配電網(wǎng)消弧線圈優(yōu)化控制策略

吳文曉，許 燕，楊學(xué)君，由 靜

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江 金華 321017；2.國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，濟(jì)南 250000）

0 引言

隨著我國(guó)“智能電網(wǎng)”戰(zhàn)略的實(shí)施，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨著新的挑戰(zhàn)。配電網(wǎng)中單相接地故障發(fā)生概率最大，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后快速、準(zhǔn)確地選出故障線路對(duì)于電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重要意義。

我國(guó)配電網(wǎng)的中性點(diǎn)運(yùn)行方式多為小電流接地運(yùn)行方式。目前，對(duì)于小電流接地系統(tǒng)尤其是中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的諧振接地配電網(wǎng)，故障選線的可靠性還有待提高[1]。多種選線方法諸如暫態(tài)行波法[2]、小波奇異性檢測(cè)法[3]、注入法[4]被提出，選線的可靠性大大提高。其中，基于暫態(tài)量的選線方法[5－6]的正確率受多種因素影響，對(duì)設(shè)備要求高；注入法則需要對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行操作，硬件投資高，代價(jià)比較大；而基于穩(wěn)態(tài)量的選線方法原理簡(jiǎn)單，可靠性高[7－10]。文獻(xiàn)[11]提出了零序電流綜合增量法，利用故障后2次調(diào)節(jié)電感對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)量測(cè)信息進(jìn)行故障選線，該方法不需要裝設(shè)額外設(shè)備，實(shí)現(xiàn)方便。但是，該方法定義的零序電流綜合增量受過(guò)渡電阻和故障距離的影響，當(dāng)發(fā)生電弧接地、絕緣擊穿等高阻接地時(shí)，中性點(diǎn)電壓減小，零序電流綜合增量降低致使故障特征不明顯，從而影響選線成功率[12]；文獻(xiàn)[13]提出了基于改進(jìn)的零序電流綜合增量法，增大了故障線路與非故障線路的差異性。

對(duì)于諧振電網(wǎng)，傳統(tǒng)基于穩(wěn)態(tài)量的選線方法為了保證選線成功率，通常增大消弧線圈補(bǔ)償度的變化量，但是故障點(diǎn)的殘流增大，不但不利于熄弧，還會(huì)加重故障程度，使得故障向更為嚴(yán)重的方向發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)消弧與選線的兼顧，解決消弧與選線間的矛盾，在考慮交流電弧熄弧條件的前提下，提出了基于改進(jìn)零序電流綜合增量法、兼顧消弧與選線的消弧線圈最優(yōu)控制策略，并通過(guò)PSCAD仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的有效性。

1 綜合增量法選線原理

圖1為諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)補(bǔ)償電網(wǎng)電路圖。設(shè)電網(wǎng)共有n條支路，支路i的A相經(jīng)電阻Rd發(fā)生單相接地，接地電流的參考方向如圖所示。

其零序等值電路如圖2所示。

圖1 補(bǔ)償電網(wǎng)系統(tǒng)

圖2 零序電路等值電路

式中：U0為故障點(diǎn)的零序電壓；Cj和rj分別為健全支路的對(duì)地電容和等效電阻，j=1，2，…，n（j≠i）。

由于在配電網(wǎng)中，多采用Y－Δ接法，故主變壓器支路零序電流為零；消弧線圈支路電流為：

式中：rL，L分別為消弧線圈電阻及電感。

根據(jù)圖2知，系統(tǒng)發(fā)生阻值為Rd的單相接地故障，消弧線圈導(dǎo)納為[1/rL－j（1/ωL）]時(shí)，中性點(diǎn)電壓為：

式中：CA，rA分別為A相對(duì)地電容和電阻。

消弧線圈改變檔位， 導(dǎo)納為[1/rL－j（1/ωL′）]時(shí)，中性點(diǎn)電壓為：

消弧線圈補(bǔ)償度的變化必然引起零序回路中零序電流的改變，定義零序電流綜合增量為：

由公式（1）—（6）知，非故障線路補(bǔ)償程度改變前后零序電流的變化量為：

因此，改變消弧線圈導(dǎo)納前后，非故障零序電流的綜合增量無(wú)變化，故障線路的零序電流綜合增量發(fā)生變化，根據(jù)流入線路零序電流的綜合增量是否發(fā)生變化，可以找出發(fā)生單相接地故障的線路。

2 改進(jìn)綜合增量法

2.1 改進(jìn)綜合增量法選線原理

考慮到傳統(tǒng)的綜合增量法在高阻接地情況下故障特征不明顯，為此提出改進(jìn)的綜合增量法，旨在盡量減小脫諧度變化量的情況下保證故障特征，從而保證選線的正確性。

