基于电网全景模型的发电机组接地故障快速定位系统设计

冷述文，马晋辉，王 敏，房东贤

（1.华能山东发电有限公司生产环保部，山东济南 250014；2.中国华能集团有限公司生产环保部，北京 100031；3.华能济南黄台发电有限公司电热队，山东济南 250100）

发电机定子单相接地故障为发电机常见故障，发生故障时过高的电流容易烧坏定子铁芯，继而影响发电机组的正常运行[1]。目前，故障定位系统多数将分布测量装置安装在总线上，导致故障数据收集不足，系统难以在线准确定位故障[2]。在相关研究中，利用“S”信号注入法定位发电机单相接地方式，可以沿线路跟踪信号检测。接地电阻越大，正常线路或未发生故障的区域就越容易产生“S”信号，这是因为线路具有分布电容性[3]。这种“过流”效应越明显，接地电阻就越高，无故障段的线路就越长，从而影响定位效果。为了进一步提高故障定位精度，文中提出了基于电网全景模型的发电机组接地故障快速定位系统设计。

1 系统硬件结构设计

发电机组接地故障快速定位系统由主站层、通信网络层、设备层组成，如图1 所示。

图1 系统硬件结构

由图1可知，当单相接地时，设备层将单相接地故障信息通过通信网络层发送到配电自动化主站[4]。配网主站通过分析终端发送的信息和故障指标定位故障点，再根据配电网运行状态自动生成改造方案。调度员可根据实际应用，选择手动、半自动或自动的方式进行故障隔离和电力恢复。

1.1 电流相量采集中高端CPMU

线路采集终端CPMU固定于线端各三相线路的起始点，图2显示了采集终端采集和传送信号的基本结构。

由图2 可知，A、B、C 三相CPMU 全部由电流互感器、S3C2410数据处理采集单元、GPS同步定时装置、电源及近场通信模块组成[5-8]。另外，C 相CPMU 还配有中远程通信装置。相位CPMU 是主要的控制合成模块，可以通过S3C2410中断控制数据采集处理单元，实现远程同步采集[9-10]。因为C相CPMU是主集成模块，所以C 相CPMU 还配备了中远程通信模块，其结构如图3 所示。

图2 CPMU传输信号结构图

图3 C相CPMU结构

由图3 可知，用三相CPMU 对原始采集的离散数据进行简单的傅里叶变换，得到工频分量的实部和虚部，从而得到采样电流的相量[11-12]。A、B相通过近场通信装置无线传输真实与虚拟部分的数据至C相CPMU，将采集到的三相数据进行运算、处理、分析和比较。CPMU电源的供电方式是从变压器中抽出一根线，直接给电源充电，再由电源为设备供电，从而实现自供电。

1.2 故障指示器

对于配电装置，尤其是有大量负荷开关的系统，如果发生下一级短路和接地故障，应尽快将其隔离开，否则会引起大面积电网故障[13]。故障指示器主要包括电源采集系统、电源系统、交流电流电压采集回路、主处理机和无线通信部分等[14]。对电源系统而言，电源故障指示灯采用蓄电池供电和外接电源电压供电，电池组由电池和感应器供电，外置太阳能电池板提供动力[15]。该处理器有45 μA/MHz@3V 睡眠模式功耗和180 μA/MHz@3V 正常功耗，具有灵活的电源隔离系统、内部RTC 功能、强大的处理性能，可实时处理数据传输。

2 系统软件部分设计

2.1 电网全景模型

利用可扩展矢量图、CIM/XML、实时数据库等技术，构建网格图形模型交互中心，包括网格图形元素、公共数据对象编码及界面集成。交互式中心通过一个信息集成平台，将用户生产管理系统、GIS 系统、销售系统等存储在各个系统层面上的信息进行无缝集成，返回业务系统处理，对数据质量进行严格检查，并对进入图形模型交互中心的各系统的数据进行相应的分析与拼接，电网全景模型如图4 所示。

图4 电网全景模型

由图4 可知，电网全景模型构建了一整套CIM模型空间，为实现电力网络数据图形化提供了坚实基础。将地理信息数据与图形相结合，可形成完整的基于地理空间网格图，融合地理信息数据，并提供基于网络拓扑划分功能。在此基础上，以简洁方式反映整个电气网络拓扑结构，为电网管控、监测和分析提供一个统一视角。

2.2 故障定位流程

在电网全景模型中点击“错误分析”事件，启动错误识别程序。图5 所示为故障定位流程。

图5 故障定位流程

由图5 可知，该故障为电流系统单相接地故障。监控系统的零序电压U0，判断是否超出临界值。当U0超过设定的阈值时，通过主站服务器接收采集的数据。在相同收集时间内，计算每条线I0和U0之间的相对相位。计算公式为：

将数据存放在数据库中，需满足式（2）：

按照式（2），考虑到该系统存在一定误差，判断某一特定角度下的断层线截面，将该结果与数据库结果对比，确定故障位置。

3 实 验

为了验证基于电网全景模型的发电机组接地故障快速定位系统设计的合理性，进行实验验证分析。

3.1 实验环境

我国某电厂的一台400 MW机组，该电机定子绕组接线方式为YY型。对地变压器比例为22 kV/0.19 kV，定子接地故障发生在2019 年8 月20 日。发电机基波零序电压定子接地保护A 套管和B 套外电源定子接地保护套管均正常工作，针对发电机定子接地故障的实际情况，对其进行了实验验证分析。

3.2 实验结果与分析

发电机组接地的三相电压幅值波形如图6所示。

由图6 可知，发电机组接地出现故障时，B 相电压超过60 V，A 相和C 相电压都有下降趋势，三相电压中B 相电压最高，因此，下一相故障可能性最大，即C 相故障发生可能性较高。分别使用基于“S"信号注入法定位系统W1、基于分段器定位系统W2和基于电网全景模型定位系统W3 分析三相电压幅值，如图7 所示。

图6 发电机组三相电压幅值

由图7（a）可知，使用基于“S"信号注入法定位系统的电压幅值低于60 V，但整体与实际幅值不一致，最低电压幅值高于30 V；使用基于分段器定位系统的电压幅值高于60 V，整体与实际幅值不一致，最低电压幅值高于50 V，A相出现故障；使用基于电网全景模型定位系统的电压幅值低于60 V，整体与实际幅值一致。

由图7（b）可知，使用基于“S"信号注入法定位系统的电压幅值低于60 V，最低电压幅值30 V，但整体与实际幅值不一致；使用基于分段器定位系统的电压幅值低于60 V，与实际幅值不一致；使用基于电网全景模型定位系统的B 相电压超过60 V，说明B 处出现故障，整体与实际幅值一致。

由图7（c）可知，使用基于“S"信号注入法定位系统的电压幅值高于60 V，说明C 处出现故障；使用基于分段器定位系统的电压幅值低于60 V，与实际幅值不一致；使用基于电网全景模型定位系统的电压幅值低于60 V，与实际幅值一致。

图7 3种系统三相电压幅值对比

通过上述分析结果可知，使用基于电网全景模型定位系统故障定位结果为B 相出现故障，说明定位精度较高。

4 结束语

此次研究的基于电网全景模型的发电机组接地故障快速定位系统，根据CPMU 传输信号结构，确定C 相CPMU 结构，依据故障指示器MCU 电路图，构建电网全景模型。根据数据存放数据库条件定位故障。通过实验验证结果可知，设计的系统定位精度较高，可为发电机组接地故障检测提供依据。