基于相似性原理的配電網(wǎng)暫態(tài)分界技術(shù)研究

史建海，王敬華，褚宏鼎

（1.中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255049）

0 引言

近年來，自動分界開關(guān)在國內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用，分界開關(guān)是將線路分段開關(guān)和微機(jī)保護(hù)測控以及通信功能融為一體的裝置，一般安裝在用戶供電系統(tǒng)與供電企業(yè)所管轄的公共配電網(wǎng)的分界點上，可直接切除用戶系統(tǒng)故障，或在上級斷路器（如變電站線路出口斷路器）動作后隔離用戶系統(tǒng)內(nèi)的故障，防止用戶側(cè)故障造成同線路上其他用戶停電。然而，分界開關(guān)在運行過程中，存在誤動與拒動現(xiàn)象[1-3]。

配電網(wǎng)一般采用中性點不接地或者經(jīng)消弧線圈接地方式，在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，由于消弧線圈對電流的補(bǔ)償作用，采用穩(wěn)態(tài)法檢測故障的分界開關(guān)容易拒動。文獻(xiàn)[4]所提故障分界方法過多依賴通信方式，制約因素較多；文獻(xiàn)[5]需同時采集工頻零序電壓和工頻零序電流的幅值與相位特征，方法復(fù)雜，且工頻信號靈敏度差。

針對上述問題，提出一種基于暫態(tài)零序電流波形相似性的分界技術(shù)，可以避免消弧線圈補(bǔ)償電流影響，并且利用波形相似的原理進(jìn)行故障判斷，該方法檢測靈敏度高，能有效提高分界開關(guān)動作可靠性和準(zhǔn)確性。

1 穩(wěn)態(tài)法存在的問題

目前現(xiàn)場安裝的分界開關(guān)一般通過檢測穩(wěn)態(tài)（工頻）零序電流幅值的方法實現(xiàn)接地故障分界，實際應(yīng)用中存在誤動與拒動現(xiàn)象。

誤動現(xiàn)象一部分是由分界開關(guān)電流定值過低導(dǎo)致，當(dāng)故障點位于系統(tǒng)側(cè)時，若用戶側(cè)線路較長、對地電容電流較大，則流過分界開關(guān)的零序電流可能超過動作值，造成分界開關(guān)誤動；另一部分是由間歇性接地故障導(dǎo)致，間歇性接地時故障零序電流的暫態(tài)分量較大，導(dǎo)致普通穩(wěn)態(tài)方法計算出的零序電流有效值遠(yuǎn)大于實際值，可能造成分界開關(guān)誤動[6-7]。

采用中性點經(jīng)消弧線圈接地的方式，可以有效抑制弧光接地對電力系統(tǒng)的損害，顯著提高電力系統(tǒng)的供電可靠性。但當(dāng)故障發(fā)生點位于用戶側(cè)時，由于受消弧線圈對電流的補(bǔ)償作用，使得流過分界開關(guān)的故障零序電流減小，甚至小于整定動作值，造成分界開關(guān)拒動現(xiàn)象。

2 基于暫態(tài)零序電流波形相似性的分界技術(shù)

基于暫態(tài)零序電流波形相似性的故障分界原理是，選取線路發(fā)生單相接地故障時暫態(tài)零序電流波形作為參考波形，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，故障暫態(tài)零序電流波形與參考波形相比，極性相同，幅值相近，波形相似度高；當(dāng)區(qū)外故障時，零序電流波形與參考波形相比，極性有差異，幅值差距大，波形相似度低[8]。因此，將2條暫態(tài)零序電流采樣計算后的相似系數(shù)數(shù)值作為分界判斷的依據(jù)。

2.1 零序電流整定值計算

零序電流整定值按照大于本線路穩(wěn)態(tài)電容電流幅值的η倍進(jìn)行整定：

式中：η為常數(shù)，可取為6～10；IB0為穩(wěn)態(tài)電容電流幅值，A；U0為零序電壓幅值，A，其數(shù)值等于故障點位置正常運行時電壓幅值；ω為工頻角頻率，Hz；C為本線路的單相對地電容。

對線路零序電流互感器所檢測到的暫態(tài)零序電流 i1（t）進(jìn)行有效值 I1（t）的計算，判斷其是否達(dá)到整定值 ISet，若 I1（t）達(dá)到整定值 ISet，則進(jìn)行下一步分界判定，否則判定為區(qū)外故障。

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2.2 電流波形相似系數(shù)計算

統(tǒng)計學(xué)中規(guī)定，相似系數(shù)是反映兩個量之間相似度的量，電流波形相似系數(shù)計算公式[9]為

式中：t為采樣點，t=1，2，…，n；i1（t）為故障波形暫態(tài)零序電流系列值，A；i2（t）為選定波形暫態(tài)零序電流系列值，A；ρ12為 i1（t）與 i2（t）間波形相似系數(shù)。

