基于電網全景模型的發電機組接地故障快速定位系統設計

冷述文，馬晉輝，王 敏，房東賢

（1.華能山東發電有限公司生產環保部，山東濟南 250014；2.中國華能集團有限公司生產環保部，北京 100031；3.華能濟南黃臺發電有限公司電熱隊，山東濟南 250100）

發電機定子單相接地故障為發電機常見故障，發生故障時過高的電流容易燒壞定子鐵芯，繼而影響發電機組的正常運行[1]。目前，故障定位系統多數將分布測量裝置安裝在總線上，導致故障數據收集不足，系統難以在線準確定位故障[2]。在相關研究中，利用“S”信號注入法定位發電機單相接地方式，可以沿線路跟蹤信號檢測。接地電阻越大，正常線路或未發生故障的區域就越容易產生“S”信號，這是因為線路具有分布電容性[3]。這種“過流”效應越明顯，接地電阻就越高，無故障段的線路就越長，從而影響定位效果。為了進一步提高故障定位精度，文中提出了基于電網全景模型的發電機組接地故障快速定位系統設計。

1 系統硬件結構設計

發電機組接地故障快速定位系統由主站層、通信網絡層、設備層組成，如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構

由圖1可知，當單相接地時，設備層將單相接地故障信息通過通信網絡層發送到配電自動化主站[4]。配網主站通過分析終端發送的信息和故障指標定位故障點，再根據配電網運行狀態自動生成改造方案。調度員可根據實際應用，選擇手動、半自動或自動的方式進行故障隔離和電力恢復。

1.1 電流相量采集中高端CPMU

線路采集終端CPMU固定于線端各三相線路的起始點，圖2顯示了采集終端采集和傳送信號的基本結構。

由圖2 可知，A、B、C 三相CPMU 全部由電流互感器、S3C2410數據處理采集單元、GPS同步定時裝置、電源及近場通信模塊組成[5-8]。另外，C 相CPMU 還配有中遠程通信裝置。相位CPMU 是主要的控制合成模塊，可以通過S3C2410中斷控制數據采集處理單元，實現遠程同步采集[9-10]。因為C相CPMU是主集成模塊，所以C 相CPMU 還配備了中遠程通信模塊，其結構如圖3 所示。

圖2 CPMU傳輸信號結構圖

圖3 C相CPMU結構

由圖3 可知，用三相CPMU 對原始采集的離散數據進行簡單的傅里葉變換，得到工頻分量的實部和虛部，從而得到采樣電流的相量[11-12]。A、B相通過近場通信裝置無線傳輸真實與虛擬部分的數據至C相CPMU，將采集到的三相數據進行運算、處理、分析和比較。CPMU電源的供電方式是從變壓器中抽出一根線，直接給電源充電，再由電源為設備供電，從而實現自供電。

1.2 故障指示器

對于配電裝置，尤其是有大量負荷開關的系統，如果發生下一級短路和接地故障，應盡快將其隔離開，否則會引起大面積電網故障[13]。故障指示器主要包括電源采集系統、電源系統、交流電流電壓采集回路、主處理機和無線通信部分等[14]。對電源系統而言，電源故障指示燈采用蓄電池供電和外接電源電壓供電，電池組由電池和感應器供電，外置太陽能電池板提供動力[15]。該處理器有45 μA/MHz@3V 睡眠模式功耗和180 μA/MHz@3V 正常功耗，具有靈活的電源隔離系統、內部RTC 功能、強大的處理性能，可實時處理數據傳輸。

2 系統軟件部分設計

2.1 電網全景模型

利用可擴展矢量圖、CIM/XML、實時數據庫等技術，構建網格圖形模型交互中心，包括網格圖形元素、公共數據對象編碼及界面集成。交互式中心通過一個信息集成平臺，將用戶生產管理系統、GIS 系統、銷售系統等存儲在各個系統層面上的信息進行無縫集成，返回業務系統處理，對數據質量進行嚴格檢查，并對進入圖形模型交互中心的各系統的數據進行相應的分析與拼接，電網全景模型如圖4 所示。

