论文部分内容阅读
摘要：针对小电流单相接地故障选线有多种方法，每种方法都有一定的适用范围，也都有各自的局限性，都很难完全适应各种电网结构与复杂的故障状况。一种可行的办法是使用多重选线判据来构成综合判据，利用各种判据选线性能上的互补性扩大正确选线的故障范围，提高选线结果的可靠性。而利用模糊理论实现多判据选线信息融合开发的分布式小电流接地选线系统通过在湖北电网应用实践证明，可明显提高小电流单相接地故障选线的正确性。
关键词：模糊理论；接地选线；湖北电网
作者简介：张浩（1964-），男，湖北襄阳人，襄阳科能机电公司，高级工程师。（湖北 襄阳 441001）胡东波（1975-），男，湖北咸宁人，咸宁供电公司，高级工程师。（湖北 咸宁 437000）
中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）17-0217-02
我国35kV及以下的中低压配电网系统一般采用中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统。由于在小电流接地系统中发生单相接地故障时不形成短路，只在系统中产生很小的零序电流，三相线电压依然对称，不影响系统正常工作。我国电力规程规定，小电流接地系统可带单相接地故障继续运行1～2小时。这样能够提高供电的连续性和可靠性，这是小电流接地系统的突出优点。但随着馈线的增多，电容电流也在增大，长时间带故障运行就易使故障扩大为相间短路或两点及多点接地故障。弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行。随着当今对电能质量的要求越来越高，这就需要运行人员在发生故障后必须尽快查明短路线路和短路点，以便采取相应对策解除故障，使系统恢复正常运行。
一、现状
中性点非有效接地系统单相接地故障选线长期以来是国内外关注的尚未解决的一大难题。针对这一问题提出了多种选线方法，但都很难完全适应各种电网结构与复杂的故障状况。湖北电网35kV变电站共800多座，其中许多变电站安装了小电流接地选线装置，但由于选线准确率不高、使用效果不太理想，故使用部门一直想寻求一种好的解决方法。
二、原理分析
小电流接地系统单相接地故障后的信号中含有各种各样的故障信息，如稳态基波分量、高频暂态分量。现在的各种算法就是利用了各种故障信息构成的故障判据。然而对不同故障条件下的故障信息分析表明，随着故障条件的不同，故障信息也会有变化，有些算法可能会失效，所以根据不同算法作出的判断结果的准确度也往往不同。理论和实践都表明，没有一种选线方法能够保证对所有故障类型都有效，每种选线判据都有一定的适用范围，也都有各自的局限性，需要满足一定的适用条件。所以，仅靠一种判据进行选线是不充分的。
在这种现实状况下，一种可行的办法是使用多重选线判据来构成综合判据，利用各种判据选线性能上的互补性扩大正确选线的成功率，提高选线结果的可靠性。那么多重选线判据如何来构成综合判据呢？由于小电流接地系统及电网结构的复杂性，很难取得某种选线判据与选线结果之间精确的数学模型，而运用模糊理论实现多判据选线信息融合是一个可行的方法。
针对以往选线装置存在的问题，襄阳科能机电设备有限公司成功开发了DJDX_08型基于模糊理论的分布式小电流接地选线系统，在湖北地区批量使用，获得了令人满意的效果。
三、理论依据
模糊理论是美国加州大学伯克利分校电气工程系的扎德教授在1965年创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的。模糊理论是以模糊集合为基础，其基本精神是接受模糊性现象存在的事实，而以处理概念模糊不确定的事物为其研究目标，并积极地将其严密的量化成计算机可以处理的讯息，不主张用繁杂的数学分析即模型来解决模型，即在信息不完整、不精确的情况下作出判断与决策，也就是进行模糊信息处理。
