CN104092206A - 配电网接地自适应控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

配电网接地自适应控制系统，其在原系统基础上增加了母线PT、自适应控制并联回路及自适应控制模块等，在该系统的支持下，通过自适应控制方法，使开关的投切和电阻值的调整通过自适应控制模块实现了优化调整，该方法还对消弧线圈和可变电阻档位调整提出了一种自适应控制的优化策略。本发明提高了跳开故障线路的准确性，有效降低下一次故障时控制调整的误差，有效防止了接地故障信号的错发，大幅提高了系统单相接地的选线准确性。

Description

配电网接地自适应控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种配电网中性点的接地系统，具体的说是一种配电网接地自适应控制系统及自适应控制方法。

背景技术

电网中性点的接地方式与电力系统运行可靠性、安全性和经济性密切相关，随着智能电网的建设和发展，针对城市电网和配电网中性点接地方式的选择成为了当前电网智能化改造建设的重点关注问题。当前中压配电网中，中性点的接地方式主要包括不接地、经消弧线圈接地和经小电阻接地三种方式，下面对这三种方式做简单分析：

1)不接地方式

该方式下，实际是经变压器中性点的等值电容接地，绝缘状况不好时还包括泄漏电阻，系统的零序阻抗呈现容性。当发生接地故障时，非故障相的电压最高会升至线电压，而故障点流过的电流为非故障线路电容电流的总和。当系统规模不大时，该接地方式下的电容电流较小，对系统影响较小，系统允许运行一段时间，能有效提高用户的供电可靠性，该方式在系统电网建设初期得到广泛应用。随着系统规模的增大，且城市电网中电缆的比例越来越大，对地电容电流达到一定值时，容易产生弧光接地过电压，造成系统设备绝缘破坏，严重影响系统的安全性。

2)经消弧线圈接地

该方式采用消弧线圈接入中性点，消弧线圈是一种铁心带空气间隙的可调电杆线圈，通常经接地变的虚拟中性点接入系统，实现对电容电流的补偿，且消弧线圈会使故障相恢复电压上升速度变慢，能保证故障点电弧迅速熄灭和避免发生重燃，有效避免电弧的接地过电压；另一方面，能有效限制单相故障时的接地电流，降低对设备和系统装置的要求。当系统发生瞬时单相接地故障时，消弧线圈能使故障点电弧迅速熄灭，实现故障的快速自动消除。但该接地方式下，针对电缆线路常发生的永久性故障无法实现快速隔离，需要根据选线信息进行人工拉路，另外由于单相故障时的接地电流较小，增大了故障选线的难度，选线装置的准确率难以保证。

3)经小电阻接地

该方式是在接地变的虚拟中性点接入低电阻，可以避免不接地方式下的弧光过电压，同时发生单相接地时，故障电流较大，能有效实现故障选线，并能使保护快速动作跳闸隔离故障。该方式下非故障相的过电压水平较低，对设备绝缘水平要求相对较低。该方式针对城市电网的电缆线路来说是一种理想的接地方式。由于电缆线路的故障多为永久性故障，过大的电容电流易使单相故障范围扩大为相间故障，因此小电阻的接地方式能使保护及时跳闸来切除故障线路。但该方式下系统中任何的单相接地故障都会动作于跳闸，对于以架空线路为主或以架空与电缆混合线路组成的电网，其线路跳闸率过高，降低了供电可靠性。

