配电网接地故障暂态数据模型的构建及应用

云南电网有限责任公司昆明供电局 陈劲秋 李轶昂

配电网在不同的区域分布较为广泛，由于配电网环境的特殊性和复杂性，很容易在运行过程中出现故障，因此如何选择配电网的中性点接地就成为避免故障发生的一种有效途径。这种方式在电力设备运行过程中比较常见[1-3]。现有学者也针对该技术进行了相关研究。文献[4]通过人工智能方法对配电网接线和测距进行了研究，该技术通过构建改进粒子群优化神经网络架构，在配电网运行过程中，提取零序电压以及电流的暂态及稳态特征，根据提取的特征，分析配电网故障选线以及故障测距。虽然该算法具有一定的技术进步性，但配电网接地故障暂态数据分析力度不足，在构建配电网工程运行系统和应用方法无法体现其技术优越性。文献[5]在配电网发生故障后，在如何实现配网配变支路保护，如何实现用户侧保护等,在比较短的时间内，如何处理电路输出的故障暂态信号等问题上，研究卓越，通过模拟配网故障暂态电压电流,采用粒子群高斯牛顿混合算法对此模型的各参数进行辨识,实现暂态参数的求取。该方案虽然具有一定的技术进步性，但无法通过远程监控配电网故障暂态电压电流的特性,当配电网发生故障时，如何选择接地仍旧无法掌控。

1 接地故障暂态数据模型

假设在配电网接地回路中，以电网A 相线接地进行分析，则构建的接地故障暂态数据模型如图1所示[6]。在电路图中，由于故障暂态数据模型通过不同的电容、电阻构成的，其中rk为第k 支路对地的绝缘电阻，Ck为第k 支路的对地电阻，Rg为接地回路模型中的接地平衡电阻[6]。

图1 故障暂态数据模型示意图

在图1的故障暂态数据模型中，当判断电路中是否存在接地现象时，通过接地暂态过程的求解，进而判断出接地模型是否存在接地现象。

在图1中，假设UA处的电压输出函数为：

则对图1中的电路进行微分计算，列出微分方程为：

在公式（2）中，r 表示电网电路中对地绝缘电阻的总和，用公式表示为：

由于接地电流包括稳态分量和暂态分量，用公式表示为：

其中Igm表示为接地电流稳态分量的幅值[8],用公式表示为：

用Igi表示暂态分量的初值，则存在以下公式：

其中φ 表示is超过uA的相位角，用公式表示为：

公式（7）中的γ 为时间常数，用户可以根据电路的暂态过程衰减快慢进行设置。该时间常用公式表示为：

下面计算电路中各相对地电压瞬时值，则有：

然后利用瞬时对称分量法计算零序电压u0，

其中：

然后再利用瞬时对称分量法计算出故障支路的零序电流i01，则有：

在公式（14）中，存在这样公式：

公式（15）为电路中故障支路零序电流稳态分量的幅值，其中：

公式（16）表示电网故障支路零序电流暂态分量的初值。

用公式（17）计算电网电路中故障支路零序电流超前于零序电压的相位。

通过上述公式论述，再计算故障暂态数据模型中非故障支路的零序电流，该零序电流的计算公式用公式表示为：

在公式（18）中，存在以下计算公式：

公式（19）表示非故障支路零序电流稳态分量的幅值，在公式（19）中存在以下恒等量：

公式（20）表示非故障支路零序电流暂态分量的初值，则有：

通过公式（1）—（20）的分析，一旦配电网对地后，其内所具有的信号，比如稳态工频分量数据信号、配电网输出衰减指数暂态分量数据信息等多种数据信息将表现为与电源同频率的状态，使得配电网中的数据信息包括一定的输出信息相位差值。

