基于馈线功率的配电网对地参...量与接地故障灵敏感知新方法_贺世庚.pdf

doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2023.01.009基于馈线功率的配电网对地参数测量与接地故障灵敏感知新方法贺世庚1，杨理斌1，喻锟1，曾祥君1，欧阳帆2(1 长沙理工大学，湖南 长沙 410114;2 国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410208)摘要:针对传统对地参数测量方法在建模和原理上存在的误差，提出了基于馈线功率的中性点不接地配电网对地参数精确测量方法，在中性点外加可控电压源调控零序电压，求取各馈线上有功与无功功率，并结合馈线功率与对地参数间关系，实现各馈线及系统对地电导和电容参数精确测量;进一步提出了基于馈线功率的单相接地故障灵敏感知方法，根据故障与正常时各馈线功率因数角特征差异，精准判别配电网母线及馈线是否故障。该方法依据馈线功率与对地参数、功率因数角间的数学联系，能有效解决系统对地参数测量难题，实现单相接地故障灵敏感知，并准确区分母线与馈线故障。在PSCAD/EMTDC 仿真环境及 10 kV 真型配电网实验室中对所提方法进行了仿真与实验验证。分析结果表明，该方法测量精度高，故障感知能力强，具备一定的工程应用价值。关键词:配电网;对地参数;故障感知;接地故障;馈线功率中图分类号:TM934文献标志码:B文章编号:1008-0198(2023)01-0050-08基金项目:国家自然科学基金项目(51737002，52037001);湖南省自然科学基金项目(2021JJ30729)。收稿日期:2022-11-01修回日期:2022-12-05A New Method of Ground Parameter Measurement andGrounding Fault Sensitive Perception for DistributionNetwork Based on Feeder PowerHE Shigeng1，YANG Libin1，YU Kun1，ZENG Xiangjun1，OUYANG Fan2(1 Changsha University of Science Technology，Changsha 410114，China;2 State Grid Hunan Electric Power Company Limited esearch Institute，Changsha 410208，China)Abstract:Aimed at the errors in modeling and principle of traditional measurement methods for groundingparameters，an accurate measurement method for grounding parameters of neutral ungrounded distributionnetwork based on feeder power is proposed By adding a controllable voltage source to the neutral point toregulate the zero sequence voltage，the active and reactive power of each feeder line is obtained，and combiningthe relationship between feeder line power and grounding parameters，the accurate measurement of theconductance and capacitance parameters of each feeder and system to ground are achieved Furthermore，asensitive sensing method of single phase grounding fault based on feeder power is proposed，which canaccurately identify whether the bus and feeder of distribution network are in fault through the difference of powerfactor angle characteristics between fault and normal feeder This method can effectively solve the measurementproblem of system to ground parameters，realize the sensitive sensing of single phase ground fault，andaccurately distinguish the bus and feeder faults based on the mathematical relationship between feeder power andground parameters，power factor angle The proposed method is simulated and verified in PSCAD/EMTDC05第 43 卷第 1 期湖南电力2023 年 2 月simulation environment and 10kV real distribution network experimental field The analysis results show that themethod has high measurement accuracy，strong fault perception ability and certain engineering applicationvalueKey words:distribution network;grourd parameters;fault perception;grounding fault;feeder power0引言随着我国配电网电缆线路占比的增加，单相接地故障电流中有功分量逐渐扩大，由于消弧线圈无法补偿故障电流有功分量，导致故障电弧难以消除。