模糊理论已在实践中被证明是现代智能技术中最重要的技术之一，是处理复杂不确定问题的较先进的方法之一，是用数学方法研究和处理具有“模糊”现象的一门科学。近年来，国内外文献中提出了一些利用模糊理论实现多判据选线的新方法。实践证明，应用模糊理论实现配电网故障选线方法，充分利用多方面的故障信息，用多种选线方法，使之相互补充、相互融合，可以明显提高故障判别能力。[1]
四、系统原理
DJDX_08型分布式小电流接地选线系统基于模糊理论定义有关事物差异中间过渡的不分明性，并成功应用在小电流故障选线中。其工作原理为：根据判据规则建立各选线方法的隶属函数，包括各故障测度隶属函数和各选线方法的权系数隶属函数。最后对各个判据的数值属性进行融合，得出一个综合选线结果。其处理过程为：首先根据基波比幅比相算法确定基波比幅比相算法的故障测度隶属函数，根据五次谐波算法确定五次谐波算法的故障测度隶属函数，根据首半波算法确定首半波算法的故障测度隶属函数，根据功率方向算法确定功率方向算法的故障测度隶属函数，然后根据经验数据确定各选线方法的权系数隶属函数，最后对各个判据的数值属性进行融合，得出一个综合选线结果。
五、基本结构及核心元件
本系统采用上下位机构成的分布式结构，整个系统包括主机、数据采集分支器、高精度零序电流互感器三部分。通常，一个变电站只需一台选线主机和若干台信号采集分支器以及若干台零序电流互感器组成一个完整的分布式接地选线系统。系统结构如图1所示。
1.选线主机
选线主机是整个系统的指挥控制中心。它主要完成以下任务：四段相电压的监测，一旦发生接地故障立即进入故障分析处理程序；故障分析处理程序：主机读取各数据采集分支器传来的数据，采用模糊理论的方法对数据进行分析，得出正确的选项结果；管理好人机接口：包括按键的处理、液晶显示画面的处理、打印机的管理等；通讯处理任务：包括与各数据采集分支器的通讯处理和与外部接口的通讯处理；为了实时并行处理，以上多任务嵌入了RTX_51实时操作系统，以保证各任务之间的协调配合。 选线主机可同时管理接入户内式分支器30只，户外式分支器90只；所有分支器与主机间的数据通讯都并联在同一根4芯电缆线上，零序电流互感器套装在被测高压线上，分支器的跳闸继电器输出接口可与高压开关的跳闸回路连接，4段母线PT的二次电压回路与主机的PT接线端子连接，中文显示的液晶屏、打印机、7个按键在前面板上，RS485通讯接口和继电器的无源接点输出可与电力综合自动化微机保护联接。
2.数据采集分支器
每只数据采集分支器都有一个单片机（工业级小电脑），其作用是对来自于零序电流互感器的信号进行预处理，正常情况下其对各分支的零序信号进行检测并保持对数据缓存区数据的刷新，而故障状态时则对故障信息进行预处理，处理完的信息再送选线主机，从而大大减轻了主机负担，提高了选线的时效性。
3.高精度零序电流互感器
为了更好地保证选线效果，我们自行研发了高精度的LXMZ-10型母线式零序电流互感器和LXMZ-10W型户外母线式零序电流互感器。由于互感器的不平衡电流非常小，且灵敏度又很高，可使保护、选线装置的可靠性大大提高。
六、工作过程
正常情况下，主机实时监控各母线段的各相电压并进行数据的刷新与跟踪分析，保持正常状态下的显示画面，而数据采集分支器也同时进行各路零序电流的实时监控。当发生单相接地故障时，由于系统中性点的偏移，必然造成各相电压的异常，主机监控到这种异常后立即向各路数据采集分支器发送广播命令，使各路数据采集分支器立即进入异常状态处理程序，其处理过程是首先按比幅比相的方法对数据采集分支器采集的三路信号进行预处理分析并提取其中的特征变量，然后将可能性较大的回路数据上传给主机，而可能性极小的回路数据丢弃，这样可以减轻主机的负担，提高分析效率。主机稍后就读取各路数据采集分支器的相关数据，根据各路数据采集分支器传送上来的接地前后的暂、稳态数据及特征变量，采用“基波比幅比相算法”等多种理论分析方法进行分析，再用模糊推论的方法对多重判据的选线数据进行综合判断，最后得出正确的选线结果。该装置还提供了与其他综合自动化装置的接口，以便将选线结果传递给综自并通过系统网络上传调度中心。
