智能變電站小電流接地選線裝置的研究與實(shí)現(xiàn)

許小兵 ，董麗金 ，袁 棟

(1.無錫供電公司，江蘇無錫214000；2.宜興供電公司，江蘇宜興214200)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)文明快速發(fā)展，用戶對(duì)供電質(zhì)量的要求成倍增加，小電流接地方式愈來愈受到電力部門的推崇。同時(shí)，伴隨國家智能電網(wǎng)戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)，智能化變電站已成為目前電力系統(tǒng)的發(fā)展方向[1，2]，傳統(tǒng)變電站內(nèi)基于電纜連線的傳統(tǒng)小電流選線裝置已無法滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的要求。因此，研究智能變電站條件下，小電流系統(tǒng)接地故障快速選線裝置，對(duì)提高智能電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性[3]、供電部門以及電力用戶的經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的理論價(jià)值與工程意義。

國內(nèi)小電流接地系統(tǒng)主要以中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)與中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈電網(wǎng)為主，現(xiàn)有文獻(xiàn)針對(duì)不同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)展開大量研究工作。以中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)為例，文獻(xiàn)[4-6]分別提出了零序過電流法、零序電流比幅值法、零序電流比相法、零序電流補(bǔ)償選線法、零序電流群體比幅比相法。零序過電流法具有整定困難、動(dòng)作靈敏度較低的缺點(diǎn)，且較易誤選或漏選；零序電流比幅值法不需要整定，動(dòng)作的準(zhǔn)確性高，但無法應(yīng)用于架空線路電網(wǎng)；零序電流比相法可能出現(xiàn)“時(shí)針效應(yīng)”而判斷困難，且受系統(tǒng)不平衡的影響較大；零序電流補(bǔ)償選線法通過補(bǔ)償零序電流，故障線路與非故障線路的零序電流明顯區(qū)分，具有較高選線的靈敏度和正確性；零序電流群體比幅比相法克服了“時(shí)針效應(yīng)”缺點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。針對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈電網(wǎng)，學(xué)者已提出7種評(píng)估方法[7-11]：零序電流有功分量法、五次諧波法、自動(dòng)跟蹤消弧線圈調(diào)節(jié)選線法、首半波原理、零序電流正交積分原理、基于小波變換的暫態(tài)零序電流選線法、注入信號(hào)法。顯然，單一判據(jù)選線裝置無法滿足所有運(yùn)行方式，且僅僅單一利用穩(wěn)態(tài)量或暫態(tài)量進(jìn)行選線判別，必然會(huì)造成信息量丟失，降低選線成功率。在現(xiàn)有文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合智能變電站各饋線間隔模擬量網(wǎng)絡(luò)化的特征，設(shè)計(jì)了一種零添加采集裝置和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的智能變電站小電流接地選線裝置。

1問題的提出

實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，基波零流群體比幅比相法對(duì)于線路不同位置的金屬性故障和經(jīng)過渡電阻故障，均能有效選出故障線路，應(yīng)用最為廣泛，效果也最好。對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，5次諧波群體比幅比相選線方法和零序有功功率判別選線法應(yīng)用更廣泛，但采用5次諧波比幅和比相原理時(shí)，故障線路和非故障線路的特點(diǎn)不明顯，判別結(jié)果不穩(wěn)定，均是部分有效。零序有功功率法的效果相對(duì)較好。但是，零序有功功率法依賴故障時(shí)零序有功分量的大小，當(dāng)零序有功分量大時(shí)，均能有效地選出故障線路，而實(shí)際系統(tǒng)中，無法保證所有系統(tǒng)中的零序有功功率分量均滿足要求。因此，要針對(duì)不同的情況采用不同的選線判據(jù)，形成多重判據(jù)綜合的小電流接地選線方案。

