基于投切补偿电容的新型配电网选线方法
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
国网安徽省电力公司电力科学研究院的研究人员赵成、陆巍、吴少雷、裴倩、史亮，在2017年第5期《电气技术》杂志上撰文，本文对6~35kV高压补偿电容柜的控制系统进行优化，在系统发生接地故障时，电容投切前后故障支路的电容电流的特征量变化明显，控制逻辑简洁，方法容易实现，显著提高配电网的接地故障支路查找的准确率。
随着我国城市电网的不断改造，虽然电力系统在力推电缆供电作为主要的配电线路，但是目前电缆结合架空线的混合型线路仍是主要配电系统结构。混合型线路故障频发，据统计70%以上为系统单相接地故障，并且由于我国配电网采用的是非有效接地方式，系统发生故障时查找故障支路尤为困难，国内研究单相接地故障选线的技术众多[1-4]，但是这些方法要不可靠性低[5]要不成本高。
本文主要针对配电网均配置的无功补偿电容柜进行软件控制逻辑的修改，达到降低成本、提高选线准确率的要求。本文基于注入法[6]理论选线技术，采用集中式电容电流在可控窗口期内故障支路电容电流突变的方法，实现准确选线，并通过试验论证了本方法的准确性。
1 选线方法研究
当配电网系统发生单相接地故障时，由于在电缆线路或者架空线路的等效电容作用下，故障支路的零序电流为非故障支路的总和，并由于金属接地瞬间的高频冲击，弧光接地的不间断性冲击的影响，故障点的零序电流暂态分量复杂，控制系统很难提取有效的零序电流信号，因此导致故障支路选线困难，准确率较低。当配电网系统发生单相接地故障时系统电容电流流向如图1所示。
图1 单相接地故障电容电流原理图
非有效接地配电网在发生单相接地故障时，由于特征量不明显时常导致选线失败，本文方案为结合配电网的补偿电容，可以通过优化控制逻辑实现故障支路故障前后零序电流突变。由于故障支路零序电流突变量明显大于系统的高频冲击电流分量，便于控制系统提取有效分量，从而实现准确选线。
新型选法方法如图2所示 ，控制器通过系统的PT 采集系统电压信号，通过零序电流互感器CT采集每条支路的电流信号，当系统发生接地时，控制器通过系统电压的变化和幅值判断系统是否发生单相接地故障，并在特定时间内分合一次固定式电容器上端的开关K。
当开关K闭合，由于系统处于接地状态，固定式电容器的容抗产生的容性电流i0(i0=∆i)流过故障点，由于∆i的作用，流过故障点的零序电流明显增强i1=i2+…+in+∆i，特别是由于此零序电流∆i是可控的，而且窗口期是特定的，因此有利于控制系统对此特征量的提取，实现选线准确率的提高。
图2 电容电流增量原理图
2 选线装置控制系统研究
2.1 控制系统的拓扑设计
控制器是本装置的核心部件，通过检测系统的电压互感器的数据判断系统运行状态，系统是否故障完全依赖于电压系统的检测、通过通讯电路将控制器的当前状态以及历史数据传输给其他设备、为了得到稳定的高速的处理能力采用DSP核心处理器。其控制器的系统拓扑图如下图3所示。
图3 控制系统拓扑图
2.2 控制系统的模拟量提取设计
输入的交流正弦波通过双电源供电的运放U1（TL064）做一级负反馈电压跟随输出，通过电阻R2和电容C2做一级无源低通滤波，使得输出信号到ADC的输入信号的驱动能力增强，高频分量减小。
图4 模拟量提取电路
2.3 控制系统的控制流程
控制器采用DSP核的TMS320F28335作为处理器,该处理器通过并行总线控制AD转换器MAX125对系统的电压电流进行AD转换，处理器采用定时器实现每个工频周期的交流波形，离散成64个点的14位数据，并采用FFT算法计算ABC三相电压、零序电压和流过支路的电流。软件控制逻辑图如下图5所示
图5 控制系统流程图
3 试验室试验论证
3.1 试验台配置
试验室采用380V厂用变,将厂用变通过升压变压器升压到10kV,采用电抗器模拟线路的长度，采用集中电容器模拟线路的分散电容，在母线上通过接触器接地模拟现场的单相故障接地。试验室一次原理系统图如图6所示，试验设备参数型号如表1所示。
图6 控制系统试验台
表 1 试验设备
3.2 试验数据分析
故障点模拟采用3种阻抗方式0欧姆、500欧姆、1000欧姆进行试验，系统电容电流采用10A、30A、50A分别进行测试，通过试验统计分析系统的电容电流越大，或者接地阻抗越大，选线准确率越低，选线准确率试验数据如表2所有。
表2 选线准确率试验
影响选线准确的主要原因为，在系统电容电流越大或者接地阻抗越高时，当系统发生接地故障，系统的零序电压变化和故障相电压变化均不明显，尤其是系统的电容电流大于50A并且接地阻抗大于1000欧姆时零序突变无法区别与系统不平衡，导致控制器拒动漏选，系统电容电流和接地阻抗与零序变化关系的试验数据如表3所示，x/y中x为故障相电压y为零序电压，均为PT的二次侧电压值，单位为V,例如表3中的49/58。
表3 系统电容和接地阻抗与零序变化关系
4 结论
早些年，配网的故障选线的应用效果不尽人意，选线准确率比较低，近几年，众多高校、企业均在不断的研究，取得了可喜的进步，选线准确率明显提高，但选线的控制系统明显越来越复杂，对一线人员的技术水平要求越来越高，本文研究的基于投切补偿电容的新型配电网选线方法原理简单，选线通过试验论证准确率高。