从上述可看出，若前配电网中性点的接地方式常采用不接地或经消弧线圈接地，当发生单相接地故障时，接地电流较小，断路器保护不动作，通过发出接地信号提醒调控人员，若为永久性故障需要根据选线信息采取人工拉路的方法来判断故障线路并隔离。此类接地方式下针对线路永久性故障(特别是电缆线路故障)的隔离效率较低，易造成设备长时间的过电压运行，且人为判断操作的可靠性难以保证，影响设备和人身安全。若采用中性点经小电阻接地的方式，当线路发生单相接地故障时，所产生的大电流信号能有效实现断路器保护的准确动作，快速实现故障线路的隔离，能有效避免线路长时间的过电压运行，降低绝缘强度，但该方式下无法区分瞬时性接地故障和永久性接地故障，即系统中任何单相接地故障都使保护动作于跳闸，特别当10kV架空线路的单相接地故障概率较高，这种接地方式大大降低了系统的供电可靠性。因此如何统筹考虑瞬时性接地和永久性接地故障以及架空线路和电缆线路等多种情况，提出一种能实现自适应控制的配电网接地方式，对提高电网的供电可靠性和运行安全性至关重要。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明提出一种配电网接地自适应控制系统及自适应控制方法，在该系统的支持下，通过自适应控制方法，使开关的投切和电阻值的调整通过自适应控制模块实现了优化调整，而且该系统有效防止了接地故障信号的错发，大幅提高了系统单相接地的选线准确性。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种配电网接地自适应控制系统，包括线路零序CT和消弧线圈，其特征在于，还包括：母线PT、自适应控制并联回路、自适应控制模块和外部输入输出设备，所述自适应控制并联回路包括可变电阻和与其串联的开关。

所述自适应控制模块包括接地判断模块、跳闸控制和自适应优化模块、接地选线模块及输入输出模块，所述接地判断模块对中性点电压、中性点电流和母线电压进行判断，并发出接地信号和异常信号；所述跳闸控制和自适应优化模块对所述接地判断模块输出的接地信号及所述外部输入输出设备输入的参数通过优化控制策略来控制断路器和自适应控制并联回路的开关；所述接地选线模块采集线路零序CT值后，在常规选线分析的基础上加入线路零序电流中的有功分量，通过与门与常规选线分析耦合；所述输入输出模块与所述线路零序CT、消弧线圈、母线PT、可变电阻、开关及外部输入输出设备连接。

进一步的，所述外部输入输出设备包括实时电网监测设备、调度中心上位机、显示屏、打印机和指示灯，外部输入输出设备与输入输出模块通过有线和/或无线方式连接。

一种配电网接地自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、接地判断模块对中性点电压、中性点电流和母线电压进行采样，采样过程中应采用统一的时钟；

b、根据灵敏度和裕度，设定母线电压的最小值V_bmin和最大值V_bmax，当母线电压的某相电压低于V_bmin且其余两相电压高于V_bmax时，则发出异常信号；

c、若中性点电压高于中性点电压最大值V_set，且母线的某相电压发出异常信号时，则判断为接地故障；若中性点电流高于中性点电流最大值I_set，且母线的某相电压发出异常信号，则判断为接地故障；

d、接地判断模块将异常信号输出至指示灯，接地故障输出至跳闸控制和自适应优化模块；

e、跳闸控制和自适应优化模块采用预调式的跟踪补偿方式，根据电网的实时谐振频率，并结合设定的脱谐度对消弧线圈档位进行调节，具体的优化控制策略如下：

k＝Ceiling[k₀+α(γ-γ₀)]

$\mathrm{\α}=\frac{k_{\max }-k_{\min }}{{\mathrm{\γ}}_{\max }-{\mathrm{\γ}}_{\min }}$

式中，k₀和k为调整前后的消弧线圈档位，γ₀为设定的脱谐度，γ为扫频装置分析计算得到的实际电网脱谐度，α为调整系数，Ceiling为取整函数；

若消弧线圈档位调整后系统的脱谐度为γ’，则对并联电阻档位的修正调整策略为：

R＝R₀+β(γ'-γ₀)

$\mathrm{\β}=\frac{R_{\min }-R_{\max }}{{\mathrm{\γ}}_{\max }-{\mathrm{\γ}}_{\min }}$

