淺談直流接地對電力系統的危害

陳利平

摘 要：直流電源是電力系統的重要組成部分，其具有保障常規負荷、自動配置、繼電保護和實時通信供電的作用。但是，絕緣裝置老化、繼電保護設備故障，均會造成直流電源接地，影響供電裝置的穩定性以及整個電力系統的安全運行。及時發現直流接地故障，對于保證電力系統的穩定運行具有十分重要的意義。鑒于此，提出一種基于遺傳算法的接地故障搜索模型，能及時發現直流接地故障。結果顯示，該模型對于接地故障搜索的準確率達到95%，故障搜索時間小于30 s，整體效果較優。該接地故障搜索模型適用于電力系統中直流電源接地故障監測，可以為此類故障判斷、維修提供依據。

關鍵詞：直流接地故障;電力系統;遺傳算法

0 引言

直流電源接地分為室內接地和室外接地兩種。室內接地是由于設備老化或施工工藝不規范引起的直流電源接地故障;室外接地是由于雷雨等異常天氣，使得端子箱或機構箱受潮、積水，降低二次回路正負電源的絕緣性，導致直流電源接地。另外，施工人員、維修人員的誤操作，也會導致直流電源接地現象的出現。一般來說，設備老化、異常天氣是造成直流電源接地的主要原因[1]，因此，及時找出直流電源接地故障點，或依據直流電源異常變化進行故障點預判，是目前電力系統亟待解決的問題。基于上述原因，本文提出一種基于遺傳算法的接地故障搜索模型，可以幫助維修人員、監測人員進行故障搜索。

1 直流接地故障的數學描述

直流電源出現接地故障以后會產生暫態的不穩定電流，使得線路中頻繁出現電流幅值的變化。假設電網中的電容用C表示，線路為L，等值電阻為R，那么任意線路兩端的暫態電流可以表示為：

Rt+Lt+Itdt=Utsin（wt+θ）（1）

由公式（1）可知，R<2時，直流電源兩端的暫態電流呈現周期性波動;R0=2I時，說明R為初始值[2]，直流電源兩端的暫態電流呈非周期性波動。其中，I為暫態電容電流，該電流由振蕩電流I振蕩、穩定電流I穩定組成，初始值為0。暫態電容電流與振蕩電流I振蕩、穩定電流I穩定的關系可以用拉氏變換等運算表示，公式如下：

Itotle=∮I振蕩sin θtsin wtt-cos θtwtte+∮I穩定cos（wt+θt）（2）

式中：Itotle為暫態下的總電流值;wt為暫態下的電流角頻率;sin θt為暫態下的電流變化幅值;δ為暫態下的電流衰變系數。

當電流變化幅值最大時，θ=，I振蕩幅值最大，提示直流電源接地;否則，為I穩定最大，非接地故障點。

2 故障點位置確定

以S為直流電源，用遺傳算法對直流電源的各個線路進行劃分，得到各個線路相應的特征信號，用于判斷接地線路，具體如圖1所示。

圖1中，S為直流電源，L后面的數字代表不同層和位置。對直流電源的各個線路進行判斷時，遺傳算法將上級線路細分，利用Hilbert空間，得到精準的接地位置。遺傳算法將線路Ln j分為同層位置Vj和上層位置Wj，具體計算公式如下：

L0 j=Vj，L1 j=Wjj∈N，為自然數（3）

公式通過遺傳算法逐層進行搜索，直至找到直流接地故障點。

3 直流電源接地故障模型的構建

3.1? ? 電流信號識別函數

在進行直流電源接地判斷時，要利用主直流電源函數進行電流信號突變、頻率變化檢測，主要分為4個步驟：第一，將正交函數作為直流電源判斷函數;第二，設置電流變化幅度閾值，分別得到穩定電流集合、振蕩電流集合;第三，比較不同集合的電流值，電流變化幅度超過預期，則發出直流電源接地信號[3];第四，找出電流變化幅度最大的時間，并進行接地位置追蹤。

3.2? ? 選擇暫態電流判斷尺度

依據直流電源函數，得到暫態電流判斷尺度。（1）確定最大暫態電流變化幅值;（2）暫態電流幅值對整個電力系統的影響;（3）噪聲對暫態電流信號的影響程度。依據上述3個方面，確定暫態電流判斷尺度。

3.3? ? 接地故障定位

直流電源運行正常時，電流無顯著變化，呈現相同的波形。如果直流電源出現接地故障，將出現反向波形，并對電力系統造成危害。暫態電流變化波形中，反向波形出現的頻率越多，說明接地越嚴重。假設電流波形正常，輸出結果為0;出現反向波形，輸出結果為1;如果電力系統由于反向波形受到危害，輸出結果為2。依據上述標準設定，對電力系統中的電流接地故障進行判斷，并得出是否對電力系統造成危害。

4 基于遺傳算法的接地故障搜索模型驗證

4.1? ? 案例介紹

以IEEE 36為測試對象，對節點中的直流電源接地故障進行判斷，得出接地故障對電力系統的危害。具體的線路模型如圖2所示。

圖2中直流電源屬于110 kV電源，由6條線路組成，編號分別為L1～L6，各線路長度為10 km、12 km、16 km、22 km、24 km、27 km。所有線路的等值電阻均設置為1 Ω/km，那么長度數值與電阻值相等。

4.2? ? 直流電源接地判斷

依據公式（3）將直流電源線路分解，S=[1.275×e-5，1.884×e-5，9.645×e-4]。其中，第3列值9.645×e-4高于其他序列，所以以此為閾值，對整個線路進行判斷。同時，將整個故障的頻率劃分為高、低兩個頻率帶，并構建矩陣如下：

C（0）? ?C（1）? ?C（2）? ?C（3）? ?C（4）? ?C（5）? ?C（6）? ?0? ? ? ? ? 0? ? ? ? ?1? ? ? ? ? 0? ? ? ? ? 0? ? ? ? ?1? ? ? ? ? 1? ?0? ? ? ? ? 0? ? ? ? ?0? ? ? ? ? 0? ? ? ? ? 0? ? ? ? ?0? ? ? ? ? ?3