新應(yīng)用場(chǎng)景下小電流接地選線技術(shù)研究

(貴州北盤江電力股份有限公司董箐發(fā)電廠，貴州 貞豐 562200)

0 引 言

我國(guó)大部分配電系統(tǒng)(一般指6～35 kV)廣泛而復(fù)雜，采用中性點(diǎn)非有效接地的電力系統(tǒng)在中壓配電網(wǎng)中有著廣泛的應(yīng)用，通稱為小電流接地系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，單相接地故障時(shí)有發(fā)生且概率最大[1-2]。單相接地時(shí)，非故障相相電壓將上升到線電壓，這對(duì)配電網(wǎng)設(shè)備系統(tǒng)的絕緣構(gòu)成了嚴(yán)重的考驗(yàn)。因此在單相接地故障后對(duì)單條或多條故障線路快速、準(zhǔn)確地判斷和選擇，不僅能縮短停電時(shí)間，而且能提高配電網(wǎng)的供電可靠性，對(duì)于配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行變得至關(guān)重要。

中性點(diǎn)有效接地配電網(wǎng)單相接地保護(hù)一般采用保護(hù)裝置的零序保護(hù)實(shí)現(xiàn)，由于故障特征明顯，因此其保護(hù)的可靠性及快速性可以得到保障。而在非有效接地系統(tǒng)中，如果線路發(fā)生單相故障接地時(shí)，由于其故障時(shí)故障特征微弱，再加上電磁干擾、互感器等影響，近些年，小電流接地選線技術(shù)已被眾多研究者深入研究和示范應(yīng)用，也取得了一些理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但配電網(wǎng)較為復(fù)雜，影響選線準(zhǔn)確率的因素眾多，因此非有效接地系統(tǒng)的選線問(wèn)題成為亟待解決的難題。

文中主要討論并分析了小電流接地選線的方法分類以及優(yōu)缺點(diǎn)，分析了小電流接地選線在新應(yīng)用場(chǎng)景中技術(shù)發(fā)展面臨的4個(gè)問(wèn)題，即多種判據(jù)融合選線問(wèn)題、新能源接入的選線問(wèn)題、基于IEC 61850的新一代選線裝置發(fā)展問(wèn)題、配網(wǎng)自動(dòng)化選線實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性問(wèn)題，并提出了建議。

1 非有效接地系統(tǒng)故障特性分析

中性點(diǎn)非有效接地線系統(tǒng)，一般情況下，按中性點(diǎn)接地方式不同可分為不接地、經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)小電阻接地、經(jīng)消弧線圈并聯(lián)小電阻等幾種模式。

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，流過(guò)故障線路的的零序電流與其他非故障線路的零序電流和大小相等，方向相反，故障線路的的零序電流方向是從線路故障點(diǎn)向母線流，如圖1所示。

圖1 不接地系統(tǒng)零序電流分布

在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，中性點(diǎn)消弧線圈的存在使得單相接地故障后的零序電流與中性點(diǎn)不接地方式下的不同。且流過(guò)故障線路的零序電流在大小上等于流過(guò)非故障線路的零序電流加上流過(guò)消弧線圈的補(bǔ)償電流，消弧線圈的補(bǔ)償模式?jīng)Q定了電流方向[3]。在高阻接地故障時(shí)，流過(guò)故障線路點(diǎn)的故障電流不大于正常運(yùn)行方式下10%負(fù)荷電流的大小[4]。

2 傳統(tǒng)小電流接地選線技術(shù)的分類

自上世紀(jì)八十年代，國(guó)內(nèi)外小電流接地選線技術(shù)可以根據(jù)采用不同的信號(hào)模式，將其分為兩類：注入信號(hào)主動(dòng)選線法和故障信息被動(dòng)選線法。其技術(shù)分類如圖2所示[5]。