为实现对故障电流的无功、有功成分进行有效补偿，有学者提出了基于配电网柔性接地控制的有源消弧技术，有效抑制故障过电压，降低了故障建弧率15。精确快速的对地电容及对地泄漏电导测量技术是有源消弧技术的重要支撑。目前采用的中性点不接地配电网对地参数测量方法主要包括偏置法、在中性点投切电阻或电容及信号注入法69。偏置法与在中性点投切电阻或电容通过改变中性点位移电压测量对地参数，在测量过程中改变了一次系统拓扑结构与参数，且需要与一次设备直接接触，测量过程繁琐、效率较低，存在一定安全风险。信号注入法通过 TV 二次侧向配电网注入特征信号，并实时测量反馈信号，实现配电网对地参数测量。但信号注入法易受注入信号频率的影响，容易出现特征信号捕捉困难、对地泄漏电流测量误差大等问题。文献 10 提出了单频率测量法，但无法测量对地电导，无法适应有源接地技术的发展。接地故障的灵敏、准确感知是配电网接地故障选线的前提。传统配电网主要通过监测中性点零序电压的幅值大小或者零序电压的变化量进行故障辨识，但当发生高阻接地故障时，中性点零序电压的幅值与偏移量都较小，该方法此时就难以进行有效地故障感知，无法对系统固有对地绝缘参数不对称产生的零序位移电压与高阻接地故障所造成的零序偏移电压进行区分1112。因此，通过中性点零序电压幅值进行高阻接地故障感知的方法，一定程度上易引起配电网的故障误报，如:在系统处于全补偿条件下，中性点的接地电感和系统对地电容易发生串联谐振，从而让中性点产生很高的零序电压，谐振零序过电压大大超过动作整定值，引起保护误动13、各相对地绝缘参数的固有不对称问题及不对称负荷引起的中性点位移电压1415。为解决零序电压保护启动难题，国内外开始尝试傅里叶变换法、小波分析法、能量法、注入法等基于电压电流的故障感知方法1618，但这些方法的检测精度有限，易受暂态过程影响，且高阻接地故障时，相关电气量的变化量极小，难以完成高阻接地故障灵敏感知1920。针对上述配电网对地参数测量与接地故障灵敏感知难题，提出基于馈线功率的配电网对地参数测量与接地故障灵敏感知新方法。当配电网正常运行时，通过柔性接地装置调控中性点零序电压，再根据馈线功率定义求取各馈线上有功与无功功率，并结合馈线功率与对地参数间关系，进而实现各馈线及系统对地参数的精确测量;当配电网发生单相接地故障时，根据配电网正常与故障时馈线功率因数角的特征差异判定配电网是否发生接地故障，并准确区分母线故障及馈线故障。仿真与现场实验结果均验证了所提方法的有效性与可行性。1基于馈线功率的配电网对地参数精确测量原理基于零序电压调控的中性点不接地配电网对地参数精确测量原理如图 1 所示。图中共有 n 条馈线，EA、EB、EC为三相电源电动势，giA、giB、giC为馈线 i 三相对地电导，CiA、CiB、CiC为馈线的三相对地电容，i 为馈线编号;柔性接地装置可灵活调控系统零序电压。图 1中性点不接地配电网下对地参数测量原理图15第 43 卷第 1 期贺世庚等:基于馈线功率的配电网对地参数测量与接地故障灵敏感知新方法2023 年 2 月根据图 1 可知，当配电网正常运行时馈线 i 的零序电流表达式为:3I0i=U0(gi+jCi)+EAYAi+EBYBi+ECYCi=U0(gi+jCi)+Ibdi(1)式中，3I0i为正常运行时的馈线 i 上零序电流;U0为正常运行时的零序电压;gi和 Ci为线路 i 上总对地电导与电容;YiA、YiB、YiC为馈线 i 三相对地导纳参数;Ibdi为馈线 i 上因三相导纳不对称而产生的不平衡电流。GB/T 500642014 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范规定:正常运行时，自动跟踪补偿消弧装置应确保中性点的长时间电压位移不超过系统标称相电压 15%。因此，正常时零序调压值 U0大小设定为 15%相电压大小，即U0=0.15EA。此时可得系统各馈线零序电流为:3I0i=U0(gi+jCi)+EAYAi+EBYBi+ECYCi=U0(gi+jCi)+Ibdi(2)其中 Ibdi可通过联立式(1)、式(2)求取:Ibdi=3(I0iU0 I0iU0)U0 U0(3)定义馈线 i 的复功率表达式为:Si=(3I0i Ibdi)U*0=U02gi+jU02Ci=Pi=jQi(4)式中，Pi、Qi分别为馈线 i 有功、无功功率。根据式(4)，进一步可得各馈线功率之和表达式为:ni=1Si=ni=1(3I0i Ibdi)U*0=U20g+jU20C=ni=1Pi+jni=1Qi(5)式中，g=ni=1gi;C=ni=1Ci。对式(4)、式(5)进行分析，可得到各馈线及系统对地参数与馈线功率间关系:gi=PiU20，Ci=QiU20g=ni=1PiU20，C=ni=1QiU20(6)由式(6)可知，在配电网中性点接入柔性接地装置，在正常运行时调控零序电压在电力系统运行规程的允许范围，可实现对系统及各馈线对地参数的在线精确测量，并充分考虑了配电网不对称因素的影响，且无需对线路进行隔离处理，不影响配电网正常运行，测量过程安全可靠。2基于馈线功率的配电网接地故障灵敏感知原理配电网深入用电终端区域，运行环境复杂多变，高阻接地故障易发且感知困难，故障感知为故障处理的前提条件，因而接地故障灵敏感知方法对保障配电网供电可靠性与安全性具有重大意义。根据图 1 得到的配电网馈线及母线发生单相接地故障示意图如图 2 所示，其中 gf为接地故障电导。图 2配电网馈线及母线单相接地故障示意图当图 2 中馈线 k 的 C 相发生接地故障时，令零序电压为 U0f，则此时非故障馈线