張英, 隋喆, 王琨, 李哲, 梁煥, 郭亮

(1.國網(wǎng)陜西省電力公司西安供電公司, 陜西, 西安 710000; 2.國網(wǎng)陜西省電力有限公司, 陜西, 西安 710061;3.西安興匯電力科技有限公司, 陜西, 西安 710000)

0 引言

傳統(tǒng)的配電線路故障特征量自識別方法采用三級保護(hù)方案對三段式電流進(jìn)行保護(hù),但由于空氣游離因素的影響,接地阻抗變化較大,識別精度較低,為此國內(nèi)專家學(xué)者們展開了相關(guān)研究[1-2]。

文獻(xiàn)[3]方法提取了配電線路發(fā)生時殘余電壓特征量,并采用離散小波變換對殘余電壓特征量進(jìn)行了故障識別,該方法實現(xiàn)了配電線路故障類型的快速、準(zhǔn)確判斷,但故障特征量識別不全面。文獻(xiàn)[4]方法以配電線路時域、頻域故障波形特點為特征參量,通過公式提取了故障波形數(shù)據(jù),并根據(jù)故障波形數(shù)據(jù)建立了識別模型,在識別模型中輸入配電線路波形故障數(shù)據(jù)特征量進(jìn)行監(jiān)測與歸類,實現(xiàn)配電線路故障特征量的識別,該方法實現(xiàn)了對配電線路數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測,但故障識別精度低。

為此,本文提出基于饋線自動化與極差保護(hù)的配電線路故障特征量自識別方法。

1 故障特征識別

引起配電線路故障的因素較多,如樹木碰線故障、車輛碰撞、雷電故障等,因此可聯(lián)合不同類型的影響因素進(jìn)行故障特征識別。當(dāng)外力作用在配電線路時,作用力在水平方向,垂直配電線的作用力較小,配電線不會同時發(fā)生斷裂,引起配電線路斷路故障的斷路點通常位于配電線路中間,斷線相電流較小。此外,配電線路末端一般靠近尖銳、高聳的建筑物,在電磁設(shè)備的干擾下,此地的雷電地閃信號會增加,此時配電線路斷路點位于線路末端,電流的衰減程度可表示為

(1)

式中,αij表示配電線路發(fā)生斷路故障時ij相電流的衰減程度,Ii表示當(dāng)配電線路斷路點位于線路中間時斷線i相電流的大小,Ij表示配電線路斷路點位于線路末端時j相電流幅值[5-6]。

并聯(lián)電弧產(chǎn)生的原因是2個帶電線路發(fā)生絕緣老化,絕緣程度低于標(biāo)準(zhǔn)絕緣度,線路中形成炭化通道,炭化通道中間形成較大的瞬時電壓,造成電弧短路故障。電弧電壓在電弧故障中屬于特征量,電弧的非線性特點使電弧電壓的變化近似為一個矩形波。電弧電壓波形和電弧電流波形如圖1所示。

圖1 電弧電壓波形和電弧電流波形圖

根據(jù)圖1可知,電壓和電流是配電線路重要的特征量,一旦出現(xiàn)波動就會引起質(zhì)量擾動[7]。

當(dāng)配電線路故障發(fā)生時,故障特征量中會出現(xiàn)電流沖擊成分,且高頻成分中會出現(xiàn)較多的沖擊分量,通過離散小波變換對配電線路故障相電壓進(jìn)行離散分析。配電線路故障相電壓情況如圖2所示。

(a) 3840～7680 Hz

根據(jù)圖2可知,不同原因造成的電路故障幅值分布情況完全不同,且能量分布也存在差異。在配電線路故障特征識別中,故障電弧包括串聯(lián)與并聯(lián)兩種。當(dāng)配電線路發(fā)生三相接地故障時,串聯(lián)電弧由于斷路點接觸不良,會在配電線路內(nèi)產(chǎn)生電壓差,將導(dǎo)線間隙擊穿從而形成電弧,此時電弧將會在配電線路的絕緣表面進(jìn)行擴(kuò)展,如圖3所示。

圖3 電弧故障圖

根據(jù)圖3可知,負(fù)載與AC分別位于電路圖兩側(cè),此時電弧產(chǎn)生的電壓受到時域和頻域的壓迫,電路難以正常運行。

2 基于饋線自動化與極差保護(hù)的配電線路故障特征量自識別

配電線路故障特征量在進(jìn)行自識別之前,需要建立配電線路故障的等效模型并加以分析。在配電線路的等效模型中,輸入電阻、電抗和電納作為模型變量,且這些模型變量是均勻分布的,由于配電線路不長,因此只需要考慮配電線路端點、末端的電流、功率、電壓等變化情況即可。配電線路故障等效模型為

(2)

式中,c表示配電線路的電容,dt表示在故障時刻t時配電線路的電壓,du表示當(dāng)配電線路故障發(fā)生于線路末端時配電線路的電流,L為等效模型。等效模型建立完成后,根據(jù)模型進(jìn)行故障特征量的自識別。

分析配電網(wǎng)兩段電容,確保電容內(nèi)部的電壓相等。極差保護(hù)可以確保單相電容器內(nèi)部電容量處于平衡狀態(tài),如果配電網(wǎng)內(nèi)部壓差超過定值,電容器一起會啟動保護(hù)壓差動作。

