（电气工程专业论文）配电网中性点接地方式的研究与决策.pdf

广东工业大学工程硕士学位论文 摘要 配电网中性点接地方式决策是一个涉及面很广的技术经济问题，应该从决 定系统绝缘配合的过电压、对系统可靠性影响和对用户供电连续性三个主要方 面考虑。目前中性点经小电阻和消弧线圈接地方式比较常用。中性点经电阻接 地时电阻值的选择要考虑限制各种过电压、故障电流、配合继电保护、电磁干 扰、人身安全等因素。t c r 消弧线圈在自动调谐的过程中会产生谐波污染，采 用多并联支路法设计各支路容量可将产生的谐波含量限制在系统容许的范围 内。将t c r 消弧线圈设计为三绕组结构，在中压绕组侧连接开关控制的小电抗 可形成中性点经可变电抗接地方式。接地电抗不仅可以在系统发生单瞬故障时 熄灭故障电弧和避免不必要的跳闸，而且在系统发生永久性接地故障时可以与 继电保护装置配合断开故障线路，是一种很有前途的配电网中性点接地方式。 中性点接地方式对于配电网可靠性也影响很大，因为它直接影响了配电线 路的故障跳闸率。目前中性点接地方式对配电系统可靠性的影响没有进行系统 的定量分析。电力系统是一个可靠性参数和运行参数存在统计性的灰色系统， 建立模型计算中性点接地方式对配电线路故障跳闸率影响，把基于相对优势度 的区间数比较方法推广到函数范围并用区间算法分析上述模型，用i e e er b t s 算例验证了模型的准确性，在此基础上进一步分析中性点接地方式对不同网架 结构的配电系统可靠性典型指标的影响并用用户耐受故障指标衡量中性点接地 方式对系统供电连续性的影响，结合层次分析法提出了加权区间数多指标灰靶 决策算法作为配电网中性点决策算法，算法综合考虑了过电压、可靠性指标和 用户耐受故障指标并对实际系统进行算例分析，认为电缆配电网最优中性点运 行方式是可变电抗接地。在进行上述分析计算的时候，根据参与运算的区问数 之间线性、平移关系对区间运算法则进行修正以减小运算结果的灰度。 关键词：电缆配电网；中性点；可靠性；区间分析； a b s t r a c t t h ed e c i s i o no fn e u t r a lp o i n tm o d ei nd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki saw i d e l yc o n c e r n e d t e c h n i c a la n de c o n o m i cp r o b l e m ，w h i c hs h o u l db ec o n s i d e r e df r o mf o l l o w i n gt h r e em a i n f i e l d s ，o v e r v o l t a g ed e c i d i n gs y s t e mi n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o n ，t h e e f f e c ti n s y s t e m r e l i a b i l i t ya n di np o w e rc o n t i n u i t y p e t e r s o nc o i la n dr e s i s t o ra r el a r g e l yu s e da sn e u t r a l p o i n tg r o u n d i n gd e v i c e s f a c t o r si n c l u d i n go v e r v o l t a g e ，f a u l tc u r r e n t ，c o o p e r a t i o nw i t h r e l a y ，e l e c t r o m e g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n ds a f e t yo fh u m a nh a v et ob ec o n s i d e r e dw h e nt h e v a l u eo fr e s i s t o ri sc a l c u l a t e d t u n i n gt c rp e t e r s o nc o i l ，t h e r ea r eh a r m o n yc u r r e n t s b e c a u s eo ft h y r i