配電網(wǎng)接地故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建及應(yīng)用

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局 陳勁秋 李軼昂

配電網(wǎng)在不同的區(qū)域分布較為廣泛，由于配電網(wǎng)環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，很容易在運行過程中出現(xiàn)故障，因此如何選擇配電網(wǎng)的中性點接地就成為避免故障發(fā)生的一種有效途徑。這種方式在電力設(shè)備運行過程中比較常見[1-3]。現(xiàn)有學(xué)者也針對該技術(shù)進行了相關(guān)研究。文獻[4]通過人工智能方法對配電網(wǎng)接線和測距進行了研究，該技術(shù)通過構(gòu)建改進粒子群優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在配電網(wǎng)運行過程中，提取零序電壓以及電流的暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)特征，根據(jù)提取的特征，分析配電網(wǎng)故障選線以及故障測距。雖然該算法具有一定的技術(shù)進步性，但配電網(wǎng)接地故障暫態(tài)數(shù)據(jù)分析力度不足，在構(gòu)建配電網(wǎng)工程運行系統(tǒng)和應(yīng)用方法無法體現(xiàn)其技術(shù)優(yōu)越性。文獻[5]在配電網(wǎng)發(fā)生故障后，在如何實現(xiàn)配網(wǎng)配變支路保護，如何實現(xiàn)用戶側(cè)保護等,在比較短的時間內(nèi)，如何處理電路輸出的故障暫態(tài)信號等問題上，研究卓越，通過模擬配網(wǎng)故障暫態(tài)電壓電流,采用粒子群高斯牛頓混合算法對此模型的各參數(shù)進行辨識,實現(xiàn)暫態(tài)參數(shù)的求取。該方案雖然具有一定的技術(shù)進步性，但無法通過遠程監(jiān)控配電網(wǎng)故障暫態(tài)電壓電流的特性,當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時，如何選擇接地仍舊無法掌控。

1 接地故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型

假設(shè)在配電網(wǎng)接地回路中，以電網(wǎng)A 相線接地進行分析，則構(gòu)建的接地故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型如圖1所示[6]。在電路圖中，由于故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型通過不同的電容、電阻構(gòu)成的，其中rk為第k 支路對地的絕緣電阻，Ck為第k 支路的對地電阻，Rg為接地回路模型中的接地平衡電阻[6]。

圖1 故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型示意圖

在圖1的故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型中，當(dāng)判斷電路中是否存在接地現(xiàn)象時，通過接地暫態(tài)過程的求解，進而判斷出接地模型是否存在接地現(xiàn)象。

在圖1中，假設(shè)UA處的電壓輸出函數(shù)為：

則對圖1中的電路進行微分計算，列出微分方程為：

在公式（2）中，r 表示電網(wǎng)電路中對地絕緣電阻的總和，用公式表示為：

由于接地電流包括穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量，用公式表示為：

其中Igm表示為接地電流穩(wěn)態(tài)分量的幅值[8],用公式表示為：

用Igi表示暫態(tài)分量的初值，則存在以下公式：

其中φ 表示is超過uA的相位角，用公式表示為：

公式（7）中的γ 為時間常數(shù)，用戶可以根據(jù)電路的暫態(tài)過程衰減快慢進行設(shè)置。該時間常用公式表示為：

下面計算電路中各相對地電壓瞬時值，則有：

然后利用瞬時對稱分量法計算零序電壓u0，

其中：

然后再利用瞬時對稱分量法計算出故障支路的零序電流i01，則有：

在公式（14）中，存在這樣公式：

公式（15）為電路中故障支路零序電流穩(wěn)態(tài)分量的幅值，其中：

公式（16）表示電網(wǎng)故障支路零序電流暫態(tài)分量的初值。

用公式（17）計算電網(wǎng)電路中故障支路零序電流超前于零序電壓的相位。

通過上述公式論述，再計算故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型中非故障支路的零序電流，該零序電流的計算公式用公式表示為：

在公式（18）中，存在以下計算公式：

公式（19）表示非故障支路零序電流穩(wěn)態(tài)分量的幅值，在公式（19）中存在以下恒等量：

公式（20）表示非故障支路零序電流暫態(tài)分量的初值，則有：

通過公式（1）—（20）的分析，一旦配電網(wǎng)對地后，其內(nèi)所具有的信號，比如穩(wěn)態(tài)工頻分量數(shù)據(jù)信號、配電網(wǎng)輸出衰減指數(shù)暫態(tài)分量數(shù)據(jù)信息等多種數(shù)據(jù)信息將表現(xiàn)為與電源同頻率的狀態(tài)，使得配電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)信息包括一定的輸出信息相位差值。

2 接地信息綜合管理系統(tǒng)

本研究基于上文接地故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建，為了對配電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)信息進行綜合診斷，本研究設(shè)計了如圖2所示的接地信息綜合管理系統(tǒng)。

圖2 接地信息綜合管理系統(tǒng)

