云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局 陳勁秋 李軼昂

配電網(wǎng)在不同的區(qū)域分布較為廣泛，由于配電網(wǎng)環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，很容易在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障，因此如何選擇配電網(wǎng)的中性點(diǎn)接地就成為避免故障發(fā)生的一種有效途徑。這種方式在電力設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中比較常見(jiàn)[1-3]?，F(xiàn)有學(xué)者也針對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[4]通過(guò)人工智能方法對(duì)配電網(wǎng)接線和測(cè)距進(jìn)行了研究，該技術(shù)通過(guò)構(gòu)建改進(jìn)粒子群優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在配電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，提取零序電壓以及電流的暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)特征，根據(jù)提取的特征，分析配電網(wǎng)故障選線以及故障測(cè)距。雖然該算法具有一定的技術(shù)進(jìn)步性，但配電網(wǎng)接地故障暫態(tài)數(shù)據(jù)分析力度不足，在構(gòu)建配電網(wǎng)工程運(yùn)行系統(tǒng)和應(yīng)用方法無(wú)法體現(xiàn)其技術(shù)優(yōu)越性。文獻(xiàn)[5]在配電網(wǎng)發(fā)生故障后，在如何實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)配變支路保護(hù)，如何實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)保護(hù)等,在比較短的時(shí)間內(nèi)，如何處理電路輸出的故障暫態(tài)信號(hào)等問(wèn)題上，研究卓越，通過(guò)模擬配網(wǎng)故障暫態(tài)電壓電流,采用粒子群高斯牛頓混合算法對(duì)此模型的各參數(shù)進(jìn)行辨識(shí),實(shí)現(xiàn)暫態(tài)參數(shù)的求取。該方案雖然具有一定的技術(shù)進(jìn)步性，但無(wú)法通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控配電網(wǎng)故障暫態(tài)電壓電流的特性,當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，如何選擇接地仍舊無(wú)法掌控。

1 接地故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型

假設(shè)在配電網(wǎng)接地回路中，以電網(wǎng)A 相線接地進(jìn)行分析，則構(gòu)建的接地故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型如圖1所示[6]。在電路圖中，由于故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型通過(guò)不同的電容、電阻構(gòu)成的，其中rk為第k 支路對(duì)地的絕緣電阻，Ck為第k 支路的對(duì)地電阻，Rg為接地回路模型中的接地平衡電阻[6]。

圖1 故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型示意圖

在圖1的故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型中，當(dāng)判斷電路中是否存在接地現(xiàn)象時(shí)，通過(guò)接地暫態(tài)過(guò)程的求解，進(jìn)而判斷出接地模型是否存在接地現(xiàn)象。

在圖1中，假設(shè)UA處的電壓輸出函數(shù)為：

則對(duì)圖1中的電路進(jìn)行微分計(jì)算，列出微分方程為：

在公式（2）中，r 表示電網(wǎng)電路中對(duì)地絕緣電阻的總和，用公式表示為：

由于接地電流包括穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量，用公式表示為：

其中Igm表示為接地電流穩(wěn)態(tài)分量的幅值[8],用公式表示為：

用Igi表示暫態(tài)分量的初值，則存在以下公式：

其中φ 表示is超過(guò)uA的相位角，用公式表示為：

公式（7）中的γ 為時(shí)間常數(shù)，用戶可以根據(jù)電路的暫態(tài)過(guò)程衰減快慢進(jìn)行設(shè)置。該時(shí)間常用公式表示為：

下面計(jì)算電路中各相對(duì)地電壓瞬時(shí)值，則有：

然后利用瞬時(shí)對(duì)稱分量法計(jì)算零序電壓u0，

其中：

然后再利用瞬時(shí)對(duì)稱分量法計(jì)算出故障支路的零序電流i01，則有：

在公式（14）中，存在這樣公式：

公式（15）為電路中故障支路零序電流穩(wěn)態(tài)分量的幅值，其中：

公式（16）表示電網(wǎng)故障支路零序電流暫態(tài)分量的初值。

用公式（17）計(jì)算電網(wǎng)電路中故障支路零序電流超前于零序電壓的相位。

通過(guò)上述公式論述，再計(jì)算故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型中非故障支路的零序電流，該零序電流的計(jì)算公式用公式表示為：

在公式（18）中，存在以下計(jì)算公式：

公式（19）表示非故障支路零序電流穩(wěn)態(tài)分量的幅值，在公式（19）中存在以下恒等量：

公式（20）表示非故障支路零序電流暫態(tài)分量的初值，則有：

通過(guò)公式（1）—（20）的分析，一旦配電網(wǎng)對(duì)地后，其內(nèi)所具有的信號(hào)，比如穩(wěn)態(tài)工頻分量數(shù)據(jù)信號(hào)、配電網(wǎng)輸出衰減指數(shù)暫態(tài)分量數(shù)據(jù)信息等多種數(shù)據(jù)信息將表現(xiàn)為與電源同頻率的狀態(tài)，使得配電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)信息包括一定的輸出信息相位差值。

2 接地信息綜合管理系統(tǒng)

本研究基于上文接地故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建，為了對(duì)配電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合診斷，本研究設(shè)計(jì)了如圖2所示的接地信息綜合管理系統(tǒng)。

圖2 接地信息綜合管理系統(tǒng)