七、应用实例
DJDX_08分布式接地选线系统于2008年研发成功，目前在湖北襄阳地区应用较多，到目前为止已安装投运了67套，在湖北咸宁、荆门、十堰等地也有使用。
1.老河口供电公司光化变电站
2011年11月20日光化变电站分布式小电流接地选线系统投入运行，此系统在投入运行的一年多期间共发出103次接地报警信号，伴有警铃响，显示并上传了接地线路和接地相别。绝大部分属于瞬间接地，没有做任何操作故障能够自动消除。共有5次操作开关后，接地信号消失；有2次速断跳闸后，信号消失。接地线路和接地相别均能正确显示出来。
2.咸宁通城供电公司110kV麦市变电站
110kV麦市变电站投运于2002年11月，采用某公司的小电流接地选线装置，由于选线效果不佳，后弃用。2011年采用DJDX-08型小电流接地选线装置，近一年发生接地故障17次，装置正确动作15次，选线准确率达88.2%。其中发生2次不正确动作情况，后经厂家现场测试，发现其中一个分支器损坏，更换后恢复正常。更换后共发生接地故障4次，均正确动作。
3.咸宁嘉鱼县供电公司110kV潘湾变电站
嘉鱼县供电公司110kV潘湾变电站投运于1970年7月。该站属于户内电缆式架空出线、中性点不接地的系统，共有9条出线。2005年以前采用某知名公司的小电流接地选线装置。由于选线效果不太理想，2005年11月开始采用常规灯泡和警铃的方式告警，人工选跳线路方式解除接地故障。
该站又在2012年9月16日安装使用了一套DJDX-08型“分布式单相接地故障电脑综合选线装置”。运行三个月选线装置共记录了发生单相接地的情况9次，其中经过巡线核查和停电处理证实过的金属性接地的情况有8次，告警自行恢复1次。每次发生单相接地时，DJDX-08型装置的音响和灯光会立即报警，液晶屏上显示接地的线路、接地相别、接地发生时间和持续时间，同时把接地信息上传到后台机和调度室，实现了无人值班变电站的远程控制。另有1次属于瞬间接地的情况，没有进行处理接地故障就自动消失。
对于较复杂的接地故障，该系统也能正确判断告警。例如在11月6日记录保存了不同母线段上的两条线路同时发生接地故障的情况。当第一条线路先发生接地时，选线装置发出了音响灯光报警，同时把接地信息传到了后台和调度室。当时调度室和变电站值班员决定先观察一下，看故障能否自动消失；过了10分钟左右，装置上另一段母线上发出了线路接地的报警，调度室下达了断开两条故障线路的命令。断开两条线路后，装置报警分别消失，同时自动打印出了两条线路的接地信息。后经巡线人员证实，这两条线路都属于刮风导致其中一相碰到树枝引起的间接性接地。装置判断出来的接地线路和相别与实际一致。
八、结束语
在10kV、35kV系统中，发生单相接地故障如果不进行及时处理，由于非故障相的两相对地的电压升高，可能引起绝缘薄弱环节被击穿，发展成为相间短路，使事故扩大，影响电网安全运行；特别是线路因断线发生接地时不能够及时切除停电就会对断线附近的人或牲畜构成生命安全，造成更大的经济损失及不良的社会影响。襄阳供电公司在近几年内曾经使用过多种原理的小电流接地选线装置，选线效果一直不太理想，后来逐渐退出运行。现在使用了基于模糊推论方法的分布式小电流接地选线系统后减少了人工逐次拉闸停电的次数，缩短了查找接地线路的时间，保证了非故障线路供电的可靠性，减少了供电的安全隐患，提高了供电的质量和可靠性，同时也减轻了运行维护人员的工作量，取得了满意的效果。分布式接地选线技术在湖北其他地区的使用也受了用户的欢迎。
参考文献：
[1]陈炯聪，齐郑，杨奇逊.基于模糊理论的小电流单相接地选线装置[J].电力系统自动化，2004，（8）：88-91.
