基于改進熵權法的調度端小電流接地選線方法

楊 湘，湯 俊，周 楊，段登偉，楊曉磊

(國網四川省電力公司成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

中國6～35 kV中壓配電網廣泛采用中性點非有效接地方式，即不接地和經消弧線圈接地(諧振接地)的小電流接地系統[1]。隨著城市電網快速發展，電纜線路所占比例越來越高，接地時故障點電流增大不易熄弧，且同溝電纜單相接地故障處理不及時極有可能會發展成大面積停電事故，嚴重影響供電服務質量，危害極大。故目前大城市配電網多數采用經消弧線圈接地的諧振接地方式。雖然諧振接地能有效減少流過故障點的電流，使電弧更易于熄滅，但是消弧線圈掩蓋了真實的接地現象，導致故障量不突出、不易辨識[2]。大量研究認為諧振接地系統很難通過穩態量進行選線[3-4]，導致選線難度較大，選線時間較長，存在的風險也更高，容易造成大量供電服務問題。

目前，國內外對小電流接地選線理論研究主要集中在廠站端選線[5-21]。其中大部分基于暫態零序量[5-6]、小波分析[7-11]、注入法[12-16]判斷方法的小電流接地選線裝置盡管在理論上判斷更迅速和準確；但受現場電磁干擾較多、安裝成本較高、對含消弧線圈的接地選線不夠準確，其在變電站實際應用效果并不理想，實際使用程度不高。部分研究融合了人工智能、深度學習[17-21]的小電流接地選線新算法仍處于理論探索研究階段，尚未投入實用化經受現場考驗。目前中國電網調度部門基本上實現了智能電網調度系統(D5000)的部署應用。調度主站端由于受數據量及傳輸影響，針對中壓配電網只采集了功率、電壓、電流等穩態實時數據，無法應用暫態量進行選線判斷。這種情況導致相當多的單相接地故障還是依靠調度員憑經驗人工拉路的方法實現選線。因此，在調度主站端系統上開發小電流接地選線功能具有更大的實際應用性和經濟性，且能夠協助調度員在最短時間內判斷出單相接地線路，并能充分考慮保電負荷和重要負荷的可靠供電，更好地確保電網安全穩定運行。基于調度主站端的小電流接地選線方法研究迫在眉睫。

針對上述問題，在分析了小電流接地系統接地現象的基礎上，結合實際運行經驗提出了適用于調度主站端的3種選線判據，并提出了針對諧振接地系統的動態補償法和選線流程。

1 小電流接地系統接地分析

中性點不接地系統的單相故障如圖1所示，正常情況下三相對稱，對地電容電流之和為0。以線路1的A相發生接地故障為例進行分析。

圖1 中性點不接地系統單相接地故障

1)對于非接地線路，其三相對地電容電流分別為

(1)

非接地線路感受到的零序電流為

(2)

故非接地線路的零序電流大小由接地零序電壓和本線路對地電容決定。

2)對于接地線路，非接地相有其本身的電容電流流過，而流過接地相故障點的電流是電網中所有非接地相對地電容電流之和，即

(3)

中性點不接地系統接地線路感受到的零序電流為

(4)

經上述分析可知，對于中性點不接地系統，接地線路的零序電流值將遠大于其他線路的零序電流值，調度主站端可根據零序電流幅值大小進行選線。

圖2 接地前后電流矢量

|ΔIiA|=|IiA_fault-IiA_normal|

(5)

對于接地線路，絕大多數情況下，由于|θ2|≠|θ1|，幅值變化量|ΔIiA|>0，其將發生明顯的變化；極特殊情況下當|θ2|=|θ1|時，|ΔIiA|=0。對于非接地線路而言，由于A相電壓為0，A相對地電容電流為0，非接地線路A相電流幅值將幾乎沒有變化。因此，調度主站端可以將線路接地前后接地相的相電流變化量作為選線判據之一。

線路接地后，由于對地電容電流的存在，各條線路將產生零序電流，其將直接導致線路的無功功率發生相應的變化，變化量為

ΔQi=ΔSisinθ

(6)

對于接地線路，接地點故障電流較大，其無功功率變化量也較大；對于非接地線路而言，其無功功率的變化量僅由本身對地電容電容電流產生，其無功功率變化量將遠小于接地線路。因此，調度主站端可以將線路接地前后無功功率變化量作為選線判據之一。

