小電流接地系統(tǒng)單相接地注入信號源協(xié)調控制策略研究*

楊海生，王先佐，楊孟卓，孫凱，宮鑫，齊鄭

(1. 國網(wǎng)晉中供電公司，山西 晉中 030600； 2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，沈陽 110006； 3.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206)

0 引 言

小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位問題長期以來沒有得到很好地解決[1-3]。近年來，為了解決故障定位問題，我國配電網(wǎng)安裝了大量的注入信號源，與故障指示器或者FTU、DTU配合，進行故障定位[4-7]。但是當配電網(wǎng)的運行方式發(fā)生變化時，有可能出現(xiàn)多個注入信號源并列運行的情況[8-9]。在實際運行中，并列運行的單相接地注入信號源往往同時動作，不僅導致中性點電壓的長時間波動，也導致了故障電流增加，甚至轉化為相間短路故障，影響了供電可靠性[10-11]。多注入信號源協(xié)調控制的難點在于兩個方面，第一個是協(xié)調控制策略，第二個是不同情況下的定位方法[12-13]。

研究分析了多注入信號源協(xié)調控制策略，主站調度服務器和多個注入信號源之間進行實時通信，形成分布式控制系統(tǒng)。當配電網(wǎng)的運行方式發(fā)生變化時，主站調度服務器控制一臺注入信號源投入運行，同時閉鎖其他注入信號源，避免單相接地注入信號源誤動和頻繁調節(jié)。根據(jù)注入信號源的不同位置，本文深入分析了定位方法的差異。數(shù)字仿真分析驗證了所提出的方法的有效性。

1 協(xié)調控制系統(tǒng)結構

1.1 注入信號源基本原理

注入信號源由一次設備和二次設備組成，一次設備如圖1所示，包括電壓互感器、電流互感器、開關、電阻，二次設備為控制器。控制器實時監(jiān)視變電站母線三相電壓和零序電壓，當檢測到中性點電壓升高或者某一相電壓降低而其他兩相電壓升高時，控制器有規(guī)律的控制開關閉合和斷開。開關閉合后將原來的單相接地故障轉變?yōu)榻涍^電阻的相間短路故障，產生了相電流的變化，安裝在線路上的故障指示器或者FTU設備根據(jù)相電流的變化情況進行故障定位。

圖1 注入信號源基本原理

1.2 注入信號源協(xié)調控制系統(tǒng)

注入信號源協(xié)調控制系統(tǒng)的結構如圖2所示，Sub1、Sub2和Sub3為三個變電站，Circuit1、Circuit2、Circuit3、Circuit4和Circuit5為線路，s1、s2、s3是線路上的單相接地注入信號源，b1、b2、b3和b4為線路的聯(lián)絡開關。正常運行時，所有線路分段運行，每一個電源都有一個單相接地注入信號源。但是當電網(wǎng)運行方式發(fā)生變化的，有可能導致多個單相接地注入信號源在同一個電網(wǎng)中并列運行。

圖2 注入信號源協(xié)調控制系統(tǒng)

所有注入信號源的控制器通過光纖連接到位于調度端的主站服務器Server上，進行實時通信，上傳本地單相接地注入信號源信息；當配電網(wǎng)運行方式改變時，調度主站服務器Server選擇其中一個單相接地注入信號源控制器為主控制器，閉鎖其他單相接地注入信號源；當配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，所述主控制器控制單相接地注入信號源注入信號，其他單相接地注入信號源由于閉鎖不會注入信號。

1.3 協(xié)調控制策略

理論上位于配電網(wǎng)上的任何一個注入信號源都可以作為主控制器，但是注入信號源的位置有可能影響故障定位，所以應優(yōu)先選擇位于電源側的注入信號源作為主控制器。

仍以圖2為例，當變電站Sub2停電后將b3閉合，由線路Circuit1來轉供線路Circuit4的負荷，此時會導致s1和s2并列運行。此時，在新的網(wǎng)絡結構下，s1位于電源側，s2位于線路末端，所以調度主站服務器自動優(yōu)先選擇注入信號源s1作為主控制器，同時閉鎖注入信號源s2。當發(fā)生單相接地故障時，僅僅由s1注入信號。這樣就保證在任何一個來自同一個電源的區(qū)域內，只有一臺單相接地注入信號源工作，其余閉鎖。

