孫桂花,王敬華,梁學(xué)良,張新慧,王 輝
(1.山東理工大學(xué),電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博 255049;2.山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司,山東 淄博 255087;3.山東電力基本建設(shè)總公司,濟(jì)南 250000;4.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,西安 710065)
·電網(wǎng)技術(shù)·
基于分布式智能的小電流接地故障定位技術(shù)研究
孫桂花1,王敬華2,梁學(xué)良3,張新慧1,王輝4
(1.山東理工大學(xué),電氣與電子工程學(xué)院,山東淄博255049;2.山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司,山東淄博255087;3.山東電力基本建設(shè)總公司,濟(jì)南250000;4.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,西安710065)
配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí),故障點(diǎn)兩側(cè)的暫態(tài)電流信號(hào)相似程度低,同側(cè)的相似程度高,以此為基礎(chǔ)提出一種分布式智能的小電流接地故障定位方法。該方法利用相鄰的饋線終端(Feeder Terminal Unit,F(xiàn)TU),通過對(duì)等通信交換彼此采集的故障信息,并計(jì)算暫態(tài)電流信號(hào)的相似系數(shù)來實(shí)現(xiàn)故障的定位。由于它不依賴主站,故障區(qū)段定位速度快,通信壓力小,可顯著提高供電可靠性。通過靜模試驗(yàn)驗(yàn)證了分布式智能故障定位的可行性。
分布式智能;小電流接地故障;饋線終端;相似系數(shù);故障區(qū)段定位
在我國(guó),配電網(wǎng)中性點(diǎn)廣泛采用不接地或小電流接地方式,而小電流接地系統(tǒng)最主要的故障形式是單相接地故障,占總故障的80%以上[1]。線路發(fā)生小電流接地故障后,三相電壓依然對(duì)稱,所以系統(tǒng)可運(yùn)行1~2 h,甚至更長(zhǎng)時(shí)間,可以提高供電的可靠性。但是不能長(zhǎng)期帶故障運(yùn)行,若運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)容易造成相間短路故障,給電力系統(tǒng)帶來的危害更加嚴(yán)重。由此可見,及時(shí)找到單相接地故障的位置,并及時(shí)處理,對(duì)提高供電可靠性、保證配電設(shè)備運(yùn)行安全具有十分重要的意義。
目前,小電流接地故障定位的方法已有很多參考文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[2]利用暫態(tài)功率的極性確定大的故障區(qū)段,再利用暫態(tài)零序電流進(jìn)一步確定其確切位置。文獻(xiàn)[3]將暫態(tài)零序電流信號(hào)凝縮為一個(gè)對(duì)應(yīng)電流波形復(fù)雜程度的熵值,通過比較電流熵值的大小來確定故障區(qū)段。該方法的缺點(diǎn)是信號(hào)熵值與信號(hào)復(fù)雜程度之間是非線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系,且存在非唯一性。文獻(xiàn)[4]為了克服暫態(tài)電流相似性的盲區(qū),提出了綜合暫態(tài)電流相似性和極性的故障定位方法。文獻(xiàn)[5]介紹了10 kV配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化系統(tǒng)的控制方式并對(duì)各種方式進(jìn)行了比較,最后闡述了各個(gè)控制方式適用的場(chǎng)合。文獻(xiàn)[6]為提高配電網(wǎng)故障處理的性能,對(duì)各種故障處理的方式進(jìn)行比較,提出了集中智能和分布智能協(xié)調(diào)控制策略。該方法依賴主站,通信壓力大,速度慢,投資大。
通過對(duì)文獻(xiàn)所提技術(shù)進(jìn)行研究,提出一種基于分布式智能的小電流接地故障定位方法。該方法是饋線終端(FTU)之間通過對(duì)等通信交換故障信息,對(duì)采集到的暫態(tài)零序電流計(jì)算相似系數(shù)來確定故障的位置。這種基于分布式智能的故障定位方法,能適用于所有的檢測(cè)點(diǎn),適應(yīng)范圍廣。除此之外,它不依賴于主站,減小了通信壓力,可提高供電可靠性。
