基于自適應控制模式的配電網接地方式研究

瞿寒冰，尹茂林，金 誼，譚蘇君

（國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南 250012）

·電網技術·

基于自適應控制模式的配電網接地方式研究

瞿寒冰，尹茂林，金 誼，譚蘇君

（國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南 250012）

電網中性點的接地方式對電力系統安全經濟運行具有重要影響。提出一種自適應控制的配電網接地方式，該方式基于中性點經消弧線圈接地的方式，增加一組自適應控制的并聯回路，通過開關的投切實現優化調整；在故障選線模塊中增加對線路零序電流的附加分析，有效提升了系統單相接地選線的準確度。實際案例證明了所提系統的有效性和實用性。

單相接地故障；中性點接地方式；配電網；自適應控制

0 引言

電網中性點的接地方式與電力系統運行可靠性、安全性和經濟性密切相關［1-2］。隨著智能電網的建設和發展，針對城市電網和配電網中性點接地方式的選擇成為當前電網智能化改造建設的重點關注問題之一。

為提高配電網的供電可靠性，當前配電網中性點常采用不接地或經消弧線圈接地的方式，當發生單相接地故障時，接地電流較小，斷路器保護不動作，通過發出接地信號提醒調控人員，若為永久性故障需要根據選線信息采取人工拉路的方法來判斷故障線路并隔離。此類接地方式下針對線路永久性故障（特別是電纜線路故障）的隔離效率較低，易造成設備長時間的過電壓運行，且人為判斷操作的可靠性難以保證，影響設備和人身安全。若采用中性點經小電阻接地的方式，當線路發生單相接地故障時，所產生的大電流信號能有效實現斷路器保護的準確動作，快速實現故障線路的隔離，能有效避免線路長時間的過電壓運行，降低絕緣強度，但該方式下無法區分瞬時性接地故障和永久性接地故障，即系統中任何單相接地故障都使保護動作跳閘。尤其10 kV架空線路的單相接地故障概率較高，這種接地方式大大降低了系統的供電可靠性。因此如何統籌考慮瞬時性接地和永久性接地故障以及架空線路和電纜線路等多種情況，提出一種能實現自適應控制的配電網接地方式，對提高電網的供電可靠性和運行安全性至關重要［3-4］。

本文提出一種自適應控制的配電網接地方式，該接地方式在原有中性點經消弧線圈接地的基礎上，增加一組自適應控制的并聯回路，該回路包括一組高壓并聯開關和可變電阻，開關的投切和電阻值均通過自適應控制模塊實現優化調整。當發生瞬時性單相接地故障時，該接地方式可通過消弧線圈使接地點的電弧快速熄滅，使瞬時性單相故障快速消除，保證了供電可靠性；同時當發生永久性單相接地故障時，可通過控制策略投入并聯小電阻，實現保護的快速動作，實現故障線路隔離，相較于傳統的人工拉路方法，其效率大大提高；同時由于在單相故障后并聯電阻的投入，通過在故障選線模塊中增加針對線路零序電流的附加分析，通過分析線路零序電流中的有功分量與常規選線分析相耦合，實現對系統單相接地選線準確性的大幅度提高，同時發出跳閘信號提高了故障線路隔離的效率。

1 現有配網接地方式對比分析

當前中壓配電網中，中性點的接地方式主要包括不接地、經消弧線圈接地、經小電阻接地等。

1.1 不接地方式

該方式下，實際是經變壓器中性點的等值電容接地，絕緣狀況不好時還包括泄漏電阻，系統的零序阻抗呈現容性。當發生接地故障時，非故障相的電壓最高會升至線電壓，而故障點流過的電流為非故障線路電容電流的總和。當系統規模不大時，該接地方式下的電容電流較小，對系統影響較小，系統允許運行一段時間，能有效提高用戶的供電可靠性，該方式在系統電網建設初期得到廣泛應用。隨著系統規模的增大，且城市電網中電纜的比例越來越大，對地電容電流達到一定值時，容易產生弧光接地過電壓，造成系統設備絕緣破壞，嚴重影響系統的安全性［5-6］。