對(duì)于任意一條線路k，進(jìn)行如下定義，并且滿足：

對(duì)于非故障線路公式（9）可寫作：

對(duì)于故障線路，結(jié)合公式（3），可將公式（9）寫作：

定義零序電流的改進(jìn)綜合增量，見(jiàn)公式（12）：

根據(jù)公式（12），非故障支路與故障支路的零序電流改進(jìn)綜合增量分別為：

由公式（7）， （8）， （13）， （14）可知， 相比于傳統(tǒng)的零序電流綜合增量法，采用改進(jìn)的零序電流綜合增量法后，故障線路與非故障線路的差異更加顯著了，故障線路零序電流改進(jìn)綜合增量的變化量為消弧線圈電流變化的（n－1）倍，且非故障線路與故障線路的零序電流改進(jìn)綜合增量變化趨勢(shì)相反。當(dāng)系統(tǒng)越復(fù)雜、線路條數(shù)越多，故障線路的增量越明顯。因此，在消弧線圈脫諧度改變量相同的情況下，改進(jìn)后零序電流綜合增量法使得故障線路與非故障線路的差異更加顯著，在滿足有效選線的前提下，可以有效降低殘流量，降低選線對(duì)消弧造成的不利影響。

2.2 故障期間消弧線圈最優(yōu)控制策略

我國(guó)低壓配電網(wǎng)多數(shù)采用小電流接地運(yùn)行方式，而且隨著系統(tǒng)對(duì)地電容電流的日益增大，諧振接地電網(wǎng)所占的比重將越來(lái)越大。在諧振接地電網(wǎng)中，由于接地點(diǎn)的電容電流受消弧線圈的感性電流補(bǔ)償，使得電網(wǎng)供電的可靠性提高，但如何提高消弧線圈的補(bǔ)償性能，在保證消弧線圈有效消弧的前提下可靠選線引起人們的極大關(guān)注。消弧與選線一直是個(gè)矛盾，消弧線圈的存在會(huì)減弱零序電流信號(hào)，降低傳統(tǒng)依靠零序電流幅值差異進(jìn)行選線方法的可靠性，若增大故障點(diǎn)殘流又可能造成電弧重燃，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)安全。基于改進(jìn)后的零序電流綜合增量法，通過(guò)消弧線圈故障期間的優(yōu)化控制策略可實(shí)現(xiàn)消弧與選線的兼顧。

根據(jù)消弧理論[13－14]，接地點(diǎn)殘流小于10 A時(shí)，電弧能夠自行熄滅，一些瞬時(shí)性故障能自行消失，因此當(dāng)故障發(fā)生后精確控制消弧線圈使接地點(diǎn)殘流小于10 A便可以實(shí)現(xiàn)有效的消弧，但接地點(diǎn)的殘流越小，故障選線越困難[15]。對(duì)消弧線圈而言，其主要作用是消弧，其次是補(bǔ)償永久性接地故障時(shí)的接地電流。為此，系統(tǒng)消弧線圈的控制滿足以下原則更有利于實(shí)現(xiàn)消弧與選線的兼顧：在故障發(fā)生后，消弧線圈調(diào)節(jié)至全補(bǔ)償點(diǎn)，二次調(diào)節(jié)點(diǎn)在滿足故障點(diǎn)殘流小于10 A的前提下，盡可能地大即可。根據(jù)這個(gè)思想，以下給出基于改進(jìn)綜合增量法的消弧線圈故障期間的優(yōu)化控制策略。

根據(jù)公式（5）可得：

3 仿真分析

基于PSCAD的仿真系統(tǒng)原理見(jiàn)圖3。系統(tǒng)為10 kV配電網(wǎng)，仿真試驗(yàn)測(cè)試文中所提方法用于諧振接地系統(tǒng)中在消弧和選線方面的表現(xiàn)。電網(wǎng)系統(tǒng) L1， L2， L3， L4， L5這 5 條出線的長(zhǎng)度分別為9 km，11 km，7 km，5 km，13.5 km，電網(wǎng)線路模型采用貝杰龍模型，系統(tǒng)總的對(duì)地電容為341 μF，故障設(shè)置在線路上。

圖3 仿真系統(tǒng)

利用仿真模型，設(shè)置不同過(guò)渡電阻、故障距離下的單相接地故障。考慮到測(cè)量設(shè)備存在誤差，為了保證熄弧效果，設(shè)置β=0.9，即二次調(diào)節(jié)消弧線圈使得故障電流的目標(biāo)殘流達(dá)到9 A。諧振狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電感為1.174 2 H，對(duì)應(yīng)每種故障將消弧線圈的電感從L對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)全補(bǔ)償狀態(tài)調(diào)節(jié)至文中對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置L′，詳見(jiàn)表1。

