基于饋線自動化與級差保護的配電線路故障特征量自識別方法

張英, 隋喆, 王琨, 李哲, 梁煥, 郭亮

(1.國網陜西省電力公司西安供電公司, 陜西, 西安 710000; 2.國網陜西省電力有限公司, 陜西, 西安 710061;3.西安興匯電力科技有限公司, 陜西, 西安 710000)

0 引言

傳統的配電線路故障特征量自識別方法采用三級保護方案對三段式電流進行保護,但由于空氣游離因素的影響,接地阻抗變化較大,識別精度較低,為此國內專家學者們展開了相關研究[1-2]。

文獻[3]方法提取了配電線路發生時殘余電壓特征量,并采用離散小波變換對殘余電壓特征量進行了故障識別,該方法實現了配電線路故障類型的快速、準確判斷,但故障特征量識別不全面。文獻[4]方法以配電線路時域、頻域故障波形特點為特征參量,通過公式提取了故障波形數據,并根據故障波形數據建立了識別模型,在識別模型中輸入配電線路波形故障數據特征量進行監測與歸類,實現配電線路故障特征量的識別,該方法實現了對配電線路數據的實時監測,但故障識別精度低。

為此,本文提出基于饋線自動化與極差保護的配電線路故障特征量自識別方法。

1 故障特征識別

引起配電線路故障的因素較多,如樹木碰線故障、車輛碰撞、雷電故障等,因此可聯合不同類型的影響因素進行故障特征識別。當外力作用在配電線路時,作用力在水平方向,垂直配電線的作用力較小,配電線不會同時發生斷裂,引起配電線路斷路故障的斷路點通常位于配電線路中間,斷線相電流較小。此外,配電線路末端一般靠近尖銳、高聳的建筑物,在電磁設備的干擾下,此地的雷電地閃信號會增加,此時配電線路斷路點位于線路末端,電流的衰減程度可表示為

(1)

式中,αij表示配電線路發生斷路故障時ij相電流的衰減程度,Ii表示當配電線路斷路點位于線路中間時斷線i相電流的大小,Ij表示配電線路斷路點位于線路末端時j相電流幅值[5-6]。

并聯電弧產生的原因是2個帶電線路發生絕緣老化,絕緣程度低于標準絕緣度,線路中形成炭化通道,炭化通道中間形成較大的瞬時電壓,造成電弧短路故障。電弧電壓在電弧故障中屬于特征量,電弧的非線性特點使電弧電壓的變化近似為一個矩形波。電弧電壓波形和電弧電流波形如圖1所示。

圖1 電弧電壓波形和電弧電流波形圖

根據圖1可知,電壓和電流是配電線路重要的特征量,一旦出現波動就會引起質量擾動[7]。

當配電線路故障發生時,故障特征量中會出現電流沖擊成分,且高頻成分中會出現較多的沖擊分量,通過離散小波變換對配電線路故障相電壓進行離散分析。配電線路故障相電壓情況如圖2所示。

(a) 3840～7680 Hz

根據圖2可知,不同原因造成的電路故障幅值分布情況完全不同,且能量分布也存在差異。在配電線路故障特征識別中,故障電弧包括串聯與并聯兩種。當配電線路發生三相接地故障時,串聯電弧由于斷路點接觸不良,會在配電線路內產生電壓差,將導線間隙擊穿從而形成電弧,此時電弧將會在配電線路的絕緣表面進行擴展,如圖3所示。

圖3 電弧故障圖

根據圖3可知,負載與AC分別位于電路圖兩側,此時電弧產生的電壓受到時域和頻域的壓迫,電路難以正常運行。

2 基于饋線自動化與極差保護的配電線路故障特征量自識別

配電線路故障特征量在進行自識別之前,需要建立配電線路故障的等效模型并加以分析。在配電線路的等效模型中,輸入電阻、電抗和電納作為模型變量,且這些模型變量是均勻分布的,由于配電線路不長,因此只需要考慮配電線路端點、末端的電流、功率、電壓等變化情況即可。配電線路故障等效模型為

(2)

式中,c表示配電線路的電容,dt表示在故障時刻t時配電線路的電壓,du表示當配電線路故障發生于線路末端時配電線路的電流,L為等效模型。等效模型建立完成后,根據模型進行故障特征量的自識別。

