淺談直流接地對電力系統(tǒng)的危害

引言

直流電源接地分為室內(nèi)接地和室外接地兩種。室內(nèi)接地是由于設(shè)備老化或施工工藝不規(guī)范引起的直流電源接地故障:室外接地是由于雷雨等異常天氣,使得端子箱或機(jī)構(gòu)箱受潮、積水,降低二次回路正負(fù)電源的絕緣性,導(dǎo)致直流電源接地。另外,施工人員、維修人員的誤操作,也會導(dǎo)致直流電源接地現(xiàn)象的出現(xiàn)。一般來說,設(shè)備老化、異常天氣是造成直流電源接地的主要原因],因此,及時找出直流電源接地故障點,或依據(jù)直流電源異常變化進(jìn)行故障點預(yù)判,是目前電力系統(tǒng)亟待解決的問題。基于上述原因,本文提出一種基于遺傳算法的接地故障搜索模型,可以幫助維修人員、監(jiān)測人員進(jìn)行故障搜索。

1直流接地故障的數(shù)學(xué)描述

直流電源出現(xiàn)接地故障以后會產(chǎn)生暫態(tài)的不穩(wěn)定電流,使得線路中頻繁出現(xiàn)電流幅值的變化。假設(shè)電網(wǎng)中的電容用C表示,線路為L,等值電阻為R,那么任意線路兩端的暫態(tài)電流可以表示為:

由公式(1）可知,時,直流電源兩端的暫態(tài)電流呈現(xiàn)周期性波動:時,說明R為初始值,直流電源兩端的暫態(tài)電流呈非周期性波動。其中,I為暫態(tài)電容電流,該電流由振蕩電流I_振蕩、穩(wěn)定電流I_穩(wěn)定組成,初始值為0。暫態(tài)電容電流與振蕩電流I_振蕩、穩(wěn)定電流I_穩(wěn)定的關(guān)系可

以用拉氏變換等運算表示,公式如下:

式中:I_totle為暫態(tài)下的總電流值:w_t為暫態(tài)下的電流角頻率:sinθ_t為暫態(tài)下的電流變化幅值:δ為暫態(tài)下的電流衰變系數(shù)。

當(dāng)電流變化幅值最大時,,I_振蕩幅值最大,提示直流電源接地:否則,為I_穩(wěn)定最大,非接地故障點。

2故障點位置確定

以S為直流電源,用遺傳算法對直流電源的各個線路進(jìn)行劃分,得到各個線路相應(yīng)的特征信號,用于判斷接地線路,具體如圖1所示。

圖1直流電源線路分解

圖1中,s為直流電源,L后面的數(shù)字代表不同層和位置。對直流電源的各個線路進(jìn)行判斷時,遺傳算法將上級線路細(xì)分,利用Hilbert空間,得到精準(zhǔn)的接地位置。遺傳算法將線路Lⁿ_j分為同層位置V_j和上層位置W_j,具體計算公式

如下:

公式通過遺傳算法逐層進(jìn)行搜索,直至找到直流接地故障點。

3直流電源接地故障模型的構(gòu)建

3.1電流信號識別函數(shù)

在進(jìn)行直流電源接地判斷時,要利用主直流電源函數(shù)進(jìn)行電流信號突變、頻率變化檢測,主要分為4個步驟:第一,將正交函數(shù)作為直流電源判斷函數(shù):第二,設(shè)置電流變化幅度閾值,分別得到穩(wěn)定電流集合、振蕩電流集合:第三,比較不同集合的電流值,電流變化幅度超過預(yù)期,則發(fā)出直流電源接地信號:第四,找出電流變化幅度最大的時間,并進(jìn)行接地位置追蹤。

3.2選擇暫態(tài)電流判斷尺度

依據(jù)直流電源函數(shù),得到暫態(tài)電流判斷尺度。（1）確定最大暫態(tài)電流變化幅值:（2）暫態(tài)電流幅值對整個電力系統(tǒng)的影響:（3）噪聲對暫態(tài)電流信號的影響程度。依據(jù)上述3個方面,確定暫態(tài)電流判斷尺度。

