基于電網(wǎng)全景模型的發(fā)電機(jī)組接地故障快速定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冷述文，馬晉輝，王 敏，房東賢

（1.華能山東發(fā)電有限公司生產(chǎn)環(huán)保部，山東濟(jì)南 250014；2.中國華能集團(tuán)有限公司生產(chǎn)環(huán)保部，北京 100031；3.華能濟(jì)南黃臺(tái)發(fā)電有限公司電熱隊(duì)，山東濟(jì)南 250100）

發(fā)電機(jī)定子單相接地故障為發(fā)電機(jī)常見故障，發(fā)生故障時(shí)過高的電流容易燒壞定子鐵芯，繼而影響發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行[1]。目前，故障定位系統(tǒng)多數(shù)將分布測量裝置安裝在總線上，導(dǎo)致故障數(shù)據(jù)收集不足，系統(tǒng)難以在線準(zhǔn)確定位故障[2]。在相關(guān)研究中，利用“S”信號(hào)注入法定位發(fā)電機(jī)單相接地方式，可以沿線路跟蹤信號(hào)檢測。接地電阻越大，正常線路或未發(fā)生故障的區(qū)域就越容易產(chǎn)生“S”信號(hào)，這是因?yàn)榫€路具有分布電容性[3]。這種“過流”效應(yīng)越明顯，接地電阻就越高，無故障段的線路就越長，從而影響定位效果。為了進(jìn)一步提高故障定位精度，文中提出了基于電網(wǎng)全景模型的發(fā)電機(jī)組接地故障快速定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)組接地故障快速定位系統(tǒng)由主站層、通信網(wǎng)絡(luò)層、設(shè)備層組成，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖1可知，當(dāng)單相接地時(shí)，設(shè)備層將單相接地故障信息通過通信網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送到配電自動(dòng)化主站[4]。配網(wǎng)主站通過分析終端發(fā)送的信息和故障指標(biāo)定位故障點(diǎn)，再根據(jù)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)生成改造方案。調(diào)度員可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，選擇手動(dòng)、半自動(dòng)或自動(dòng)的方式進(jìn)行故障隔離和電力恢復(fù)。

1.1 電流相量采集中高端CPMU

線路采集終端CPMU固定于線端各三相線路的起始點(diǎn)，圖2顯示了采集終端采集和傳送信號(hào)的基本結(jié)構(gòu)。

由圖2 可知，A、B、C 三相CPMU 全部由電流互感器、S3C2410數(shù)據(jù)處理采集單元、GPS同步定時(shí)裝置、電源及近場通信模塊組成[5-8]。另外，C 相CPMU 還配有中遠(yuǎn)程通信裝置。相位CPMU 是主要的控制合成模塊，可以通過S3C2410中斷控制數(shù)據(jù)采集處理單元，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程同步采集[9-10]。因?yàn)镃相CPMU是主集成模塊，所以C 相CPMU 還配備了中遠(yuǎn)程通信模塊，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 CPMU傳輸信號(hào)結(jié)構(gòu)圖

圖3 C相CPMU結(jié)構(gòu)

由圖3 可知，用三相CPMU 對(duì)原始采集的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的傅里葉變換，得到工頻分量的實(shí)部和虛部，從而得到采樣電流的相量[11-12]。A、B相通過近場通信裝置無線傳輸真實(shí)與虛擬部分的數(shù)據(jù)至C相CPMU，將采集到的三相數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、處理、分析和比較。CPMU電源的供電方式是從變壓器中抽出一根線，直接給電源充電，再由電源為設(shè)備供電，從而實(shí)現(xiàn)自供電。

1.2 故障指示器

對(duì)于配電裝置，尤其是有大量負(fù)荷開關(guān)的系統(tǒng)，如果發(fā)生下一級(jí)短路和接地故障，應(yīng)盡快將其隔離開，否則會(huì)引起大面積電網(wǎng)故障[13]。故障指示器主要包括電源采集系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、交流電流電壓采集回路、主處理機(jī)和無線通信部分等[14]。對(duì)電源系統(tǒng)而言，電源故障指示燈采用蓄電池供電和外接電源電壓供電，電池組由電池和感應(yīng)器供電，外置太陽能電池板提供動(dòng)力[15]。該處理器有45 μA/MHz@3V 睡眠模式功耗和180 μA/MHz@3V 正常功耗，具有靈活的電源隔離系統(tǒng)、內(nèi)部RTC 功能、強(qiáng)大的處理性能，可實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 電網(wǎng)全景模型

利用可擴(kuò)展矢量圖、CIM/XML、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，構(gòu)建網(wǎng)格圖形模型交互中心，包括網(wǎng)格圖形元素、公共數(shù)據(jù)對(duì)象編碼及界面集成。交互式中心通過一個(gè)信息集成平臺(tái)，將用戶生產(chǎn)管理系統(tǒng)、GIS 系統(tǒng)、銷售系統(tǒng)等存儲(chǔ)在各個(gè)系統(tǒng)層面上的信息進(jìn)行無縫集成，返回業(yè)務(wù)系統(tǒng)處理，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢查，并對(duì)進(jìn)入圖形模型交互中心的各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析與拼接，電網(wǎng)全景模型如圖4 所示。