在圖2中，接地信息綜合管理系統(tǒng)包括接地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、接地信息數(shù)據(jù)分析、接地數(shù)據(jù)信息輸出和接地數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊，在配電網(wǎng)接地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，檢查故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型的零序電壓、檢查故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型中出現(xiàn)的非故障支路的零序電流，查看電路中是否出現(xiàn)零序電壓。這是因為當(dāng)配電網(wǎng)中出現(xiàn)接地?現(xiàn)象時，就會產(chǎn)生零序電壓。在配電網(wǎng)中，比如變壓器的中性點、各線路的人為中性點等處。在分析過程中，如果采用的配電網(wǎng)出現(xiàn)了零序電壓，在啟動故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型進行計算時，如果發(fā)現(xiàn)零序電壓的幅值大于設(shè)定閾值時，說明供電設(shè)施出現(xiàn)了接地現(xiàn)象。在故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型中，如果出現(xiàn)的高頻暫態(tài)電容電流的頻率大于基頻時，接地線路中出現(xiàn)的高頻分量與其他線路的高頻分量之和相同，則從配電網(wǎng)釋放的能量上來說，配電網(wǎng)出現(xiàn)的故障線路釋放的高頻能量就較大。當(dāng)配電網(wǎng)中出現(xiàn)接地現(xiàn)象時，出現(xiàn)故障線路中的高頻分量的方向與其他線路中的電流流向方向相反，則接地線路中出現(xiàn)的電流值與非接地線路中出現(xiàn)的電流值相比，接地線路中出現(xiàn)的電流值出現(xiàn)明顯幅度變化。通過分析，用戶可以在計算機管理中心管控配電網(wǎng)接地情況[1]。

3 試驗與分析

試驗時，通過采用一定的硬件和軟件條件實現(xiàn)配電網(wǎng)接地故障診斷，采用的操作系統(tǒng)為Microsoft Windows 2019，64位，通過Matlab 2018實現(xiàn)配電網(wǎng)信的模擬仿真，通過SimPowerSystem 模擬配電網(wǎng)中的線路、變壓器、負載等不同部件的變化。設(shè)置的配電網(wǎng)通過電流互感器（變流器）來代替，試驗架構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 變流器試驗架構(gòu)示意圖

下面結(jié)合圖3中變流器試驗架構(gòu)示意圖，對本研究配電網(wǎng)接地特征進行分析，采用監(jiān)測設(shè)備作為分析器具使用，為了提高檢測效果，以10個周期為采樣間隔，以動態(tài)化分析采樣點，在每種周期內(nèi)，抽取128個數(shù)據(jù)樣本，分別通過電壓、電流計算，則電壓計算公式有：

電流計算公式如下：

通過公式計算后，在380Vrms 下采集變壓器的信息，輸出量為3.47Vrms。試驗采用的模擬處理裝置中，輸出的增益參數(shù)設(shè)置為0.4274，通過電流、電壓轉(zhuǎn)換后，輸出如表1所示的不同電壓下接地電壓。

表1 不同負載下變壓器在線接地電壓電流值

通過表1的試驗數(shù)據(jù)，為了更形象地觀察試驗技術(shù)效果，通過繪制圖譜的方式，以形象地表達出來，如圖4所示。

圖4 接地特征量隨接地電阻的變化波形

在圖4中，當(dāng)配電網(wǎng)中電力設(shè)備平衡電阻不同時，則輸出電流也不同，當(dāng)接地電容取不同的數(shù)值時，當(dāng)發(fā)生接地現(xiàn)象時，絕緣電阻相對于觸電電流Ih的變化曲線示意圖如圖5所示。

圖5 接地特征量隨接地電阻的變化波形

通過在接地環(huán)境下模擬出多種曲線，能夠直觀地觀察接地情況。通過上述試驗可以看出，通過本研究方法的故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型能夠準(zhǔn)確地分析配電網(wǎng)的接地特性。

在驗證本研究技術(shù)方案的誤差時，分別采用方案一、二、三進行對比分析，其中方案一為設(shè)備檢測、方案二為萬用表檢測、方案三采用超聲波檢測方法，以樣本的方式抽取10個數(shù)據(jù)點進行測量，當(dāng)接地時，則輸出有電壓值，否則為0，通過這個標(biāo)準(zhǔn)衡量。測量數(shù)據(jù)表如表2所示。

表2 測量數(shù)量表

在表2的樣本數(shù)據(jù)庫中，人為制造一些接地因素，然后通過不同的方法進行檢測，可以得到，本研究的方法在不同的點均可檢測出接地因素，采用其他方案則存在盲點情況，再經(jīng)過100分鐘的測試后，繪制出如圖6所示的誤差對比示意圖。

圖6 誤差對比曲線圖

通過圖6可以看出，在整個測量過程中，只有本研究的技術(shù)方案誤差比較低。說明本研究的技術(shù)方案較佳。

4 結(jié)語

本文針對配電網(wǎng)接地中存在的故障問題，進行了以下技術(shù)研究：構(gòu)建了接地故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)不同情形下的故障暫態(tài)分析；構(gòu)建了接地信息綜合管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了不同情況下接地狀況的分析。

通過試驗，本研究具有較好的技術(shù)效果，但在應(yīng)用過程中，仍舊存在一些不足之處，這需要進一步的研究。