基于多分量融合的调度端小电流接地选线策略

2021-07-21胡雅琴

四川电力技术 2021年3期

许鹏，汤俊，杨湘，胡雅琴，周杨

(国网四川省电力公司成都供电公司，四川成都 610041)

0 引言

中国10～35 kV配电网系统大多采用中性点非有效接地方式，即不接地或经消弧线圈接地的小电流接地系统。对小电流接地系统故障统计发现，单相接地故障的概率高达80%[1]，远远高于相间故障。同时，接地故障的精准高效处理对于同沟道电缆起火和森林草原火灾等隐患的防范具有重要意义[2]。

目前，国内外对小电流接地选线理论研究较多，主要可根据部署方式的不同分为厂站端分析和调度主站端分析两大类。目前厂站端分析计算所采用的算法包括：1)基于零序电力为主的稳态故障信号分析，如零序电流幅值比较法[3]、零序电流方向保护法[4-5]等；2)基于暂态故障信号分析，如零序电流暂态量选线法[6-13]、暂态相电流选线法[14]、小波分析选线法[15-20]等。基于厂站端数据的选线理论及装置开发已相对成熟，成功率较高[21]，但该方法在实际工程应用中，存在装置部署成本高、建设工期长的显著问题，实际的推广效果十分有限。调度端由于受到数据传输、存储和处理能力的影响，其分析方法相对较少，主要以远程采样的零序电流幅值变化作为判定依据[22]。但就目前的实践环境而言，零序电流特征的可靠性难以保证：1)零序电流需进行单独采样，目前大部分地区的实际零序电流采样覆盖率不到50%，因而需在每个发电厂及变电站安装独立的选线装置并完善各支路的零序回路，投资及运行维护成本高；2)配电网线路正常运行时，零序电流几乎为0，无有效手段实时监测零序采样回路的正确性，从而经常出现零序采样CT故障或接线错误导致选线失败现象。

鉴于此，提出多分量融合的调度端小电流接地选线策略，基于馈线电流及无功功率的变化量，构建融合优化选线指标，以提升小电流接地故障定位及处理效率。该方法的数据基础为调度主站端的馈线电流及无功功率，属于实时校验的系统状态估计参量，具有良好的可靠性，同时通过融合指标的构建有效提升了选线的准确性，具有良好的实践应用价值。

1 接地故障单分量影响分析

1.1 电流分量变化机理

图1 小电流接地接线

图2 接地后电流电压矢量图

图3 接地前后电流变化矢量图

对于非接地线路而言，由于A相电压为0，A相对地电容电流为0，因此，非接地线路A相电流变化很小。鉴于此，可以将线路接地前后的相电流变化量作为选线的判决指标之一。

值得注意的是，根据图3中向量关系可以看出，当电容电流Ic0a一定时，则接地线路相电流变化量为

|Iph|-|Ifh|

(1)

对式(1)求|Ifh|的导数，得

(|Iph|-|Ifh|)′

因此故障前负荷电流Ifh越大，接地线路相电流变化量将越小，即相电流变化越不明显。若仅将相电流变化量指标作为唯一判据，对于负载较大线路接地情况的判定存在一定的局限性。

1.2 无功功率分量变化机理

为避免线路本身原始电流差异性的影响，考虑引入负荷线路的无功功率变化量作为判据之一，其理论上的具体变化量推导计算如下。

目前，10 kV出线基本上都采用两表法测量瞬时功率为

S0=UaIa+UcIc+UbIb

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

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

=UabIa+UcbIc

(2)

当A相发生单相接地后，由于有接地电容电流的存在，A相CT测量到的电流为接地后的相电流Iph=Ia+Ic0a，其中Ic0a为流过接地点的电容电流，此时两表法测得的功率为

S1=Uab(Ia+Ic0a)+UcbIc

=UabIa+UcbIc+UabIc0a

(3)

ΔS=S1-S0=UabIc0a

式中，UabIc0a即为接地电容电流产生的功率，即接地前后功率的变化量。由图2可以看出，Uab滞后Ic0a60°，即接地电容电流产生的无功功率为

ΔQ=ΔSsinθ

=UabIc0asin(-60°)

(4)

从式(4)可以看出：Uab为母线线电压，接地前后不发生变化，其值为10 kV，因此，接地线路的无功功率变化量仅由接地点电流Ic0a决定，与负荷大小无关，接地点电流越大，无功功率变化越大。非接地线路的无功功率变化仅由本线路对地电容电流决定，其无功功率变化量将远小于接地线路。

2 基于三角模融合的IQ综合选线法

根据上述单分量影响分析结果，考虑单分量的偶然性和各分量的判定局限性，为综合评价各线路发生故障的概率特性，平衡电流变化量指标的线路负载影响局限性和无功功率变化量指标的幅值限定性，提出一种基于三角模融合的主站端IQ综合接地选线判定策略，其具体的实现过程如下：