配電線路故障發(fā)生時,可根據(jù)基于特征量自識別融合極差保護(hù)綜合型饋線自動化的要求,設(shè)計過流檢測、殘壓檢測等故障隔離裝置,該隔離裝置屬于終端設(shè)備,包括電容式取能單元、智能控制單元與信號處理單元,可實時采集配電線路故障數(shù)據(jù),例如三相電流、三相電壓,同時該終端設(shè)備可檢測配電線路的運行狀態(tài),具有接地故障選線、故障隔離等功能。終端設(shè)備在實現(xiàn)配電線路故障隔離的過程中會產(chǎn)生大量的暫態(tài)信號,暫態(tài)信號中含有配電線路故障信息,三相電流、三相電壓的不同頻率分量為配電線路故障識別提供了數(shù)據(jù)依據(jù),中性點不接地配電線路特征量故障識別可通過三相電流與殘余電壓來實現(xiàn):

ur=u1+u2+u3,ir=i1+i2+i3

(3)

式中,ur表示三相電壓,ir表示三相電流,u1、u2、u3表示殘余電壓,i1、i2、i3表示殘余電流。

測量殘余電壓、殘余電流、三相電壓與三相電流,然后對配電線路故障特征量進(jìn)行定義。通過饋線自動化加權(quán)處理得到配電線路饋線自動化系數(shù)Ed1(u)、Ed2(u)、Ed3(u),這3種饋線自動化系數(shù)可對特征量d1、d2、d3進(jìn)行表征,且表征能力較好。

(4)

式中,di(k)表示三相電壓與三相電流的di極差保護(hù)系數(shù),N表示安全加密模塊接口的采樣點數(shù),h表示殘壓閉鎖實錄數(shù)據(jù)。殘壓閉鎖是指放電電流在保護(hù)器指定端的瞬時殘壓實現(xiàn)反向合閘閉鎖功能。細(xì)節(jié)系數(shù)如圖4所示。

(a) d3運行時間

根據(jù)圖4完成配電線路故障特征量定義,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,在時域范圍內(nèi),對瞬時電壓、瞬時電流最高的電壓、電流進(jìn)行分析,通過小波變換優(yōu)化配電線路故障電壓與電流。在10 kV配電線路中,當(dāng)變電站存在較長時延時,通過繼電保護(hù)對發(fā)生故障的配電線路進(jìn)行隔離,由極差保護(hù)饋線自動化策略來恢復(fù)配電線路故障區(qū)域的供電。根據(jù)殘余電流的研判功能,判定單相接地配電線路故障區(qū)段,對故障進(jìn)行隔離后恢復(fù)非配電線路故障區(qū)域的供電,遵循“失壓分閘,有壓合閘”的工作邏輯,完成配電線路故障隔離與非故障區(qū)域、故障區(qū)域的供電。在故障隔離與供電過程中,一旦發(fā)生節(jié)點波動情況,則需要加大配電線路故障特征量識別范圍,并對識別過程中的節(jié)點進(jìn)行容錯處理,最后根據(jù)三相電壓與三相電流的大小判定配電線路故障的類別。

3 實驗研究

為了驗證本文方法的有效性,將本文方法與傳統(tǒng)的基于離散小波變換的配電線路故障特征量自識別方法(文獻(xiàn)[3]方法)、基于故障波形時頻特征的配電線路故障特征量自識別方法(文獻(xiàn)[4]方法)進(jìn)行比較。

本文實驗選用的配電網(wǎng)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 配電網(wǎng)系統(tǒng)

設(shè)定圖5中的架空線為11 m,電源為110 kV,變電器為10 kV,電流為三相電流。

應(yīng)用3種方法對圖5中配電網(wǎng)的瞬時故障和永久故障進(jìn)行識別,識別結(jié)果如圖6、圖7所示。

(a) 實際電阻值

(a) 實際電阻值

由圖6可知:在0.6 s開始出現(xiàn)瞬時故障,電阻出現(xiàn)瞬時波動,故障位置距離線段為12 km,持續(xù)時間為0.6～1.0 s,診斷的過渡電阻值為75 Ω;文獻(xiàn)[3]方法識別的電阻診斷時間從第0 s開始確定故障波形,持續(xù)時間為0～1.0 s,診斷的過渡電阻值為55 Ω;文獻(xiàn)[4]方法識別的電阻診斷時間從第0.2 s開始確定故障波形,持續(xù)時間為0.2～1.0 s,診斷的過渡電阻值為40 Ω;本文方法識別的電阻診斷時間從第0.6 s開始,診斷故障特征量持續(xù)時間和電阻值與實際值完全一致。由此可見,本文方法識別能力更強(qiáng)。

由圖7可知,本文方法從第0.6 s開始確定診斷故障,得到的電阻波形與實際值完全吻合,且最后診斷的數(shù)值穩(wěn)定在0 Ω。

4 總結(jié)

本文提出了基于饋線自動化與極差保護(hù)的配電線路特征量自識別方法,提升了配電線路運行的穩(wěn)定性,為電網(wǎng)的可靠運行提供了數(shù)據(jù)分析,為故障區(qū)域恢復(fù)供電提供了技術(shù)保障,提高了終端設(shè)備與變電站信息傳輸?shù)陌踩?提升了供電的穩(wěn)定性與可靠性。但本文方法存在一定的不足,在分析配電線路故障特征時,對無極差的接地故障分析不太全面,在未來的研究中,將針對此項進(jìn)行重點研究。