圖2 小電流接地選線技術(shù)的分類圖

2.1 主動(dòng)式選線方法

主動(dòng)選線法，是將弱電信號(hào)注入電網(wǎng)的一種方法。基于跟蹤原理，檢測(cè)各饋線是否通過(guò)注入信號(hào)，最終確定故障線路和故障相，因此又被稱作注入信號(hào)跟蹤法。單頻信號(hào)法是通過(guò)注入給線路有源信號(hào)，頻率不同于基波和各次諧波，其優(yōu)點(diǎn)是不需要額外增加零序CT(current transformer，電流互感器)，注入信號(hào)時(shí)PT不工作，不影響系統(tǒng)運(yùn)行。但需要配套設(shè)備，設(shè)備投資過(guò)大，經(jīng)濟(jì)效益不佳，同時(shí)高阻接地時(shí)檢測(cè)信號(hào)較小影響選線準(zhǔn)確率。變頻信號(hào)注入方法，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行方式不會(huì)影響選線準(zhǔn)確率，尤其是在線路發(fā)生高阻接地時(shí)，故障選線不易受到干擾，選線準(zhǔn)確率高。但如果接地電阻很小，故障線路很大程度上會(huì)吸收注入的大部分信號(hào)電流，從而導(dǎo)致基于阻尼比的判別方法無(wú)法奏效。

2.2 被動(dòng)式選線方法

被動(dòng)式方法主要利用線路發(fā)生單相接地故障后產(chǎn)生的具有明顯特征的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行選線。按照故障信號(hào)類型，可分為利用故障穩(wěn)態(tài)信號(hào)或故障暫態(tài)信號(hào)選線。但無(wú)論采用何信號(hào)，其主要原理都是基于故障線路的零序電流在大小、方向的特征與非故障線路的特征差別進(jìn)行選線。

(1)基于故障時(shí)刻的電氣量穩(wěn)態(tài)分量選線

基于故障時(shí)刻的電氣量穩(wěn)態(tài)分量選線方法需要故障電流和故障電壓信號(hào)的穩(wěn)態(tài)信息。目前，穩(wěn)態(tài)法包括殘差增量法、零序電流穩(wěn)態(tài)分量比相法及諧波法等。在線路發(fā)生單相接地故障后，基于故障時(shí)刻的電氣量穩(wěn)態(tài)分量選線方法僅能通過(guò)穩(wěn)態(tài)故障分量含有的特征信息進(jìn)行選線，但故障電氣量的穩(wěn)態(tài)分量的幅值過(guò)小，一是會(huì)導(dǎo)致零序CT采樣產(chǎn)生誤差，二是由于配電網(wǎng)的設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜性和網(wǎng)架多變性，使得穩(wěn)態(tài)選線方法在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，很難在采集的穩(wěn)態(tài)分量重提取到能夠用于準(zhǔn)確選線的有效信息。穩(wěn)態(tài)分量選線法極易出現(xiàn)選錯(cuò)線和漏選線，選線效果很不理想。

(2)基于故障時(shí)刻的電氣量暫態(tài)分量選線

基于故障時(shí)刻的電氣量暫態(tài)分量選線方法主要是依據(jù)故障時(shí)刻的暫態(tài)電壓、電流的特征信號(hào)選擇故障線路和故障相。一般包括首半波法、Prony法、能量函數(shù)法等。利用基于故障時(shí)刻的電氣量暫態(tài)分量選線方法就不存在利用故障穩(wěn)定分量選線的問(wèn)題，線路故障后能夠從暫態(tài)電流、電壓等電氣量中提取出有利于故障分析的信息。暫態(tài)波形中幅值大，與非故障線路區(qū)別故障特征明顯，并且針對(duì)諧振接地系統(tǒng)具有受補(bǔ)償電抗等影響小的優(yōu)勢(shì)。

3 新應(yīng)用場(chǎng)景下的小電流接地選線技術(shù)

3.1 多判據(jù)融合選線技術(shù)

隨著配電網(wǎng)的快速發(fā)展，電纜化率不斷升高，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不斷復(fù)雜，通過(guò)大量的實(shí)際應(yīng)用效果表明，若只采用單一的小電流接地選線判據(jù)的話，對(duì)于選線準(zhǔn)確率和靈敏性都不能全面的滿足，同時(shí)在選線時(shí)沒(méi)有全面有效利用故障信息，因此越來(lái)越多的選線技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用傾向于采用多判據(jù)融合的選線方法來(lái)滿足電網(wǎng)生產(chǎn)全過(guò)程的應(yīng)用需求[6]。多判據(jù)融合就是通過(guò)加權(quán)系統(tǒng)法、人工智能方法等將兩種或兩種以上的接地選線判據(jù)進(jìn)行整合，再對(duì)故障線概率進(jìn)行排序，形成綜合判據(jù)，進(jìn)行選線與決策。