s t o r ，w h i c hc a nb el i m i t e di np e r m i t t e dl e v e lb yan e wd e s i g nm e t h o d ： m u l t i p l e s h u n tc i r c u i t m e t h o d c h a n g et c rp e t e r s o nc o i l i n t o t h r e e w i n d i n g c o n s t r u c t i o na n dc o n n e c tp r o p e ri n d u c t o rc o n t r o l l e db ys w i t c hi nt h em i d d l ew i n d i n g ， t h e na p p e a r sa d j u s t a b l ei n d u c t o rn e u t r a lp o i n tg r o u n d i n gd e v i c e ，w h i c hc a ne x t i n g u i s h f a u l ta r ca n da v o i du n n e c e s s a r yt r i pw h e ni n s t a n t a n e i t ys i n g l ep h a s ef a u l to c c u r s ，a n di t c a nc o o r d i n a t ew i t hr e l a yt ot r i pf a u l tl i n ew h e np e r m a n e n tf a u l to c c u r s a d j u s t a b l e i n d u c t o rg r o u n d i n gd e v i c ei sap r o m i s i n gn e u t r a lp o i n tg r o u n d i n gd e v i c e n e u t r a lp o i n tm o d ei s i m p o r t a n tt od i s t r i b u t i o nr e l i a b i l i t y ，i te f f e c t st h et r i pr a t i o d i r e c t l y t h ee f f e c to fn e u t r a lp o i n tm o d et od i s t r i b u t i o nr e l i a b i l i t yh a sn o tb e e n c a l c u l a t e dq u a n t i t a t i v e l y p o w e rs y s t e mi sag r e ys y s t e mw h o s er e l i a b i l i t yp a r a m e t e r s a n do p e r a t i o n a lp a r a m e t e r sa r es t a t i s t i c ，s oi n t e r v a lt h e o r ys h o u l db ei n t r o d u c e dt o a n a l y s i st h em o d e lo fe f f e c to fn e u t r a lp o i n tm o d et od i s t r i b u t i o nr e l i a b i f i t yb yi n t e r v a l f u n c t i o nc o m p a r em e t h o db a s e do nr e l a t i v es u p e r i o r i t ye x t e n d e df r o mi n t e r v a ln u m b e r c o m p a r em e t h o d 。