接地线路的零序电流值远大于任一无接地故障的线路的零序电流值,调度可根据零序电流幅值大小进行选线。但实际应用时存在以下问题。

　　(1)经消弧线圈接地的10 kV系统,接地线路的电容电流被消弧线圈补偿,补偿度接近全补偿时,接地线路的零序电流较小,通过零序电流大小进行接地故障判别的辨识度较低;而补偿度为过补偿时,接地线路的零序电流方向与无接地故障的线路的零序电流方向相同,接地现象同样不明显。

　　(2)通常配网线路负荷存在三相不一致问题,如果配网线路三相不平衡度高,可能出现接地告警信号误动的情况。(3)配网线路情况复杂,架空与电缆线路混合,线径、长度不一,且运行方式种类繁多,都对电容电流的计算造成一定的困难,因此无法依据运行方式变化从而调整接地告警定值。

　　因此,有必要研究一种适用于配网线路的接地选线方法,能够在调度主站端可靠判别接地相。

　　2改进赋权接地选线方法技术原理

　　单一的选线判据具有其独立的适用范围,受现场实际影响,选线判断具有一定的局限性。为了保证接地选线的可靠性和冗余度,本文提出一种基于零序阻抗与历史数据比较的综合选线方法,该方法只需要采集10 kV系统零序分量进行判断,简化了输入量。采用的是零序分量的稳态值而非暂态值,对数据的采样频率没有特别要求,能适用上传到调度主站系统进行统一判断。同时通过统计历史接地数据,计算配网线路发生接地故障的概率时,算法可考虑结合配网线路投运年限,对故障概率进行修正,最终实现接地故障最小范围的快速隔离。

　　2.1基于零序阻抗比较的辅助判断方法

　　假设中性点不接地系统正常运行时,三相电压对称,有Ua=Ub=Uc=UN。当系统发生全接地时(以C相全接地为例),中性点电压由零电位偏移为-Uc,A、B、C三相对地电压分别为如图2所示。

　　

　　同理,当A、B相全接地时,同样有母线零序电压Ｕ０ ＝ ＵＮ。

      无接地故障的线路的零序阻抗不受系统其他线路发生单相接地故障的影响。故可通过比较配网线路前后两次接地故障发生时的零序阻抗,可以判断该线路是否为接地线路。如果配网线路零序阻抗出现明显变化,基本可以确定该线路为接地线路。

　　对于不完全接地故障,设中性点电压偏移量(即母线零序电压)为U0,对系统中第k条无接地故障的线路而言,其他线路发生单相接地故障时,本线路零序阻抗不变,不难有:

    

　　则不完全接地故障时,第k条无接地故障的线路的零序电流I0k为:

   

　　对于线路发生不完全接地故障的情况,通过零序电压U0、以及非本线路全接地时零序电流ICk,可由上式计算得到零序电流I0k。通过计算得到零序电流I0k与配电自动化终端上送的零序电流值进行比较,即可判断系统的接地故障情况。

　　2.2基于历史数据的接地辅助判断方法

　　对历史接地数据进行统计分析,同一变电站配网线路发生接地故障次数并不相同,呈现明显正态分布特点,如图3所示(图中数据分别为王家坪、向阳村变2016年9月—2021年2月配网线路发生接地故障次数汇总)。由图可知,同一变电站配网线路发生接地故障的概率并不相同,且数据量越大,这种差别越明显,配网线路接地概率与接地次数一样,呈现明显的正态分布特点。

　　因此可以通过统计历史接地数据,计算配网线路发生接地故障的概率,可以辅助调度员进行接地拉路。

　　2.3接地选线综合判据权值计算方法

　　为保证接地选线的可靠性和冗余度,论文提出一种综合判断方法进行接地选线判别,其中权值的选取需要通过科学的算法得出。熵权法作为一种客观的赋权方法,能够利用归一化处理对各个评价指标进行熵值计算,从而客观决定各项指标权重[17-18]。