文獻(xiàn)[6]提出一種基于5次諧波法、小波分析法和負(fù)序電流法的多級(jí)數(shù)據(jù)模糊融合的故障選線方法。文獻(xiàn)[7]利用模糊綜合決策對(duì)零序有功/無(wú)功分量法、小波分析法三種判據(jù)及結(jié)果進(jìn)行信息融合，避免了接地方式、接地電阻等因素對(duì)選線準(zhǔn)確率的影響。文獻(xiàn)[8]依據(jù)故障后線路的小波能量、五次諧波和有功功率三種判據(jù)，通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息融合實(shí)現(xiàn)選線。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于HHT(希爾伯特變換)的綜合選線判據(jù)，根據(jù)頻帶能比因子分類處理，高頻分量為主比較小波高頻能量選線，低頻分量為主比較直流分量能量選線。文獻(xiàn)[10]提出了一種能提高選線準(zhǔn)確裕度的雙重判據(jù)選線方法，雙重判據(jù)包括相電流突變量和重心頻率，尤其是高阻接地選線方面具有優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[11]利用多準(zhǔn)則、多周期信息融合進(jìn)行諧振接地系統(tǒng)故障選線方法，解決了單選線方法的局限性和片面性的難題。現(xiàn)有的理論分析和仿真表明，多融合選線方法能夠綜合利用各種判據(jù)的優(yōu)勢(shì)，有效地提高選線的準(zhǔn)確性和可靠性，但大多處于理論研究階段。由于電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，這些方法還需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.2 考慮分布式電源接入的選線技術(shù)

隨著新能源的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的分布式電源(Distributed Generation，DG)接入配電網(wǎng)中，其種類眾多(如風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能等)且存在有大量的電力電子元件，這使得故障選線更是難上加難。

文獻(xiàn)[12]計(jì)算出含DG的配電網(wǎng)零序電流分布情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)含DG的線路故障時(shí)，會(huì)引起線路首段的零序電流增加，但其仍存在這樣的關(guān)系，即非故障線路流過(guò)的零序電流與消弧線圈流過(guò)的電流等于故障線路首段流過(guò)的零序電流。文獻(xiàn)[13]指出帶DG配電網(wǎng)的故障電流是雙向的，在不同的氣象條件下提供給故障點(diǎn)的故障電流是不同的。文獻(xiàn)[14]當(dāng)含DG的配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)的上游側(cè)含有由故障點(diǎn)流向母線的零序電流，故障點(diǎn)的下游側(cè)含有由故障點(diǎn)流向線路末端的零序電流。因此，在選線技術(shù)研究中需充分考慮DG故障后暫態(tài)特性對(duì)選線方法的影響。

文獻(xiàn)[12]提出了用希爾伯特-黃變換的方法來(lái)提取線路的非工頻零序電流分量，再利用基于這些電流分量權(quán)重系數(shù)的能量法進(jìn)行選線。文獻(xiàn)[15]針對(duì)含DG的配電網(wǎng)，提出了基于量子遺傳雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的故障選線方法，文獻(xiàn)[16]利用EEMD算法與三次樣條插值法提取出有效的零序電流暫態(tài)高頻分量，再通過(guò)幅相歸一判據(jù)進(jìn)行選線，方法不受故障線路、故障電氣量、故障接地電阻等因素影響。

這些選線方法多是通過(guò)分析分布式電源接入電網(wǎng)故障后的暫態(tài)特征來(lái)實(shí)現(xiàn)選線，但隨著分布式電源進(jìn)一步發(fā)展，其故障特征有待進(jìn)一步研究，并且需要研究能夠適應(yīng)于各種工況和多種分布式電源接入的場(chǎng)景的選線方法。

3.3 基于IEC61850的新一代選線技術(shù)

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)和先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，目前的研究熱點(diǎn)主要集中在智能變電站的研究及應(yīng)用技術(shù)上[17]。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)制定的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)《變電站自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)》為不同廠家的智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)互操作性和無(wú)縫集成提供了有效途徑。

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司2012年9月30日發(fā)布了小電流接地選線裝置技術(shù)規(guī)范(Q/CSG110040-2012)，第4.3.10通信規(guī)約條款中，規(guī)定裝置應(yīng)采用符合DL/T 860變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)(idt IEC 61850)和《中國(guó)南方電網(wǎng)繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)主站-子站通信接口規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“南網(wǎng)103規(guī)范”)等規(guī)約與變電站自動(dòng)化系統(tǒng)及保信子站設(shè)備通信。文獻(xiàn)[18]對(duì)比分析了智能變電站的小電流接地選線裝置在三種標(biāo)準(zhǔn)的三個(gè)架構(gòu)，分別為IEC 61850-9-1、IEC 61850-9-2和小模擬量傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具有通用性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的小模擬量傳輸標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 基于小模擬量傳輸標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)圖