关键词：模糊理论；接地选线；湖北电网
作者简介：张浩（1964-），男，湖北襄阳人，襄阳科能机电公司，高级工程师。（湖北 襄阳 441001）胡东波（1975-），男，湖北咸宁人，咸宁供电公司，高级工程师。（湖北 咸宁 437000）
中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）17-0217-02
我国35kV及以下的中低压配电网系统一般采用中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统。由于在小电流接地系统中发生单相接地故障时不形成短路，只在系统中产生很小的零序电流，三相线电压依然对称，不影响系统正常工作。我国电力规程规定，小电流接地系统可带单相接地故障继续运行1～2小时。这样能够提高供电的连续性和可靠性，这是小电流接地系统的突出优点。但随着馈线的增多，电容电流也在增大，长时间带故障运行就易使故障扩大为相间短路或两点及多点接地故障。弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行。随着当今对电能质量的要求越来越高，这就需要运行人员在发生故障后必须尽快查明短路线路和短路点，以便采取相应对策解除故障，使系统恢复正常运行。
一、现状
中性点非有效接地系统单相接地故障选线长期以来是国内外关注的尚未解决的一大难题。针对这一问题提出了多种选线方法，但都很难完全适应各种电网结构与复杂的故障状况。湖北电网35kV变电站共800多座，其中许多变电站安装了小电流接地选线装置，但由于选线准确率不高、使用效果不太理想，故使用部门一直想寻求一种好的解决方法。
二、原理分析
小电流接地系统单相接地故障后的信号中含有各种各样的故障信息，如稳态基波分量、高频暂态分量。现在的各种算法就是利用了各种故障信息构成的故障判据。然而对不同故障条件下的故障信息分析表明，随着故障条件的不同，故障信息也会有变化，有些算法可能会失效，所以根据不同算法作出的判断结果的准确度也往往不同。理论和实践都表明，没有一种选线方法能够保证对所有故障类型都有效，每种选线判据都有一定的适用范围，也都有各自的局限性，需要满足一定的适用条件。所以，仅靠一种判据进行选线是不充分的。
在这种现实状况下，一种可行的办法是使用多重选线判据来构成综合判据，利用各种判据选线性能上的互补性扩大正确选线的成功率，提高选线结果的可靠性。那么多重选线判据如何来构成综合判据呢？由于小电流接地系统及电网结构的复杂性，很难取得某种选线判据与选线结果之间精确的数学模型，而运用模糊理论实现多判据选线信息融合是一个可行的方法。
针对以往选线装置存在的问题，襄阳科能机电设备有限公司成功开发了DJDX_08型基于模糊理论的分布式小电流接地选线系统，在湖北地区批量使用，获得了令人满意的效果。
三、理论依据
模糊理论是美国加州大学伯克利分校电气工程系的扎德教授在1965年创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的。模糊理论是以模糊集合为基础，其基本精神是接受模糊性现象存在的事实，而以处理概念模糊不确定的事物为其研究目标，并积极地将其严密的量化成计算机可以处理的讯息，不主张用繁杂的数学分析即模型来解决模型，即在信息不完整、不精确的情况下作出判断与决策，也就是进行模糊信息处理。
模糊理论已在实践中被证明是现代智能技术中最重要的技术之一，是处理复杂不确定问题的较先进的方法之一，是用数学方法研究和处理具有“模糊”现象的一门科学。近年来，国内外文献中提出了一些利用模糊理论实现多判据选线的新方法。实践证明，应用模糊理论实现配电网故障选线方法，充分利用多方面的故障信息，用多种选线方法，使之相互补充、相互融合，可以明显提高故障判别能力。[1]