t h em o d e li sp r o v e db yi e e er b t se x a m p l e f u r t h e rm o r et h e e f f e c t o fn e u t r a l p o i n tm o d et od i f f e r e n tc o n n e c t i o nm o d e si nm i d d l ev o l t a g ed i s t r i b u t i o n s y s t e mt y p i c a lr e l i a b i l i t yi n d i c e sa n dc u s t o m e rw i t h s t a n df a u l ti n d e xw h i c hi sa p a r a m e t e rt os c a l ep o w e rs u p p l yc o n t i n u i t yi sa n a l y s i z e d w e i g h t i n gm u l t i a t t r i b u t e d e c i s i o na r i t h m e t i ci sg i v e nt od e c i d ed i s t r i b u t i o ns y s t e mn e u t r a lp o i n tm o d e ，w h i c hi s b a s e do nt h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s st h e o r y t h ea r i t h m e t i ci n c l u d e so v e r v o l t a g e ， t h ee f f e c ti ns y s t e mr e l i a b i l i t ya n di np o w e rs u p p l yc o n t i n u i t y t h er e s u l to fa n a l y s i s i n d i c a t e st h a tt h ea d j u s t a b l ei n d u c t o rg r o u n d i n gm o d ei st h eb e s tf o rd i s t r i b u t i o ns y s t e m 至三些奎：三至罂圭兰竺篁兰 c o n s i s to fc a b l e a c c o r d i n gt ot h e l i n e a rr e l a t i o na n ds h i f tr e l a t i o no fi n t e r v a ln u m b e r s ， t h er u l e so fi n t e r v a lc a l c u l a t i o na r er e v i s e dt od e g r e eo fg r a y n e s s k e y w o r d s ：c a b l ed i s t r i b u t i ns y s t e m ；n e u t r a lp o i n t ；r e l i a b i l i t y ；i n t e r v a la n a l y s i s ； i l l 广东工业人学工程硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的作风和优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文，是 本人在导师的指导下，进行研究工作所取得的研究成果。尽我所知，除了文中 特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他集体和个人，均已在文中已明确方式进行标明，并表示了谢意。 本学位论文是本人在广东工业大学攻读工程硕士学位期间，在导师的指导 下研究所得，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指刷币签名：设，维 论文作者签名：缪以扬 2 0 0 7 年5 月2 0 同 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 配电系统是直接为用户生产生活提供电能支持的系统，其功能是把变电站 或小型发电厂的电力输送给每一个用户，并在必要的地方转换成为适当的电压 等级【l 】。国内外对于提高以可靠性和经济性为主要内容的配电网运行水平非常 重视。