　　每次接地有n条线路,共有历史故障量、重要程度标志量和零序电流3个特性指标,接地后各条线路特性指标值可记为:

    

　　式中:H0为各条线路历史故障量矩阵;S0为各线路重要程度标志量矩阵;I0为接地后各条线路零序电流矩阵。

　　对R中值进行归一化处理,可得第i条线路在第x个指标中的贡献度fxi为:
   
   　　

       式中:rxi∈R;i=1,2,…,n;x=1,2,…,m;m为

　　特性指标总数。

　　第x个指标的熵值wx可通过下式求得:

　　

　　式中:k=1/lnn。

　　最终通过式(8)~(10),得到3种选线判据指标对应的权重向量wx。,计算接地概率并以此进行选线:

    

　　2.4新型配电网单相接地故障辅助研判方法

　　结合前面提出的接地选线方法和综合权值计算方法,论文提出的新型配电网单相接地故障辅助研判方法流程如图4所示。
　　(1)当配网系统发生单相接地故障时,配电自动化系统采集并存储故障时刻无接地故障的线路零序电流ICk。

　　(2)当配网系统再次发生接地故障时,单相接地故障辅助研判模块首先判断本次接地故障的性质是否符合全接地故障。若符合全接地故障,研判模块对本次故障采集的零序电流I0与系统存储的历史零序电流ICk进行比较,如果比较结果I0-ICk≤X(X为允许偏差设定值),则判断此次接地本线路为无接地故障的线路;如果I0-ICk>X,则判断本线路为疑似接地线路。如果接地故障为非全接地故障,配电自动化系统采集本次接地故障零序电压U0,则由下式可得零序电流限值:　

　　I0k=U0 ICk/UN   (12)

　　通过比较本次故障采集的零序电流I0与计算得到零序电流I0k,如果I0-I0k≤X(X为允许偏差设定值),则判断此次接地本线路为无接地故障的线路;若I0-I0k>X,则判断本线路为疑似接地线路。

　　(3)优先按照故障选线识别结果排序。对于根据前述故障选线识别为故障线路的情况,可按照对应零序电流超过限值的比重进行排序;对于未识别为故障线路的情况,则通过赋权法对历史故障概率、线路重合闸动作因素等运行工况进行权值计算,由此实现拉路排序。如图5所示。
　　依据零序阻抗比较法、松树变历史接地线路(图6)的概率、跳闸重合线路以及重要(敏感用)户线路等因素,通过熵权法得出每条线路接地概率,接地概率大小形成拉路顺序,如图7所示。
　　依据接地故障辅助判研模块拉路顺序进行拉路,04:15将松环Ⅳ回松312线路转热备用后,松树变10 kVⅠ母接地复归,经查,某施工单位将松环Ⅳ回松312线路29号杆避雷线拉线挖断,拉线弹射触碰在B相引起接地,接地故障辅助判研模块选线正确。

　　4结束语

　　针对配电网单相接地故障选线装置造价高、选线效率低、选线成功率不高等问题,本文提出了配电网单相接地零序阻抗比较原理选线方法,并根据电网运行情况,结合历史数据,得出配电网接地趋势,利用配电自动化系统开发了一种基于零序阻抗比较和历史数据参考的接地故障辅助研判模块。优点如下。

　　(1)设计的接地故障辅助判研模块采用了稳态建立于配电自动化主站系统,可真实反映故障稳态信号,且无需加装其他电气设备,相较于其他选线装置投资更小。

　　(2)选线策略通过综合线路零序阻抗比较法与历史数据参考法,既可以有效排除一部分健全线路,减少运算量,同时还确保了选线成功率。

　　(3)该选线装置已在株洲配调进行测试与运行,实践证明,基于配电自动化系统的配网单相接地故障辅助研判模块能准确研判接地故障线路,提高了接地拉路的快速性与准确率,具有一定的工程意义和实际价值。

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