2 改進熵權法選線判據權重計算

單一的選線判據具有其獨立的適用范圍，受現場實際影響，目前仍有多數地區電網未全部實現零序電流采樣及覆蓋，僅僅依靠零序電流單一判據進行選線判斷具有一定的局限性。由上一章分析可知，接地前后接地相相電流及無功功率的變化量同樣可作為調度主站端小電流接地選線的判據。調度主站端小電流接地選線各判據比較情況如表1所示。

表1 調度主站端小電流選線判據比較

不同的選線判據存在結合的可能。為了彌補獨立選線判據準確性不高、存在一定限制條件缺陷的情況，可以通過將零序電流、無功功率變化量和相電流變化量3個判據進行合理的融合，得到調度主站端小電流接地選線綜合判據。

熵權法是一種客觀的賦權方法，通過對各個評價指標進行歸一化處理及熵值計算，可以確定各項指標的權重值。

每次接地有n條線路，共有零序電流、相電流變化量和無功功率變化量3個特性指標，接地后各條線路特性指標值可記為

R=[I0，|ΔIi_f|，|ΔQ|]

(7)

式中：I0為接地后各條線路零序電流矩陣；ΔIi為接地前后第i條線路接地相相電流幅值變化量矩陣；ΔQ為接地前后各條線路無功功率變化量值矩陣。

對R中值進行歸一化處理，可得第i條線路在第x個指標中的貢獻度fxi為

(8)

式中：rxi∈R；i=1，2，…，n；x=1,2,…,m；m為特性指標總數。

第x個指標的熵值hx可通過式(8)求得。

(9)

式中，k=1/lnn。

由于零序電流、相電流和無功功率具有一定的相似性，為了減少相似指標產生的誤差，采用改進熵權法計算公式對傳統熵權計算公式方法進行修正[22]，每個指標的熵權wx為

(10)

式中：l=1,2,…,m；t=1,2,…,m。

最終通過式(7)—式(10)得到零序電流、相電流和無功功率變化量3種選線判據指標對應的的權重向量W=[w1，w2，w3]。

通過改進熵權法可得到每條線路接地概率，并以此進行選線。

(11)

3 諧振接地系統動態補償法

當中性點經消弧線圈接地時，在中性點電壓的作用下系統產生的電感電流為

(12)

式中：XL為消弧線圈感抗；L為消弧線圈電感。

電感電流將經接地點沿接地相返回，故此時接地線路感受到的零序電流可由式(4)和式(12)計算得到。

(13)

對于諧振接地系統，由于消弧線圈電感電流的作用，接地線路的零序電流經補償后將變小，甚至小于大多數不接地線路的零序電流，使得真實的接地信息和特征量被掩蓋，這將給調度員選線造成相當大的困擾。

任意試拉開一條線路，如果此線路為非接地線路(其零序電流幅值為3I0i=3ωC0iU0)，接地點將不再流過被拉掉線路的對地電容電流，接地線路感受到的零序電流與接地初始狀態相比將動態變化為

(14)

其有效值將變大為

(15)

因此，可根據拉開線路前后所有線路零序電流的變化量進行選線。被拉開線路的零序電流越大，接地線路動態感受的零序電流變化量也將越大；對于非接地線路，其零序電流將不會受影響。由前兩章分析可知，相電流變化量、無功功率變化量和零序電流3個特性指標均是由對地電容電流引起，相電流變化量和無功功率變化量也將與零序電流有同樣的變化規律。改進熵權法選出線路接地概率最高的線路即為電容電流變化最大的線路。

對于諧振接地系統，為了打破由于消弧線圈補償掩蓋真實信息的狀態，提出“動態補償法”：接地后先通過改進熵權法選擇出電容電流變化最大的線路將其拉開，再計算出接地初始狀態和動態拉開后的各線路特征量的補償差量；再次利用改進熵法選出動態補償后電容電流變化最大的線路，此線路即為真實的接地線路。

采用動態補償法后，各條線路特性指標值可記為

R2=[ΔI02，|ΔIi_f2|，|ΔQ2|]

(16)

式中：ΔI02為動態補償前后各條線路零序電流變化量矩陣；ΔIi_f2為動態補償前后前后i條線路接地相相電流幅值變化量矩陣；ΔQ2為動態補償前后各條線路無功功率變化量矩陣。