美国将优化电力系统整体特性和灵活性作为近期三个研究目标之一【2 l ，美 国能源部( d o e ) 输配电办公室及美国电力研究院( e p r i ) 分别以电网2 0 3 0 ) ( g r i d2 0 3 0 ) 、国家电力供应技术路线图( n a t i o n a le l e c t r i cd e l i v e r y t e c h n o l o g i e sr o a d m a p ) 和未来电力产业的工作框架( e s f f ) 中公布了电力 产业的未来工作设想，在配网方面将实现智能型自动化配电以提高供电可靠性 和经济性作为第一目标【3 1 【4 】1 5 】【6 】。e p r i 也将输配电质量控制方案列为最新研究方 向之一，拟采用成本一效益模式应用于输配电系统的电能质量管理，使电力系 统可靠性和经济性大大提高r ”。在发生美加8 1 4 大停电事故之后，美国能源部 专门成立一个停电事故研究小组( p o s t ) ，将电力系统可靠性和经济性提高到前 所未有的高度嘲。我国也投入巨额资金对以城市电网和农村电网为主的配电网进 行了大规模改造，包括扩大电网容量、更新电网设备、加强电网结构、应用最 新控制技术等，其目的也是为了提高配电系统可靠性和经济性。国内外采用了 各种手段优化配电系统。影响配电系统运行水平的因素主要有网架结构、设备、 控制策略和线路等，选择适当的中性点接地方式是最重要和最灵活的提高中压 配电网可靠性和经济性的方法之，因此进一步研究中性点接地方式对于提高 配电系统运行水平有重要意义。 中压配电网中性点接地方式选择是一个重要且涉及面很广的综合技术经济 问题，中性点接地方式对配电系统过电压、可靠性、继电保护整定、电磁干扰、 人身和设备安全等影响很大。 我国以前以架空线路为主的配电网采取中性点不接地方式，随着配电系统 扩大和线路增加，中性点不接地方式己不能满足电网安全稳定运行的要求，因 此以架空线路为主的配电网中性点逐渐采用消弧线圈接地方式。随着配电系统 的进一步发展，越来越多的电力电缆代替了架空线路，配电网架结构也由原来 广东工业大学工程硕士学位论文 的辐射状、树枝状逐步完善为环状，一些配电网随之将中性点接地方式改变为 小电阻接地。中性点接地方式对中压配电系统尤其是中压电缆配电网可靠性影 响很大，选择恰当的中性点接地方式能够提高系统的可靠性和经济性，反之， 则不利于系统可靠性和经济性。于是配电网中性点接地方式在我国引起了不少 争论，争论的焦点在于：何种中性点接地方式更有利于提高电缆配电网的运行 水平? 配电线路主要由架空线路和电缆线路组成，架空线路中压配电网和电缆中 压配电网在运行特性上差别很大。电力电缆与架空线路的主要区别，一是结构 复杂，每根电缆都是由电缆芯线、屏蔽层、护层等组成的多导体系统，二是多 埋设于地下，与大地联系更为紧密。这样就决定了电缆中压配电系统有一些不 同于架空线路配电系统的特征。首先，电缆配电系统对地电容比较大，发生单 相接地故障时流过故障点的电容电流很大，故障电弧往往无法自动熄灭；其次， 由于电缆导芯层之外有绝缘层，因此如果电缆线路发生单相接地故障，往往是 由于绝缘层破损或绝缘被击穿，很多时候绝缘无法自动恢复；第三，由于电缆 大多放置在地下电缆沟内，一条电缆沟内往往放置多条电缆，且电缆之间距离 比较近，因此如果电缆线路一旦发生单相接地故障并产生故障电弧，如果无法 快速切除故障线路或熄灭故障电弧，其后果往往比较严重，事故会很快发展和 扩大，不仅故障线路由单相短路发展为两相接地或三相短路，而且一方面故障 电弧很可能烧损临近电缆线路绝缘，造成同一条电缆沟内多条电缆故障，另一 方面故障电弧会产生严重的弧光接地过电压，危及系统其它元件的安全。 为了适应中压配电网的发展，中性点接地方式从不接地发展为消弧线圈和 小电阻接地，并且已经达成共识：架空线路配电网中性点采用消弧线圈接地方 式比较合适。但是在电缆配电网中，这些中性点接地方式各有利弊，因此需要 对以电缆线路为主的电缆中压配电系统中性点接地方式进行进一步研究，对现 有几种方式进行改进或找到一种新颖且更有利于提高配电系统运行特性的中性 点接地方式。 前边已经提到，中性点接地方式解决方案一直是电力系统( 尤其是中压配 电系统) 的关键问题之一，选择不同的中性点接地方式会对整个系统造成完全 不同的后果，包括系统可靠性、故障电流，故障相电压、健全相电压、各种过 电压、人身安全、电网对通讯线路电磁干扰等方面都大相径庭，这是一个涉及 面很广的综合技术问题。因此评价和选择对中压电缆配电网最有利的中性点接 2 第1 章绪论 地方式是一个比较复杂的决策问题，需要根据中性点接地方式对配电系统的影 响进一步研究并提出一套具有普遍适用意义的中性点接地方式决策算法。 