以Rd=50 Ω，l=5.0 km故障情況為例，根據(jù)公式（17）的控制策略，給出此控制策略下的故障點(diǎn)殘流變化情況（見(jiàn)圖4）。仿真設(shè)置在0.2 s發(fā)生單相接地故障，0.3 s消弧線圈調(diào)至諧振狀態(tài)，0.45 s消弧線圈進(jìn)行第二次調(diào)節(jié)，故障點(diǎn)殘流控制目標(biāo)為9 A，根據(jù)仿真波形，電流峰值不大于14 A，即有效值小于10 A，低于電弧重燃水平，滿足熄弧要求。

表1 消弧線圈二次調(diào)節(jié)值

圖4 故障點(diǎn)流殘流變化情況

表2給出了采用零序電流綜合增量法選線與其改進(jìn)方法的選線情況對(duì)比。分析表中數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)基于零序電流綜合增量故障線路與非故障線路間的差異性較改進(jìn)后的零序電流綜合增量法的差異性要小，即故障特征表現(xiàn)得不夠顯著，因此在諸如發(fā)生高阻性接地故障時(shí)，要犧牲消弧線圈的消弧性能來(lái)保證選線的成功率。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)中的線路L5為健全線路，但與其他健全線路的零序電流增量變化情況不一致，究其原因是該線路較其他線路要長(zhǎng)得多，傳統(tǒng)的方法選線錯(cuò)誤，而改進(jìn)后的方法雖然該條線路的變化情況與其他線路不同，但不影響正確選線。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)消弧與選線矛盾的問(wèn)題，提出了基于改進(jìn)零序電流綜合增量法的消弧線圈優(yōu)化控制策略。相比傳統(tǒng)基于綜合增量的選線方法，改進(jìn)的綜合增量法能夠增大故障線路與非故障線路間零序電流綜合增量，從而增大故障線路與非故障間的差異性，減小過(guò)渡電阻、故障位置及過(guò)長(zhǎng)線路對(duì)選線正確率的影響。提出的消弧線圈優(yōu)化控制策略能夠在保證選線可靠性的前提下，最大程度地降低故障點(diǎn)的殘流，從而實(shí)現(xiàn)消弧與選線的兼顧，提高供配電系統(tǒng)的可靠性。

表2 零序電流綜合增量法與其改進(jìn)方法選線結(jié)果對(duì)比

參考文獻(xiàn)：

[1]王清亮.單相接地故障分析與選線技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2013.

[2]董新洲，畢見(jiàn)廣.配電線路暫態(tài)行波的分析和接地選線研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（4）∶1－6.

[3]賈清泉，劉連光，楊以涵，等.應(yīng)用小波檢測(cè)故障突變特性實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)小電流故障選線保護(hù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21（10）∶79－83.

[4]曾祥君，尹項(xiàng)根，于永源，等.基于注入變頻信號(hào)法的經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)控制與保護(hù)新方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000，20（1）∶30－33.

[5]李天云，祝磊，王飛，等.基于數(shù)學(xué)形態(tài)譜的配電網(wǎng)接地選線新方法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29（2）∶35－38.

[6]唐軼，陳奎，陳慶，等.導(dǎo)納互差之絕對(duì)值和的極大值法小電流接地選線研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（6）∶49－54.

[7]齊鄭，劉寶柱，王璐，等.廣域殘流增量選線方法在輻射狀諧振接地系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30（3）∶84－88.

[8]林湘寧，黃小波，翁漢琍，等.基于分布參數(shù)模型的比相式單相故障單端測(cè)距算法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（9）∶74－79.

[9]王賓，董新洲，薄志謙，等.特高壓長(zhǎng)線路單端阻抗法單相接地故障測(cè)距[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（14）∶25－29.

[10]蔡旭.基于偏磁消弧線圈的綜合增量法單相接地保護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27（20）∶68－72.

[11]陳奎，韋曉廣，陳景波，等.基于樣本數(shù)據(jù)處理和ADABOOST的小電流接地故障選線[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（34）∶28－37.

[12]宋大偉.基于智能跟蹤原理的消弧線圈控制裝置[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

[13]連鴻波，譚偉璞，裴善鵬，等.諧振接地電網(wǎng)預(yù)隨調(diào)補(bǔ)償方式及其實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29（21）∶83－88.

[14]李曉波.柔性零殘流消弧線圈的研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2010.

[15]張健，賀蕾思思，陳銳，等.基于尋優(yōu)控制的配電網(wǎng)單相接地故障有源消弧方法[J].廣東電力，2017，30（2）∶129－136.