基于注入法的变电站直流电源接地故障检测方法.pdf

Telecom Power Technology 25 Aug.25,2023,Vol.40 No.16 2023 年 8 月 25 日第 40 卷第 16 期设计应用技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.16.009基于注入法的变电站直流电源接地故障检测方法张成志（国网山东省电力公司济宁市任城区供电公司，山东 济宁 272000）摘要：由于故障电流变化较小不易察觉，传统故障检测方法的精度较低。该背景下，提出基于注入法的变电站直流电源接地故障检测方法。通过纳秒级高压脉冲发生装置向变电站直流电源注入脉冲信号，以注入脉冲信号的响应电流信号的分担系数轨迹特征为选线判据，提取脉冲响应电流信号，确定其分担系数轨迹特征，从而进行接地故障选线，实现接地故障检测。实验结果表明，设计方法检测变电站直流电源接地故障的正确率为 95.37%，证明该方法效果较好。关键词：注入法；变电站；直流电源；接地故障；故障检测Direct Current Power Grounding Fault Detection Method in Substation Based on Injection MethodZHANG Chengzhi(State Grid Shandong Electric Power Company Jining Rencheng District Power Supply Company,Jining 272000,China)Abstract:The accuracy of traditional fault detection methods is relatively low due to the small changes in fault current that are difficult to detect.In this context,a direct current power grounding fault detection method based on injection method is proposed for substations.By injecting a pulse signal into the direct current power supply of the substation through an nanosecond level high-voltage pulse generator,the distribution coefficient trajectory characteristics of the response current signal of the injected pulse signal are used as the selection criteria.The pulse response current signal is extracted,and its distribution coefficient trajectory characteristics are determined to select the grounding fault line and achieve grounding fault detection.The experimental results show that the accuracy rate of the designed method in detecting direct current power grounding faults in substations is 95.37%,proving that the method is effective.Keywords:injection method;substation;direct current power supply;ground fault;fault detection0 引 言电力系统接地故障检测是我国重点关注的课题之一。杨耿杰等人通过重构配电网零序电流信号得到信号轨迹图，实现了接地故障的精准检测1。王宾等人基于接地故障时零模电压与电流之间的伏安特性轨迹，提出一种兼顾可靠性与灵敏性的接地故障检测方法2。田凤兰等人利用小波包分解改进了 Schwarz电弧模型，解决了不同故障距离与不同故障相角等条件下的接地故障检测问题3。