基于配電自動(dòng)化系統(tǒng)的單相接地定位技術(shù)研究

引言

故障定位是配電自動(dòng)化的重要功能之一,由于單相接地故障是配電網(wǎng)中最常見的故障,研究單相接地故障定位方法對(duì)于減小停電范圍、縮短停電時(shí)間以及提高供電可靠性具有重要意義。我國中低壓配電網(wǎng)一般都采用中性點(diǎn)非直接接地方式,當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),故障電流小,尤其是消弧線圈補(bǔ)償導(dǎo)致故障線路與健全線路電流特征相似,因此,故障的準(zhǔn)確檢測(cè)一直是個(gè)技術(shù)難題。經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐應(yīng)用,單相接地故障選線技術(shù)已相對(duì)成熟,多數(shù)能夠準(zhǔn)確地選定故障線路。在選出故障線路的基礎(chǔ)上,如何進(jìn)一步檢測(cè)出故障點(diǎn)所在線路區(qū)段,即實(shí)現(xiàn)故障定位的技術(shù)尚不成熟,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果不好。

在現(xiàn)有的研究成果中,利用穩(wěn)態(tài)故障信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位的較多,如零序電流比幅法、零序電流比相法、零序?qū)Ъ{法、負(fù)序電流法、諧波分量法、零序電流有功分量法等,普遍存在受消弧線圈補(bǔ)償度影響、存在檢測(cè)盲區(qū)以及定位時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn):利用暫態(tài)故障信號(hào)進(jìn)行定位的方法,因不受消弧線圈影響且定位速度快,是目前的研究方向。如暫態(tài)零模電流相似度法、無功功率方向法,能快速準(zhǔn)確定位,但存在線路電壓獲取、波形同步、波形傳輸?shù)葘?shí)際困難。小波變換法能很好地解析信號(hào)的頻率特征,但算法相對(duì)復(fù)雜,實(shí)際應(yīng)用前景有待檢驗(yàn)。

本文以暫態(tài)零模電流相似度法為基礎(chǔ),以零模電流暫態(tài)分量的諧振主頻率為特征量,作為計(jì)算相似度的依據(jù),實(shí)現(xiàn)區(qū)段定位。由于無需波形同步及波形傳輸,故降低了對(duì)采樣裝置和通信系統(tǒng)的要求,避免了通信故障導(dǎo)致的定位錯(cuò)誤。

1單相接地故障的暫態(tài)特征和故障判據(jù)

單相接地故障暫態(tài)分析時(shí),常用m形線路模型,精度高,計(jì)算復(fù)雜。理論分析表明,由于中低壓線路通常較短(在10km以內(nèi)),對(duì)于頻率在2000Hz以內(nèi)的暫態(tài)分量來說,采用r形模型和m形模型誤差不大,因此下面采用r形線路模型,建立如圖1(a)所示的單相接地故障暫態(tài)分析模型。圖中R1、L1分別為去除故障點(diǎn)下游電阻、電感的系統(tǒng)的總電阻及總電感:R2、L2分別為故障點(diǎn)下游線路的電阻及電感:C1為去除故障點(diǎn)下游對(duì)地電容的系統(tǒng)的總電容:C2為故障點(diǎn)下游線路對(duì)地電容:Rf為接地電阻:uf為故障點(diǎn)虛擬電壓源:i01、i02分別為流經(jīng)故障點(diǎn)上游和下游的零模電流。

由于暫態(tài)分量頻率較高,消弧線圈Lp以及線模網(wǎng)絡(luò)Lx的影響可忽略,由此得到簡(jiǎn)化分析模型,如圖1(b)所示,其中各符號(hào)含義和圖1(a)相同。

根據(jù)圖1(b)的簡(jiǎn)化模型,以零模電流i01、i02為變量,可得到回路電壓方程分別為:

其中,虛擬電壓源為uf=Umsin(/l+o),解微分方程并略去穩(wěn)態(tài)量,可得故障點(diǎn)兩側(cè)暫態(tài)零模電流分別為:

式中,i01,l、i02,l分別為故障點(diǎn)上下游暫態(tài)零模電流:e為自然常數(shù):

分別為故障點(diǎn)上下游暫態(tài)電流的衰減系數(shù):

分別為故障點(diǎn)上下游暫態(tài)零模電流的主諧振頻率。

由于健全線路與故障點(diǎn)上游線路長(zhǎng)度之和遠(yuǎn)大于故障點(diǎn)下游線路長(zhǎng)度,則有C1>C2、L1>L2,所以有/01=/02,即故障點(diǎn)上游暫態(tài)零模電流的主諧振頻率遠(yuǎn)小于故障點(diǎn)下游,而故障點(diǎn)兩側(cè)頻率偏差不大。

根據(jù)故障點(diǎn)上游零模電流的主諧振頻率遠(yuǎn)小于故障點(diǎn)下游這一特點(diǎn),當(dāng)選線裝置選出故障線路后,可以根據(jù)相鄰檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零模電流的主諧振頻偏差大小,實(shí)現(xiàn)故障定位,具體方法為:從母線開始,計(jì)算當(dāng)前檢測(cè)點(diǎn)和下一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)零模電流主諧振頻率比,如果頻率比小于1/2,則認(rèn)為故障點(diǎn)在這兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)之間:否則,故障不在這兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)之間。

