基于多分量融合的調(diào)度端小電流接地選線策略

許 鵬，湯 俊，楊 湘，胡雅琴，周 楊

(國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

中國10～35 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)大多采用中性點(diǎn)非有效接地方式，即不接地或經(jīng)消弧線圈接地的小電流接地系統(tǒng)。對(duì)小電流接地系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，單相接地故障的概率高達(dá)80%[1]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相間故障。同時(shí)，接地故障的精準(zhǔn)高效處理對(duì)于同溝道電纜起火和森林草原火災(zāi)等隱患的防范具有重要意義[2]。

目前，國內(nèi)外對(duì)小電流接地選線理論研究較多，主要可根據(jù)部署方式的不同分為廠站端分析和調(diào)度主站端分析兩大類。目前廠站端分析計(jì)算所采用的算法包括：1)基于零序電力為主的穩(wěn)態(tài)故障信號(hào)分析，如零序電流幅值比較法[3]、零序電流方向保護(hù)法[4-5]等；2)基于暫態(tài)故障信號(hào)分析，如零序電流暫態(tài)量選線法[6-13]、暫態(tài)相電流選線法[14]、小波分析選線法[15-20]等。基于廠站端數(shù)據(jù)的選線理論及裝置開發(fā)已相對(duì)成熟，成功率較高[21]，但該方法在實(shí)際工程應(yīng)用中，存在裝置部署成本高、建設(shè)工期長的顯著問題，實(shí)際的推廣效果十分有限。調(diào)度端由于受到數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和處理能力的影響，其分析方法相對(duì)較少，主要以遠(yuǎn)程采樣的零序電流幅值變化作為判定依據(jù)[22]。但就目前的實(shí)踐環(huán)境而言，零序電流特征的可靠性難以保證：1)零序電流需進(jìn)行單獨(dú)采樣，目前大部分地區(qū)的實(shí)際零序電流采樣覆蓋率不到50%，因而需在每個(gè)發(fā)電廠及變電站安裝獨(dú)立的選線裝置并完善各支路的零序回路，投資及運(yùn)行維護(hù)成本高；2)配電網(wǎng)線路正常運(yùn)行時(shí)，零序電流幾乎為0，無有效手段實(shí)時(shí)監(jiān)測零序采樣回路的正確性，從而經(jīng)常出現(xiàn)零序采樣CT故障或接線錯(cuò)誤導(dǎo)致選線失敗現(xiàn)象。

鑒于此，提出多分量融合的調(diào)度端小電流接地選線策略，基于饋線電流及無功功率的變化量，構(gòu)建融合優(yōu)化選線指標(biāo)，以提升小電流接地故障定位及處理效率。該方法的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)為調(diào)度主站端的饋線電流及無功功率，屬于實(shí)時(shí)校驗(yàn)的系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)參量，具有良好的可靠性，同時(shí)通過融合指標(biāo)的構(gòu)建有效提升了選線的準(zhǔn)確性，具有良好的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

1 接地故障單分量影響分析

1.1 電流分量變化機(jī)理

圖1 小電流接地接線

圖2 接地后電流電壓矢量圖

圖3 接地前后電流變化矢量圖

對(duì)于非接地線路而言，由于A相電壓為0，A相對(duì)地電容電流為0，因此，非接地線路A相電流變化很小。鑒于此，可以將線路接地前后的相電流變化量作為選線的判決指標(biāo)之一。

值得注意的是，根據(jù)圖3中向量關(guān)系可以看出，當(dāng)電容電流Ic0a一定時(shí)，則接地線路相電流變化量為

|Iph|-|Ifh|

(1)

對(duì)式(1)求|Ifh|的導(dǎo)數(shù)，得

(|Iph|-|Ifh|)′

因此故障前負(fù)荷電流Ifh越大，接地線路相電流變化量將越小，即相電流變化越不明顯。若僅將相電流變化量指標(biāo)作為唯一判據(jù)，對(duì)于負(fù)載較大線路接地情況的判定存在一定的局限性。

1.2 無功功率分量變化機(jī)理

為避免線路本身原始電流差異性的影響，考慮引入負(fù)荷線路的無功功率變化量作為判據(jù)之一，其理論上的具體變化量推導(dǎo)計(jì)算如下。

目前，10 kV出線基本上都采用兩表法測量瞬時(shí)功率為

S0=UaIa+UcIc+UbIb

=UaIa+UcIc+Ub(-Ia-Ic)

=(Ua-Ub)Ia+(Uc-Ub)Ic

=UabIa+UcbIc

(2)