圖4 電網(wǎng)全景模型

由圖4 可知，電網(wǎng)全景模型構(gòu)建了一整套CIM模型空間，為實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)圖形化提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。將地理信息數(shù)據(jù)與圖形相結(jié)合，可形成完整的基于地理空間網(wǎng)格圖，融合地理信息數(shù)據(jù)，并提供基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭澐止δ堋Ｔ诖嘶A(chǔ)上，以簡潔方式反映整個(gè)電氣網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為電網(wǎng)管控、監(jiān)測和分析提供一個(gè)統(tǒng)一視角。

2.2 故障定位流程

在電網(wǎng)全景模型中點(diǎn)擊“錯(cuò)誤分析”事件，啟動(dòng)錯(cuò)誤識(shí)別程序。圖5 所示為故障定位流程。

圖5 故障定位流程

由圖5 可知，該故障為電流系統(tǒng)單相接地故障。監(jiān)控系統(tǒng)的零序電壓U0，判斷是否超出臨界值。當(dāng)U0超過設(shè)定的閾值時(shí)，通過主站服務(wù)器接收采集的數(shù)據(jù)。在相同收集時(shí)間內(nèi)，計(jì)算每條線I0和U0之間的相對(duì)相位。計(jì)算公式為：

將數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫中，需滿足式（2）：

按照式（2），考慮到該系統(tǒng)存在一定誤差，判斷某一特定角度下的斷層線截面，將該結(jié)果與數(shù)據(jù)庫結(jié)果對(duì)比，確定故障位置。

3 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于電網(wǎng)全景模型的發(fā)電機(jī)組接地故障快速定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

我國某電廠的一臺(tái)400 MW機(jī)組，該電機(jī)定子繞組接線方式為YY型。對(duì)地變壓器比例為22 kV/0.19 kV，定子接地故障發(fā)生在2019 年8 月20 日。發(fā)電機(jī)基波零序電壓定子接地保護(hù)A 套管和B 套外電源定子接地保護(hù)套管均正常工作，針對(duì)發(fā)電機(jī)定子接地故障的實(shí)際情況，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

發(fā)電機(jī)組接地的三相電壓幅值波形如圖6所示。

由圖6 可知，發(fā)電機(jī)組接地出現(xiàn)故障時(shí)，B 相電壓超過60 V，A 相和C 相電壓都有下降趨勢，三相電壓中B 相電壓最高，因此，下一相故障可能性最大，即C 相故障發(fā)生可能性較高。分別使用基于“S"信號(hào)注入法定位系統(tǒng)W1、基于分段器定位系統(tǒng)W2和基于電網(wǎng)全景模型定位系統(tǒng)W3 分析三相電壓幅值，如圖7 所示。

圖6 發(fā)電機(jī)組三相電壓幅值

由圖7（a）可知，使用基于“S"信號(hào)注入法定位系統(tǒng)的電壓幅值低于60 V，但整體與實(shí)際幅值不一致，最低電壓幅值高于30 V；使用基于分段器定位系統(tǒng)的電壓幅值高于60 V，整體與實(shí)際幅值不一致，最低電壓幅值高于50 V，A相出現(xiàn)故障；使用基于電網(wǎng)全景模型定位系統(tǒng)的電壓幅值低于60 V，整體與實(shí)際幅值一致。

由圖7（b）可知，使用基于“S"信號(hào)注入法定位系統(tǒng)的電壓幅值低于60 V，最低電壓幅值30 V，但整體與實(shí)際幅值不一致；使用基于分段器定位系統(tǒng)的電壓幅值低于60 V，與實(shí)際幅值不一致；使用基于電網(wǎng)全景模型定位系統(tǒng)的B 相電壓超過60 V，說明B 處出現(xiàn)故障，整體與實(shí)際幅值一致。

由圖7（c）可知，使用基于“S"信號(hào)注入法定位系統(tǒng)的電壓幅值高于60 V，說明C 處出現(xiàn)故障；使用基于分段器定位系統(tǒng)的電壓幅值低于60 V，與實(shí)際幅值不一致；使用基于電網(wǎng)全景模型定位系統(tǒng)的電壓幅值低于60 V，與實(shí)際幅值一致。

圖7 3種系統(tǒng)三相電壓幅值對(duì)比

通過上述分析結(jié)果可知，使用基于電網(wǎng)全景模型定位系統(tǒng)故障定位結(jié)果為B 相出現(xiàn)故障，說明定位精度較高。

4 結(jié)束語

此次研究的基于電網(wǎng)全景模型的發(fā)電機(jī)組接地故障快速定位系統(tǒng)，根據(jù)CPMU 傳輸信號(hào)結(jié)構(gòu)，確定C 相CPMU 結(jié)構(gòu)，依據(jù)故障指示器MCU 電路圖，構(gòu)建電網(wǎng)全景模型。根據(jù)數(shù)據(jù)存放數(shù)據(jù)庫條件定位故障。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)定位精度較高，可為發(fā)電機(jī)組接地故障檢測提供依據(jù)。