圖4 電網全景模型

由圖4 可知，電網全景模型構建了一整套CIM模型空間，為實現電力網絡數據圖形化提供了堅實基礎。將地理信息數據與圖形相結合，可形成完整的基于地理空間網格圖，融合地理信息數據，并提供基于網絡拓撲劃分功能。在此基礎上，以簡潔方式反映整個電氣網絡拓撲結構，為電網管控、監測和分析提供一個統一視角。

2.2 故障定位流程

在電網全景模型中點擊“錯誤分析”事件，啟動錯誤識別程序。圖5 所示為故障定位流程。

圖5 故障定位流程

由圖5 可知，該故障為電流系統單相接地故障。監控系統的零序電壓U0，判斷是否超出臨界值。當U0超過設定的閾值時，通過主站服務器接收采集的數據。在相同收集時間內，計算每條線I0和U0之間的相對相位。計算公式為：

將數據存放在數據庫中，需滿足式（2）：

按照式（2），考慮到該系統存在一定誤差，判斷某一特定角度下的斷層線截面，將該結果與數據庫結果對比，確定故障位置。

3 實 驗

為了驗證基于電網全景模型的發電機組接地故障快速定位系統設計的合理性，進行實驗驗證分析。

3.1 實驗環境

我國某電廠的一臺400 MW機組，該電機定子繞組接線方式為YY型。對地變壓器比例為22 kV/0.19 kV，定子接地故障發生在2019 年8 月20 日。發電機基波零序電壓定子接地保護A 套管和B 套外電源定子接地保護套管均正常工作，針對發電機定子接地故障的實際情況，對其進行了實驗驗證分析。

3.2 實驗結果與分析

發電機組接地的三相電壓幅值波形如圖6所示。

由圖6 可知，發電機組接地出現故障時，B 相電壓超過60 V，A 相和C 相電壓都有下降趨勢，三相電壓中B 相電壓最高，因此，下一相故障可能性最大，即C 相故障發生可能性較高。分別使用基于“S"信號注入法定位系統W1、基于分段器定位系統W2和基于電網全景模型定位系統W3 分析三相電壓幅值，如圖7 所示。

圖6 發電機組三相電壓幅值

由圖7（a）可知，使用基于“S"信號注入法定位系統的電壓幅值低于60 V，但整體與實際幅值不一致，最低電壓幅值高于30 V；使用基于分段器定位系統的電壓幅值高于60 V，整體與實際幅值不一致，最低電壓幅值高于50 V，A相出現故障；使用基于電網全景模型定位系統的電壓幅值低于60 V，整體與實際幅值一致。

由圖7（b）可知，使用基于“S"信號注入法定位系統的電壓幅值低于60 V，最低電壓幅值30 V，但整體與實際幅值不一致；使用基于分段器定位系統的電壓幅值低于60 V，與實際幅值不一致；使用基于電網全景模型定位系統的B 相電壓超過60 V，說明B 處出現故障，整體與實際幅值一致。

由圖7（c）可知，使用基于“S"信號注入法定位系統的電壓幅值高于60 V，說明C 處出現故障；使用基于分段器定位系統的電壓幅值低于60 V，與實際幅值不一致；使用基于電網全景模型定位系統的電壓幅值低于60 V，與實際幅值一致。

圖7 3種系統三相電壓幅值對比

通過上述分析結果可知，使用基于電網全景模型定位系統故障定位結果為B 相出現故障，說明定位精度較高。

4 結束語

此次研究的基于電網全景模型的發電機組接地故障快速定位系統，根據CPMU 傳輸信號結構，確定C 相CPMU 結構，依據故障指示器MCU 電路圖，構建電網全景模型。根據數據存放數據庫條件定位故障。通過實驗驗證結果可知，設計的系統定位精度較高，可為發電機組接地故障檢測提供依據。