當(dāng)A相發(fā)生單相接地后，由于有接地電容電流的存在，A相CT測量到的電流為接地后的相電流Iph=Ia+Ic0a，其中Ic0a為流過接地點(diǎn)的電容電流，此時(shí)兩表法測得的功率為

S1=Uab(Ia+Ic0a)+UcbIc

=UabIa+UcbIc+UabIc0a

(3)

ΔS=S1-S0=UabIc0a

式中，UabIc0a即為接地電容電流產(chǎn)生的功率，即接地前后功率的變化量。由圖2可以看出，Uab滯后Ic0a60°，即接地電容電流產(chǎn)生的無功功率為

ΔQ=ΔSsinθ

=UabIc0asin(-60°)

(4)

從式(4)可以看出：Uab為母線線電壓，接地前后不發(fā)生變化，其值為10 kV，因此，接地線路的無功功率變化量僅由接地點(diǎn)電流Ic0a決定，與負(fù)荷大小無關(guān)，接地點(diǎn)電流越大，無功功率變化越大。非接地線路的無功功率變化僅由本線路對(duì)地電容電流決定，其無功功率變化量將遠(yuǎn)小于接地線路。

2 基于三角模融合的IQ綜合選線法

根據(jù)上述單分量影響分析結(jié)果，考慮單分量的偶然性和各分量的判定局限性，為綜合評(píng)價(jià)各線路發(fā)生故障的概率特性，平衡電流變化量指標(biāo)的線路負(fù)載影響局限性和無功功率變化量指標(biāo)的幅值限定性，提出一種基于三角模融合的主站端IQ綜合接地選線判定策略，其具體的實(shí)現(xiàn)過程如下：

1)通過歸一化處理，保證兩項(xiàng)指標(biāo)的可融合性，克服無功功率變化的幅值限定性。

(5)

式中：λi為電流變化量指標(biāo)；μi為無功功率變化量指標(biāo)；|ΔIi|為第i條線路的電流變化量；|ΔQi|為第i條線路的無功功率變化量；∑|ΔI|為所有出線電流變化量之和；∑|ΔQ|為所有出線無功功率變化量之和。

2)構(gòu)建三角模融合算子，對(duì)多分量進(jìn)行融合分析，利用三角模算子的同向相加性和反向調(diào)和性，實(shí)現(xiàn)對(duì)各線路接地概率的綜合評(píng)價(jià)計(jì)算。其具體計(jì)算式為

(6)

式中，F(xiàn)(λi,μi)為第i條線路的融合判據(jù)。

則每條線路最終的接地概率為

(7)

式中：Pi為第i條線路的接地概率；∑F(λ,μ)為所有線路的融合判據(jù)和。

3 實(shí)施案例

根據(jù)所提出的主站端接地選線判據(jù)，在某電力公司調(diào)度控制主站系統(tǒng)上成功部署IQ綜合選線法。各變電站與調(diào)度端通信采用IEC-104規(guī)約，主站根據(jù)母線相電壓變化來判斷接地相，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，電流及無功功率采用接地前20 s、接地后30 s的數(shù)據(jù)計(jì)算變化量。在過去1年中，該功能已累計(jì)完成數(shù)百次的故障選線決策，在受實(shí)際環(huán)境干擾和采集質(zhì)量影響的情況下，選線準(zhǔn)確率依然可達(dá)90%以上，這里以實(shí)際案例結(jié)果來分析IQ綜合選線法的計(jì)算結(jié)果。

3.1 實(shí)例1：2018年11月23日11:33成都天華站天壽路接地

天華站出現(xiàn)接地后，計(jì)算程序啟動(dòng)，于11:33給出計(jì)算結(jié)果，如表1所示。

表1 天華站接地故障實(shí)測結(jié)果

可以看出IQ綜合選線法給出天壽路故障概率為78.8%，天鎮(zhèn)路接地故障概率為21.2%，調(diào)度員根據(jù)IQ綜合法選線結(jié)果拉開941天壽路斷路器，母線接地信號(hào)復(fù)歸，證明確實(shí)是941天壽路發(fā)生接地，與IQ綜合法選線判斷結(jié)果一致，其執(zhí)行及狀態(tài)反饋過程如圖4所示。

圖4 天華站接地故障后執(zhí)行及狀態(tài)反饋過程

3.2 實(shí)例2：2018年12月3日10:40成都繁江站江城四路接地

繁江站出現(xiàn)接地后，計(jì)算程序啟動(dòng)，于10：41給出計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