式中，R₀为调整前的并联电阻值，R为调整后的并联电阻值；

f、当发生接地故障时，首先投入消弧线圈对电容电流进行补偿，若为瞬时接地故障，则不投入可变电阻，若为永久性接地故障，且故障时间大于t_set时，则闭合与可变电阻串联的开关，投入根据上述策略预调整的并联电阻R；

g、在步骤a采样的同时，接地选线模块对线路零序CT进行采样，对线路零序电流中的有功分量分析通过与门实现与常规选线分析的耦合，若两者一致则直接对断路器发出跳闸信号实现所选择线路的隔离，若两者不一致，则仅通过显示装置将选线信息提供给调控或运维人员。

进一步的，在步骤e中，还包括以下误差修正步骤，

根据调整后实际系统的脱谐度和零序电流值对调整系数α和β进行反馈修正，其相应的修正公式为：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\α}+S_{\mathrm{\α}}[c\frac{{\mathrm{\γ}}^{\′}-{\mathrm{\γ}}_0}{{\mathrm{\γ}}_{\max }-{\mathrm{\γ}}_{\min }}+(1-c)\frac{I^{\′}-I_0}{I_{\max }-I_{\min }}]$

$\mathrm{\β}=\mathrm{\β}+S_{\mathrm{\β}}[c\frac{{\mathrm{\γ}}^{\′}-{\mathrm{\γ}}_0}{{\mathrm{\γ}}_{\max }-{\mathrm{\γ}}_{\min }}+(1-c)\frac{I^{\′}-I_0}{I_{\max }-I_{\min }}]$

式中，S_α和S_β为优化调整步长，c为权重系数，I’为实际的零序电流值，I₀、I_max、和I_min为设定的目标零序电流值、最大零序电流值和最小零序电流值。

进一步的，在步骤f中还包括延迟控制步骤，即当与可变电阻串联的开关闭合后的时间大于保护动作时间t与裕度时间ε的和时，开关自动断开。

本发明的有益效果是：

1、该系统在原有中性点经消弧线圈接地的基础上，增加一组自适应控制的并联回路，开关的投切和可变电阻值的调整均通过自适应控制模块实现优化调整。

2、该系统采用的中性点电气量和母线电压复合校验的方法，能有效避免因三相不对称产生的中性点电压偏移进而错发接地信号的情况，同时也能规避当母线PT二次侧断线引起的母线电压异常进而错发接地信号的情况，因此具有更广泛的适应性。

3、在该系统和方法下能有效保证瞬时性单相接地故障下的供电可靠性，同时可实现线路永久性单相接地故障在t_set+t时间内自动切除，相较于传统的人工拉路方法，其效率大大提高，同时并联电阻的投入也使得故障线路特征明显，提高了跳开故障线路的准确性。

4、该方法针对消弧线圈和可变电阻档位调整提出了一种自适应控制的优化策略，根据调整后实际系统的脱谐度和零序电流值对控制策略中的调整系数进行反馈修正，这种对参数的自适应学习优化能有效降低下一次故障时控制调整的误差。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

图1为本发明的配电网接地方式的一次接线简图；

图2为本发明接地判断模块原理图；

图3为本发明跳闸控制和自适应优化模块原理图；

图4为本发明接地选线模块原理图；

图5为本发明输入输出模块原理图。

具体实施方式

如图1所示，配电网接地自适应控制系统在原有中性点经消弧线圈接地的基础上，增加一组自适应控制的并联回路，该回路包括可变电阻R和与可变电阻R串联的开关K，开关K的投切和电阻值的调整均通过自适应控制模块实现优化调整，并在母线上设置母线PT(电压互感器)。系统中自适应控制模块的输入量包括中性点电压、中性点电流、线路零序CT电流、母线PT电压、外设输入(参数设定)等其它电网数据；输出量则包括消弧线圈和并联电阻的档位控制量、开关K的投切信号、接地信号、跳闸信号、选线信息等多种类型数据。

其中，自适应控制模块包括以下四个部分：接地判断模块、跳闸控制和自适应优化模块、接地选线模块以及输入输出模块，下面结合图2-图4对本系统的工作原理及方法做详细说明：

