楊 湘，湯 俊，周 楊，段登偉，楊曉磊

(國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

中國6～35 kV中壓配電網(wǎng)廣泛采用中性點(diǎn)非有效接地方式，即不接地和經(jīng)消弧線圈接地(諧振接地)的小電流接地系統(tǒng)[1]。隨著城市電網(wǎng)快速發(fā)展，電纜線路所占比例越來越高，接地時故障點(diǎn)電流增大不易熄弧，且同溝電纜單相接地故障處理不及時極有可能會發(fā)展成大面積停電事故，嚴(yán)重影響供電服務(wù)質(zhì)量，危害極大。故目前大城市配電網(wǎng)多數(shù)采用經(jīng)消弧線圈接地的諧振接地方式。雖然諧振接地能有效減少流過故障點(diǎn)的電流，使電弧更易于熄滅，但是消弧線圈掩蓋了真實(shí)的接地現(xiàn)象，導(dǎo)致故障量不突出、不易辨識[2]。大量研究認(rèn)為諧振接地系統(tǒng)很難通過穩(wěn)態(tài)量進(jìn)行選線[3-4]，導(dǎo)致選線難度較大，選線時間較長，存在的風(fēng)險(xiǎn)也更高，容易造成大量供電服務(wù)問題。

目前，國內(nèi)外對小電流接地選線理論研究主要集中在廠站端選線[5-21]。其中大部分基于暫態(tài)零序量[5-6]、小波分析[7-11]、注入法[12-16]判斷方法的小電流接地選線裝置盡管在理論上判斷更迅速和準(zhǔn)確；但受現(xiàn)場電磁干擾較多、安裝成本較高、對含消弧線圈的接地選線不夠準(zhǔn)確，其在變電站實(shí)際應(yīng)用效果并不理想，實(shí)際使用程度不高。部分研究融合了人工智能、深度學(xué)習(xí)[17-21]的小電流接地選線新算法仍處于理論探索研究階段，尚未投入實(shí)用化經(jīng)受現(xiàn)場考驗(yàn)。目前中國電網(wǎng)調(diào)度部門基本上實(shí)現(xiàn)了智能電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)(D5000)的部署應(yīng)用。調(diào)度主站端由于受數(shù)據(jù)量及傳輸影響，針對中壓配電網(wǎng)只采集了功率、電壓、電流等穩(wěn)態(tài)實(shí)時數(shù)據(jù)，無法應(yīng)用暫態(tài)量進(jìn)行選線判斷。這種情況導(dǎo)致相當(dāng)多的單相接地故障還是依靠調(diào)度員憑經(jīng)驗(yàn)人工拉路的方法實(shí)現(xiàn)選線。因此，在調(diào)度主站端系統(tǒng)上開發(fā)小電流接地選線功能具有更大的實(shí)際應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性，且能夠協(xié)助調(diào)度員在最短時間內(nèi)判斷出單相接地線路，并能充分考慮保電負(fù)荷和重要負(fù)荷的可靠供電，更好地確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。基于調(diào)度主站端的小電流接地選線方法研究迫在眉睫。

針對上述問題，在分析了小電流接地系統(tǒng)接地現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)提出了適用于調(diào)度主站端的3種選線判據(jù)，并提出了針對諧振接地系統(tǒng)的動態(tài)補(bǔ)償法和選線流程。

1 小電流接地系統(tǒng)接地分析

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的單相故障如圖1所示，正常情況下三相對稱，對地電容電流之和為0。以線路1的A相發(fā)生接地故障為例進(jìn)行分析。

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障

1)對于非接地線路，其三相對地電容電流分別為

(1)

非接地線路感受到的零序電流為

(2)

故非接地線路的零序電流大小由接地零序電壓和本線路對地電容決定。

2)對于接地線路，非接地相有其本身的電容電流流過，而流過接地相故障點(diǎn)的電流是電網(wǎng)中所有非接地相對地電容電流之和，即

(3)

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)接地線路感受到的零序電流為

(4)

經(jīng)上述分析可知，對于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，接地線路的零序電流值將遠(yuǎn)大于其他線路的零序電流值，調(diào)度主站端可根據(jù)零序電流幅值大小進(jìn)行選線。