2多判據(jù)綜合智能選線方法

理論上，單一小電流接地選線判據(jù)不可能滿足現(xiàn)場(chǎng)的所有運(yùn)行方式，將單一判據(jù)有效綜合，形成多重判據(jù)是目前小電流接地選線技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。目前已有的多判據(jù)融合的選線算法的基本思想都是，遵循單一選線判據(jù)的計(jì)算結(jié)果或結(jié)果可信度經(jīng)過信息融合技術(shù)進(jìn)行融合，對(duì)克服單一判據(jù)不足取得了良好效果。

文中提出的實(shí)用綜合選線技術(shù)核心思想是：?jiǎn)我贿x線判據(jù)擇優(yōu)參與綜合選線。具體來說，首先判別一次系統(tǒng)的接地方式，區(qū)分是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)還是中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。然后通過簡(jiǎn)單的判定規(guī)則對(duì)故障信息做評(píng)測(cè)，選擇最優(yōu)的單一判據(jù)參與綜合選線，做到暫態(tài)算法與穩(wěn)態(tài)算法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，基波算法與諧波算法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成基于最少的單一選線判據(jù)參與選線的實(shí)用綜合選線算法。具體方法如下。

（1）中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。采用穩(wěn)態(tài)量判據(jù)群體比幅比相原理，即先對(duì)所有出線的零序電流幅值大小進(jìn)行排隊(duì)比較，選出3個(gè)零序電流幅值最大的線路，分別對(duì)這3條線路進(jìn)行方向判別。如果有1條線路零序無功功率方向＞0，即方向指向線路，則認(rèn)為該線發(fā)生接地故障，否則認(rèn)為母線故障。零序無功功率方向計(jì)算公式為：

式中：Ior，Uor分別為零序電流、電壓的實(shí)部；Ioi，Uoi分別為零序電流、電壓的虛部。為有效防止誤選，對(duì)所有上傳數(shù)據(jù)的間隔，選線裝置按母線分別采用連續(xù)多次（數(shù)據(jù)刷新一次判別1次，所有相關(guān)間隔均判別20次后輸出選線結(jié)果）確認(rèn)的方法。

（2）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。采用暫態(tài)量判據(jù)和穩(wěn)態(tài)量判據(jù)時(shí)間階梯配合的模式，穩(wěn)態(tài)量判據(jù)有：5次諧波比幅比相原理，零序有功功率原理，暫態(tài)量判據(jù)為零序電流正交積分原理。在故障開始后的20 ms內(nèi)，投入暫態(tài)量判據(jù)，即如果零序電流正交積分原理選線判據(jù)選出故障線路，則輸出該結(jié)果。在故障開始20 ms后，如果暫態(tài)量判據(jù)無選線的結(jié)果，則投入穩(wěn)態(tài)量判據(jù)。

3基于站控層GOOSE網(wǎng)絡(luò)的小電流接地選線方案

3.1整體架構(gòu)

在基于IEC 61850通訊協(xié)議的智能變電站中，間隔保護(hù)測(cè)控裝置均為微機(jī)裝置，很容易完成小電流接地選線功能的模擬量采集功能。因此，可采用“分散采集+集中處理”的實(shí)現(xiàn)模式，即各個(gè)饋線間隔將采集到的本間隔的零序電壓/電流數(shù)據(jù)以GOOSE方式傳遞到選線裝置，選線裝置根據(jù)這些故障信息進(jìn)行選線判別，并將選線結(jié)果傳遞給故障間隔，其總體框架圖如圖1所示。

圖1基于站控層GOOSE網(wǎng)絡(luò)的小電流接地選線方案總體架構(gòu)

基于站控層GOOSE網(wǎng)絡(luò)的小電流接地選線方案的優(yōu)點(diǎn)在于利用現(xiàn)有智能變電站間隔層保護(hù)測(cè)控裝置的采集功能和站控層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸功能，避免了額外添加采集裝置和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，最大限度地降低了裝置的成本。

3.2功能劃分

智能變電站小電流接地選線裝置由3～66 kV側(cè)按照間隔配置的間隔保護(hù)測(cè)控裝置（含低壓饋線、電容器和電抗器等保護(hù)測(cè)控裝置），站控層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和小電流接地選線裝置組成。各部分完成的功能如下。

