基于配電自動(dòng)化系統(tǒng)的單相接地定位研究

南京南瑞繼保電氣有限公司 周玉榮

1 引言

分割機(jī)能夠?qū)㈦娋W(wǎng)劃分成若干部分，在出現(xiàn)短路或接地故障時(shí)，能夠迅速切斷出現(xiàn)故障的部分，保證未出現(xiàn)故障的部分重新供電。電力系統(tǒng)目前普遍使用的是無功接地，在整個(gè)系統(tǒng)中，80%以上的故障都來自單相故障。因此，對(duì)電力系統(tǒng)的單相故障進(jìn)行分析具有重要的意義。

配電系統(tǒng)自動(dòng)化主站進(jìn)行單相接地定位的方式是在單相接地時(shí)，將各單相接地檢測(cè)設(shè)備所獲取的信號(hào)全部傳輸至配電自動(dòng)化系統(tǒng)主站，主站可以對(duì)單相接地進(jìn)行判定，這樣做雖無須再獨(dú)立設(shè)置集中式主站，但也具有如下缺點(diǎn)。

一是要對(duì)傳送波形進(jìn)行擴(kuò)展的通信協(xié)議。二是單相接地探測(cè)設(shè)備需要嚴(yán)格的時(shí)間同步，而且由于單相接地探測(cè)設(shè)備所使用的探測(cè)方式不同，波形取樣頻率會(huì)有很大的差別，所以主站很難進(jìn)行統(tǒng)一的處理。三是各主基站要根據(jù)各自使用的檢測(cè)方式，根據(jù)各自的特點(diǎn)，研制出各自的定位算法，但難以實(shí)施，需要有專業(yè)技術(shù)人員來進(jìn)行分析。

本文所討論的單相接地定位方案與相間故障定位類似，無須再增加配電網(wǎng)主站，無須傳輸波形，現(xiàn)場(chǎng)各單相接地檢測(cè)設(shè)備將“兩值化”后的位置信息向主站報(bào)告，并采用原有的相間短路定位法進(jìn)行單相接地區(qū)的定位。本文對(duì)該方案的可行性和實(shí)際應(yīng)用性進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 利用相間短路定位判據(jù)的配電網(wǎng)單相接地定位

配電自動(dòng)化系統(tǒng)主要是根據(jù)配電網(wǎng)中短路電流的分布情況，對(duì)故障進(jìn)行定位。以較少的間隔失效位置為中心節(jié)點(diǎn)。在配電自動(dòng)化中，相間短路故障的定位準(zhǔn)則包括以下幾個(gè)方面。

一是在開環(huán)操作中，在最小相間故障定位區(qū)域的某端上報(bào)了短路電壓的情形下，其他各終端均不能報(bào)送短路電壓，說明該區(qū)段發(fā)生了短路故障；如果在其他端點(diǎn)中沒有報(bào)告短路電壓信號(hào)，表明這個(gè)區(qū)域沒有發(fā)生故障。

二是在閉環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，如果最小相間故障定位點(diǎn)的所有故障電源方向都指向了該區(qū)域，則說明在該區(qū)間發(fā)生了短路事故。本文所述的相間短路故障定位準(zhǔn)則是“兩值性”的故障電壓信息。這就是說，有“發(fā)生過故障電流”和“未發(fā)生故障電流”，或者“事故功率指向于內(nèi)在”和“事故功率指向于外界”。“分化性”的失效信息在故障發(fā)生的位置。當(dāng)事故的“兩值性”狀態(tài)改變時(shí)，相間短路事故的位置就會(huì)出現(xiàn)。分布在不同區(qū)域的多個(gè)設(shè)備向配電自動(dòng)化系統(tǒng)主站傳送有關(guān)數(shù)據(jù)的配電網(wǎng)，可以像單相接地位置的特性數(shù)據(jù)與相間短路故障信息一樣具備“量值性”“分化性"，從而能夠利用相間短路故障位置的準(zhǔn)測(cè)數(shù)據(jù)直接實(shí)現(xiàn)單相接點(diǎn)位置[1-2]。

單相接地檢測(cè)信息的兩值性和分化性處理方法，現(xiàn)有的單相接地位置信息具有二值性和分散性，根據(jù)瞬時(shí)成分辨識(shí)的原理，將故障選線準(zhǔn)則推廣并擴(kuò)展后，可以得出，如果單相接地故障檢測(cè)設(shè)備所識(shí)別出的電容值為負(fù)值，就會(huì)顯示出在其下游出現(xiàn)的單相接地故障。如果所識(shí)別的電容器值是正的，就會(huì)顯示出在其上游出現(xiàn)的單相接地故障。

