配電網消弧線圈優化控制策略

吳文曉，許 燕，楊學君，由 靜

（1.國網浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江 金華 321017；2.國網技術學院，濟南 250000）

0 引言

隨著我國“智能電網”戰略的實施，電網的安全穩定運行面臨著新的挑戰。配電網中單相接地故障發生概率最大，系統發生單相接地故障后快速、準確地選出故障線路對于電網安全運行具有重要意義。

我國配電網的中性點運行方式多為小電流接地運行方式。目前，對于小電流接地系統尤其是中性點經消弧線圈接地的諧振接地配電網，故障選線的可靠性還有待提高[1]。多種選線方法諸如暫態行波法[2]、小波奇異性檢測法[3]、注入法[4]被提出，選線的可靠性大大提高。其中，基于暫態量的選線方法[5－6]的正確率受多種因素影響，對設備要求高；注入法則需要對一次設備進行操作，硬件投資高，代價比較大；而基于穩態量的選線方法原理簡單，可靠性高[7－10]。文獻[11]提出了零序電流綜合增量法，利用故障后2次調節電感對應的系統量測信息進行故障選線，該方法不需要裝設額外設備，實現方便。但是，該方法定義的零序電流綜合增量受過渡電阻和故障距離的影響，當發生電弧接地、絕緣擊穿等高阻接地時，中性點電壓減小，零序電流綜合增量降低致使故障特征不明顯，從而影響選線成功率[12]；文獻[13]提出了基于改進的零序電流綜合增量法，增大了故障線路與非故障線路的差異性。

對于諧振電網，傳統基于穩態量的選線方法為了保證選線成功率，通常增大消弧線圈補償度的變化量，但是故障點的殘流增大，不但不利于熄弧，還會加重故障程度，使得故障向更為嚴重的方向發展。為了實現消弧與選線的兼顧，解決消弧與選線間的矛盾，在考慮交流電弧熄弧條件的前提下，提出了基于改進零序電流綜合增量法、兼顧消弧與選線的消弧線圈最優控制策略，并通過PSCAD仿真實驗驗證了控制策略的有效性。

1 綜合增量法選線原理

圖1為諧振接地系統發生單相接地故障時補償電網電路圖。設電網共有n條支路，支路i的A相經電阻Rd發生單相接地，接地電流的參考方向如圖所示。

其零序等值電路如圖2所示。

圖1 補償電網系統

圖2 零序電路等值電路

式中：U0為故障點的零序電壓；Cj和rj分別為健全支路的對地電容和等效電阻，j=1，2，…，n（j≠i）。

由于在配電網中，多采用Y－Δ接法，故主變壓器支路零序電流為零；消弧線圈支路電流為：

式中：rL，L分別為消弧線圈電阻及電感。

根據圖2知，系統發生阻值為Rd的單相接地故障，消弧線圈導納為[1/rL－j（1/ωL）]時，中性點電壓為：

式中：CA，rA分別為A相對地電容和電阻。

消弧線圈改變檔位， 導納為[1/rL－j（1/ωL′）]時，中性點電壓為：

消弧線圈補償度的變化必然引起零序回路中零序電流的改變，定義零序電流綜合增量為：

由公式（1）—（6）知，非故障線路補償程度改變前后零序電流的變化量為：

因此，改變消弧線圈導納前后，非故障零序電流的綜合增量無變化，故障線路的零序電流綜合增量發生變化，根據流入線路零序電流的綜合增量是否發生變化，可以找出發生單相接地故障的線路。

2 改進綜合增量法

2.1 改進綜合增量法選線原理

考慮到傳統的綜合增量法在高阻接地情況下故障特征不明顯，為此提出改進的綜合增量法，旨在盡量減小脫諧度變化量的情況下保證故障特征，從而保證選線的正確性。

對于任意一條線路k，進行如下定義，并且滿足：

對于非故障線路公式（9）可寫作：

對于故障線路，結合公式（3），可將公式（9）寫作：

定義零序電流的改進綜合增量，見公式（12）：

根據公式（12），非故障支路與故障支路的零序電流改進綜合增量分別為：

由公式（7）， （8）， （13）， （14）可知， 相比于傳統的零序電流綜合增量法，采用改進的零序電流綜合增量法后，故障線路與非故障線路的差異更加顯著了，故障線路零序電流改進綜合增量的變化量為消弧線圈電流變化的（n－1）倍，且非故障線路與故障線路的零序電流改進綜合增量變化趨勢相反。當系統越復雜、線路條數越多，故障線路的增量越明顯。因此，在消弧線圈脫諧度改變量相同的情況下，改進后零序電流綜合增量法使得故障線路與非故障線路的差異更加顯著，在滿足有效選線的前提下，可以有效降低殘流量，降低選線對消弧造成的不利影響。