表2 繁江站接地故障實(shí)測結(jié)果

可以看出IQ綜合選線法給出江城四路故障概率為80.5%，遠(yuǎn)高于其他線路，故判斷江城四路發(fā)生接地故障，調(diào)度員根據(jù)IQ綜合法選線結(jié)果拉開910江城四路斷路器，母線接地信號(hào)復(fù)歸，證明確實(shí)是910江城四路發(fā)生接地，與IQ綜合選線法判斷結(jié)果一致，其執(zhí)行及狀態(tài)反饋過程如圖5所示。

圖5 繁江站接地故障后執(zhí)行及狀態(tài)反饋過程

3.3 實(shí)例3：IQ綜合選線法與零序幅值選線法對(duì)比

2018年12月27日02:34成都光輝站905光農(nóng)路接地。光輝站接地故障實(shí)測結(jié)果如表3所示。從零序幅值選線法可以看出光農(nóng)路零序電流最大，為29.76 A，而該線路在IQ綜合選線法排序中的接地概率計(jì)算為94.61%，排序第一，可見兩種方法雖然對(duì)于其他正常線路存在一定的排序差異，但對(duì)于接地線路的判斷結(jié)果一致，也證明了所提方法判定的準(zhǔn)確性。

表3 光輝站接地故障實(shí)測結(jié)果

而在實(shí)際拉開光農(nóng)路斷路器后，母線接地信號(hào)復(fù)歸，證明確實(shí)是光農(nóng)路發(fā)生接地，與判斷結(jié)果一致，其執(zhí)行及狀態(tài)反饋過程如圖6。

圖6 光輝站接地故障后執(zhí)行及狀態(tài)反饋過程

4 技術(shù)適應(yīng)性分析

除常規(guī)的中性點(diǎn)不接地或小電阻接地系統(tǒng)外，所提方法對(duì)于經(jīng)大過渡電阻接地和經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)亦具有一定的指導(dǎo)意義。

對(duì)于經(jīng)大過渡電阻接地的情況，由于接地電阻的增大，故障后的特征量均會(huì)相應(yīng)受到一定程度的削弱，故障量特征會(huì)體現(xiàn)得較不明顯。所提方法中，通過多分量融合過程中的算子歸一化處理，一定程度上放大了高阻接地情況下的故障量特征，提升了算法對(duì)于大過渡電阻接地系統(tǒng)的適應(yīng)性。極端情況下，若經(jīng)高阻接地后故障量值已低于采集精度，則存在方法局限性，需依靠現(xiàn)場更加精密的采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)甄別。

對(duì)于經(jīng)消弧線圈接地的情況，由于消弧線圈補(bǔ)償?shù)淖饔糜绊懀赡軐?dǎo)致故障相的相關(guān)特征量與常規(guī)情況產(chǎn)生較大差異，甚至出現(xiàn)過補(bǔ)償情況。針對(duì)這一場景，所提方法的適應(yīng)性體現(xiàn)為相對(duì)變化量的判定。接地發(fā)生后，第一次線路判定中可能會(huì)存在因補(bǔ)償量影響而導(dǎo)致的判定失誤，但此時(shí)若拉開任何一條線路，接地線路故障特征的相對(duì)變化量會(huì)呈現(xiàn)出顯著的差異性，即可準(zhǔn)確判定接地線路，其原理與基于零序電流判定的方法一致[22]。相對(duì)而言，這一方法的局限性在于第一次線路判定過程中往往可能發(fā)生誤判，存在一定的“試?yán)憋L(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這一問題，后續(xù)將針對(duì)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的線路識(shí)別開展基于歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的選路方法，提升第一次選路環(huán)節(jié)的正確率。

5 結(jié) 語

上面提出了一種基于無功功率及電流變化量融合的調(diào)度端小電流接地選線策略，相對(duì)于常規(guī)的選線方案，所提出的選線策略具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

1)基于調(diào)度主站端無功功率及電流采集量開展，具備狀態(tài)估計(jì)實(shí)時(shí)校驗(yàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采樣準(zhǔn)確性支撐，且相對(duì)于常規(guī)選線方法，無需新增采樣監(jiān)測設(shè)備，投資及維護(hù)成本低，具備良好的可推廣性；

2)以多分量的三角模融合算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流變化量和無功功率變化量指標(biāo)的綜合判定，在保留各指標(biāo)有效特征的同時(shí)，抑制其局限性，綜合提升判定可靠性及準(zhǔn)確性；

3)通過在某電力公司調(diào)度端實(shí)際部署IQ綜合選線法小電流接地選線模塊，通過長期檢驗(yàn)證明了其理論正確性和實(shí)踐有效性，大大縮短了單相接地故障處理時(shí)間，提高了單相接地故障的處理速度和準(zhǔn)確性。