（1）分散采集：間隔保護(hù)測(cè)控裝置作為小電流接地選線系統(tǒng)的采集單元，采集母線上所有元件的電壓和電流，計(jì)算自產(chǎn) 3Uo，3Io，五次諧波的 3Uo，3Io及暫態(tài)情況下的電壓和電流采樣值。

（2）通信設(shè)備（站控層交換機(jī)）：間隔保護(hù)測(cè)控裝置利用站控層網(wǎng)絡(luò)通道，將采集到的電壓和電流通過GOOSE上送給獨(dú)立的小電流接地選線裝置。

（3）集中處理單元（小電流接地選線裝置）：小電流接地選線裝置接收各個(gè)間隔的電壓和電流模擬量，用多判據(jù)綜合的方法完成小電流接地選線功能。

3.3采集單元數(shù)據(jù)GOOSE傳輸方案

智能變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)采用IEC 61850通信協(xié)議，GOOSE屬于快速報(bào)文和跳閘報(bào)文。為了提高性能，采用GOOSE報(bào)文傳輸小電流接地選線模擬量信息，傳輸延時(shí)能提高到毫秒級(jí)。綜合考慮成本與實(shí)時(shí)性的因素，采用GOOSE網(wǎng)和站控層MMS網(wǎng)共網(wǎng)。

GOOSE報(bào)文上送數(shù)據(jù)信息分穩(wěn)態(tài)量信息和暫態(tài)量信息。傳輸穩(wěn)態(tài)量的GOOSE報(bào)文每幀傳輸8個(gè)穩(wěn)態(tài)量信息及1個(gè)數(shù)據(jù)序號(hào)，Data1～8用于傳輸3Io實(shí)部/虛部、3Uo實(shí)部/虛部、3Io5次諧波實(shí)部/虛部、3Uo5次諧波實(shí)部/虛部；每次發(fā)送時(shí)更新為當(dāng)前最新數(shù)據(jù)。上送的數(shù)據(jù)序號(hào)范圍為0～999。傳輸暫態(tài)量的GOOSE報(bào)文每幀傳輸8個(gè)電壓采樣值和8個(gè)電流采樣值，Data1～8用于傳輸零序電流的采樣值，Data9～16用于傳輸零序電壓的采樣值。根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，GOOSE信號(hào)的通信延遲小于4 ms，實(shí)時(shí)性非常高。相對(duì)于MMS而言，采用GOOSE報(bào)文傳輸小電流接地選線模擬量信息能大大提高選線功能的實(shí)時(shí)性和可靠性。

3.4以零序電壓為基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)同步方案

對(duì)于現(xiàn)代微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置而言，在某一線路發(fā)生接地故障時(shí)，各個(gè)間隔保護(hù)測(cè)控裝置之間的采樣誤差在微秒級(jí)，由此產(chǎn)生的誤差可以忽略。因此，以故障時(shí)刻零序電壓為參考，可對(duì)各個(gè)間隔的模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，具體實(shí)現(xiàn)方法如下。

（1）各個(gè)間隔保護(hù)測(cè)控裝置采用突變量啟動(dòng)的方式尋找故障起始時(shí)刻，當(dāng)零序電壓采樣點(diǎn)中連續(xù)3個(gè)采樣點(diǎn)有2個(gè)滿足方程：記為突變量啟動(dòng)，故障時(shí)刻根據(jù)突變量啟動(dòng)時(shí)刻推得。其中 3u0（t）為當(dāng)前 t時(shí)刻零序電壓的采樣點(diǎn)；3u0（t-T）為前1個(gè)周期零序電壓的采樣點(diǎn)；3u0（t-2T）為前2個(gè)周期零序電壓的采樣點(diǎn)；T為工頻周期，即20 ms；3u0set為設(shè)定的定值門檻。

（2）間隔保護(hù)測(cè)控裝置以故障起始時(shí)刻為參考，從故障起始時(shí)刻前1個(gè)周波開始，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，序號(hào)范圍為0～k。理論上，在電力系統(tǒng)故障時(shí)，母線上各個(gè)元件感受到的故障時(shí)刻是一致的，因此，可以利用以故障時(shí)刻為參考，利用數(shù)據(jù)序號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行近似的同步。