四、系统原理
DJDX_08型分布式小电流接地选线系统基于模糊理论定义有关事物差异中间过渡的不分明性，并成功应用在小电流故障选线中。其工作原理为：根据判据规则建立各选线方法的隶属函数，包括各故障测度隶属函数和各选线方法的权系数隶属函数。最后对各个判据的数值属性进行融合，得出一个综合选线结果。其处理过程为：首先根据基波比幅比相算法确定基波比幅比相算法的故障测度隶属函数，根据五次谐波算法确定五次谐波算法的故障测度隶属函数，根据首半波算法确定首半波算法的故障测度隶属函数，根据功率方向算法确定功率方向算法的故障测度隶属函数，然后根据经验数据确定各选线方法的权系数隶属函数，最后对各个判据的数值属性进行融合，得出一个综合选线结果。
五、基本结构及核心元件
本系统采用上下位机构成的分布式结构，整个系统包括主机、数据采集分支器、高精度零序电流互感器三部分。通常，一个变电站只需一台选线主机和若干台信号采集分支器以及若干台零序电流互感器组成一个完整的分布式接地选线系统。系统结构如图1所示。
1.选线主机
选线主机是整个系统的指挥控制中心。它主要完成以下任务：四段相电压的监测，一旦发生接地故障立即进入故障分析处理程序；故障分析处理程序：主机读取各数据采集分支器传来的数据，采用模糊理论的方法对数据进行分析，得出正确的选项结果；管理好人机接口：包括按键的处理、液晶显示画面的处理、打印机的管理等；通讯处理任务：包括与各数据采集分支器的通讯处理和与外部接口的通讯处理；为了实时并行处理，以上多任务嵌入了RTX_51实时操作系统，以保证各任务之间的协调配合。 选线主机可同时管理接入户内式分支器30只，户外式分支器90只；所有分支器与主机间的数据通讯都并联在同一根4芯电缆线上，零序电流互感器套装在被测高压线上，分支器的跳闸继电器输出接口可与高压开关的跳闸回路连接，4段母线PT的二次电压回路与主机的PT接线端子连接，中文显示的液晶屏、打印机、7个按键在前面板上，RS485通讯接口和继电器的无源接点输出可与电力综合自动化微机保护联接。
2.数据采集分支器
每只数据采集分支器都有一个单片机（工业级小电脑），其作用是对来自于零序电流互感器的信号进行预处理，正常情况下其对各分支的零序信号进行检测并保持对数据缓存区数据的刷新，而故障状态时则对故障信息进行预处理，处理完的信息再送选线主机，从而大大减轻了主机负担，提高了选线的时效性。
3.高精度零序电流互感器
为了更好地保证选线效果，我们自行研发了高精度的LXMZ-10型母线式零序电流互感器和LXMZ-10W型户外母线式零序电流互感器。由于互感器的不平衡电流非常小，且灵敏度又很高，可使保护、选线装置的可靠性大大提高。
六、工作过程
正常情况下，主机实时监控各母线段的各相电压并进行数据的刷新与跟踪分析，保持正常状态下的显示画面，而数据采集分支器也同时进行各路零序电流的实时监控。当发生单相接地故障时，由于系统中性点的偏移，必然造成各相电压的异常，主机监控到这种异常后立即向各路数据采集分支器发送广播命令，使各路数据采集分支器立即进入异常状态处理程序，其处理过程是首先按比幅比相的方法对数据采集分支器采集的三路信号进行预处理分析并提取其中的特征变量，然后将可能性较大的回路数据上传给主机，而可能性极小的回路数据丢弃，这样可以减轻主机的负担，提高分析效率。主机稍后就读取各路数据采集分支器的相关数据，根据各路数据采集分支器传送上来的接地前后的暂、稳态数据及特征变量，采用“基波比幅比相算法”等多种理论分析方法进行分析，再用模糊推论的方法对多重判据的选线数据进行综合判断，最后得出正确的选线结果。该装置还提供了与其他综合自动化装置的接口，以便将选线结果传递给综自并通过系统网络上传调度中心。