1.2 經消弧線圈接地

該方式采用消弧線圈接入中性點，消弧線圈是一種鐵心帶空氣間隙的可調電感線圈，通常經接地變壓器的虛擬中性點接入系統，實現對電容電流的補償，且消弧線圈會使故障相恢復電壓上升速度變慢，能保證故障點電弧迅速熄滅和避免發生重燃，有效避免電弧的接地過電壓；另一方面，能有效限制單相故障時的接地電流，降低對設備和系統裝置的要求。當系統發生瞬時單相接地故障時，消弧線圈能使故障點電弧迅速熄滅，實現故障的快速自動消除。但該接地方式下，針對電纜線路常發生的永久性故障無法實現快速隔離，需要根據選線信息進行人工拉路，另外由于單相故障時的接地電流較小，增大了故障選線的難度，選線裝置的準確率難以保證［7-8］。

1.3 經小電阻接地

該方式是在接地變壓器的虛擬中性點接入低電阻，可以避免不接地方式下的弧光過電壓，同時發生單相接地時，故障電流較大，能有效實現故障選線，并能使保護快速動作跳閘隔離故障。該方式下非故障相的過電壓水平較低，對設備絕緣水平要求相對較低。該方式對城市電網的電纜線路來說是一種理想的接地方式。由于電纜線路的故障多為永久性故障，過大的電容電流易使單相故障范圍擴大為相間故障，因此小電阻的接地方式能使保護及時跳閘來切除故障線路。但該方式下系統中任何的單相接地故障都會動作于跳閘，對于以架空線路為主或以架空與電纜混合線路組成的電網，其線路跳閘率過高，降低了供電可靠性［9-10］。

綜上所述，現有各種配電網中性點接地方式都各有優缺點。中性點不接地方式下，若單相故障的電容電流較大容易產生弧光接地過電壓，造成系統設備絕緣破壞，嚴重影響系統的安全性；中性點經消弧線圈接地的方式，針對電纜線路常發生的永久性故障無法實現快速隔離，需要根據選線信息進行人工拉路，另外由于單相故障時的接地電流較小，增大了故障選線的難度，選線裝置的準確率難以保證；中性點經小電阻接地的方式，系統中任何的單相接地故障都會動作于跳閘，對于以架空線路為主或以架空與電纜混合線路組成的電網，其線路跳閘率過高，降低了供電可靠性。

2 自適應控制配電網接地方式

提出一種自適應控制的配電網接地方式，該接地方式在原有中性點經消弧線圈接地的基礎上，增加一組自適應控制的并聯回路，該回路包括一組高壓并聯開關和可變電阻，開關的投切和電阻值的調整均通過自適應控制模塊實現優化調整。該自適應控制模塊的輸入量包括中性點電壓、中性點電流、線路零序TA電流、母線TV電壓、外設輸入（參數設定）等其他電網數據；輸出量則包括消弧線圈和并聯電阻的檔位控制量、并聯開關的投切信號、接地信號、跳閘信號、選線信息等多種類型數據。該配電網接地方式的一次接線如圖1所示。

圖1中的自適應控制模塊包括4個部分：接地判斷模塊、跳閘控制和自適應優化模塊、接地選線模塊以及輸入輸出模塊，具體如圖2～5所示。

圖1 配電網接地方式的一次接線簡圖

2.1 接地判斷模塊

圖2所示模塊的主要功能是對接地故障進行判斷并發出相關信號。為提高接地信號的準確性，本模塊中增加對母線電壓的采樣，實現與中性點電壓和電流的綜合考慮。具體步驟是：1）首先對中性點電壓、中性點電流和母線電壓進行采樣，采樣過程中應采用統一的時鐘，以保證數據在時間上的同步性；2）當發生單相接地時，接地相電壓降低，非故障相電壓升高，最高可升高為線電壓，但為了保證足夠的靈敏度和裕度，應在選擇設定合適的Vbmin和Vbmax。當母線電壓的某相電壓低于Vbmin且其余兩相電壓高于Vbmax時，則發出異常信號；3）正常情況下中性點電壓應低于Vset（一般為額定相電壓的15%），若中性點電壓高于Vset，且某相電壓發出異常信號，則判斷為接地故障；4）正常情況下中性點電流應低于Iset（一般設定為4.5 A），若中性點電壓高于Vset，且某相電壓發出異常信號，則判斷為接地故障。圖2所示模塊中采用的中性點電氣量和母線電壓復合校驗的方法，能有效避免因三相不對稱產生的中性點電壓偏移進而錯發接地信號的情況，同時也能規避當母線TV二次側斷線引起的母線電壓異常進而錯發接地信號的情況，因此具有更廣泛的適應性。