文章展开变电站直流电源接地故障检测方法的相关研究，以期推动我国配电网健康发展。1 变电站直流电源注入脉冲信号目前，我国变电站直流电源发生接地故障时，主要采用谐波法和电容电流法等方法来检测4。在采用信号注入法检测变电站直流电源接地故障时，需要先确定信号源装置。该装置主要负责产生特殊信号注入直流电源，同时兼顾选线作用。向变电站直流电源注入信号时，为消除接地过电压造成的谐振，需要注入阻性分量，从而产生弧光电流。当电流过零电弧熄灭后，有功电流可以吸收电弧引发的电磁振荡，从而减小过电压。文章选择纳秒级高压脉冲发生装置作为注入信号源5。该信号源注入的脉冲信号包括多种类型，如方形波、三角波、矩形波等。文章综合考虑脉冲信号的传播特性和变电站直流电源接地故障检测的实际需要，选用注入脉冲信号。用信号注入法检测接地故障时，脉冲信号的能量会被故障线路消耗，因此注入的脉冲信号宽度需要尽可能窄，幅值尽可能大，从而降低入射波与反射波之间的重叠度，同时满足脉冲能量变化需求6。文章选择注入的脉冲信号的参数如表 1 所示。在表 1 参数的基础上，文章采用周期间歇性注入法将脉冲信号注入变电站直流电源。2 变电站直流电源接地故障检测2.1 确定选线判据文章根据注入脉冲信号的响应电流信号检测接地故障7，以注入脉冲信号的响应电流信号的分担系数轨迹特征作为选线判据8。首先，需要获得响应电流信号的分担系数。假设高阻接地直流电源的过渡电导为 D0，那么过渡电收稿日期：2023-06-25作者简介：张成志（1996），男，山东济宁人，本科，助理工程师，主要研究方向为电力工程技术。2023 年 8 月 25 日第 40 卷第 16 期Aug.25,2023,Vol.40 No.16Telecom Power Technology 26 导下线路 n 的零序导纳 Kn的计算公式为 Kn=jBn+Dn+D0（1）式中：j 表示电抗；Bn表示直流电源中线路 n 的分布电容；Dn表示直流电源中线路 n 的分布电导。其次，由式（1）可以求出高阻接地直流电源的总零序导纳 K0，公式为 K0=jB0+D1+D0（2）式中：B0表示直流电源中总分布电容；D1表示直流电源中总分布电导。再次，根据计算结果，可以获得变电站直流电源发生接地故障时，正常线路与故障线路对注入脉冲信号的响应电流信号的分担系数9。nn11202121m212221,0,0tzj BDKDKKD+=+=+（3）式中：1表示变电站直流电源发生接地故障时，正常线路对注入脉冲信号的响应电流信号的分担系数；2表示变电站直流电源发生接地故障时，故障线路对注入脉冲信号的响应电流信号的分担系数；D2表示中性点经高阻接地的电纳。最后，根据式（3）所求分担系数，即可确定发生接地故障时，变电站直流电源正常线路与故障线路的分担系数的轨迹特性，并将此作为选线判据。结合线路阻尼率的理论可知，正常线路的分担系数轨迹相角需要在 81以上。如果某条线路的分担系数轨迹的未超过 81，该线路就是发生接地故障的线路。2.2 接地故障选线文章采用周期间歇性的注入方式，其中电容对注入脉冲信号的影响较小。对于注入脉冲信号后的直流电源等效电路，假设驱动电压为 Um(t)，即 ()()nn11202121m2,0,0tzj BDKDKKDU tU tU t+=+=+（4）式中：U1、U2为固定电压值。一般情况下，等效电路的响应电流可以通过电压与电阻计算得到。如果t=0，电路的电压就会由 U1跳到 U2，响应电流从()()nn11202121m212221,0,0tzj BDKDKKDU tU tU tURURU U UI teRRR+=+=+=趋向于()()nn11202121m212221,0,0tzj BDKDKKDU tU tU tURURU U UI teRRR+=+=+=，其中 R 为电阻值。此时，可以得到直流电源注入脉冲信号的响应电流信号，即 ()221tzU U UI teRRR=（5）式中：I(t)表示直流电源等效电路的回路电流信号；z表示直流电源等效电路的阻抗；e 为脉冲信号相应特征。求出响应电流信号的分担系数轨迹，并按照变电站直流电源接地故障选线流程进行故障选线。变电站直流电源接地故障选线流程如图 1 所示。YN开始注入脉冲信号提取响应电流信号计算分担系数分担系数相角小于81判定为接地故障选择故障线路结束图 1 变电站直流电源接地故障选线流程由于脉冲信号注入后提取的响应电流信号的故障特性与未注入脉冲信号时电源的故障特性相同，文章基于注入法向变电站直流电源注入脉冲信号，再提取注入脉冲信号的响应电流信号，根据式（3）求出直流电源线路的分担系数，以分担系数的相位变化特性为判据进行接地故障选线，以此完成变电站直流电源接地故障的检测。