含分布式電源的配電網(wǎng)接地故障自動(dòng)檢測(cè)方法

孫小磊，高 騫，楊俊義，薄 洞

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司連云港供電分公司，江蘇 連云港 222000； 2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024； 3.北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京 100085)

分布式電源(Distributed Generation，DG)具有高環(huán)保性、靈活性以及可靠性，在電力系統(tǒng)中占據(jù)著不可或缺的地位[1-2]。分布式電源可以選擇不接地與接地2種方式，接地方式還可分為：直接接地和通過消弧線圈接地[3]。不管接地還是不接地，這3種情況下產(chǎn)生的故障電流特征都不相同。分布式電源和主網(wǎng)可以通過故障相直接提供接地電流，二者也可通過健全相來交換故障電流[4]。分布式電源不同尋常的接地方式影響著整個(gè)系統(tǒng)的零序阻抗，給配電網(wǎng)帶來了安全隱患，也增加了接地故障的檢測(cè)難度。

目前，對(duì)于分布式電源并網(wǎng)產(chǎn)生的故障和影響研究較多，文獻(xiàn)[5]提出基于BAS-IGA的含分布式電源配電網(wǎng)故障定位方法，生成初始群體，建立了遺傳算法的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)3個(gè)遺傳算子進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整交叉變異率，通過遺傳迭代得到了最佳的結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障區(qū)域的準(zhǔn)確定位。文獻(xiàn)[6]提出計(jì)及逆變型分布式電源的有源配電網(wǎng)單相接地故障分析，分析逆變型分布式電源故障電流特性，建立其故障等值模型，然后對(duì)零序電流特征分布進(jìn)行了分析。雖然上述研究取得一定進(jìn)展，但是對(duì)含分布式電源的配電網(wǎng)接地故障的研究卻鮮有涉及，基于此，本文提出了一種接地故障自動(dòng)檢測(cè)方法。憑借S變換算法獲取配電網(wǎng)接地故障信號(hào)特征，為了使提取到的信號(hào)時(shí)頻能量更加聚集，引入控制參數(shù)，確保提取到的結(jié)果為精準(zhǔn)特征；根據(jù)故障特征計(jì)算每條線路的暫態(tài)零序電流峰值，通過比較找出其中的故障線路；憑借線路的暫態(tài)能量比值判斷其是否發(fā)生接地故障。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所研究方法不受分布式電源容量影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電網(wǎng)接地故障的有效檢測(cè)。

1 接地故障信號(hào)特征提取

在進(jìn)行配電網(wǎng)接地故障檢測(cè)前，需要對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行特征提取，本文利用S變換算法來實(shí)現(xiàn)。S變換算法是指利用高斯窗函數(shù)，使窗寬度與頻率的倒數(shù)呈正比關(guān)系，從而避免了窗函數(shù)的選取，并改進(jìn)了窗寬度固定的缺點(diǎn)。將定義為配電網(wǎng)接地信號(hào)，經(jīng)S變換后為：

(1)

式中，τ為時(shí)間參數(shù)；t為時(shí)間；f為信號(hào)采樣頻率；e為采樣系數(shù)。

對(duì)于配電網(wǎng)中故障信號(hào)的局部特征可以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的提取，在提取配電網(wǎng)故障信號(hào)時(shí)[7-8]，為了使提取到的信號(hào)時(shí)頻能量更加聚集，固定了高斯窗口的寬度，使提取到的配電網(wǎng)接地信號(hào)具有更優(yōu)秀的時(shí)頻能量聚集性，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的故障信號(hào)特征提取。引入量子遺傳算法來選取控制參數(shù)的最優(yōu)值，利用時(shí)頻分布集中程度對(duì)進(jìn)行定量選取[9]：

(2)

Mx(p)的值越小，說明能量分布的集中程度就越高，p值也就越接近最優(yōu)值。

配電網(wǎng)接地信號(hào)經(jīng)過S變換形成復(fù)時(shí)頻矩陣，可通過時(shí)頻圖像展現(xiàn)出來[10]。提取復(fù)時(shí)頻矩陣中的信息量，即配電網(wǎng)接地故障特征向量。

The frequencies of acupoints,meridians,acupoints distribution on different body parts and acupoints attribute were extracted and analyzed.