如图2所示接地判断模块的主要功能是对接地故障进行判断并发出相关信号。为提高接地信号的准确性，本模块中增加对母线电压的采样，实现与中性点电压和电流的综合考虑。

具体判断步骤是：1)首先对中性点电压、中性点电流和母线电压进行采样，采样过程中应采用统一的时钟，以保证数据在时间上的同步性；2)当发生单相接地时，接地相电压降低，非故障相电压升高，最高可升高为线电压，但为了保证足够的灵敏度和裕度，应在选择设定合适的V_bmin和V_bmax。当母线电压的某相电压低于V_bmin且其余两相电压高于V_bmax时，则发出异常信号；3)正常情况下中性点电压应低于V_set(一般为额定相电压的15％)，若中性点电压高于V_set，且某相电压发出异常信号，则判断为接地故障；4)正常情况下中性点电流应低于I_set(一般设定为4.5A)，若中性点电压高于I_set，且某相电压发出异常信号，则判断为接地故障。该模块采用的中性点电压、中性点电流和母线电压复合校验的方法，能有效避免因三相不对称产生的中性点电压偏移进而错发接地信号的情况，同时也能规避当母线PT二次侧断线引起的母线电压异常进而错发接地信号的情况，因此具有更广泛的适应性。

如图3为跳闸控制和自适应优化模块，常规的配电网接地方式为中性点经消弧线圈接地，该方式下发生单相接地故障时，通过消弧线圈实现对地电容电流的补偿，一方面可限制故障电流的大小，一方面可使电弧尽快熄灭，并能有效限制电弧的重燃。消弧线圈装置通过跟踪电网参数和运行方式的变化实现自动调节，进而实时跟踪补偿电网的电容电流。本发明的跳闸控制和自适应优化模块采用预调式的跟踪补偿方式，通过扫频装置对电网的实时谐振频率进行分析，结合设定的脱谐度对消弧线圈档位进行调节，具体的优化控制策略如下：

$\begin{array}{c}k=\mathrm{Ceiling}[k_0+\mathrm{\α}(\mathrm{\γ}-{\mathrm{\γ}}_0)]\\ \mathrm{\α}=\frac{k_{\max }-k_{\min }}{{\mathrm{\γ}}_{\max }-{\mathrm{\γ}}_{\min }}\end{array}---\left(1\right)$

式中，k₀和k为调整前后的消弧线圈档位，γ₀为设定的脱谐度，γ为扫频装置分析计算得到的实际电网脱谐度，α为调整系数，Ceiling为取整函数，该模块中设定选择取较高档位的整数值。

若消弧线圈档位调整后系统的脱谐度为γ’，则对并联电阻档位的修正调整策略为：

$\begin{array}{c}R=R_0+\mathrm{\β}({\mathrm{\γ}}^{\′}-{\mathrm{\γ}}_0)\\ \mathrm{\β}=\frac{R_{\min }-R_{\max }}{{\mathrm{\γ}}_{\max }-{\mathrm{\γ}}_{\min }}\end{array}---\left(2\right)$

式中，R₀和R分别为调整前后的并联电阻值，认为可连续可调，电阻的调整与脱谐度的调整具有反比例关系，由此调整系数β为一负值。

由于消弧线圈和并联电阻与脱谐度的调整在实际中存在误差，因此该模块中增加了自适应的优化调整过程，即根据调整后实际系统的脱谐度和零序电流值对控制策略中的调整系数进行反馈修正，这种对参数的自适应学习优化能有效降低下一次故障时控制调整的误差，其相应的修正公式为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\α}=\mathrm{\α}+S_{\mathrm{\α}}[c\frac{{\mathrm{\γ}}^{\′}-{\mathrm{\γ}}_0}{{\mathrm{\γ}}_{\max }-{\mathrm{\γ}}_{\min }}+(1-c)\frac{I^{\′}-I_0}{I_{\max }-I_{\min }}\\ \mathrm{\β}=\mathrm{\β}+S_{\mathrm{\β}}[c\frac{{\mathrm{\γ}}^{\′}-{\mathrm{\γ}}_0}{{\mathrm{\γ}}_{\max }-{\mathrm{\γ}}_{\min }}+(1-c)\frac{I^{\′}-I_0}{I_{\max }-I_{\min }}\end{array}---\left(3\right)$