中性点决策算法中最重要的决策因素之一是中性点对系统可靠性的影响。 对于架空线路配电网中性点适于消弧线圈接地已经达成一致，但对于电缆配电 网的中性点接地方式国内外的电力技术专家还没有达成共识，学术争论一直很 激烈，很多专家从不同角度对中性点接地方式和系统可靠性的关系进行了定性 的研究并取得了很多成果，但目前没有这方面的定量研究。因为以往在进行电 力系统可靠性研究中，往往偏重于从网架结构方面考虑线路，并没有考虑中性 点接地方式对线路可靠性指标的影响，也没有考虑线路之间的相互影响，对线 路仅仅简单处理了四个参数；故障率、故障检修停运时间、计划检修率和计划 检修停运时间。在架空线路中压配电网中，对线路进行这种处理是合理的，因 为在以前的辐射型或树枝型架空线路中压配电网中，中性点大都采用不接地方 式，线路故障即意味着线路跳闸，即使发生单相接地故障且系统可带故障运行， 两小时后运行人员也必须切除故障线路，因此在以前的可靠性评价体系中，使 用“线路故障率”代替“线路故障跳闸率”对配电系统可靠性进行评估；另一 方面架空线路之间物理距离相对很远，一条架空线路故障几乎不会影响到其它 架空线路的正常运行，几乎不会出现一条架空线路故障时附近的架空线路受故 障线路影响也发生故障的情况。因此对架空线路中压配电网可以使用“线路故 障率”指标进行可靠性分析，并且可以忽略中性点接地方式对可靠性指标的影 响和因故障扩大到临线造成对可靠性指标的影响。但是在电缆线路组成的中压 配电网中，由于电缆线路故障时绝缘难以恢复、故障电流很难自熄、故障迅速 发展和故障会扩大到临近电缆线路的特点，在根据中压配电网可靠性分析中性 点接地方式的时候，就不能简单的使用“线路故障率”这个参数进行计算，而 需要引入“线路故障跳闸率”和“负荷点故障停运率”两个参数。本论文中“线 路故障率”表示配电线路因不可抗拒灾害( 如雷击) ，偶发外力事件( 如建筑施 工时挖破电缆外皮) 或自然规律( 如电缆绝缘老化造成的绝缘下降) 而发生故 障的概率，“线路故障跳闸率”表示配电线路在“线路故障率”、线路之间相互 影响和中性点接地方式影响下跳闸的概率。由于中性点接地方式的影响，一方 面“线路故障跳闸率”可能小于“线路故障率”( 如消弧线圈可以熄灭故障电弧 排除单瞬接地短路故障) ，另一方面，“线路故障跳闸率”可能大于“线路故障 率”( 如消弧线圈不能配合继电保护切除故障线路造成故障可能扩大到临近的电 广东工业大学工程硕士学位论文 缆线路) ；“负荷点故障停运率”表示负荷点由于配电线路跳闸造成的供电停运 概率，在辐射状或树枝型配电网中，“负荷点故障停运率”等于与之相连的配电 线路“故障跳闸率”，在环网供电的网架结构中，由于负荷点由两条或多条线路 供电，“负荷点故障停运率”应小于与之相连的任何一条线路的“故障跳闸率”， 而等于根据网架结构对线路进行串并联处理、将与负荷点相连的多条线路等效 为一条线路之后等效线路的“线路故障跳闸率”。因此，有必要在中性点接地方 式和系统可靠性的关系方面作更深入更系统的定量研究，为中压配电网中性点 接地方式决策算法提供数据支持。 在定量分析中性点接地方式对配电隔可靠性的影响时，不仅需要建立一个 合理的模型，而且得到足够的电力系统运行参数，但一方面由于电力设备的可 靠性基础数据是通过现场运行记录的统计加工得到的，而这些设备所处环境不 同、工况不同、条件不同，得到的只能是平均值，实际上这些数据可能在某一 范围内波动；另一方面在现有的可靠性评估的数学模型中，是根据元件可靠性 点值来计算系统的可靠性点值，这种具有很大分散性和偶然性的点值计算结果 无疑存在较大误差，无法准确衡量或无法在某个范围内准确衡量系统的可靠性， 因此在研究中性点接地方式对配电网可靠性影响的时候，需要引入区间分析理 论，基于区间分析理论的可靠性分析方法能够相对准确的研究自变量在某一区 间内变化时，因变量变化区间的定量计算。虽然区间分析理论也存在一定误差， 无法进行精确计算并存在计算结果灰度增大问题，只能在某个区间范围内进行 估计，但无论如何区间分析能够在区间范围内保证计算结果的准确性，因此区 间计算结果比点值计算结果的可信度更高。 前边已经提到，电缆配电网和架空线路配电网相比有很多不同之处，这些 不同之处的本质是前者的网络参数与后者有很大不同。网络参数的变化使配电 网出现了很多新的问题，这些问题直接影响到系统可靠性和安全性，低压电缆 网络合闸电动机负荷出现的操作过电压问题是一个典型的例子，某些情况下这 种过电压幅值可高达额定电压的数十倍，不仅会威胁到人身和设备的安全，而 且可能出现过电压导致短路故障。