七、应用实例
DJDX_08分布式接地选线系统于2008年研发成功，目前在湖北襄阳地区应用较多，到目前为止已安装投运了67套，在湖北咸宁、荆门、十堰等地也有使用。
1.老河口供电公司光化变电站
2011年11月20日光化变电站分布式小电流接地选线系统投入运行，此系统在投入运行的一年多期间共发出103次接地报警信号，伴有警铃响，显示并上传了接地线路和接地相别。绝大部分属于瞬间接地，没有做任何操作故障能够自动消除。共有5次操作开关后，接地信号消失；有2次速断跳闸后，信号消失。接地线路和接地相别均能正确显示出来。
2.咸宁通城供电公司110kV麦市变电站
110kV麦市变电站投运于2002年11月，采用某公司的小电流接地选线装置，由于选线效果不佳，后弃用。2011年采用DJDX-08型小电流接地选线装置，近一年发生接地故障17次，装置正确动作15次，选线准确率达88.2%。其中发生2次不正确动作情况，后经厂家现场测试，发现其中一个分支器损坏，更换后恢复正常。更换后共发生接地故障4次，均正确动作。
3.咸宁嘉鱼县供电公司110kV潘湾变电站
嘉鱼县供电公司110kV潘湾变电站投运于1970年7月。该站属于户内电缆式架空出线、中性点不接地的系统，共有9条出线。2005年以前采用某知名公司的小电流接地选线装置。由于选线效果不太理想，2005年11月开始采用常规灯泡和警铃的方式告警，人工选跳线路方式解除接地故障。
该站又在2012年9月16日安装使用了一套DJDX-08型“分布式单相接地故障电脑综合选线装置”。运行三个月选线装置共记录了发生单相接地的情况9次，其中经过巡线核查和停电处理证实过的金属性接地的情况有8次，告警自行恢复1次。每次发生单相接地时，DJDX-08型装置的音响和灯光会立即报警，液晶屏上显示接地的线路、接地相别、接地发生时间和持续时间，同时把接地信息上传到后台机和调度室，实现了无人值班变电站的远程控制。另有1次属于瞬间接地的情况，没有进行处理接地故障就自动消失。
对于较复杂的接地故障，该系统也能正确判断告警。例如在11月6日记录保存了不同母线段上的两条线路同时发生接地故障的情况。当第一条线路先发生接地时，选线装置发出了音响灯光报警，同时把接地信息传到了后台和调度室。当时调度室和变电站值班员决定先观察一下，看故障能否自动消失；过了10分钟左右，装置上另一段母线上发出了线路接地的报警，调度室下达了断开两条故障线路的命令。断开两条线路后，装置报警分别消失，同时自动打印出了两条线路的接地信息。后经巡线人员证实，这两条线路都属于刮风导致其中一相碰到树枝引起的间接性接地。装置判断出来的接地线路和相别与实际一致。
八、结束语
在10kV、35kV系统中，发生单相接地故障如果不进行及时处理，由于非故障相的两相对地的电压升高，可能引起绝缘薄弱环节被击穿，发展成为相间短路，使事故扩大，影响电网安全运行；特别是线路因断线发生接地时不能够及时切除停电就会对断线附近的人或牲畜构成生命安全，造成更大的经济损失及不良的社会影响。襄阳供电公司在近几年内曾经使用过多种原理的小电流接地选线装置，选线效果一直不太理想，后来逐渐退出运行。现在使用了基于模糊推论方法的分布式小电流接地选线系统后减少了人工逐次拉闸停电的次数，缩短了查找接地线路的时间，保证了非故障线路供电的可靠性，减少了供电的安全隐患，提高了供电的质量和可靠性，同时也减轻了运行维护人员的工作量，取得了满意的效果。分布式接地选线技术在湖北其他地区的使用也受了用户的欢迎。
参考文献：
[1]陈炯聪，齐郑，杨奇逊.基于模糊理论的小电流单相接地选线装置[J].电力系统自动化，2004，（8）：88-91.