圖2 接地判斷模塊

2.2 跳閘控制和自適應優化模塊

圖3為跳閘控制和自適應優化模塊。常規的配電網接地方式為中性點經消弧線圈接地，該方式下發生單相接地故障時，通過消弧線圈實現對地電容電流的補償，一方面可限制故障電流的大小，一方面可使電弧盡快熄滅，并能有效限制電弧的重燃。消弧線圈裝置通過跟蹤電網參數和運行方式的變化實現自動調節，進而實時跟蹤補償電網的電容電流。本發明中采用預調式的跟蹤補償方式，通過掃頻裝置對電網的實時諧振頻率進行分析，結合設定的脫諧度對消弧線圈檔位進行調節，具體的優化控制策略為

式中：k0和k分別為調整前后的消弧線圈檔位；γ0為設定的脫諧度；γ為掃頻裝置分析計算得到的實際電網脫諧度；α為調整系數；Ceiling為取整函數，該模塊中設定選擇取較高檔位的整數值。

圖3 跳閘控制和自適應優化模塊

若消弧線圈檔位調整后系統的脫諧度為γ′，則對并聯電阻檔位的修正調整策略為

式中：R0和R分別為調整前后的并聯電阻值，認為可連續可調；電阻的調整與脫諧度的調整具有反比例關系，由此調整系數β為負值。

由于消弧線圈和并聯電阻與脫諧度的調整在實際中存在誤差，因此圖3所示模塊中增加了自適應的優化調整過程，即根據調整后實際系統的脫諧度和零序電流值對控制策略中的調整系數進行反饋修正，這種對參數的自適應學習優化能有效降低下一次故障時控制調整的誤差，其相應的修正公式為

式中：Sα和Sβ為優化調整步長，根據實際系統參數分析人為設定；c為權重系數，取值區間為［0，1］；I′為實際的零序電流值；I0、Imax、Imin為設定的目標零序電流值、最大零序電流值和最小零序電流值，由系統的絕緣水平、斷路器的動作電流和實際工程標準確定。

當系統發生接地時，首先投入消弧線圈對電容電流進行補償，若為瞬時接地故障，則故障點電弧熄滅，系統恢復正常，此時并聯電阻不需要投入，可通過設定開關延遲閉合時間tset（通常為10～60 s）來實現該功能；若未永久性接地故障，但故障時間大于tset時，則閉合電阻開關，此時投入根據上述策略預調整的并聯電阻，并聯電阻的投入使得系統形成回路，使得故障電流增大，觸發已整定好的線路斷路器動作跳閘隔離故障。為避免斷路器拒動后系統故障電流的持續存在，在模塊中增加一延遲控制，即當并聯電阻開關閉合后的時間大于t保＋ε時（t保為保護的動作時間，ε為裕度時間），開關自動斷開，形成對系統的后備保護。由上可看出，該接地方式下能有效保證瞬時性單相接地故障下的供電可靠性，同時可實現線路永久性單相接地故障在tset＋t保時間內自動切除，相較于傳統的人工拉路方法，其效率大大提高，同時并聯電阻的投入也使得故障線路特征明顯，提高了跳開故障線路的準確性。

2.3 故障選線模塊

根據圖3所示模塊，當斷路器拒動后，并聯電阻延時斷開，系統狀態回歸至正常經消弧線圈接地的情況。本文中為提高選線的準確性，在常規選線裝置中增加一附加分析，當電阻開關閉合后，系統的故障零序電流中將增加有功部分，且消弧線圈對電容電流實現補償后，該有功部分的比重較為明顯，因此，通過分析線路零序電流中的有功分量能大大提高故障選線的準確性。圖4所示模塊中通過與門實現與常規選線分析的耦合，若一致則直接對斷路器發出跳閘信號實現所選擇線路的隔離，若不一致，則僅通過顯示裝置將選線信息提供給調控或運維人員。該模塊的使用能大幅度提供系統選線的準確性，進而通過跳閘信號提高故障線路隔離的效率。

2.4 輸入輸出模塊

圖5中針對自適應控制模塊中的輸入輸出部分進行了定義和描述，通過外設輸入可實現電壓、電流、時間閾值以及脫諧度的設定和賦值，相關的選線信息、諧振頻率、檔位位置、相關信號則可通過顯示屏、打印機、指示燈等設備實現信息輸出。

