基于配電自動化系統(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于減小停電范圍、縮短停電時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)一般都采用中性點非直接接地方式,當發(fā)生單相接地故障時,故障電流小,尤其是消弧線圈補償導致故障線路與健全線路電流特征相似,因此,故障的準確檢測一直是個技術(shù)難題。經(jīng)過多年的研究和實踐應(yīng)用,單相接地故障選線技術(shù)已相對成熟,多數(shù)能夠準確地選定故障線路。在選出故障線路的基礎(chǔ)上,如何進一步檢測出故障點所在線路區(qū)段,即實現(xiàn)故障定位的技術(shù)尚不成熟,現(xiàn)場實際應(yīng)用效果不好。

在現(xiàn)有的研究成果中,利用穩(wěn)態(tài)故障信號實現(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償度影響、存在檢測盲區(qū)以及定位時間長的缺點:利用暫態(tài)故障信號進行定位的方法,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,能快速準確定位,但存在線路電壓獲取、波形同步、波形傳輸?shù)葘嶋H困難。小波變換法能很好地解析信號的頻率特征,但算法相對復雜,實際應(yīng)用前景有待檢驗。

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,作為計算相似度的依據(jù),實現(xiàn)區(qū)段定位。由于無需波形同步及波形傳輸,故降低了對采樣裝置和通信系統(tǒng)的要求,避免了通信故障導致的定位錯誤。

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,常用m形線路模型,精度高,計算復雜。理論分析表明,由于中低壓線路通常較短(在10km以內(nèi)),對于頻率在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分別為故障點下游線路的電阻及電感:C1為去除故障點下游對地電容的系統(tǒng)的總電容:C2為故障點下游線路對地電容:Rf為接地電阻:uf為故障點虛擬電壓源:i01、i02分別為流經(jīng)故障點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,由此得到簡化分析模型,如圖1(b)所示,其中各符號含義和圖1(a)相同。

根據(jù)圖1(b)的簡化模型,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分別為故障點上下游暫態(tài)零模電流:e為自然常數(shù):

分別為故障點上下游暫態(tài)電流的衰減系數(shù):

分別為故障點上下游暫態(tài)零模電流的主諧振頻率。

由于健全線路與故障點上游線路長度之和遠大于故障點下游線路長度,則有C1>C2、L1>L2,所以有/01=/02,即故障點上游暫態(tài)零模電流的主諧振頻率遠小于故障點下游,而故障點兩側(cè)頻率偏差不大。

根據(jù)故障點上游零模電流的主諧振頻率遠小于故障點下游這一特點,當選線裝置選出故障線路后,可以根據(jù)相鄰檢測點暫態(tài)零模電流的主諧振頻偏差大小,實現(xiàn)故障定位,具體方法為:從母線開始,計算當前檢測點和下一個檢測點零模電流主諧振頻率比,如果頻率比小于1/2,則認為故障點在這兩個檢測點之間:否則,故障不在這兩個檢測點之間。

2基于配電自動化的單相接地定位

從上文分析可以看出,故障定位需要檢測出暫態(tài)零模電流的主諧振頻率。在實現(xiàn)了配電自動化的配電網(wǎng)中,FTU分布在整個配電網(wǎng)的線路節(jié)點處,配電自動化主站可從分布的FTU獲取檢測點的暫態(tài)故障電流波形,然后由自動化主站計算各檢測點的暫態(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。更合理的方法是由FTU計算出暫態(tài)零模電流的主諧振頻率,直接將其上傳至主站,從而極大地降低對通信系統(tǒng)的要求。而對于一些自動化程度低的配電網(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,計算出主諧振頻率后上傳至主站。

具體在配電自動化系統(tǒng)中實現(xiàn)單相接地定位的流程為:

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

(2)各檢測點計算暫態(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)如果到最后一個區(qū)段頻率比仍不小于設(shè)定閾值,則最后一個檢測點的下游區(qū)段為故障區(qū)段。

圖2給出了配電自動化主站實現(xiàn)單相接地故障定位的流程圖。

3仿真驗證

為驗證定位方法的準確性,下面對圖3所示系統(tǒng)進行仿真。圖3中,共有3條10kV出線,分別為L1、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個檢測點,接地故障點位于D4、D5之間的②區(qū)段上。開關(guān)K用于改變中性點的接地方式,可分別對不接地系統(tǒng)和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)進行仿真。具體仿真線路參數(shù)為:L1=8km,L2=30km,①區(qū)段長4km,②區(qū)段長1km,③區(qū)段長2km,④區(qū)段長0.5km,正序阻抗為:1=0.17＋j0.38Q/km,正序?qū)Φ貙Ъ{為b1=3.045us/km,零序阻抗為:0=0.23＋j1.72Q/km,零序?qū)Φ貙Ъ{為b0=1.884us/km,各條線路等效負荷阻抗統(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),首先讀取各檢測點的暫態(tài)零模電流主諧振頻率,然后計算各區(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,本定位方法也可準確定位。

切換開關(guān)K的狀態(tài)重新進行仿真,可以看出無論是中性點不接地系統(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,得到簡化電路模型。利用簡化模型求解零模電流的暫態(tài)分量,得出了故障點兩側(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),進而設(shè)計了基于配電自動化的單相接地故障區(qū)段定位方法,仿真結(jié)果驗證了方法的正確性。本方法不受中性點接地方式及線路參數(shù)影響,計算簡單且通信數(shù)據(jù)量小,具有較高的工程實用價值。