在圖2中，接地信息綜合管理系統(tǒng)包括接地?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、接地信息數(shù)據(jù)分析、接地?cái)?shù)據(jù)信息輸出和接地?cái)?shù)據(jù)應(yīng)用模塊，在配電網(wǎng)接地?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，檢查故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型的零序電壓、檢查故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型中出現(xiàn)的非故障支路的零序電流，查看電路中是否出現(xiàn)零序電壓。這是因?yàn)楫?dāng)配電網(wǎng)中出現(xiàn)接地?現(xiàn)象時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生零序電壓。在配電網(wǎng)中，比如變壓器的中性點(diǎn)、各線路的人為中性點(diǎn)等處。在分析過(guò)程中，如果采用的配電網(wǎng)出現(xiàn)了零序電壓，在啟動(dòng)故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)零序電壓的幅值大于設(shè)定閾值時(shí)，說(shuō)明供電設(shè)施出現(xiàn)了接地現(xiàn)象。在故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型中，如果出現(xiàn)的高頻暫態(tài)電容電流的頻率大于基頻時(shí)，接地線路中出現(xiàn)的高頻分量與其他線路的高頻分量之和相同，則從配電網(wǎng)釋放的能量上來(lái)說(shuō)，配電網(wǎng)出現(xiàn)的故障線路釋放的高頻能量就較大。當(dāng)配電網(wǎng)中出現(xiàn)接地現(xiàn)象時(shí)，出現(xiàn)故障線路中的高頻分量的方向與其他線路中的電流流向方向相反，則接地線路中出現(xiàn)的電流值與非接地線路中出現(xiàn)的電流值相比，接地線路中出現(xiàn)的電流值出現(xiàn)明顯幅度變化。通過(guò)分析，用戶可以在計(jì)算機(jī)管理中心管控配電網(wǎng)接地情況[1]。

3 試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)采用一定的硬件和軟件條件實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)接地故障診斷，采用的操作系統(tǒng)為Microsoft Windows 2019，64位，通過(guò)Matlab 2018實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)信的模擬仿真，通過(guò)SimPowerSystem 模擬配電網(wǎng)中的線路、變壓器、負(fù)載等不同部件的變化。設(shè)置的配電網(wǎng)通過(guò)電流互感器（變流器）來(lái)代替，試驗(yàn)架構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 變流器試驗(yàn)架構(gòu)示意圖

下面結(jié)合圖3中變流器試驗(yàn)架構(gòu)示意圖，對(duì)本研究配電網(wǎng)接地特征進(jìn)行分析，采用監(jiān)測(cè)設(shè)備作為分析器具使用，為了提高檢測(cè)效果，以10個(gè)周期為采樣間隔，以動(dòng)態(tài)化分析采樣點(diǎn)，在每種周期內(nèi)，抽取128個(gè)數(shù)據(jù)樣本，分別通過(guò)電壓、電流計(jì)算，則電壓計(jì)算公式有：

電流計(jì)算公式如下：

通過(guò)公式計(jì)算后，在380Vrms 下采集變壓器的信息，輸出量為3.47Vrms。試驗(yàn)采用的模擬處理裝置中，輸出的增益參數(shù)設(shè)置為0.4274，通過(guò)電流、電壓轉(zhuǎn)換后，輸出如表1所示的不同電壓下接地電壓。

表1 不同負(fù)載下變壓器在線接地電壓電流值

通過(guò)表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為了更形象地觀察試驗(yàn)技術(shù)效果，通過(guò)繪制圖譜的方式，以形象地表達(dá)出來(lái)，如圖4所示。

圖4 接地特征量隨接地電阻的變化波形

在圖4中，當(dāng)配電網(wǎng)中電力設(shè)備平衡電阻不同時(shí)，則輸出電流也不同，當(dāng)接地電容取不同的數(shù)值時(shí)，當(dāng)發(fā)生接地現(xiàn)象時(shí)，絕緣電阻相對(duì)于觸電電流Ih的變化曲線示意圖如圖5所示。

圖5 接地特征量隨接地電阻的變化波形

通過(guò)在接地環(huán)境下模擬出多種曲線，能夠直觀地觀察接地情況。通過(guò)上述試驗(yàn)可以看出，通過(guò)本研究方法的故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型能夠準(zhǔn)確地分析配電網(wǎng)的接地特性。

在驗(yàn)證本研究技術(shù)方案的誤差時(shí)，分別采用方案一、二、三進(jìn)行對(duì)比分析，其中方案一為設(shè)備檢測(cè)、方案二為萬(wàn)用表檢測(cè)、方案三采用超聲波檢測(cè)方法，以樣本的方式抽取10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)接地時(shí)，則輸出有電壓值，否則為0，通過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)衡量。測(cè)量數(shù)據(jù)表如表2所示。

表2 測(cè)量數(shù)量表

在表2的樣本數(shù)據(jù)庫(kù)中，人為制造一些接地因素，然后通過(guò)不同的方法進(jìn)行檢測(cè)，可以得到，本研究的方法在不同的點(diǎn)均可檢測(cè)出接地因素，采用其他方案則存在盲點(diǎn)情況，再經(jīng)過(guò)100分鐘的測(cè)試后，繪制出如圖6所示的誤差對(duì)比示意圖。

圖6 誤差對(duì)比曲線圖

通過(guò)圖6可以看出，在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，只有本研究的技術(shù)方案誤差比較低。說(shuō)明本研究的技術(shù)方案較佳。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)配電網(wǎng)接地中存在的故障問(wèn)題，進(jìn)行了以下技術(shù)研究：構(gòu)建了接地故障暫態(tài)數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)不同情形下的故障暫態(tài)分析；構(gòu)建了接地信息綜合管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同情況下接地狀況的分析。

通過(guò)試驗(yàn)，本研究具有較好的技術(shù)效果，但在應(yīng)用過(guò)程中，仍舊存在一些不足之處，這需要進(jìn)一步的研究。