2 配電網(wǎng)接地故障自動(dòng)檢測(cè)

分布式電源在接入饋線的過程中，零序電流高次諧波數(shù)量增加，此時(shí)通過積分運(yùn)算來判斷線路是否出現(xiàn)故障，得出結(jié)果存在較大誤差[11]?；诖?，通過比較暫態(tài)能量比值的方式，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)接地故障的自動(dòng)檢測(cè)。

對(duì)比每條線路間的暫態(tài)電流峰值(絕對(duì)極大值)，明確幅值變化情況。如果僅考慮峰值而不考慮其他因素，由于峰值易受噪聲的影響，容易判斷失誤。所以，本文對(duì)每條線路的暫態(tài)信號(hào)真有效值[12]進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中，ikj為配電網(wǎng)中第k條線路上的第j個(gè)采樣數(shù)據(jù)；Iok為配電網(wǎng)中第k條線路的暫態(tài)信號(hào)真有效值。

當(dāng)參考線路僅與其中的一條線路呈現(xiàn)反極性時(shí)，說明這條線路出現(xiàn)了故障；如果所有線路都與參考線路出現(xiàn)了反極性[3-14]，則說明參考線路為故障線路。還有一種情況，就是所有線路與參考線路之間都是同極性，那么就可以判斷配電網(wǎng)出現(xiàn)了母線接地故障[15]。

僅比較暫態(tài)零序電流的幅值是無法實(shí)現(xiàn)母線接地故障檢測(cè)的，所以將饋線的暫態(tài)能量定義為：

(4)

式中，Ei為第i條饋線的暫態(tài)能量；T為檢測(cè)周期；n為對(duì)于饋線的采樣點(diǎn)數(shù)[16]；si為第i條饋線經(jīng)S變換后形成的模矩陣。

綜上所述，對(duì)含分布式電源的配電網(wǎng)，可通過比較各條線路之間的暫態(tài)能量比值[17]是否大于1，來判斷線路存不存在母線接地故障。判斷依據(jù)可描述為：

(5)

式中，Ei-m為第i條饋線在采樣點(diǎn)m處的暫態(tài)能量值。

分析線路的特征頻帶，找出滿足λi>1的饋線，再比較這些饋線的λi值，找出最大值，最大值所對(duì)應(yīng)的線路就是配電網(wǎng)中的故障線路。實(shí)現(xiàn)步驟為：①時(shí)刻監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)中線路電流是否發(fā)生突變，以此判斷是否有線路發(fā)生故障，如果有，記錄故障相鄰周期內(nèi)所有饋線的零序電流[18]；②利用S變換算法提取配電網(wǎng)中接地故障信號(hào)特征，通過公式(5)計(jì)算每條線路的暫態(tài)能量值[19]；③遍歷所有值，找出最大的3個(gè)值，從大到小的順序排列，得到λa、λb、λc。當(dāng)λa>λb+λc時(shí)，則認(rèn)定配電網(wǎng)發(fā)生了母線接地故障[20]。具體實(shí)現(xiàn)過程如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)接地故障檢測(cè)流程Fig.1 Grounding fault detection flow chart of distribution network

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的配電網(wǎng)接地故障檢測(cè)算法在實(shí)際中是否同樣有效，設(shè)計(jì)了仿真實(shí)驗(yàn)。利用Matlab搭建了含DG的配電網(wǎng)接地系統(tǒng)，具體如圖2所示。其中，線路主電源為10 kV，配電網(wǎng)線路選擇的是PI型線路。消弧線圈的電感L=0.869 7 H。4條線路的長度分別為13、17、15、15 km。