文獻(xiàn)[19]提出了一種基于IEC61850的單相接地故障選線和分段定位的信息模型。文獻(xiàn)[20]提出一種基于數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的故障選線裝置建模方法，利用母線劃分克服了IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有明確定義單相接地故障選線功能信息模型的困難。文獻(xiàn)[21]提出了基于IEC 61850和EMD算法的接地選線裝置架構(gòu)。而對(duì)于在智能變電站中，小電流接地選線裝置無(wú)法進(jìn)行有效測(cè)試的難題，文獻(xiàn)[22]提出了一種能夠在智能變電站中進(jìn)行全面測(cè)試的小電流接地選線裝置測(cè)試儀，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的性能測(cè)試，測(cè)試原理圖如圖4所示。

圖4 小電流接地選線裝置測(cè)試系統(tǒng)原理圖

小電流接地選線技術(shù)在IEC 61850技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下具有較好的推廣和應(yīng)用前景，但應(yīng)針對(duì)選線裝置使用的通信標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的技術(shù)方案，同時(shí)應(yīng)避免由于裝置信號(hào)的采樣精度、采樣頻率以及時(shí)間精度等問(wèn)題導(dǎo)致選線準(zhǔn)確率下降。對(duì)于IEC 61850在小電流接地選線方面的應(yīng)用和發(fā)展具有積極的意義。

3.4 配網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展下的選線技術(shù)

隨著小電流接地選線技術(shù)的發(fā)展和迫切需求，大部分變電站內(nèi)都布置有小電流接地選線裝置。同時(shí)，接地選線功能也可以在部分配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)以及和配電終端的配合中實(shí)現(xiàn)。配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)可通過(guò)故障時(shí)出線開(kāi)關(guān)多次重合與分段開(kāi)關(guān)根據(jù)故障特征電氣量配合實(shí)現(xiàn)；也可以通過(guò)主站接收終端采集的故障特征電氣量進(jìn)行綜合判斷實(shí)現(xiàn)。

文獻(xiàn)[23]提供了利用故障區(qū)段兩側(cè)暫態(tài)和工頻零序電流值的特征的適用于分布式故障選線和定位的算法。文獻(xiàn)[24]提供了高精度采樣的新型故障指示器，結(jié)合智能分布式饋線自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)選線及定位功能。文獻(xiàn)[25]提出了以故障點(diǎn)兩側(cè)的暫態(tài)零序電流相似度低和波形差異大為特征的分布式智能的小電流接地選線及故障定位方法。

配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的選線和定位能夠最大限度實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)系統(tǒng)單相接地接地故障切除的快速性，將故障隔離在故障區(qū)域外，滿足城市配電網(wǎng)發(fā)展的多樣化需求，實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)故障后的技術(shù)恢復(fù)，從而達(dá)到減少停電時(shí)間、縮小停電范圍，以提升供電可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中研究主要針對(duì)中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，通過(guò)接地故障特性分析，討論了含主動(dòng)和被動(dòng)原理的小電流接地選線方法分類和優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)新應(yīng)用場(chǎng)景下的小電流接地選線技術(shù)進(jìn)行了綜述和分析，結(jié)論如下：

(1)基于多種判據(jù)融合的選線方法可以有效的克服單個(gè)選線判據(jù)的不足，從而提高選線準(zhǔn)確性，此類方法是今后選線方法的發(fā)展方向，但應(yīng)進(jìn)一步在實(shí)際電網(wǎng)中進(jìn)行驗(yàn)證并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高該方法的適用性和可靠性。

(2)隨著分布式電源的大量接入，其故障后的暫態(tài)特征會(huì)變得更加復(fù)雜，而此特征正是選線裝置的主要依據(jù)，在今后的研究中，應(yīng)綜合多種能源接入、多類故障形態(tài)下的故障特征研究選線方法。

(3)小電流接地選線需要所有線路的電流和母線電壓，這些數(shù)據(jù)具有數(shù)量多、實(shí)時(shí)性要求高、數(shù)據(jù)通信量大等問(wèn)題，而基于IEC 61850的選線裝置可以通過(guò)其特有的優(yōu)勢(shì)解決以上問(wèn)題，因此IEC 61850在小電流接地選線方面具有積極的意義。