圖2 接地前后電流矢量

|ΔIiA|=|IiA_fault-IiA_normal|

(5)

對于接地線路，絕大多數(shù)情況下，由于|θ2|≠|(zhì)θ1|，幅值變化量|ΔIiA|>0，其將發(fā)生明顯的變化；極特殊情況下當(dāng)|θ2|=|θ1|時，|ΔIiA|=0。對于非接地線路而言，由于A相電壓為0，A相對地電容電流為0，非接地線路A相電流幅值將幾乎沒有變化。因此，調(diào)度主站端可以將線路接地前后接地相的相電流變化量作為選線判據(jù)之一。

線路接地后，由于對地電容電流的存在，各條線路將產(chǎn)生零序電流，其將直接導(dǎo)致線路的無功功率發(fā)生相應(yīng)的變化，變化量為

ΔQi=ΔSisinθ

(6)

對于接地線路，接地點(diǎn)故障電流較大，其無功功率變化量也較大；對于非接地線路而言，其無功功率的變化量僅由本身對地電容電容電流產(chǎn)生，其無功功率變化量將遠(yuǎn)小于接地線路。因此，調(diào)度主站端可以將線路接地前后無功功率變化量作為選線判據(jù)之一。

2 改進(jìn)熵權(quán)法選線判據(jù)權(quán)重計(jì)算

單一的選線判據(jù)具有其獨(dú)立的適用范圍，受現(xiàn)場實(shí)際影響，目前仍有多數(shù)地區(qū)電網(wǎng)未全部實(shí)現(xiàn)零序電流采樣及覆蓋，僅僅依靠零序電流單一判據(jù)進(jìn)行選線判斷具有一定的局限性。由上一章分析可知，接地前后接地相相電流及無功功率的變化量同樣可作為調(diào)度主站端小電流接地選線的判據(jù)。調(diào)度主站端小電流接地選線各判據(jù)比較情況如表1所示。

表1 調(diào)度主站端小電流選線判據(jù)比較

不同的選線判據(jù)存在結(jié)合的可能。為了彌補(bǔ)獨(dú)立選線判據(jù)準(zhǔn)確性不高、存在一定限制條件缺陷的情況，可以通過將零序電流、無功功率變化量和相電流變化量3個判據(jù)進(jìn)行合理的融合，得到調(diào)度主站端小電流接地選線綜合判據(jù)。

熵權(quán)法是一種客觀的賦權(quán)方法，通過對各個評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理及熵值計(jì)算，可以確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值。

每次接地有n條線路，共有零序電流、相電流變化量和無功功率變化量3個特性指標(biāo)，接地后各條線路特性指標(biāo)值可記為

R=[I0，|ΔIi_f|，|ΔQ|]

(7)

式中：I0為接地后各條線路零序電流矩陣；ΔIi為接地前后第i條線路接地相相電流幅值變化量矩陣；ΔQ為接地前后各條線路無功功率變化量值矩陣。

對R中值進(jìn)行歸一化處理，可得第i條線路在第x個指標(biāo)中的貢獻(xiàn)度fxi為

(8)

式中：rxi∈R；i=1，2，…，n；x=1,2,…,m；m為特性指標(biāo)總數(shù)。

第x個指標(biāo)的熵值hx可通過式(8)求得。

(9)

式中，k=1/lnn。

由于零序電流、相電流和無功功率具有一定的相似性，為了減少相似指標(biāo)產(chǎn)生的誤差，采用改進(jìn)熵權(quán)法計(jì)算公式對傳統(tǒng)熵權(quán)計(jì)算公式方法進(jìn)行修正[22]，每個指標(biāo)的熵權(quán)wx為

(10)

式中：l=1,2,…,m；t=1,2,…,m。

最終通過式(7)—式(10)得到零序電流、相電流和無功功率變化量3種選線判據(jù)指標(biāo)對應(yīng)的的權(quán)重向量W=[w1，w2，w3]。

通過改進(jìn)熵權(quán)法可得到每條線路接地概率，并以此進(jìn)行選線。

(11)