3 容錯(cuò)單相接地定位

在無功接地的高中性點(diǎn)電壓時(shí)，對(duì)單相接地的信息測(cè)量是很困難的，同時(shí)終端的單相接地的信息也很難保持準(zhǔn)確度。另外，因?yàn)橥ㄐ藕碗娏Ψ矫娴睦щy，有時(shí)候還會(huì)發(fā)生簡(jiǎn)單的信號(hào)錯(cuò)報(bào)（或主站沒有接收到）的情況。當(dāng)配電自動(dòng)化系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)單相故障定位功能后，可能面臨的故障數(shù)據(jù)不完全現(xiàn)象就會(huì)較相間故障現(xiàn)象更加明顯，而如果沒有及時(shí)在配電自動(dòng)主站中設(shè)置容錯(cuò)性定位機(jī)制，就會(huì)給單相接地定位的實(shí)際應(yīng)用造成了極大的干擾[3]。

如果配電自動(dòng)化主站點(diǎn)接到第一臺(tái)單相接地檢測(cè)設(shè)備報(bào)告的下游線路的單相接地故障，假設(shè)正確上報(bào)概率為pc1,i，錯(cuò)報(bào)概率為pM,i，則如式（1）所示：

如果配電自動(dòng)化主變電站沒有接到第i個(gè)單相接地測(cè)試設(shè)備的報(bào)告，則在其下游發(fā)生的單相接地故障。假設(shè)正確上報(bào)概率為pc2，i，漏報(bào)概率為pL，i，則如式（2）所示：

通常，準(zhǔn)確的報(bào)告概率是一個(gè)很大的數(shù)值，而錯(cuò)誤和漏報(bào)的概率很小，可以通過對(duì)同類裝置的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。假定單相接地探測(cè)設(shè)備能同時(shí)將各種原理所得到的位置信息上報(bào)，當(dāng)斷續(xù)電弧接地時(shí)，配電自動(dòng)化主站會(huì)接收到單相接地探測(cè)設(shè)備的多個(gè)位置信息，假定N套位置信息同時(shí)被獲取，假定k區(qū)會(huì)發(fā)生單相接地，則如式（3）所示：

式（3）中，Ω接收位置信息，并且在該區(qū)域中與單相接；一組單相接地探測(cè)設(shè)備，k 的假定是一致的；Λ 是一組單相接地探測(cè)設(shè)備，所述組單相接地探測(cè)設(shè)備沒有接收到位置信息，并且與區(qū)域k 單相接地發(fā)生；（II）一組單相接地探測(cè)設(shè)備，用于接收位置信息，但是不符合假定在區(qū)域k 處單相接；（ii）一組單相接地探測(cè)設(shè)備，用于沒有接收到位置信息，但是與假定在區(qū)域k 處單相接地發(fā)生的假定不符。k=0表明單相不會(huì)出現(xiàn)。

接收到的N 個(gè)信息集均符合假定k 區(qū)出現(xiàn)單相接地的可能性如式（4）所示：

那么，在單一接地假定下，在第k 個(gè)區(qū)域中出現(xiàn)單相接地的概率Pk如式（5）所示：

式（4）、式（5）中，k是單相的可能出現(xiàn)的所有地區(qū)。在實(shí)踐中，可能的位置結(jié)果是可以選擇所接收的單相接地點(diǎn)位置信息最符合的單相接地點(diǎn)位置信息。如果多個(gè)地區(qū)同時(shí)出現(xiàn)單相接地的概率不大，那么這些情況就可以被認(rèn)為是同時(shí)存在的，同時(shí)也是尋找故障的一條重要線索。

一條發(fā)生單相接地的饋線如圖1所示。圖1中示出的分配線中，假設(shè)在由開關(guān)B、C、D所覆蓋的區(qū)域（B-C-D）中出現(xiàn)單相接地（其他表述與此相似），則在S1、A、B、C、D 中分別安裝了一個(gè)既具備暫態(tài)成分的參數(shù)辨識(shí)原理，又具備單相電流突變機(jī)理的單相接地定位裝置，并可以直接把定位信號(hào)提交給配電價(jià)格的自動(dòng)化主站。