4仿真試驗(yàn)

在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真裝置（RTDS）上建立小電流接地選線動(dòng)模試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。主接線如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過分合系統(tǒng)側(cè)開關(guān)BRKN構(gòu)成不同小電流中性點(diǎn)接地模型，同時(shí)為了抑制故障時(shí)中性點(diǎn)的過電壓水平，在系統(tǒng)側(cè)設(shè)置刀閘BRKZZ用于投退接地大電阻R。

圖2主接線圖

4.1完全補(bǔ)償系統(tǒng)模型

閉合母線中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地側(cè)開關(guān)BRKN，使構(gòu)成回路，消弧線圈L1電感為0.816 8 H，構(gòu)成完全補(bǔ)償系統(tǒng)模型。檢測(cè)到接地故障后3 s閉合BRKZZ投入并聯(lián)電阻；持續(xù)時(shí)間2 s；接地故障消失后打開BRKZZ。

仿真系統(tǒng)依次模擬線路1～6首端接地故障，以線路1單相接地為例，仿真系統(tǒng)分別在接地電阻為0.01 Ω，100 Ω，300 Ω 時(shí)，將各個(gè)線路間隔采樣值及母線電壓加入設(shè)計(jì)選線裝置，裝置均準(zhǔn)確判斷線路1為故障線路。其他2～5支路重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，選線結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明裝置不同故障線路、不同接地電阻的情況下，均能正確選擇接地線路。

4.2過補(bǔ)償系統(tǒng)模型

閉合BRKN開關(guān)，構(gòu)成中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，消弧線圈L1電感為0.75 H，使之構(gòu)成過補(bǔ)償模型。檢測(cè)到接地故障后3 s閉合BRKZZ投入并聯(lián)電阻；持續(xù)時(shí)間2 s；接地故障消失后打開BRKZZ。

表1線路首段接地故障

仿真系統(tǒng)依次模擬線路1～6末端接地故障，以線路1單相接地為例，仿真系統(tǒng)分別在接地電阻為0.01 Ω，200 Ω時(shí)，將各個(gè)線路間隔采樣值加入設(shè)計(jì)選線裝置，裝置均準(zhǔn)確判斷線路1為故障線路。其他2～5支路重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，選線結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明裝置不同故障線路、不同接地電阻的情況下，均能正確選擇接地線路。

表2線路末段接地故障

4.3不接地系統(tǒng)模型

始終打開BRKN開關(guān)，構(gòu)成中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)模擬10 kV母線接地故障情況，分別在接地電阻為 0.01 Ω，100 Ω，300 Ω，600 Ω 時(shí)，將各個(gè)線路間隔采樣值及母線電壓加入設(shè)計(jì)選線裝置，母線接地故障，結(jié)果表明裝置正確選擇接地母線。

5結(jié)束語

首次提出基于GOOSE網(wǎng)絡(luò)的小電流接地選線裝置，即利用已有的低壓站控層網(wǎng)絡(luò)以GOOSE方式傳輸模擬量，解決了智能變電站中小電流接地選線裝置的實(shí)現(xiàn)方式問題，并且零添加采集裝置和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方案，具有最佳經(jīng)濟(jì)性。采用GOOSE報(bào)文在站控層傳輸小電流接地選線模擬量信息，成功將傳輸延時(shí)能提高到毫秒級(jí)，并且以故障時(shí)刻零序電壓為參考，對(duì)各個(gè)間隔的模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，精確同步各間隔上傳故障模擬量，最后分運(yùn)行方式，以穩(wěn)態(tài)量與暫態(tài)量選線方法綜合評(píng)判故障線路。對(duì)選線動(dòng)模試驗(yàn)?zāi)Ｐ头抡妫C明設(shè)計(jì)選線裝置具有選線精確、適應(yīng)性強(qiáng)的特征。

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