2 接地信息综合管理系统

本研究基于上文接地故障暂态数据模型的构建，为了对配电网中的数据信息进行综合诊断，本研究设计了如图2所示的接地信息综合管理系统。

图2 接地信息综合管理系统

在图2中，接地信息综合管理系统包括接地数据结构、接地信息数据分析、接地数据信息输出和接地数据应用模块，在配电网接地数据结构中，检查故障暂态数据模型的零序电压、检查故障暂态数据模型中出现的非故障支路的零序电流，查看电路中是否出现零序电压。这是因为当配电网中出现接地?现象时，就会产生零序电压。在配电网中，比如变压器的中性点、各线路的人为中性点等处。在分析过程中，如果采用的配电网出现了零序电压，在启动故障暂态数据模型进行计算时，如果发现零序电压的幅值大于设定阈值时，说明供电设施出现了接地现象。在故障暂态数据模型中，如果出现的高频暂态电容电流的频率大于基频时，接地线路中出现的高频分量与其他线路的高频分量之和相同，则从配电网释放的能量上来说，配电网出现的故障线路释放的高频能量就较大。当配电网中出现接地现象时，出现故障线路中的高频分量的方向与其他线路中的电流流向方向相反，则接地线路中出现的电流值与非接地线路中出现的电流值相比，接地线路中出现的电流值出现明显幅度变化。通过分析，用户可以在计算机管理中心管控配电网接地情况[1]。

3 试验与分析

试验时，通过采用一定的硬件和软件条件实现配电网接地故障诊断，采用的操作系统为Microsoft Windows 2019，64位，通过Matlab 2018实现配电网信的模拟仿真，通过SimPowerSystem 模拟配电网中的线路、变压器、负载等不同部件的变化。设置的配电网通过电流互感器（变流器）来代替，试验架构示意图如图3所示。

图3 变流器试验架构示意图

下面结合图3中变流器试验架构示意图，对本研究配电网接地特征进行分析，采用监测设备作为分析器具使用，为了提高检测效果，以10个周期为采样间隔，以动态化分析采样点，在每种周期内，抽取128个数据样本，分别通过电压、电流计算，则电压计算公式有：

电流计算公式如下：

通过公式计算后，在380Vrms 下采集变压器的信息，输出量为3.47Vrms。试验采用的模拟处理装置中，输出的增益参数设置为0.4274，通过电流、电压转换后，输出如表1所示的不同电压下接地电压。

表1 不同负载下变压器在线接地电压电流值

通过表1的试验数据，为了更形象地观察试验技术效果，通过绘制图谱的方式，以形象地表达出来，如图4所示。

图4 接地特征量随接地电阻的变化波形

在图4中，当配电网中电力设备平衡电阻不同时，则输出电流也不同，当接地电容取不同的数值时，当发生接地现象时，绝缘电阻相对于触电电流Ih的变化曲线示意图如图5所示。

图5 接地特征量随接地电阻的变化波形

通过在接地环境下模拟出多种曲线，能够直观地观察接地情况。通过上述试验可以看出，通过本研究方法的故障暂态数据模型能够准确地分析配电网的接地特性。

在验证本研究技术方案的误差时，分别采用方案一、二、三进行对比分析，其中方案一为设备检测、方案二为万用表检测、方案三采用超声波检测方法，以样本的方式抽取10个数据点进行测量，当接地时，则输出有电压值，否则为0，通过这个标准衡量。测量数据表如表2所示。

表2 测量数量表

在表2的样本数据库中，人为制造一些接地因素，然后通过不同的方法进行检测，可以得到，本研究的方法在不同的点均可检测出接地因素，采用其他方案则存在盲点情况，再经过100分钟的测试后，绘制出如图6所示的误差对比示意图。

图6 误差对比曲线图

通过图6可以看出，在整个测量过程中，只有本研究的技术方案误差比较低。说明本研究的技术方案较佳。

4 结语

本文针对配电网接地中存在的故障问题，进行了以下技术研究：构建了接地故障暂态数据模型，实现不同情形下的故障暂态分析；构建了接地信息综合管理系统，实现了不同情况下接地状况的分析。

通过试验，本研究具有较好的技术效果，但在应用过程中，仍旧存在一些不足之处，这需要进一步的研究。