3 諧振接地系統(tǒng)動態(tài)補(bǔ)償法

當(dāng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時，在中性點(diǎn)電壓的作用下系統(tǒng)產(chǎn)生的電感電流為

(12)

式中：XL為消弧線圈感抗；L為消弧線圈電感。

電感電流將經(jīng)接地點(diǎn)沿接地相返回，故此時接地線路感受到的零序電流可由式(4)和式(12)計(jì)算得到。

(13)

對于諧振接地系統(tǒng)，由于消弧線圈電感電流的作用，接地線路的零序電流經(jīng)補(bǔ)償后將變小，甚至小于大多數(shù)不接地線路的零序電流，使得真實(shí)的接地信息和特征量被掩蓋，這將給調(diào)度員選線造成相當(dāng)大的困擾。

任意試?yán)_一條線路，如果此線路為非接地線路(其零序電流幅值為3I0i=3ωC0iU0)，接地點(diǎn)將不再流過被拉掉線路的對地電容電流，接地線路感受到的零序電流與接地初始狀態(tài)相比將動態(tài)變化為

(14)

其有效值將變大為

(15)

因此，可根據(jù)拉開線路前后所有線路零序電流的變化量進(jìn)行選線。被拉開線路的零序電流越大，接地線路動態(tài)感受的零序電流變化量也將越大；對于非接地線路，其零序電流將不會受影響。由前兩章分析可知，相電流變化量、無功功率變化量和零序電流3個特性指標(biāo)均是由對地電容電流引起，相電流變化量和無功功率變化量也將與零序電流有同樣的變化規(guī)律。改進(jìn)熵權(quán)法選出線路接地概率最高的線路即為電容電流變化最大的線路。

對于諧振接地系統(tǒng)，為了打破由于消弧線圈補(bǔ)償掩蓋真實(shí)信息的狀態(tài)，提出“動態(tài)補(bǔ)償法”：接地后先通過改進(jìn)熵權(quán)法選擇出電容電流變化最大的線路將其拉開，再計(jì)算出接地初始狀態(tài)和動態(tài)拉開后的各線路特征量的補(bǔ)償差量；再次利用改進(jìn)熵法選出動態(tài)補(bǔ)償后電容電流變化最大的線路，此線路即為真實(shí)的接地線路。

采用動態(tài)補(bǔ)償法后，各條線路特性指標(biāo)值可記為

R2=[ΔI02，|ΔIi_f2|，|ΔQ2|]

(16)

式中：ΔI02為動態(tài)補(bǔ)償前后各條線路零序電流變化量矩陣；ΔIi_f2為動態(tài)補(bǔ)償前后前后i條線路接地相相電流幅值變化量矩陣；ΔQ2為動態(tài)補(bǔ)償前后各條線路無功功率變化量矩陣。

調(diào)度主站端小電流接地選線流程如圖3所示。

圖3 調(diào)度主站端小電流接地選線流程

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，可首先獲取并計(jì)算各條線路故障前后零序電流、相電流變化量、無功功率變化量，根據(jù)改進(jìn)熵權(quán)法計(jì)算出接地概率(對地電容電流)最大的線路并拉開。對于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，所選線路即為接地故障線路，選線結(jié)束；對于諧振接地系統(tǒng)，此操作相當(dāng)于進(jìn)行“動態(tài)補(bǔ)償”操作，可計(jì)算出動態(tài)補(bǔ)償前后各條線路的零序電流、相電流變化量、無功功率變化量，再通過改進(jìn)熵權(quán)法計(jì)算出接地概率(對地電容電流)最大的線路拉開，進(jìn)行故障選線。此操作可重復(fù)進(jìn)行，直至選出故障線路。

4 實(shí)例驗(yàn)證

目前，基于改進(jìn)熵權(quán)法的調(diào)度端小電流接地選線方法及所對應(yīng)程序已經(jīng)部署在國網(wǎng)成都地調(diào)D5000智能電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)中，并已實(shí)現(xiàn)程序自動計(jì)算、自動選線排序、自動拉合斷路器進(jìn)行故障處理查找接地線路。