中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)有n條輸電線路,假如故障發(fā)生在其中一條線路上,檢測(cè)點(diǎn)在AD線段中,在A、B、C、D四處分別設(shè)置一個(gè)負(fù)荷開關(guān),E為故障點(diǎn),零模等效電路如圖1所示。
圖1 故障的零模等效網(wǎng)絡(luò)
在AB區(qū)段的暫態(tài)零模電流為
由上可知,CD區(qū)段的暫態(tài)零模電流為
由式(1)、(2)得,各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零模電流之差等于它們之間線段的暫態(tài)電容電流。由于AB、CD段的線路比較短,故線段之間的暫態(tài)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于健全線路的零模電流總和,所以可以忽略AB、CD與大地之間的電容電流,則AB、CD段兩端的暫態(tài)零模電流近似相等,即二者的波形相似。
由圖1可知,在故障點(diǎn)處有一個(gè)虛擬電壓源,它產(chǎn)生的暫態(tài)零序電流為
通過對(duì)故障點(diǎn)處的暫態(tài)電流分析可知,故障點(diǎn)的電流一部分從故障點(diǎn)流向母線,即i2;另一部分是從故障點(diǎn)流向線路末端,即i3。因?yàn)楣收宵c(diǎn)左右側(cè)的諧振頻率有差異,使得故障點(diǎn)左右側(cè)的暫態(tài)電流得差異很大[7]。由此可見,故障點(diǎn)左側(cè)和右側(cè)的暫態(tài)電流流向相反,二者差異很大,相似性低。
在諧振系統(tǒng)中,可以不考慮消弧線圈給暫態(tài)電流的故障特性帶來的影響。因?yàn)橄【€圈不會(huì)改變暫態(tài)電流的故障特性。在故障點(diǎn)右側(cè)相鄰檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)電流仍具有相似性,在故障點(diǎn)左側(cè)的相鄰檢測(cè)點(diǎn)同右側(cè)一樣。在故障點(diǎn)左右側(cè)的暫態(tài)電流差異依然很大,二者不具有相似性。
相似系數(shù)是描述2個(gè)函數(shù)之間在任意時(shí)刻的相似程度。相似系數(shù)能分析函數(shù)中每一個(gè)分量的大小和角度關(guān)系,是描述隨機(jī)變量的重要統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)特征[8]。因此,可以求相鄰檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)電流之間的相似系數(shù)來分析它們之間的相似程度。
由公式(4)可知,相似系數(shù)就是2個(gè)不同信號(hào)的相乘[9],若ρ=1,則說明兩檢測(cè)點(diǎn)的相似程度高;若ρ=0,則說明兩檢測(cè)點(diǎn)的相似程度低[10]。因此,相關(guān)系數(shù)的取值范圍為[0,1]。
對(duì)于健全區(qū)段相鄰兩檢測(cè)點(diǎn)的FTU檢測(cè)到的暫態(tài)電流相似系數(shù)接近于1,相似程度高;對(duì)于故障點(diǎn)兩側(cè)的FTU檢測(cè)到的暫態(tài)零模電流相似系數(shù)接近于0,相似程度極低。
3.1工作原理
分布式智能控制技術(shù)[11],不依賴配電網(wǎng)主站或配電網(wǎng)子站,通過饋線終端(FTU)收集故障信息,然后與相鄰的饋線終端所收集的故障信息實(shí)現(xiàn)對(duì)等通信,計(jì)算相鄰饋線終端的暫態(tài)電流波形相似系數(shù),來為故障點(diǎn)右側(cè)所有正常線路的暫態(tài)零模電確定小電流單相接地故障的位置,并將定位區(qū)段上報(bào)給主站。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí),F(xiàn)TU檢測(cè)到故障電流等信息,當(dāng)故障電流消失后,F(xiàn)TU與相鄰的FTU通過對(duì)等通信相互交換檢測(cè)結(jié)果,以實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段的定位。
分布式饋線的結(jié)構(gòu)如圖2所示,圖中S1、S2為斷路器,是變電站的出線開關(guān),有4個(gè)檢測(cè)點(diǎn),每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)FTU,然而每一個(gè)FTU都采集相對(duì)應(yīng)的線路范圍內(nèi)的故障信息,并與附近的FTU通過對(duì)等通信進(jìn)行相互交換檢測(cè)結(jié)果,以確定故障位置。
圖2 分布式饋線的結(jié)構(gòu)示意
3.2故障電流的檢測(cè)及FTU的啟動(dòng)