2基于配電自動(dòng)化的單相接地定位

從上文分析可以看出,故障定位需要檢測(cè)出暫態(tài)零模電流的主諧振頻率。在實(shí)現(xiàn)了配電自動(dòng)化的配電網(wǎng)中,FTU分布在整個(gè)配電網(wǎng)的線路節(jié)點(diǎn)處,配電自動(dòng)化主站可從分布的FTU獲取檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)故障電流波形,然后由自動(dòng)化主站計(jì)算各檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零模電流的主諧振頻率,但該方法和常規(guī)基于波形相似性的方法一樣,都需要波形傳輸,失去了本方法的最大優(yōu)點(diǎn)。更合理的方法是由FTU計(jì)算出暫態(tài)零模電流的主諧振頻率,直接將其上傳至主站,從而極大地降低對(duì)通信系統(tǒng)的要求。而對(duì)于一些自動(dòng)化程度低的配電網(wǎng),可通過三相電流合成的方式得到零序電流,如利用帶電流互感器的故障指示器或其他電流采集設(shè)備獲取三相電流,然后通過計(jì)算得到故障零序電流,用數(shù)字濾波器濾除穩(wěn)態(tài)分量后(工頻分量),便可得到暫態(tài)零模電流,計(jì)算出主諧振頻率后上傳至主站。

具體在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)單相接地定位的流程為:

(1)配電自動(dòng)化系統(tǒng)主站接收選線裝置上報(bào)的故障線路結(jié)果:

(2)各檢測(cè)點(diǎn)計(jì)算暫態(tài)零模電流的主諧振頻率,將結(jié)果上傳至配電自動(dòng)化系統(tǒng)主站:

(3)主站從故障線路出口處向下搜索,找到暫態(tài)零模電流頻率比小于設(shè)定閾值的區(qū)段,即為故障區(qū)段:

(4)如果到最后一個(gè)區(qū)段頻率比仍不小于設(shè)定閾值,則最后一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的下游區(qū)段為故障區(qū)段。

圖2給出了配電自動(dòng)化主站實(shí)現(xiàn)單相接地故障定位的流程圖。

3仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證定位方法的準(zhǔn)確性,下面對(duì)圖3所示系統(tǒng)進(jìn)行仿真。圖3中,共有3條10kV出線,分別為L(zhǎng)1、L2和L3,其中線路L1與L2均只有一段,線路L3分為①、②、③、④共4段。系統(tǒng)中有D1至D6共6個(gè)檢測(cè)點(diǎn),接地故障點(diǎn)位于D4、D5之間的②區(qū)段上。開關(guān)K用于改變中性點(diǎn)的接地方式,可分別對(duì)不接地系統(tǒng)和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)進(jìn)行仿真。具體仿真線路參數(shù)為:L1=8km,L2=30km,①區(qū)段長(zhǎng)4km,②區(qū)段長(zhǎng)1km,③區(qū)段長(zhǎng)2km,④區(qū)段長(zhǎng)0.5km,正序阻抗為:1=0.17＋j0.38Q/km,正序?qū)Φ貙?dǎo)納為b1=3.045us/km,零序阻抗為:0=0.23＋j1.72Q/km,零序?qū)Φ貙?dǎo)納為b0=1.884us/km,各條線路等效負(fù)荷阻抗統(tǒng)一采用71=400＋j20Q。

仿真中,首先考察不同接地故障相位角對(duì)定位結(jié)果的影響,設(shè)接地電阻為5Q,故障區(qū)段發(fā)生在②區(qū)段。按照前文的故障判據(jù),首先讀取各檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零模電流主諧振頻率,然后計(jì)算各區(qū)段首端和末端的主諧振頻率比值,如果比值小于0.5,則該區(qū)段為故障區(qū)段。表1給出了部分仿真結(jié)果。

從表1的定位結(jié)果可以看出,不同故障相位角下,本定位方法都可準(zhǔn)確定位。同樣,在固定相位角的情況下,改變接地電阻大小,本定位方法也可準(zhǔn)確定位。

切換開關(guān)K的狀態(tài)重新進(jìn)行仿真,可以看出無論是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)還是經(jīng)過消弧線圈接地系統(tǒng),本定位方法均可準(zhǔn)確定位。為節(jié)省篇幅,本文未給出全部仿真結(jié)果。

4結(jié)語

本文利用r形線路模型建立了適用于故障點(diǎn)兩側(cè)暫態(tài)分析的電路模型,忽略消弧線圈電抗和線模電抗后,得到簡(jiǎn)化電路模型。利用簡(jiǎn)化模型求解零模電流的暫態(tài)分量,得出了故障點(diǎn)兩側(cè)暫態(tài)零模電流主諧振頻率差距較大的暫態(tài)特征?；诖颂卣髟O(shè)計(jì)了以暫態(tài)零模電流主諧振頻率為基礎(chǔ)的配電網(wǎng)單相接地區(qū)段定位判據(jù),進(jìn)而設(shè)計(jì)了基于配電自動(dòng)化的單相接地故障區(qū)段定位方法,仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的正確性。本方法不受中性點(diǎn)接地方式及線路參數(shù)影響,計(jì)算簡(jiǎn)單且通信數(shù)據(jù)量小,具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。