4.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)案例

2020年10月21日06:11，成都壽安站10 kVⅡ母發(fā)生A相接地(UA=0.89 kV，UB=9.64 kV,UC=10.42 kV)。由于該站未接入零序電流，其接地故障前后接地相電流變化量和無功功率變化量以及采用改進(jìn)熵權(quán)法(W=[0.460,0.540,0.000])后的選線結(jié)果如表2所示。

表2 成都壽安站中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)選線結(jié)果

06:11:54接地后，系統(tǒng)按照改進(jìn)熵權(quán)法選線結(jié)果對接地概率第1(30.6%)的壽民路924斷路器自動進(jìn)行控分操作；06:12:30時，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)小電流接地信號復(fù)歸，接地現(xiàn)象消失，證明該方法選線成功，整個故障處理僅耗時36 s。

4.2 諧振接地系統(tǒng)案例

2021年6月10日12：28，成都沙堰子站10 kVⅡ、Ⅲ母發(fā)生諧振系統(tǒng)A相單相接地(UA=1.98 kV，UB=8.76 kV，UC=10.42 kV)，接地后各判據(jù)指標(biāo)及采用改進(jìn)熵權(quán)法(W1=[0.307,0.314,0.379])后的選線結(jié)果如表3所示。

表3 成都沙堰子諧振系統(tǒng)接地系統(tǒng)第1次選線結(jié)果

12:28:57接地后，系統(tǒng)按照改進(jìn)熵權(quán)法選線結(jié)果對接地概率最高(31.8%)的堰航線922斷路器自動進(jìn)行控分操作，等待一段時間后故障并未消失，系統(tǒng)隨即采用“動態(tài)補(bǔ)償法”。動態(tài)補(bǔ)償前后其他線路零序電流變化量、相電流變化量和無功功率變化量以及采用改進(jìn)熵權(quán)法(W2=[0.203,0.268,0.529)后的選線結(jié)果如表4所示。12:30:33時，系統(tǒng)按照第2次改進(jìn)熵權(quán)法選線結(jié)果對接地概率最高(74.6%)的堰白線923斷路器進(jìn)行控分操作，隨后于12:30:38發(fā)現(xiàn)小電流接地信號復(fù)歸，接地現(xiàn)象消失。僅通過兩次拉路即實(shí)現(xiàn)諧振接地系統(tǒng)故障選線，整個故障處理僅耗時101 s。

表4 成都沙堰子諧振系統(tǒng)接地系統(tǒng)第2次選線結(jié)果

在成都地調(diào)近1年的現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行中，共發(fā)生小電流接地單相故障120次，采用基于改進(jìn)熵權(quán)法選線方法的選線成功率達(dá)到100%，平均接地故障處理時間由過往的30 min縮減至1min左右，平均拉路數(shù)由過往4.8次下降至1.5次。所提方法大大提高了諧振接地系統(tǒng)單相接地選線成功率和故障處置時間，同時也解決了過往甚至試?yán)?條線路的不利情景。

5 結(jié) 論

針對目前中國廣泛存在的諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后選線難度大、選線時間長問題，基于對小電流接地系統(tǒng)分析理論分析及生產(chǎn)實(shí)際，提出了基于改進(jìn)熵權(quán)法的調(diào)度端小電流接地選線方法，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)綜合考慮零序電流、相電流、無功功率等特征量進(jìn)行選線，以改進(jìn)熵權(quán)法增加選線判據(jù)合理性，避免了單一判據(jù)的局限性，具有更廣的適用性。以動態(tài)補(bǔ)償法解決了諧振接地系統(tǒng)選線難題。

2)提高小電流接地選線的自動化水平，減少傳統(tǒng)人工拉路法的“盲拉”次數(shù)，提高供電可靠性，小電流接地故障平均處理時間縮短了95%，對抑制單相長時間接地可能引發(fā)的同溝電纜起火和森林草原火災(zāi)有一定的意義。

3)相較于廠站端每個站部署選線裝置投資大、須停電施工等缺點(diǎn)，所提方法部署在調(diào)度主站端具有更強(qiáng)的實(shí)用性和推廣性。

4)通過在成都地調(diào)長時間運(yùn)行，檢驗(yàn)了所提方法的準(zhǔn)確性和有效性。