2.2 故障期間消弧線圈最優控制策略

我國低壓配電網多數采用小電流接地運行方式，而且隨著系統對地電容電流的日益增大，諧振接地電網所占的比重將越來越大。在諧振接地電網中，由于接地點的電容電流受消弧線圈的感性電流補償，使得電網供電的可靠性提高，但如何提高消弧線圈的補償性能，在保證消弧線圈有效消弧的前提下可靠選線引起人們的極大關注。消弧與選線一直是個矛盾，消弧線圈的存在會減弱零序電流信號，降低傳統依靠零序電流幅值差異進行選線方法的可靠性，若增大故障點殘流又可能造成電弧重燃，嚴重威脅電力系統安全。基于改進后的零序電流綜合增量法，通過消弧線圈故障期間的優化控制策略可實現消弧與選線的兼顧。

根據消弧理論[13－14]，接地點殘流小于10 A時，電弧能夠自行熄滅，一些瞬時性故障能自行消失，因此當故障發生后精確控制消弧線圈使接地點殘流小于10 A便可以實現有效的消弧，但接地點的殘流越小，故障選線越困難[15]。對消弧線圈而言，其主要作用是消弧，其次是補償永久性接地故障時的接地電流。為此，系統消弧線圈的控制滿足以下原則更有利于實現消弧與選線的兼顧：在故障發生后，消弧線圈調節至全補償點，二次調節點在滿足故障點殘流小于10 A的前提下，盡可能地大即可。根據這個思想，以下給出基于改進綜合增量法的消弧線圈故障期間的優化控制策略。

根據公式（5）可得：

3 仿真分析

基于PSCAD的仿真系統原理見圖3。系統為10 kV配電網，仿真試驗測試文中所提方法用于諧振接地系統中在消弧和選線方面的表現。電網系統 L1， L2， L3， L4， L5這 5 條出線的長度分別為9 km，11 km，7 km，5 km，13.5 km，電網線路模型采用貝杰龍模型，系統總的對地電容為341 μF，故障設置在線路上。

圖3 仿真系統

利用仿真模型，設置不同過渡電阻、故障距離下的單相接地故障。考慮到測量設備存在誤差，為了保證熄弧效果，設置β=0.9，即二次調節消弧線圈使得故障電流的目標殘流達到9 A。諧振狀態對應的電感為1.174 2 H，對應每種故障將消弧線圈的電感從L對應的系統全補償狀態調節至文中對應的參數設置L′，詳見表1。

以Rd=50 Ω，l=5.0 km故障情況為例，根據公式（17）的控制策略，給出此控制策略下的故障點殘流變化情況（見圖4）。仿真設置在0.2 s發生單相接地故障，0.3 s消弧線圈調至諧振狀態，0.45 s消弧線圈進行第二次調節，故障點殘流控制目標為9 A，根據仿真波形，電流峰值不大于14 A，即有效值小于10 A，低于電弧重燃水平，滿足熄弧要求。

表1 消弧線圈二次調節值

圖4 故障點流殘流變化情況

表2給出了采用零序電流綜合增量法選線與其改進方法的選線情況對比。分析表中數據，傳統基于零序電流綜合增量故障線路與非故障線路間的差異性較改進后的零序電流綜合增量法的差異性要小，即故障特征表現得不夠顯著，因此在諸如發生高阻性接地故障時，要犧牲消弧線圈的消弧性能來保證選線的成功率。同時，發現在系統中的線路L5為健全線路，但與其他健全線路的零序電流增量變化情況不一致，究其原因是該線路較其他線路要長得多，傳統的方法選線錯誤，而改進后的方法雖然該條線路的變化情況與其他線路不同，但不影響正確選線。

4 結語

針對消弧與選線矛盾的問題，提出了基于改進零序電流綜合增量法的消弧線圈優化控制策略。相比傳統基于綜合增量的選線方法，改進的綜合增量法能夠增大故障線路與非故障線路間零序電流綜合增量，從而增大故障線路與非故障間的差異性，減小過渡電阻、故障位置及過長線路對選線正確率的影響。提出的消弧線圈優化控制策略能夠在保證選線可靠性的前提下，最大程度地降低故障點的殘流，從而實現消弧與選線的兼顧，提高供配電系統的可靠性。

表2 零序電流綜合增量法與其改進方法選線結果對比

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