圖1 一條發(fā)生單相接地的饋線

假定根據(jù)參數(shù)辨識(shí)原則，配電網(wǎng)自動(dòng)控制中心接收到的位置信息在A 中有遺漏。根據(jù)相電流突變?cè)恚潆娮詣?dòng)化主站接收到的位置信息也有誤報(bào)，當(dāng)分配自動(dòng)化主站接收到特定的單相接地探測(cè)設(shè)備的位置信息時(shí)，準(zhǔn)確度為0.9，沒有接收到特定的單相接地探測(cè)設(shè)備的位置信息并且沒有出現(xiàn)漏報(bào)的可能是0.8，那么，該容錯(cuò)故障位置的計(jì)算方法。

根據(jù)參數(shù)辨識(shí)原則，將位置信息上報(bào)到各個(gè)地區(qū)的故障假定中，其發(fā)生概率如式（6）所示：

式（6）中，D0表示沒有故障區(qū)域；C－為開關(guān)C下游的區(qū)域；D－為開關(guān)D下游的區(qū)域。

根據(jù)相電流突變理論，將位置信息上報(bào)到各個(gè)區(qū)域的故障假定中，發(fā)生概率如式（7）所示：

將兩種原則結(jié)合起來，將位置信息上報(bào)到各個(gè)區(qū)域的錯(cuò)誤假定的概率如式（8）所示：

如果將以上的計(jì)算結(jié)果代入式（5），根據(jù)貝葉斯估算，可以計(jì)算出各區(qū)域出現(xiàn)單相接地的可能性是如式（9）所示：

根據(jù)研究可以看出，雖然采用了基于相流突變的參數(shù)辨識(shí)原理和單相接地定位設(shè)備，所報(bào)的資料均有誤差，但是將兩者的資料進(jìn)行合并后，該地區(qū)（B-C-D）的單相接地概率明顯大于其他地區(qū)，因此能夠準(zhǔn)確地得到位置。

4 工程應(yīng)用

本方案無須改變配電自動(dòng)化主站的應(yīng)用程序，只需要直接使用已有的相間短路故障定位功能即可以完成單相接點(diǎn)的定位。然而，需要具備單相接地探測(cè)功能的終端，在“兩值化”了位置信息后，可以通過分配終端的通訊協(xié)議上傳至配電自動(dòng)化系統(tǒng)主站。本文提出的方法在X 市東部地區(qū)的電力系統(tǒng)中的具體應(yīng)用如下。

4.1 工程實(shí)施方案

X 市電力公司的配電自動(dòng)化控制系統(tǒng)，使用了南瑞OPEN3200 型配電系統(tǒng)自動(dòng)主站，在原來的應(yīng)用軟件基礎(chǔ)上，進(jìn)行了必要的重新配置，并增加了一個(gè)容錯(cuò)定位功能。X市東郊110kV 洪慶變電站在城鄉(xiāng)交界處，線路總長(zhǎng)為79390m，是一座架空型裸線路和單相接地多發(fā)線路，X 市東郊洪慶一線如圖2所示。

圖2 X市東郊洪慶一線

4.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及應(yīng)用效果

項(xiàng)目實(shí)施后，通過對(duì)地插入過渡電阻的方法，進(jìn)行了單相接地效應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并將置于3-1 上游、 46-2、 2-2 之間， 進(jìn)行1000Ω、750Ω、500Ω、250Ω 金特性接地試驗(yàn)。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，證明了單相接地定位的結(jié)果是準(zhǔn)確的。電力公司進(jìn)入運(yùn)營(yíng)后，共有19 個(gè)定位單相接地，多是暫態(tài)單相，3 個(gè)永久單相接地，經(jīng)過實(shí)地勘查，全部都是正確無誤。

5 結(jié)語

本單相接地定位設(shè)備的位置信息可以直接傳輸?shù)脚潆娮詣?dòng)化系統(tǒng)的主站，無須另建一個(gè)中央主站。在實(shí)際工程中，提出的容錯(cuò)單相接地定位法，在單相接點(diǎn)位置多、單站多點(diǎn)定位原則的情況下，容錯(cuò)效果更好。如果單相接點(diǎn)的終端數(shù)目很少，或者只有一個(gè)位置原則，就無法實(shí)現(xiàn)期望的容錯(cuò)效果。如要實(shí)現(xiàn)一個(gè)理想的容錯(cuò)效果，必須在單個(gè)終端上設(shè)置多少個(gè)定位原則，并且單條饋線上至少需要設(shè)置一個(gè)單相接定位的終端數(shù)目，然后再進(jìn)行相關(guān)的研究。