3.2.1故障電流的檢測(cè)[12-14]
配電網(wǎng)線路上的每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)FTU,主要功能是監(jiān)視每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)零序電流的變化。當(dāng)饋線上發(fā)生故障時(shí),記錄各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零序電流變化。將FTU記錄的故障信息與相鄰的FTU進(jìn)行交換,可實(shí)現(xiàn)故障定位。
饋線終端(FTU)接入TA的零序電流端子上,可以直接采集零序電流。采集到的暫態(tài)零序電流可以啟動(dòng)FTU,啟動(dòng)的流程如圖3所示。
圖3 FTU啟動(dòng)流程
3.2.2FTU的啟動(dòng)
設(shè)置FTU裝置啟動(dòng)的門檻值Ist。把檢測(cè)點(diǎn)下游線路與大地之間電容電流的有效值作為門檻值,F(xiàn)TU啟動(dòng)的門檻值Ist為
式中:Krel為可靠性系數(shù);I0i為i段下游線路與大地之間電容電流的有效值;U0i為檢測(cè)點(diǎn)i的零序電壓的有效值;C0i為檢測(cè)點(diǎn)i下游線路與大地之間的電容。
將FTU采集的暫態(tài)零序電流信號(hào)與FTU設(shè)置啟動(dòng)的閾值進(jìn)行比較,若在3個(gè)連續(xù)的采樣點(diǎn)中有2個(gè)及以上采樣點(diǎn)的幅值大于閾值,則FTU啟動(dòng)并記錄故障信息;不然,F(xiàn)TU不會(huì)啟動(dòng),繼續(xù)對(duì)暫態(tài)電流進(jìn)行采樣。
計(jì)算FTU記錄的故障信息。利用暫態(tài)零序電流來啟動(dòng)FTU,不僅提高了FTU啟動(dòng)的靈敏性,而且保證了故障信息的完整性。相比其他利用零序電流信號(hào)作為啟動(dòng)信號(hào)的方法,能避免一定因素的干擾,提高了FTU對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)性、工作效率及準(zhǔn)確性。
3.3故障定位判據(jù)
FTU記錄饋線上故障的暫態(tài)零序電流信息,并與相鄰的FTU通信,利用故障點(diǎn)兩側(cè)的暫態(tài)電流相似系數(shù)低而故障點(diǎn)上游或下游的暫態(tài)零序電流相似系數(shù)高,實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段定位。相鄰的FTU進(jìn)行比較確定故障區(qū)段后,把定位結(jié)果上報(bào)給主站,能提高故障定位的速度及供電可靠性。
在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)FTU暫態(tài)電流波形的提取很難做到同步[15]。因此,使用數(shù)據(jù)窗平移的方法來解決數(shù)據(jù)不同步的問題,即先固定住其中一個(gè)暫態(tài)電流的波形,讓另一個(gè)暫態(tài)電流波形進(jìn)行平移。波形每平移一次就計(jì)算一次相關(guān)系數(shù);繼而求出一系列暫態(tài)電流的相關(guān)系數(shù),然后取絕對(duì)值最大者作為暫態(tài)電流相似系數(shù)[16]。即公式(4)改為
式中:Tt為FTU信息交換最大的時(shí)間誤差;對(duì)超過記錄范圍[0,T]的電流數(shù)據(jù)用0補(bǔ)上。
比較配電網(wǎng)線路上相鄰FTU的暫態(tài)電流相似系數(shù)就能實(shí)現(xiàn)故障定位。但是饋線上最后一個(gè)區(qū)段只有一個(gè)FTU或者FTU位于線路的最末端,因?yàn)楣收想娏魈《荒軉?dòng),此時(shí)的故障定位方法為:
1)若相鄰FTU的暫態(tài)電流系數(shù)都小并且小于我們預(yù)先設(shè)定的閾值,閾值一般為0.5~0.8,則該區(qū)段就是故障區(qū)段。
2)若配電線路上所有的FTU的暫態(tài)電流系數(shù)都大于預(yù)先設(shè)定的閾值,閾值一般為0.5~0.8則饋線上最后一個(gè)FTU的下游為故障區(qū)段。
這種分布式智能的故障定位方法,不用暫態(tài)電壓信號(hào),只采用暫態(tài)電流信號(hào),能適用于所有的檢測(cè)點(diǎn),適應(yīng)范圍廣。
3.4故障區(qū)段定位
分布式智能的定位方法是利用相鄰饋線終端通過對(duì)等通信交換故障信息實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段定位。這種方法速度快,不依賴主站或子站的全局信息,對(duì)配電網(wǎng)具有更好的適應(yīng)性。