圖4 故障選線模塊

圖5 輸入輸出模塊

在常規接地裝置的基礎上，增加經開關并聯的中性點接地電阻，提出一種自適應的控制模塊，通過采集處理相關監測數據實現對并聯電阻的優化控制。整個自適應控制部分主要由4個模塊構成：接地判斷模塊、跳閘控制和自適應優化模塊、接地選線模塊以及輸入輸出模塊。在進行接地故障判斷時，采用中性點電氣量和母線電壓復合校驗的方法，能有效避免因三相不對稱產生的中性點電壓偏移進而錯發接地信號的情況，同時也能規避當母線TV二次側斷線引起的母線電壓異常進而錯發接地信號的情況，具有較好的適應性；自適應控制模塊能根據電網信息控制投切并聯電阻，并能根據調整的電氣量對控制策略參數進行自適應優化調整，該模塊能有效保證瞬時性單相接地故障下的供電可靠性，同時可實現線路永久性單相接地故障在tset＋t保時間內自動切除，相較于傳統的人工拉路方法，其效率大大提高；故障選線模塊中增加了針對線路零序電流的附加分析，通過分析線路零序電流中的有功分量與常規選線分析相耦合，實現對系統單相接地選線準確性的大幅度提高，同時發出跳閘信號提高了故障線路隔離的效率。

3 算例分析

圖6所示為一實際地區電網的110 kV變電站，其采用了本文所提的自適應控制配網接地方式，站內3段110 kV母線采用內橋接線，通過3臺主變壓器帶6段10 kV母線運行，10 kV母線側采用分列運行模式。

實例1。2015年某日，10 kV線路4上HK01Z支152號支1桿A相避雷器引流線因雷雨大風造成與分界開關斜支撐橫擔搭碰，故障發生后10 kV 2號母線A相接地信號發出，10 kV線路4零序過流保護動作跳閘，隨后接地信號消失，故障電流保護側測量值為2.2 A。該實際案例的動作情況符合所提自適應控制接地方式的動作原理，即在10 kV線路4發生永久性接地故障的時候，需要保護動作跳開線路4。

圖6 某110 kV變電站電氣接線圖

實例2。2016年某日，該變電站10 kV 6號母線B相電壓為0 V，AC兩相電壓正常，本文所提系統發出系統電壓異常信號，后經排查為10kV6號母線B相TV二次斷線造成電壓異常，數據無法回傳，不影響線路正常運行。根據圖2所示接地判斷模塊所示原理該情況下系統裝置只發異常信號，不應發出接地信號，且不應動作跳閘，實際情況符合系統動作原理，本文所提自適應接地方式能有效應對TV二次斷線情況，避免了以往系統發出接地信號需人為判斷的情況。

4 結語

提出一種自適應控制的接地方式，詳細描述了該方式的總體框圖和各部分功能的實現方案，該接地方式在原有中性點經消弧線圈接地的基礎上，增加一組自適應控制的并聯回路，該回路中的開關投切和電阻值調整均通過自適應控制模塊實現優化調整；采用中性點電氣量和母線電壓復合校驗的方法進行接地故障判斷；定義了一種故障選線的附加控制模塊，通過對并聯電阻投入后線路零序電流的有功分量進行附加分析。實際變電站的運行案例證明了本文所提方法的有效性，一方面可以準確動作于10 kV線路的單相永久性接地故障，另一方面可有效判斷各種錯發接地信號的情況，有效避免了人為判斷帶來的運行安全風險。

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Research on Grounding Mode of Distribution Network Based on Adaptive-control Mode

QU Hanbing，YIN Maolin，JIN Yi，TAN Sujun
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Neutral grounding mode of a network is of great importance to the safe and economic operation of the power system. An adaptivecontrol neutral grounding mode of distribution power system is proposed.Based on the mode of the neutral g rounding through arc suppression coil，an adaptivecontrol parallel resistance is added with a switch.With analysis of line zero-sequence current in the fault line-selecting model，the accuracy of line selection is improved for single-phase-to-earth fault.The effectiveness is demonstrated by the actual case.

single-phase-to-earth fault；neutral grounding modes；distribution network；adaptive-control

TM726

A

1007－9904（2017）03－0001－05

2016-10-23

瞿寒冰（1985），男，高級工程師，從事電力系統調度運行與控制相關工作。