曾和平

（國網(wǎng)漢陰縣供電公司，陜西 安康 725100）

0 引 言

單相接地保護的定值受到保護原理、配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)電容電流水平、故障點過渡電阻大小以及配電網(wǎng)運營單位采取的故障處理策略等因素的影響，與傳統(tǒng)繼電保護的定值整定有較大區(qū)別。為降低配電網(wǎng)單相接地故障引起火災(zāi)等安全事故和大面積停電的風(fēng)險，對配電網(wǎng)單相接地故障的快速處理提出了更高的要求，為此提出農(nóng)村配電網(wǎng)單相接地故障分段自動定位方法。配電網(wǎng)單相接地保護要求動作發(fā)生在告警環(huán)節(jié)，同時越來越多的應(yīng)用場景要求出口跳閘，進而快速準(zhǔn)確定位單相接地故障位置[1]。

1 分布式電源配電網(wǎng)單相接地故障快速定位方法

1.1 設(shè)計配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文章設(shè)計的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)模在1～50 MW，能夠在負(fù)荷附近以散裝的形式提供電能，具有小投資低損耗的優(yōu)點。文章根據(jù)分布式的電源配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇了電流源型逆變器與電壓源型逆變器作為結(jié)構(gòu)的設(shè)計核心，這2種變電器損耗較低且控制簡單[2]。分布式電源配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式電源配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1中的主要單元結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，獲得結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型為

式中：H為濾波器等效電感；R為網(wǎng)側(cè)等效電阻；i為分布式電源交流側(cè)輸出電流；Up為公共連接點處的電網(wǎng)側(cè)單相電壓；U為分布式電源的輸出電壓；t為單相接地故障的發(fā)生時間。

文章根據(jù)分布式電源配電網(wǎng)的特性，對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電源控制進行了一些設(shè)定。首先，能夠有效地向電網(wǎng)輸送電能，且應(yīng)確保配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行；其次，安裝于負(fù)載側(cè)，電能就地消納；最后，根據(jù)配電網(wǎng)的實際電壓等級，選擇不同電源容量，對并網(wǎng)位置進行分析[3]。

1.2 分析電網(wǎng)接地故障電流特性

在發(fā)生接地故障時，所產(chǎn)生停電問題的影響由故障情況來決定。因此，在實際的配電網(wǎng)的運行中，為了減少停電問題，降低對日常工作生活的影響，需要在線路的中性點位置設(shè)置消弧線圈進行連接，這種做法可以減少故障線路中的幅值區(qū)域。文章設(shè)置的消弧線圈的連接方式如圖2所示。

圖2 中性點經(jīng)消弧線圈接地結(jié)構(gòu)

發(fā)生單相接地故障時，中性點電位上升至相電壓，消弧線圈產(chǎn)生感性電流補償電路中的容性接地電流，補償后的容性接地電流殘余分量很小，不足以維持電弧，避免故障規(guī)模擴大[4]。

通過圖2的接地結(jié)構(gòu)，分析單相接地故障問題的特性。在正常運行時，選擇線路1、線路2和線路3中的某一線路作為分析的單相接地，其中的單相平衡被打破，產(chǎn)生了電流放電問題。在零序分量的計算中，以消弧線圈的工作內(nèi)容為參數(shù)的分析的基點，那么各線路中的電流大小的計算表達式為

式中：ω為電流頻率；L為電流的線路長度；U'為當(dāng)前電路中的平均電壓；E為當(dāng)前電壓的電動勢；j為消弧線圈的參數(shù)值。那么此時的故障點中的電流之和為

式中：Iz為故障線路中故障點的電流，也是單相接地線路中的全部對地電容電流。

1.3 計算配電網(wǎng)單相接地故障影響參數(shù)

在配電網(wǎng)單相接地中，出現(xiàn)故障問題時，大多數(shù)是因為多方面的原因綜合作用，使得線路出現(xiàn)故障。因此，文章通過單相接地中的暫態(tài)過程來對故障影響參數(shù)進行分析[5]。

暫態(tài)過程中，消弧線圈還未開始進行補償作用，因此中性點不接地方式和經(jīng)消弧線圈接地方式在故障發(fā)生后的一小段時間內(nèi)，具有相似的過渡過程。由等值電路可以看出，回路內(nèi)共流向3種電流，分別是故障發(fā)生后容性對地電容電流、故障后消弧線圈開始補償作用產(chǎn)生的感性電感電流以及容性對地電容電流與感性電感電流在接地位置疊加而成的接地電流。

出現(xiàn)單相接地故障后，電流的影響效果表達式為

式中：Uφ為零序電壓U0的幅值；C為零序網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部對地電容總值；R'為電流中的電阻值；S為消弧線圈的電感值大小。基于實際應(yīng)用場景的考慮，在電力系統(tǒng)中，單相接地故障通常發(fā)生在幾十毫秒到幾分鐘的時間范圍內(nèi)，因此選取60 s作為式（4）積分上限，即可覆蓋大多數(shù)實際運行情況下的接地電流變化過程。根據(jù)式（4）的電流暫態(tài)過程，分析出其周期的衰減特性。將電阻設(shè)定在一般范圍內(nèi)，通過故障發(fā)生時的電阻阻值為零來設(shè)定約束條件，那么且電流頻率處于配電網(wǎng)范圍內(nèi)，即300～1 500 Hz。