式中，S_α和S_β为优化调整步长，根据实际系统参数分析人为设定；c为权重系数，取值区间为[0,1]，I’为实际的零序电流值，I₀、I_max、I_min为设定的目标零序电流值、最大零序电流值和最小零序电流值，由系统的绝缘水平、断路器的动作电流和实际工程标准确定。

当系统发生接地时，首先投入消弧线圈对电容电流进行补偿，若为瞬时接地故障，则故障点电弧熄灭，系统恢复正常，此时并联电阻不需要投入，可通过设定开关延迟闭合时间t_set(通常在10s-60s)来实现该功能；若为永久性接地故障，但故障时间大于t_set时，则闭合电阻开关，此时投入根据上述策略预调整的并联电阻，并联电阻的投入使得系统形成回路，使得故障电流增大，触发已整定好的线路断路器动作跳闸隔离故障。

为避免断路器拒动后系统故障电流的持续存在，在模块中增加一延迟控制，即当开关K闭合后的时间大于t+ε时(t为保护的动作时间，ε为裕度时间)，开关K自动断开，形成对系统的后备保护。由上可看出，该接地方式下能有效保证瞬时性单相接地故障下的供电可靠性，同时可实现线路永久性单相接地故障在t_set+t保时间内自动切除，相较于传统的人工拉路方法，其效率大大提高，同时可变电阻R的投入也使得故障线路特征明显，提高了跳开故障线路的准确性。根据跳闸控制和自适应优化模块，当断路器拒动后，并联可变电阻R延时断开，系统状态回归至正常经消弧线圈接地的情况。

如图4所示接地选线模块中，本发明中为提高选线的准确性，在常规选线装置中增加一附加分析，当开关K闭合后，系统的故障零序电流中将增加有功部分，且消弧线圈对电容电流实现补偿后，该有功部分的比重较为明显，因此，通过分析线路零序电流中的有功分量能大大提高故障选线的准确性。通过与门实现与常规选线分析的耦合，若一致则直接对断路器发出跳闸信号实现所选择线路的隔离，若不一致，则仅通过显示装置将选线信息提供给调控或运维人员。该模块的使用能大幅度提供系统选线的准确性，进而通过跳闸信号提高故障线路隔离的效率。

如图5所示的输入输出模块，针对自适应控制模块中的输入输出部分进行了定义和描述，通过外设输入可实现电压、电流、时间阈值以及脱谐度的设定和赋值，相关的选线信息、谐振频率、档位位置、相关信号则可通过调度中心上位机、显示屏、打印机、指示灯等设备实现信息输出。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种配电网接地自适应控制系统，包括线路零序CT和消弧线圈，其特征在于，还包括：母线PT、自适应控制并联回路、自适应控制模块和外部输入输出设备，所述自适应控制并联回路包括可变电阻和与其串联的开关，

所述自适应控制模块包括接地判断模块、跳闸控制和自适应优化模块、接地选线模块及输入输出模块，所述接地判断模块对中性点电压、中性点电流和母线电压进行判断，并发出接地信号和异常信号；所述跳闸控制和自适应优化模块对所述接地判断模块输出的接地信号及所述外部输入输出设备输入的参数通过优化控制策略来控制断路器和自适应控制并联回路的开关；所述接地选线模块采集线路零序CT值后，在常规选线分析的基础上加入线路零序电流中的有功分量，通过与门与常规选线分析耦合；所述输入输出模块与所述线路零序CT、消弧线圈、母线PT、可变电阻、开关及外部输入输出设备连接。