3 实验分析3.1 实验准备在某 110 kV 变电站内部的实际线路上展开仿真实验。选取该变电直流系统的 10 kV 配电线路作为故障检测线路，在测试线路上选取 4 个实验点设置接地故障，变电站直流电源接地故障布点如图 2 所示。110 kV 变电站R1234线路杆塔故障指示器故障点图 2 变电站直流电源接地故障布点3.2 结果分析选用基于神经网络的变电站直流电源接地故障 2023 年 8 月 25 日第 40 卷第 16 期 27 Telecom Power TechnologyAug.25,2023,Vol.40 No.16 张成志：基于注入法的变电站 直流电源接地故障检测方法检测方法和基于支持向量机的变电站直流电源接地故障检测方法作为实验对照组，实验得到基于各检测方法的线路故障前后电流波形变化如图 3 所示。2040时间/s6080100支持向量机加入接地故障00100电流/A200-100-200（a）基于注入法的故障检测方法时间/s电流/A20406080100神经网络加入接地故障00100200-100-200（b）基于神经网络的故障检测方法时间/s电流/A0204060801000100本文方法加入接地故障200-100-200（c）基于支持向量机的故障检测方法图 3 不同检测方法下的故障线路电流波形从图 3 可以看出，当在变电站直流电源测试线路加入单相接地故障时，不同检测方法下，录波仪记录的电流波形均发生变化，说明这 3 种方法均能有效检测接地故障电流。为直观呈现文章设计的方法的优越性，采用正确率作为判断指标，其计算公式为 12100%NN=（6）式中：表示变电站直流电源接地故障检测的正确率；N1表示故障指示器正确动作的次数；N2表示实验次 数。3 种检测方法下的正确率对比结果，如表 2 所示。表 2 不同方法下的接地故障检测结果对比接地电阻/正确率/%本文方法神经网络支持向量机10095.8386.7382.0420094.9681.4576.1830095.0779.3374.0350095.6174.0969.881 00095.3970.6263.91从表 2 数据可以看出，采用本文方法的测试故障检测的正确率较高，平均正确率为 95.37%，神经网络平均正确率是 78.44%，支持向量机平均正确率是 73.20%。可见，本文方法较对照组分别高出 16.93个百分点、22.16 个百分点。同时，本文方法无论接地电阻的阻值如何变化，接地故障检测的正确率都不会出现大的变化。因此，设计的基于注入法的变电站直流电源接地故障的整体检测效果较好，具有较高精度。4 结 论文章采用注入法检测变电站直流电源接地故障，首先选择一个合理的信号源装置向变电站直流电源注入脉冲信号，其次采用差值运算法提取脉冲信号的响应电流信号，并基于信号分担系数的轨迹特征判定故障线路，最后完成接地故障检测，并通过仿真实验验证了该方法的可行性与可靠性。参考文献：1 杨耿杰，王 康，高 伟.基于相空间重构和迁移学习的配电网高阻接地故障检测 J.电力系统保护与控制，2022，50（13）：151-162.2 王 宾，崔 鑫.基于伏安特性动态轨迹的谐振接地系统弧光高阻接地故障检测方法 J.中国电机工程学报，2021，41（20）：6959-6967.3 田凤兰，唐 琪，马 瑾，等.基于小波包分解的小电阻接地系统高阻接地故障检测方法 J.电瓷避雷器，2023（1）：179-190.4 刘宝稳，曾祥君，马宏忠，等.参数不对称配电线路的等效模型与接地故障检测方法 J.电力系统自动化，2022，46（13）：159-167.5 王永翔，陈 冠，范丽君，等.基于故障支路端口特性定理的变电站接地网电磁联合故障诊断 J.电瓷避雷器，2022（4）：75-83.6 沈建辉，邵乔乐，张程翔，等.一起变电站主变平衡绕组接地故障分析与处理 J.变压器，2022，59（5）：57-62.7 李 潇，范春菊，王国钰，等.两端电源供电交直流混合配电网直流侧故障特征和接地方式 J.电力系统自动化，2022，46（11）：161-169.8 郭 亮，杜 欢，王晓卫，等.基于磁场检测与多判据融合的架空线路接地故障定位方法 J.电力系统保护与控制，2022，50（17）：24-34.9 李 浩，张禄亮.基于改进 VMD 和特征分布系数的配电网高阻接地故障检测方法 J.南方电网技术，2022，16（12）：109-117.