容性對地電容電流的暫態(tài)過程也可以看作是穩(wěn)態(tài)階段的容性對地電容電流與呈周期性衰減的高頻振蕩電流疊加而成，當(dāng)周期性衰減的高頻振蕩電流衰減至無窮小，即進入穩(wěn)態(tài)階段[6]。

然后通過實際的配網(wǎng)的接地故障，分析故障信息的暫態(tài)過程的頻率特性，其中的衰減特性取決于故障中的相角。暫態(tài)過程的幅值大于穩(wěn)態(tài)過程，甚至?xí)p到故障后的過程，能夠豐富體現(xiàn)出單相故障的特性信息，對故障模型的構(gòu)建及其之后的快速定位起到了重要作用。

1.4 搭建故障模型實現(xiàn)快速定位

為實現(xiàn)故障的快速定位，文章選擇使用誤差反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來定位故障點。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過該網(wǎng)絡(luò)的映射能力和其自身屬性中的學(xué)習(xí)能力，將上述所分析的故障特性，作為輸入層輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并通過在隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)配置其中閾值的神經(jīng)元，完成對于故障點的辨識，進而實現(xiàn)對單相接地故障的快速定位[7]。

首先，通過對故障信號的搜尋，得到隱含層中第m個節(jié)點的輸入Nm。將Nm代入隱含層的激活函數(shù)h可得到相對應(yīng)的輸出信號yh，將yh作為輸出層的節(jié)點系數(shù)，可得輸出層第k個節(jié)點的輸入Nk為

將式（5）所的結(jié)果代入輸出層的激活函數(shù)，得到實際輸出值Qk。根據(jù)輸出值的特性判定，可以分析出對應(yīng)的單相故障，處于具體的某一配網(wǎng)線路中[8]。此外，根據(jù)配網(wǎng)線路中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入，通過隱含層的計算，最后得到的輸出值，即為單相接地故障中的故障具體定位。

2 實驗論證

2.1 實驗說明

為驗證文章設(shè)計方法的應(yīng)用效果，設(shè)計如下實驗。通過與基于小波變換的故障定位方法（對照組Ⅰ）、基于K均值分類算法的故障定位方法（對照組Ⅱ）進行對比，分析文章設(shè)計方法（實驗組）的優(yōu)勢性。選擇8組實驗數(shù)據(jù)，通過隨機篩選的方式，選取分布式電源配電網(wǎng)的單相接地故障數(shù)據(jù)，各組中的故障點數(shù)量分別為20個、40個、60個、80個、10個、30個、50個以及70個，通過在其他篩選的實際數(shù)據(jù)，在故障樣本中進行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，將8組故障樣本輸入模型，然后基于多次實驗驗證獲得實驗結(jié)果。

2.2 實驗準(zhǔn)備

配電網(wǎng)參數(shù)設(shè)置如下：配電網(wǎng)額定容量為12 500 kVA；額定頻率為50 Hz；額定電壓為10.5 kV，電壓基于額定電壓上下波動2.5%。

為實現(xiàn)配電網(wǎng)中的簡化電路，需要仔細(xì)排查配網(wǎng)中可能出現(xiàn)故障的狀況，避免產(chǎn)生電位差問題。因此，分析故障問題特征，初步定位到故障區(qū)段，再分析故障發(fā)生處的信號，經(jīng)金屬線路的電流故障流經(jīng)接地線，并且向中性點注入。通過故障檢測對其進行上下游的定位，并判斷其是否為電流信號。

2.3 實驗結(jié)果

不同方法定位故障的時間如表1所示。

表1 不同方法的對比結(jié)果

由表1可以看出，隨著故障點數(shù)量的變化，3種方法定位故障所需的時間均呈現(xiàn)出逐漸增加的態(tài)勢?？v不同方法定位故障所需的時間，在故障點數(shù)量由10個增加至80個的過程中，對照組Ⅰ定位故障所需的時間由2.6 s增加至21.5 s，對照組Ⅱ定位故障所需的時間由3.4 s增加至22.3 s，實驗組定位故障所需的時間由2.1 s增加至19.8 s。因此，實驗組定位故障所需的時間更短。由此表明，文章設(shè)計方法能夠相對快速的定位故障問題，為配網(wǎng)的故障處理，提供時間優(yōu)勢。

3 結(jié) 論

文章通過對配網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行分析，進而分析故障問題的特性，通過對故障影響參數(shù)的計算，構(gòu)建出故障點的定位模型?；趯嶒灁?shù)據(jù)結(jié)果證明了文章設(shè)計方法能夠?qū)崿F(xiàn)對單相接地故障的快速定位。但是，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計中，文章方法對故障點的說明不夠詳細(xì)，這些不足之處將在之后的研究中深入分析，并進行改進。