分析配電網兩段電容,確保電容內部的電壓相等。極差保護可以確保單相電容器內部電容量處于平衡狀態,如果配電網內部壓差超過定值,電容器一起會啟動保護壓差動作。

配電線路故障發生時,可根據基于特征量自識別融合極差保護綜合型饋線自動化的要求,設計過流檢測、殘壓檢測等故障隔離裝置,該隔離裝置屬于終端設備,包括電容式取能單元、智能控制單元與信號處理單元,可實時采集配電線路故障數據,例如三相電流、三相電壓,同時該終端設備可檢測配電線路的運行狀態,具有接地故障選線、故障隔離等功能。終端設備在實現配電線路故障隔離的過程中會產生大量的暫態信號,暫態信號中含有配電線路故障信息,三相電流、三相電壓的不同頻率分量為配電線路故障識別提供了數據依據,中性點不接地配電線路特征量故障識別可通過三相電流與殘余電壓來實現:

ur=u1+u2+u3,ir=i1+i2+i3

(3)

式中,ur表示三相電壓,ir表示三相電流,u1、u2、u3表示殘余電壓,i1、i2、i3表示殘余電流。

測量殘余電壓、殘余電流、三相電壓與三相電流,然后對配電線路故障特征量進行定義。通過饋線自動化加權處理得到配電線路饋線自動化系數Ed1(u)、Ed2(u)、Ed3(u),這3種饋線自動化系數可對特征量d1、d2、d3進行表征,且表征能力較好。

(4)

式中,di(k)表示三相電壓與三相電流的di極差保護系數,N表示安全加密模塊接口的采樣點數,h表示殘壓閉鎖實錄數據。殘壓閉鎖是指放電電流在保護器指定端的瞬時殘壓實現反向合閘閉鎖功能。細節系數如圖4所示。

(a) d3運行時間

根據圖4完成配電線路故障特征量定義,進行數據分析,在時域范圍內,對瞬時電壓、瞬時電流最高的電壓、電流進行分析,通過小波變換優化配電線路故障電壓與電流。在10 kV配電線路中,當變電站存在較長時延時,通過繼電保護對發生故障的配電線路進行隔離,由極差保護饋線自動化策略來恢復配電線路故障區域的供電。根據殘余電流的研判功能,判定單相接地配電線路故障區段,對故障進行隔離后恢復非配電線路故障區域的供電,遵循“失壓分閘,有壓合閘”的工作邏輯,完成配電線路故障隔離與非故障區域、故障區域的供電。在故障隔離與供電過程中,一旦發生節點波動情況,則需要加大配電線路故障特征量識別范圍,并對識別過程中的節點進行容錯處理,最后根據三相電壓與三相電流的大小判定配電線路故障的類別。

3 實驗研究

為了驗證本文方法的有效性,將本文方法與傳統的基于離散小波變換的配電線路故障特征量自識別方法(文獻[3]方法)、基于故障波形時頻特征的配電線路故障特征量自識別方法(文獻[4]方法)進行比較。

本文實驗選用的配電網系統如圖5所示。

圖5 配電網系統

設定圖5中的架空線為11 m,電源為110 kV,變電器為10 kV,電流為三相電流。

應用3種方法對圖5中配電網的瞬時故障和永久故障進行識別,識別結果如圖6、圖7所示。

(a) 實際電阻值

(a) 實際電阻值

由圖6可知:在0.6 s開始出現瞬時故障,電阻出現瞬時波動,故障位置距離線段為12 km,持續時間為0.6～1.0 s,診斷的過渡電阻值為75 Ω;文獻[3]方法識別的電阻診斷時間從第0 s開始確定故障波形,持續時間為0～1.0 s,診斷的過渡電阻值為55 Ω;文獻[4]方法識別的電阻診斷時間從第0.2 s開始確定故障波形,持續時間為0.2～1.0 s,診斷的過渡電阻值為40 Ω;本文方法識別的電阻診斷時間從第0.6 s開始,診斷故障特征量持續時間和電阻值與實際值完全一致。由此可見,本文方法識別能力更強。

由圖7可知,本文方法從第0.6 s開始確定診斷故障,得到的電阻波形與實際值完全吻合,且最后診斷的數值穩定在0 Ω。

4 總結

本文提出了基于饋線自動化與極差保護的配電線路特征量自識別方法,提升了配電線路運行的穩定性,為電網的可靠運行提供了數據分析,為故障區域恢復供電提供了技術保障,提高了終端設備與變電站信息傳輸的安全性,提升了供電的穩定性與可靠性。但本文方法存在一定的不足,在分析配電線路故障特征時,對無極差的接地故障分析不太全面,在未來的研究中,將針對此項進行重點研究。