2 單相接地故障定位方法

目前與注入信號源配合的故障指示器的原理比較簡單，只是判斷相電流是否隨著注入信號源投入電阻發(fā)生變化進行判斷，但是如果注入信號源的位置不同，產生的相電流變化并不相同，因此需要分別進行分析。

2.1 注入信號源位于電源側

如果注入信號源位于電源側，則等值電路如圖3所示，假設線路2發(fā)生A相單相接地故障，注入信號源將閉合C相的開關。

圖3 注入信號源位于電源側

發(fā)生單相接地后，注入信號源投入之前，故障指示器檢測到的電流為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

根據(jù)圖3可知，只有電源和接地點之間路徑上(包括分支線路)的故障指示器能夠檢測到電流的變化，而其他非故障線路和非故障分支線路檢測不到電流的變化。

2.2 注入信號源位于線路末端

如果注入信號源位于線路末端，則等值電路如圖4所示。

圖4 注入信號源位于線路末端

可以發(fā)現(xiàn)投入C相電阻造成的短路電流路徑為電源-接地點-注入信號源，這樣在電源至注入信號源路徑上的故障指示器也會檢測到電流的變化。因此不能單純通過電流變化與否進行故障定位。

通過圖4可以發(fā)現(xiàn)，在故障線路上，電源和接地點之間路徑上(包括分支線路)A相的故障指示器會檢測到電流變化；而在非故障線路上，電源和注入信號源路徑上C相的故障指示器會檢測到電流的變化。這樣根據(jù)檢測電流變化的相是否為故障相，可以判斷故障指示器是否位于故障路徑上。

2.3 單相接地故障統(tǒng)一判據(jù)

綜上，無論注入信號源位于電源側還是線路末端，都可以采用如下統(tǒng)一判據(jù)進行故障定位：

(1)某個故障指示器檢測到電流發(fā)生變化；

(2)該故障指示器位于故障相上。

滿足這兩個條件的故障指示器一定在故障路徑上，根據(jù)網(wǎng)絡拓撲關系就可以進行故障定位。

3 數(shù)字仿真分析

3.1 注入信號源位于電源側分析

利用EMPT/ATP軟件建立數(shù)字仿真模型如圖5所示，所有參數(shù)都與現(xiàn)場實際情況匹配。

圖5 注入信號源在電源側仿真

設0.1 s時A相發(fā)生單相接地故障，0.2 s時注入信號源投入C相電阻，0.3 s時斷開電阻。由圖6可見，電阻投入前后故障路徑上的相電流發(fā)生了較大變化。

3.2 注入信號源位于線路末端分析

注入信號源在線路末端仿真模型如圖7所示，故障時間及注入信號源的投入時間保持不變，故障路徑上的相電流與圖6一致，而非故障線路上的A、C兩相電流變化如圖8所示。可以看出電阻投入前后C相電流發(fā)生了變化，而A相電流沒有發(fā)生變化。

圖6 故障區(qū)段A相電流

圖7 注入信號源在線路末端仿真

圖8 非故障線路A、C相電流

綜上可以看出，如果故障指示器僅僅判斷是否檢測到電流變化，而不區(qū)分是否為故障相的話，將會產生誤判，而文章提出的方法可以有效解決這一問題。

4 結束語

所設計的注入信號源協(xié)調控制策略能夠在配電網(wǎng)的運行方式發(fā)生變化時，保證只有一臺注入信號源投入運行，閉鎖其他注入信號源，避免單相接地注入信號源誤動和頻繁調節(jié)。同時提出的故障定位統(tǒng)一判據(jù)可以保證注入信號源在任何位置的情況下，實現(xiàn)準確的故障定位。數(shù)字仿真驗證表明，提出的方法準確可行，具有很高的實用價值。