3.3接地故障定位

直流電源運行正常時,電流無顯著變化,呈現(xiàn)相同的波形。如果直流電源出現(xiàn)接地故障,將出現(xiàn)反向波形,并對電力系統(tǒng)造成危害。暫態(tài)電流變化波形中,反向波形出現(xiàn)的頻率越多,說明接地越嚴(yán)重。假設(shè)電流波形正常,輸出結(jié)果為0:出現(xiàn)反向波形,輸出結(jié)果為2:如果電力系統(tǒng)由于反向波形受到危害,輸出結(jié)果為2。依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定,對電力系統(tǒng)中的電流接地故障進(jìn)行判斷,并得出是否對電力系統(tǒng)造成危害。

4基于遺傳算法的接地故障搜索模型驗證

4.1案例介紹

以IEEE36為測試對象,對節(jié)點中的直流電源接地故障進(jìn)行判斷,得出接地故障對電力系統(tǒng)的危害。具體的線路模型如圖2所示。

圖2中直流電源屬于220kV電源,由6條線路組成,編號分別為L1～L6,各線路長度為10km、12km、16km、22km、24km、27km。所有線路的等值電阻均設(shè)置為1Ω/km,那么長度數(shù)值與電阻值相等。

4.2直流電源接地判斷

依據(jù)公式(3）將直流電源線路分解,S=[1.275×e^-5,1.884xe^-5,9.645×e^-4]。其中,第3列值9.645×e^-4高于其他序列,所以以此為閾值,對整個線路進(jìn)行判斷。同時,將整個故障的頻率劃分為高、低兩個頻率帶,并構(gòu)建矩陣如下:

其中,C(·）為不同線路的分析結(jié)果數(shù)值。在實際測試過程中,發(fā)現(xiàn)C(6）、C(5）均出現(xiàn)了直流電源接地,C(5）并未對電力系統(tǒng)產(chǎn)生危害,而C(6）對電力系統(tǒng)產(chǎn)生危害。為了更好地分析C(6）對電力系統(tǒng)的具體危害,進(jìn)行如表1所示分析。

由表1可知,針對不同線路正常運行或出現(xiàn)接地故障的不同情況,其與額定電流的差值、與額定電壓的差值和設(shè)備絕緣性均會出現(xiàn)不同的變化。雖然線路5的絕緣性顯著下降,但是并未對電力系統(tǒng)產(chǎn)生危害,但線路6的絕緣性出現(xiàn)了負(fù)值,且對電力系統(tǒng)產(chǎn)生危害。

4.3接地判斷的準(zhǔn)確性

針對基于遺傳算法來判斷直流電源接地,需要進(jìn)行仿真分析,具體結(jié)果如圖3所示。由仿真結(jié)果可知,理論預(yù)測電流幅值、電壓幅值、絕緣性與實際測量電流幅值、電壓幅值、絕緣性誤差較小,整體準(zhǔn)確率較高。同時,在多次的迭代計算中,發(fā)現(xiàn)理論測試與實際測試之間的差值變化幅度比較穩(wěn)定。

由圖3可知,整體來說,電流、電壓的平均判斷結(jié)果準(zhǔn)確性高于90%,接地故障對電力系統(tǒng)危害、絕緣性的判斷準(zhǔn)確性也高于85%,所以該模型的整體預(yù)測效果較佳。

5結(jié)語

直流電源接地是電力系統(tǒng)常見的故障,其具有搜索難度大、聯(lián)鎖危害強(qiáng)的特點,嚴(yán)重威脅電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大以及智能設(shè)備的增加,直流電源接地搜索問題成為各界關(guān)注的焦點。本文提出了一種基于遺傳算法的接地故障搜索模型,依據(jù)直流電源各線路的電流、電壓特征值變化幅度,判斷出接地故障位置,預(yù)測接地故障對整個電網(wǎng)的危害程度。同時,對該模型預(yù)測的準(zhǔn)確性進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果表明,其整體預(yù)測效果較佳。