这些新问题的出现严重影响了配电系统的正 常运行。因此，有必要对电缆配电网合闸电动机负荷所出现的操作过电压进行 深入研究，找出过电压产生机理和防止过电压的解决方案。 上述这些问题不仅具有理论上的研究价值，而且对于包括城市中压配电系 统和工厂自备供电系统的电力系统也具有很强的实际意义。本论文的研究即基 4 第1 章绪论 于这方面的考虑，以广东省电网公司的科技项目为依托，深入研究选择最佳配 电网中性点接地方式问题，通过定量分析中性点接地方式对配电网络线路可靠 性和对整个配电系统供电可靠性的影响，给出一套从提高配电网可靠性、供电 连续性和经济性角度中性点解决方案的算法和电缆配电网合闸电动机操作过电 压的机理。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 配电网中性点接地方式的研究 配电网中性点接地方式主要有以下几种：不接地、经消弧线圈接地、经电 阻接地、经电抗接地、直接接地等几种。就其主要运行特征而言，可归纳为两 大类：一是非有效接地，包括中性点不接地、经消弧线圈接地( 又称谐振接地) 和经高阻抗接地；二是有效接地，包括直接接地和经小电阻接地。由于中性点 接地方式对于电力系统十分重要，国内外许多学者一直致力于这方面的研究工 作。 在消弧线圈研究方面，由于传统的手动调匝式消弧线圈存在调谐麻烦、残 流不易控制的缺点，所以国内外近些年来对消弧线圈的自动调谐作了大量的研 究嗍【1 0 1 。按改变电感的方法不同，消弧线圈主要有以下几类：自动调节分接头( 即 可调匝) 式；可调气隙式( 电感连续可调) ；外加直流偏磁式、磁阀式和利用晶 闸管投切电容进行补偿的消弧线圈。前两类消弧线圈采用预调谐方式：在电网 正常运行情况下，消弧线圈预先自动调谐到合理补偿位置，利用机械传动机构 完成自动调谐，所用时间较长。后三类消弧线圈采用动态调谐方式：电网正常 运行时，使消弧线圈工作在远离谐振点的位置；当发生单相接地故障时，使消 弧线圈自动调谐到合理补偿位置，依靠电气手段实现自动调谐，调谐时间短， 并且不需要机械传动部件，结构相对简单。这些能够自动调谐的消弧线圈克服 了人工调谐存在的响应速度慢的缺点，提高了调谐速度和精度，使接地电弧瞬 间熄灭。 上述几种消弧线圈都不能或很难实现容量的连续调节，即系统无法在任意 最佳的补偿状态下工作。t c r 式消弧线圈能够实现容量的连续调节，但导通晶 闸管时产生的巨大谐波含量限制了这种消弧线圈的使用；闸流式消弧线圈调谐 速度快，且容量可连续调节，但这种消弧线圈结构特殊且必须满足系统较高的 广东工业大学工程硕士学位论文 要求，因此设计出能满足要求的闸流式消弧线圈比较困难【l ”。 另外，消弧线圈还存在一个很大的问题：由于中性点经消弧线圈接地属于 小电流接地系统，一旦消弧线圈调谐失败且无法排除故障，流过故障线路的电 流往往难以启动继电保护装置正确判断故障线路并及时切断故障线路。因此谐 振接地系统存在单相接地故障选线的问题。 近年来，很多学者研究了消弧线圈故障选线问题，并提出了很多新颖的故 障选线方法。配电网单相接地故障时故障线路故障相与健全相之间故障分量的 比值不小于2 ，健全线路在特征频带内故障相与健全相之间暂态分量的比值明显 小于2 ，且特征频带随系统结构、故障模式的变化而具有不确定，因此对于任一 条馈线，可先由故障相与健全相之间电流故障分量的比值大小判断该线路状态 ( 健全或故障或可能故障) ，若为可能故障线路，则自适应地捕捉健全相暂态电 流最集中的频带作为特征频带，由此频带内故障相与健全相电流暂态分量的比 值大小最终判定该线路的状态( 健全或故障) 1 1 2 1 。基于“故障能量”诊断模式 的配电网单相接地故障选线方法根据被分析信号的特征合理选取小波基和频带 宽度，应用低频带信号的小波包分解系数能量与重构系数能量比值的偏差模， 构成故障选线判据【1 3 1 。通过提取衰减直流分量的自适应方法可以解决现有暂态 量选线方法在电压过零附近时故障灵敏度低的不足，并与暂态量选线方法配合 可以形成比较完善的故障选线方案【1 4 】；零序基波时序鉴别法【1 5 】；也有很多学者 根据中性点经消弧线圈和小电阻两种方式的优缺点，提出消弧线圈并联小电阻 的配电网中性点接地方式，这种方式主要由自动调谐消弧线圈、自动投切电阻 器和控制器等组成，既能充分发挥消弧线圈补偿电容电流、提高单相接地故障 自恢复概率的作用，又能利用并联电阻抑制过电压和实现单相接地故障选线 1 6 l - - l l $ 1 。 