故障發(fā)生后,離故障點(diǎn)上游最近的FTU故障電流大,先啟動(dòng);FTU啟動(dòng)后,故障定位的步驟如下。
1)對(duì)暫態(tài)電流采樣頻率進(jìn)行一致性處理。如果相鄰兩個(gè)或多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)電流采樣頻率不一致,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
2)對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)電流進(jìn)行濾波。濾除各監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄暫態(tài)電流信號(hào)的直流分量,之后再進(jìn)行帶通濾波。
3)計(jì)算各相鄰檢測(cè)點(diǎn)的相似系數(shù)。主控FTU啟動(dòng)后,向所有的FTU發(fā)出索要零序電流波形的命令,然后在主控FTU里面計(jì)算各個(gè)相鄰FTU之間的暫態(tài)電流波形相似系數(shù)。
4)計(jì)算相關(guān)系數(shù)閾值。設(shè)置步驟3)中暫態(tài)電流波形系數(shù)相似度最低的值為閾值ρT,一般為0.5~0.8。
5)確定故障區(qū)段。故障發(fā)生后,離故障點(diǎn)上游最近的FTU先啟動(dòng),作為一個(gè)主控FTU,然后向所有的FTU發(fā)出索要暫態(tài)電流波形的命令;主控FTU得到暫態(tài)電流波形后,計(jì)算他們各自相鄰FTU的相似系數(shù)。故障區(qū)段的確定分以下幾種情況:a)對(duì)于有2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的線路,若故障點(diǎn)上游的FTU與相鄰的FTU的暫態(tài)電流相似系數(shù)不大于ρT,則為故障區(qū)段;否則為非故障線路,繼續(xù)比較其他相鄰FTU暫態(tài)電流相似系數(shù)直到線路的末端。b)對(duì)于3個(gè)及以上檢測(cè)點(diǎn)組成的區(qū)段,若故障點(diǎn)上游檢測(cè)點(diǎn)與各個(gè)下游檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的暫態(tài)零序電流相似系數(shù)都不大于ρT,則為故障區(qū)段;否則為非故障區(qū)段,繼續(xù)比較其他相鄰FTU暫態(tài)電流的相似系數(shù)直到線路末端。c)對(duì)于最后一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的上游都是非故障線路,則它的下游就是故障線路。
分布式智能小電流接地故障的主要處理流程如圖4所示。
圖4 分布式智能小電流接地故障的主要處理流程
在山東理工大學(xué)靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分布式智能小電流接地故障的試驗(yàn)。靜模試驗(yàn)屏上故障線路如圖5所示。出線7由閉合CB13、斷開CB32、S14、S15、S16、S17構(gòu)成;該系統(tǒng)由電源1進(jìn)行供電,在出線7的D14、D15點(diǎn)進(jìn)行小電流接地故障的試驗(yàn)。線路7中的S14、S15、S16、S17為線路中FTU測(cè)量點(diǎn),主要監(jiān)視各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的變化。CB13的暫態(tài)電流等于站內(nèi)終端線路的暫態(tài)電流。
圖5 故障線路的示意
在出線7中,分別對(duì)D14、D15接地點(diǎn)進(jìn)行接地故障的試驗(yàn)。為了避免偶然性,對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行若干次試驗(yàn),并記錄每次試驗(yàn)的故障時(shí)間、暫態(tài)電流波形、FTU與相鄰FTU之間波形的相似系數(shù)、FTU處理故障的結(jié)果等。
當(dāng)故障點(diǎn)分別為 D14、D15時(shí),S14、S15、S16、S17的暫態(tài)電流波形如圖6、圖7所示。
圖6 D14為故障點(diǎn)時(shí)的波形
圖7 D15為故障點(diǎn)時(shí)的波形
通過對(duì)圖6、圖7中S14、S15、S16、S17旁邊的FTU采集到的暫態(tài)電流波形計(jì)算,分別求出相鄰FTU的相似系數(shù)如表1所示。
表1 相鄰FTU之間波形的相似系數(shù)