調度主站端小電流接地選線流程如圖3所示。

圖3 調度主站端小電流接地選線流程

當系統發生單相接地時，可首先獲取并計算各條線路故障前后零序電流、相電流變化量、無功功率變化量，根據改進熵權法計算出接地概率(對地電容電流)最大的線路并拉開。對于中性點不接地系統，所選線路即為接地故障線路，選線結束；對于諧振接地系統，此操作相當于進行“動態補償”操作，可計算出動態補償前后各條線路的零序電流、相電流變化量、無功功率變化量，再通過改進熵權法計算出接地概率(對地電容電流)最大的線路拉開，進行故障選線。此操作可重復進行，直至選出故障線路。

4 實例驗證

目前，基于改進熵權法的調度端小電流接地選線方法及所對應程序已經部署在國網成都地調D5000智能電網調度系統中，并已實現程序自動計算、自動選線排序、自動拉合斷路器進行故障處理查找接地線路。

4.1 中性點不接地系統案例

2020年10月21日06:11，成都壽安站10 kVⅡ母發生A相接地(UA=0.89 kV，UB=9.64 kV,UC=10.42 kV)。由于該站未接入零序電流，其接地故障前后接地相電流變化量和無功功率變化量以及采用改進熵權法(W=[0.460,0.540,0.000])后的選線結果如表2所示。

表2 成都壽安站中性點不接地系統選線結果

06:11:54接地后，系統按照改進熵權法選線結果對接地概率第1(30.6%)的壽民路924斷路器自動進行控分操作；06:12:30時，系統發現小電流接地信號復歸，接地現象消失，證明該方法選線成功，整個故障處理僅耗時36 s。

4.2 諧振接地系統案例

2021年6月10日12：28，成都沙堰子站10 kVⅡ、Ⅲ母發生諧振系統A相單相接地(UA=1.98 kV，UB=8.76 kV，UC=10.42 kV)，接地后各判據指標及采用改進熵權法(W1=[0.307,0.314,0.379])后的選線結果如表3所示。

表3 成都沙堰子諧振系統接地系統第1次選線結果

12:28:57接地后，系統按照改進熵權法選線結果對接地概率最高(31.8%)的堰航線922斷路器自動進行控分操作，等待一段時間后故障并未消失，系統隨即采用“動態補償法”。動態補償前后其他線路零序電流變化量、相電流變化量和無功功率變化量以及采用改進熵權法(W2=[0.203,0.268,0.529)后的選線結果如表4所示。12:30:33時，系統按照第2次改進熵權法選線結果對接地概率最高(74.6%)的堰白線923斷路器進行控分操作，隨后于12:30:38發現小電流接地信號復歸，接地現象消失。僅通過兩次拉路即實現諧振接地系統故障選線，整個故障處理僅耗時101 s。

表4 成都沙堰子諧振系統接地系統第2次選線結果

在成都地調近1年的現場生產實際運行中，共發生小電流接地單相故障120次，采用基于改進熵權法選線方法的選線成功率達到100%，平均接地故障處理時間由過往的30 min縮減至1min左右，平均拉路數由過往4.8次下降至1.5次。所提方法大大提高了諧振接地系統單相接地選線成功率和故障處置時間，同時也解決了過往甚至試拉9條線路的不利情景。

5 結 論

針對目前中國廣泛存在的諧振接地系統發生單相接地故障后選線難度大、選線時間長問題，基于對小電流接地系統分析理論分析及生產實際，提出了基于改進熵權法的調度端小電流接地選線方法，主要具有以下優點：

1)綜合考慮零序電流、相電流、無功功率等特征量進行選線，以改進熵權法增加選線判據合理性，避免了單一判據的局限性，具有更廣的適用性。以動態補償法解決了諧振接地系統選線難題。

2)提高小電流接地選線的自動化水平，減少傳統人工拉路法的“盲拉”次數，提高供電可靠性，小電流接地故障平均處理時間縮短了95%，對抑制單相長時間接地可能引發的同溝電纜起火和森林草原火災有一定的意義。

3)相較于廠站端每個站部署選線裝置投資大、須停電施工等缺點，所提方法部署在調度主站端具有更強的實用性和推廣性。

4)通過在成都地調長時間運行，檢驗了所提方法的準確性和有效性。