小電流接地系統(tǒng)單相接地注入信號(hào)源協(xié)調(diào)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(xué) 電氣與電子工程學(xué)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(hào)源，與故障指示器或者FTU、DTU配合，進(jìn)行故障定位[4-7]。但是當(dāng)配電網(wǎng)的運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)，有可能出現(xiàn)多個(gè)注入信號(hào)源并列運(yùn)行的情況[8-9]。在實(shí)際運(yùn)行中，并列運(yùn)行的單相接地注入信號(hào)源往往同時(shí)動(dòng)作，不僅導(dǎo)致中性點(diǎn)電壓的長時(shí)間波動(dòng)，也導(dǎo)致了故障電流增加，甚至轉(zhuǎn)化為相間短路故障，影響了供電可靠性[10-11]。多注入信號(hào)源協(xié)調(diào)控制的難點(diǎn)在于兩個(gè)方面，第一個(gè)是協(xié)調(diào)控制策略，第二個(gè)是不同情況下的定位方法[12-13]。

研究分析了多注入信號(hào)源協(xié)調(diào)控制策略，主站調(diào)度服務(wù)器和多個(gè)注入信號(hào)源之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，形成分布式控制系統(tǒng)。當(dāng)配電網(wǎng)的運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)，主站調(diào)度服務(wù)器控制一臺(tái)注入信號(hào)源投入運(yùn)行，同時(shí)閉鎖其他注入信號(hào)源，避免單相接地注入信號(hào)源誤動(dòng)和頻繁調(diào)節(jié)。根據(jù)注入信號(hào)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(yàn)證了所提出的方法的有效性。

1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 注入信號(hào)源基本原理

注入信號(hào)源由一次設(shè)備和二次設(shè)備組成，一次設(shè)備如圖1所示，包括電壓互感器、電流互感器、開關(guān)、電阻，二次設(shè)備為控制器?？刂破鲗?shí)時(shí)監(jiān)視變電站母線三相電壓和零序電壓，當(dāng)檢測到中性點(diǎn)電壓升高或者某一相電壓降低而其他兩相電壓升高時(shí)，控制器有規(guī)律的控制開關(guān)閉合和斷開。開關(guān)閉合后將原來的單相接地故障轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)過電阻的相間短路故障，產(chǎn)生了相電流的變化，安裝在線路上的故障指示器或者FTU設(shè)備根據(jù)相電流的變化情況進(jìn)行故障定位。

圖1 注入信號(hào)源基本原理

1.2 注入信號(hào)源協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

注入信號(hào)源協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，Sub1、Sub2和Sub3為三個(gè)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(hào)源，b1、b2、b3和b4為線路的聯(lián)絡(luò)開關(guān)。正常運(yùn)行時(shí)，所有線路分段運(yùn)行，每一個(gè)電源都有一個(gè)單相接地注入信號(hào)源。但是當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行方式發(fā)生變化的，有可能導(dǎo)致多個(gè)單相接地注入信號(hào)源在同一個(gè)電網(wǎng)中并列運(yùn)行。

圖2 注入信號(hào)源協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

所有注入信號(hào)源的控制器通過光纖連接到位于調(diào)度端的主站服務(wù)器Server上，進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，上傳本地單相接地注入信號(hào)源信息；當(dāng)配電網(wǎng)運(yùn)行方式改變時(shí)，調(diào)度主站服務(wù)器Server選擇其中一個(gè)單相接地注入信號(hào)源控制器為主控制器，閉鎖其他單相接地注入信號(hào)源；當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，所述主控制器控制單相接地注入信號(hào)源注入信號(hào)，其他單相接地注入信號(hào)源由于閉鎖不會(huì)注入信號(hào)。

1.3 協(xié)調(diào)控制策略

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

仍以圖2為例，當(dāng)變電站Sub2停電后將b3閉合，由線路Circuit1來轉(zhuǎn)供線路Circuit4的負(fù)荷，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致s1和s2并列運(yùn)行。此時(shí)，在新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，s1位于電源側(cè)，s2位于線路末端，所以調(diào)度主站服務(wù)器自動(dòng)優(yōu)先選擇注入信號(hào)源s1作為主控制器，同時(shí)閉鎖注入信號(hào)源s2。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，僅僅由s1注入信號(hào)。這樣就保證在任何一個(gè)來自同一個(gè)電源的區(qū)域內(nèi)，只有一臺(tái)單相接地注入信號(hào)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(hào)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(hào)源投入電阻發(fā)生變化進(jìn)行判斷，但是如果注入信號(hào)源的位置不同，產(chǎn)生的相電流變化并不相同，因此需要分別進(jìn)行分析。

2.1 注入信號(hào)源位于電源側(cè)

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

圖3 注入信號(hào)源位于電源側(cè)

發(fā)生單相接地后，注入信號(hào)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(diǎn)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(hào)源位于線路末端

如果注入信號(hào)源位于線路末端，則等值電路如圖4所示。

圖4 注入信號(hào)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(diǎn)-注入信號(hào)源，這樣在電源至注入信號(hào)源路徑上的故障指示器也會(huì)檢測到電流的變化。因此不能單純通過電流變化與否進(jìn)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(diǎn)之間路徑上(包括分支線路)A相的故障指示器會(huì)檢測到電流變化；而在非故障線路上，電源和注入信號(hào)源路徑上C相的故障指示器會(huì)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(hào)源位于電源側(cè)還是線路末端，都可以采用如下統(tǒng)一判據(jù)進(jìn)行故障定位：

(1)某個(gè)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(gè)條件的故障指示器一定在故障路徑上，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系就可以進(jìn)行故障定位。

3 數(shù)字仿真分析

3.1 注入信號(hào)源位于電源側(cè)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(shí)際情況匹配。

圖5 注入信號(hào)源在電源側(cè)仿真

設(shè)0.1 s時(shí)A相發(fā)生單相接地故障，0.2 s時(shí)注入信號(hào)源投入C相電阻，0.3 s時(shí)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(hào)源位于線路末端分析

注入信號(hào)源在線路末端仿真模型如圖7所示，故障時(shí)間及注入信號(hào)源的投入時(shí)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?？梢钥闯鲭娮柰度肭昂驝相電流發(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(hào)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(huì)產(chǎn)生誤判，而文章提出的方法可以有效解決這一問題。

4 結(jié)束語

所設(shè)計(jì)的注入信號(hào)源協(xié)調(diào)控制策略能夠在配電網(wǎng)的運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)，保證只有一臺(tái)注入信號(hào)源投入運(yùn)行，閉鎖其他注入信號(hào)源，避免單相接地注入信號(hào)源誤動(dòng)和頻繁調(diào)節(jié)。同時(shí)提出的故障定位統(tǒng)一判據(jù)可以保證注入信號(hào)源在任何位置的情況下，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障定位。數(shù)字仿真驗(yàn)證表明，提出的方法準(zhǔn)確可行，具有很高的實(shí)用價(jià)值。