2.3 基于暫態(tài)零序電流波形法的分界判斷

定義 ρset為相似度閾值，可按照 0.4＜ρset＜0.6 進(jìn)行整定。若 ρ12＜ρset，判斷為區(qū)外故障；若 ρ12≥ρset，判斷為區(qū)內(nèi)故障。

暫態(tài)零序電流波形法的分界判斷流程如圖1所示。

3 仿真驗證

暫態(tài)零序電流波形法適用于中性點不接地和中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，以中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)為例，進(jìn)行單相接地故障情況下分界方法的仿真驗證。

3.1 仿真模型線路結(jié)構(gòu)與參數(shù)

基于ATP仿真軟件建立仿真模型如圖2所示。計算步長為10 μs，采樣頻率為50 kHz，暫態(tài)零序電流采樣選取一周波1 000采樣點。仿真模型中，線路1為0.24 km架空線路，穩(wěn)態(tài)電容電流0.005 4 A，線路2為1 km電纜線路，穩(wěn)態(tài)電容電流2.597 9 A。設(shè)置故障條件如下[9-13]：

1）故障點分別位于線路1、線路2分界開關(guān)負(fù)荷側(cè)；

3）故障初相角分別為 0°、45°、90°。

含有多條出線的10 kV配電網(wǎng)中，系統(tǒng)接地方式為中性點經(jīng)消弧線圈接地，全系統(tǒng)電容電流為30 A。系統(tǒng)消弧線圈過補(bǔ)償度10%，消弧線圈大小為685 mH，并聯(lián)電阻3 000 Ω補(bǔ)償后接地電流為3 A。

圖2 ATP仿真模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 仿真結(jié)果分析

為了驗證方法準(zhǔn)確性，采用圖2中仿真模型。將ATP模型仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB，利用編寫程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并加入FIR濾波器，采用200～2 000 Hz帶通濾波，得到濾波后的波形，仿真結(jié)果如圖3與圖4所示。

圖3 區(qū)內(nèi)故障時波形相似性對比

圖4 區(qū)外故障時波形相似性對比

圖3與圖4所示仿真波形中，包含1條零序電流參考波形和1條故障時本線路的零序電流波形。

由上述分析可得結(jié)論：區(qū)內(nèi)故障，兩故障條件相近時的波形相比，幅值相近、極性相同，波形相似度很高；區(qū)外故障時，與參考零序電流波形相比，暫態(tài)零序電流很小，兩條波形幅值相差很大，且波形相似較低。

波形受故障初相角、接地電阻等條件影響較大，因此根據(jù)3.1節(jié)中故障條件進(jìn)行仿真，并在MATLAB中計算得到兩條波形的相似系數(shù)數(shù)值，計算結(jié)果如表1～3所示。

表2 區(qū)內(nèi)高阻故障波形相似系數(shù)

表3 區(qū)外故障波形相似系數(shù)

由表1～3可知：

1）相同接地電阻、相同初相角條件下，相似系數(shù)數(shù)值為1，對于判斷故障具有很高的靈敏性；

2）對于接地電阻差較大、不同初相角條件下，相似系數(shù)數(shù)值很低；

3）區(qū)內(nèi)故障，接地電阻、初相角相近的情況下，相似系數(shù)多在0.6以上。區(qū)外故障，相似系數(shù)值普遍在0.1以下，因此，單相接地故障分界時，選擇閾值可以有很大的裕度；

4）驗證了基于相似性原理的暫態(tài)分界技術(shù)的可行性，并初步具備了一定的可靠性和準(zhǔn)確性；

5）高阻接地故障下零序電流幅值很小，采用波形法容易導(dǎo)致誤動。因此，上述方法中預(yù)設(shè)一個零序電流啟動閾值，對于未達(dá)到零序電流動作值的波形，不進(jìn)行相似系數(shù)計算。

4 結(jié)語

暫態(tài)零序電流波形方法同時適用于中性點不接地和中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。單相接地故障時暫態(tài)零序電流幅值很大，因此具有很高的檢測靈敏性，并且不受用戶線路長度影響。區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障波形相似系數(shù)計算值相差很大，有很大的相似度閾值。

所提暫態(tài)波形分界法相比穩(wěn)態(tài)法有明顯優(yōu)勢，具有更高的檢測靈敏性和更好的可靠性，并且不需要提高硬件設(shè)備條件，實用性強(qiáng)。通過仿真實驗，驗證了方法可行性和可靠性。暫態(tài)波形法還處于仿真階段，對于該方法可靠性的進(jìn)一步研究工作，還需要大量的工程現(xiàn)場應(yīng)用完成。