在L3線路上的1 km處添加1組A相接地故障信號(hào)，DG接入在L4線路上，額定容量8 MVA。用式(6)計(jì)算每條線路間的暫態(tài)能量比值：

(6)

由此，也可以判定L3線路發(fā)生了故障。其中配電網(wǎng)接地故障檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)施工如圖3所示。

圖2 含DG的配電網(wǎng)接地系統(tǒng)Fig.2 Distribution network grounding system with DG

圖3 配電網(wǎng)接地故障檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)施工Fig.3 Site construction drawing of distribution network grounding fault detection

根據(jù)配電網(wǎng)接地故障檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，分析配電網(wǎng)接地故障。當(dāng)配電網(wǎng)中三相斷路器斷開時(shí)，就發(fā)生了A相接地故障。利用本文方法，對(duì)故障發(fā)生的相鄰2個(gè)周期做S變換，獲得復(fù)時(shí)頻矩陣。

本文構(gòu)建的配電網(wǎng)接地系統(tǒng)采樣頻率為20 kHz，采樣次數(shù)為270次。發(fā)生A相接地故障的情況大致分為2種：①中性不接地，故障的初始相角為30°；②中性點(diǎn)通過消弧線圈接地，故障的初始相角為90°。通過本文接地故障檢測(cè)算法對(duì)以上2種情況展開實(shí)驗(yàn)分析，第1種故障下4條線路的暫態(tài)能量值比較結(jié)果見表1。從表1中可以很清楚地看出，L1、L2和L4三條線路的暫態(tài)能量值相差較小，只有L3線路的暫態(tài)能量值相差較大。所以，L3線路的故障特征最為明顯，可判斷該條線路出現(xiàn)故障。

表1 中性點(diǎn)不接地情況下4條線路的暫態(tài)能量值Tab.1 Transient energy values of 4 lines without neutral grounding

對(duì)中性點(diǎn)直接接地情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，4條線路的暫態(tài)能量值如圖4所示。

圖4 中性點(diǎn)消弧線圈接地情況下4條線路的暫態(tài)能量值Fig.4 Transient energy value of 4 lines when neutral arc suppression coil is grounded

通過圖4可以很明顯地看出，在同一采樣點(diǎn)處，L3線路與其他3條線路相比，暫態(tài)能量值波動(dòng)起伏最大，并且與其他線路之間的能量值差異也最大。同時(shí)，其他3條線路之間的能量變化曲線波動(dòng)幅度大致相同。由此可以證明，L3線路發(fā)生了故障。

當(dāng)僅改變配電網(wǎng)中含有DG的容量、其他條件不變時(shí)，再次對(duì)本文方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。調(diào)整L4線路中DG的容量，利用本文方法計(jì)算4條線路的暫態(tài)能量比值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 4條線路在DG不同容量下的暫態(tài)能量比值Fig.5 Transient energy ratio of 4 lines under different DG capacities

從圖5中可以看出，配電網(wǎng)中DG的容量變化并不會(huì)影響本文方法對(duì)故障線路的檢測(cè)，依然可以準(zhǔn)確地判斷L3線路發(fā)生了故障。

4 結(jié)語

在含DG的配電網(wǎng)中出現(xiàn)接地故障是極為普遍的，尤其是發(fā)生單相接地故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致線路中的零序電流變得極其微弱。但是在故障發(fā)生的瞬間，暫態(tài)電流信號(hào)幅度會(huì)突然增大，通過比較峰值即可檢測(cè)出故障。本文基于這一思路，先利用S變換提取得到配電網(wǎng)接地故障信號(hào)特征，再比較線路中暫態(tài)零序電流峰值，判斷線路是否發(fā)生故障。對(duì)于母線接地故障，通過比較暫態(tài)能量比值的方法來實(shí)現(xiàn)。通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文方法可有效檢測(cè)出配電網(wǎng)接地故障，且不受分布式電源容量的影響。