2.根据权利要求1所述的配电网接地自适应控制系统，其特征在于，所述外部输入输出设备包括实时电网监测设备、调度中心上位机、显示屏、打印机和指示灯，外部输入输出设备与输入输出模块通过有线和/或无线方式连接。

3.一种配电网接地自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、接地判断模块对中性点电压、中性点电流和母线电压进行采样，采样过程中应采用统一的时钟；

b、根据灵敏度和裕度，设定母线电压的最小值V_bmin和最大值V_bmax，当母线电压的某相电压低于V_bmin且其余两相电压高于V_bmax时，则发出异常信号；

c、若中性点电压高于中性点电压最大值V_set，且母线的某相电压发出异常信号时，则判断为接地故障；若中性点电流高于中性点电流最大值I_set，且母线的某相电压发出异常信号，则判断为接地故障；

d、接地判断模块将异常信号输出至指示灯，接地故障输出至跳闸控制和自适应优化模块；

e、跳闸控制和自适应优化模块采用预调式的跟踪补偿方式，根据电网的实时谐振频率，并结合设定的脱谐度对消弧线圈档位进行调节，具体的优化控制策略如下：

k＝Ceiling[k₀+α(γ-γ₀)]

$\mathrm{\α}=\frac{k_{\max }-k_{\min }}{{\mathrm{\γ}}_{\max }-{\mathrm{\γ}}_{\min }}$

式中，k₀和k为调整前后的消弧线圈档位，γ₀为设定的脱谐度，γ为扫频装置分析计算得到的实际电网脱谐度，α为调整系数，Ceiling为取整函数；

若消弧线圈档位调整后系统的脱谐度为γ’，则对并联电阻档位的修正调整策略为：

R＝R₀+β(γ'-γ₀)

$\mathrm{\β}=\frac{R_{\min }-R_{\max }}{{\mathrm{\γ}}_{\max }-{\mathrm{\γ}}_{\min }}$

式中，R₀为调整前的并联电阻值，R为调整后的并联电阻值；

f、当发生接地故障时，首先投入消弧线圈对电容电流进行补偿，若为瞬时接地故障，则不投入可变电阻，若为永久性接地故障，且故障时间大于t_set时，则闭合与可变电阻串联的开关，投入根据上述策略预调整的并联电阻R；

g、在步骤a采样的同时，接地选线模块对线路零序CT进行采样，对线路零序电流中的有功分量分析通过与门实现与常规选线分析的耦合，若两者一致则直接对断路器发出跳闸信号实现所选择线路的隔离，若两者不一致，则仅通过显示装置将选线信息提供给调控或运维人员。

4.根据权利要求3所述的配电网接地自适应控制方法，其特征在于，在步骤e中，还包括以下误差修正步骤，

根据调整后实际系统的脱谐度和零序电流值对调整系数α和β进行反馈修正，其相应的修正公式为：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\α}+S_{\mathrm{\α}}[c\frac{{\mathrm{\γ}}^{\′}-{\mathrm{\γ}}_0}{{\mathrm{\γ}}_{\max }-{\mathrm{\γ}}_{\min }}+(1-c)\frac{I^{\′}-I_0}{I_{\max }-I_{\min }}]$

$\mathrm{\β}=\mathrm{\β}+S_{\mathrm{\β}}[c\frac{{\mathrm{\γ}}^{\′}-{\mathrm{\γ}}_0}{{\mathrm{\γ}}_{\max }-{\mathrm{\γ}}_{\min }}+(1-c)\frac{I^{\′}-I_0}{I_{\max }-I_{\min }}]$

式中，S_α和S_β为优化调整步长，c为权重系数，I’为实际的零序电流值，I₀、I_max、和I_min为设定的目标零序电流值、最大零序电流值和最小零序电流值。

5.根据权利要求3所述的配电网接地自适应控制方法，其特征在于，在步骤f中还包括延迟控制步骤，即当与可变电阻串联的开关闭合后的时间大于保护动作时间t与裕度时间ε的和时，开关自动断开。