由表1數(shù)據(jù)可知,當(dāng)故障點(diǎn)為D14時(shí),D14、D15間的FTU計(jì)算的暫態(tài)電流相似系數(shù)為0.49小于ρT,而D15、D16之間的暫態(tài)電流相似系數(shù)分別為0.87大于ρT;則故障區(qū)段為S14~S15;同理得,當(dāng)故障點(diǎn)為D15時(shí),故障區(qū)段為S15~S16。通過相鄰FTU交換計(jì)算結(jié)果定位出故障區(qū)段,之后再上報(bào)給主站??梢姡ㄟ^對(duì)相鄰FTU采集到的暫態(tài)電流波形比較并計(jì)算出相似系數(shù)能實(shí)現(xiàn)小電流故障的準(zhǔn)確定位。
提出一種基于分布式智能的小電流接地故障定位方法,即饋線終端(FTU)之間通過對(duì)等通信交換故障信息,通過對(duì)采集的暫態(tài)電流計(jì)算相似系數(shù)來實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段定位。該方法只需要暫態(tài)電流信號(hào),不用暫態(tài)電壓信號(hào),能適用于所有的檢測(cè)點(diǎn),適應(yīng)范圍廣。通過靜模試驗(yàn)驗(yàn)證了分布式智能故障定位的可行性,與傳統(tǒng)的定位方法相比,分布式智能故障定位不依賴于主站,能減小通信壓力,可以更加迅速、精確地找到故障位置,提高供電可靠性。
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Small Current Grounding Fault Location Technology Based on Distributed Intelligence
SUN Guihua1,WANG Jinghua2,LIANG Xueliang3,ZHANG Xinhui1,WANG Hui4
(1.Shandong University of Technology,Zibo 255049,China;2.Shandong Kehui Power Automation Co.,Ltd.,Zibo 255087,China;3.Shandong Electric Power Construction Corporation,Jinan 250000,China;4.State Grid Technical Economic Research Institute of Shanxi Power Company,Xi'an 710065,China)
When the single phase to earth fault occurs in the small current grounding system of the distribution network,the similarity degree of the transient current signals is low on both sides of the fault point,but that of the same side is high.Based on this,a distributed intelligent fault location method for small current grounding is proposed.The method utilizes the feeder terminalunit(FTU),whichisadjacenttothefeederterminal,tocollectthefaultinformationfromeachother,andthentocalculate the similarity coefficient of the transient current signal to realize the fault location.Because it does not rely on the master station,the fault section location speed is fast,and the communication pressure is small,thus the reliability of power supply can be significantly improved.The feasibility of the distributed intelligent fault location is verified by the static model test.
distributed intelligence;small current grounding fault;feeder terminal;correlation coefficient;fault section location
TM77
A
1007-9904(2016)08-0001-05
國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AA050213)
2016-03-08
孫桂花(1988),女,碩士,研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)自動(dòng)化。