1)通过归一化处理，保证两项指标的可融合性，克服无功功率变化的幅值限定性。

(5)

式中：λi为电流变化量指标；μi为无功功率变化量指标；|ΔIi|为第i条线路的电流变化量；|ΔQi|为第i条线路的无功功率变化量；∑|ΔI|为所有出线电流变化量之和；∑|ΔQ|为所有出线无功功率变化量之和。

2)构建三角模融合算子，对多分量进行融合分析，利用三角模算子的同向相加性和反向调和性，实现对各线路接地概率的综合评价计算。其具体计算式为

(6)

式中，F(λi,μi)为第i条线路的融合判据。

则每条线路最终的接地概率为

(7)

式中：Pi为第i条线路的接地概率；∑F(λ,μ)为所有线路的融合判据和。

3 实施案例

根据所提出的主站端接地选线判据，在某电力公司调度控制主站系统上成功部署IQ综合选线法。各变电站与调度端通信采用IEC-104规约，主站根据母线相电压变化来判断接地相，为保证数据的准确性，电流及无功功率采用接地前20 s、接地后30 s的数据计算变化量。在过去1年中，该功能已累计完成数百次的故障选线决策，在受实际环境干扰和采集质量影响的情况下，选线准确率依然可达90%以上，这里以实际案例结果来分析IQ综合选线法的计算结果。

3.1 实例1：2018年11月23日11:33成都天华站天寿路接地

天华站出现接地后，计算程序启动，于11:33给出计算结果，如表1所示。

表1 天华站接地故障实测结果

可以看出IQ综合选线法给出天寿路故障概率为78.8%，天镇路接地故障概率为21.2%，调度员根据IQ综合法选线结果拉开941天寿路断路器，母线接地信号复归，证明确实是941天寿路发生接地，与IQ综合法选线判断结果一致，其执行及状态反馈过程如图4所示。

图4 天华站接地故障后执行及状态反馈过程

3.2 实例2：2018年12月3日10:40成都繁江站江城四路接地

繁江站出现接地后，计算程序启动，于10：41给出计算结果，如表2所示。

表2 繁江站接地故障实测结果

可以看出IQ综合选线法给出江城四路故障概率为80.5%，远高于其他线路，故判断江城四路发生接地故障，调度员根据IQ综合法选线结果拉开910江城四路断路器，母线接地信号复归，证明确实是910江城四路发生接地，与IQ综合选线法判断结果一致，其执行及状态反馈过程如图5所示。

图5 繁江站接地故障后执行及状态反馈过程

3.3 实例3：IQ综合选线法与零序幅值选线法对比

2018年12月27日02:34成都光辉站905光农路接地。光辉站接地故障实测结果如表3所示。从零序幅值选线法可以看出光农路零序电流最大，为29.76 A，而该线路在IQ综合选线法排序中的接地概率计算为94.61%，排序第一，可见两种方法虽然对于其他正常线路存在一定的排序差异，但对于接地线路的判断结果一致，也证明了所提方法判定的准确性。

表3 光辉站接地故障实测结果

而在实际拉开光农路断路器后，母线接地信号复归，证明确实是光农路发生接地，与判断结果一致，其执行及状态反馈过程如图6。

图6 光辉站接地故障后执行及状态反馈过程

4 技术适应性分析

除常规的中性点不接地或小电阻接地系统外，所提方法对于经大过渡电阻接地和经消弧线圈接地的系统亦具有一定的指导意义。

对于经大过渡电阻接地的情况，由于接地电阻的增大，故障后的特征量均会相应受到一定程度的削弱，故障量特征会体现得较不明显。所提方法中，通过多分量融合过程中的算子归一化处理，一定程度上放大了高阻接地情况下的故障量特征，提升了算法对于大过渡电阻接地系统的适应性。极端情况下，若经高阻接地后故障量值已低于采集精度，则存在方法局限性，需依靠现场更加精密的采集设备实现甄别。

对于经消弧线圈接地的情况，由于消弧线圈补偿的作用影响，可能导致故障相的相关特征量与常规情况产生较大差异，甚至出现过补偿情况。针对这一场景，所提方法的适应性体现为相对变化量的判定。接地发生后，第一次线路判定中可能会存在因补偿量影响而导致的判定失误，但此时若拉开任何一条线路，接地线路故障特征的相对变化量会呈现出显著的差异性，即可准确判定接地线路，其原理与基于零序电流判定的方法一致[22]。相对而言，这一方法的局限性在于第一次线路判定过程中往往可能发生误判，存在一定的“试拉”风险。针对这一问题，后续将针对经消弧线圈接地系统的线路识别开展基于历史数据学习的选路方法，提升第一次选路环节的正确率。