上述这些中性点接地方式的改进方法大都只能在某种范围内有效或存在一 定的限制，例如中性点经消弧线圈并联小电阻接地方式虽然兼有消弧线圈熄灭 故障电弧和小电阻能配合继电保护跳开故障线路的优点，但这种接地方式对小 电阻的热容量要求较高，需要用昂贵的进口大容量不锈钢电阻。能否在上述专 家学者的基础上进一步优化中性点经消弧线圈接地方式，或者更进一步提出一 种更有效的中性点接地方案，这一直是大家所关心的问题。 6 第1 章绪论 1 2 2 中性点接地方式对配电网可靠性影响的研究 电力系统可靠性是一个传统的研究方向，有比较系统的可靠性评估理论和 方法。配电系统可靠性评估原理比较典型的有故障模式影响分析法和可靠度预 测分析法。根据选定的可靠性准则，将配电系统划分为完好和故障两类状态， 然后根据故障状态计算出相应的可靠性指标的分析方法称为故障模式影响分析 法。通常在配电系统可靠性评估中采用连续性( c o n t i n u i t y ) 作为故障准则， 即供电连续性遭到破坏( 停电) 为故障状态，保持供电连续性为完好状态。它 是用于评估配电系统可靠性的基本方法。具体作法是，建立故障模式影响分析 表，查清楚每一个基本故障事件及其影响，然后加以综合分析，计算出可靠性 指标。它适用于可扩展并用于有转移设备的复杂网络的全面分析。在网络中的 某一部分发生故障后，可通过操作隔离开关或线路跳闸，断开故障部分，使系 统恢复供电。复杂网络的主要特点是：各馈电线路均有负荷点，馈点通过正常 断开点彼此相连或与其它电源相连，负荷可以转移，故障将会引起局部或全部 断电。可靠度预测分析法是一种以裕度为基础的方法，此方法中引入联络率a 和有效运行率玎的概念，a 是表示馈电各区段联络程度的指标，当a = l 时，表 示该馈电线路可切换，a 描述了故障时线路的倒送能力；玎是表示负荷有效切换 的指标，玎= 1 0 0 为临界值，是馈线发生故障时所有各区段是否都可切换的判 决，q 1 0 0 表示有裕度”川。 近年来国内外在提高配电网可靠性研究方面取得了很多新的成果 2 0 h 3 1 1 ，采 用了遗传算法、拉格朗日松驰法( l r 方法) 、最小生成树算法、区间算法、蚁 群算法、模糊理论和支路交换法等多种配电网规划的优化算法。这些算法从配 电网规划理论角度分析了提高配电网可靠性和经济性的方法。遗传算法的理论 依据是，根据电源发展和负荷增长寻求配电网规划方案，使其在满足约束条件 的前提下作到经济上的最优化，这些约束条件包括辐射性网架、电压降限值以 及网络元件的热稳定容量等，用年运行费用和网损的总和最小为目标函数；拉 格朗日松驰法的基本思想是通过拉格朗日乘子分离约束条件，把较难规划的问 题转化为较易求解的拉格朗日松弛问题( 简称l r 问题) ，由于l r 问题包含了 较少的约束条件，所以相对容易求解，对于一组l r 乘子，求解一个u t 问题所 得到的目标函数的最小值就是原问题目标函数最小值的一个下界，然后通过更 新l r 乘子不断扩大l r 问题目标函数最小值，从而得到原问题目标函数最小值 的较优下界，最后利用经验式方法( h e u r i s t i cm e t h o d ) 产生原问题的较优可行 7 广东工业大学工程硕士学位论文 解；最小树方法的基本思想是将电源点和负荷点作为顶点，将各顶点问可能架 设线路的路径作为边，将各条边上的线路建设费用( 包括线路材料费用和施工 费用) 分别作为各条边的权，从而将配电网规划转变为一个加权图，采用k r u s k a l 算法获得该加权图的最小生成树，它是一种对应总建设费用最小的配电网架规 划方案；区间算法是根据配电网负荷潮流的不确定性，应用区间计算理论计算 配电网最优规划方案的一种算法；蚂蚁算法的核心是通过处理蚂蚁留下的“信 息素”来寻优，将配电网规划看作一个复杂的非线性组合优化问题，结合地理 信息系统以线路的年综合费用和过负荷惩罚费用之和最小为目标函数，即一种 基于正反馈的概率寻优方法：配电网模糊优化理论是根据配电网电气设备故障、 系统停电、负荷变化、潮流变化和信息变化( 如设备价格、电价等) 等因素的 不确定性，应用模糊线性回归法进行模糊负荷预测和配电网规划的方法；支路 交换法的基本思想是从一个初始的辐射型网络开始，闭合一条联络支路，形成 一个回路，再将该回路中的某一条支路断开，形成一个新的辐射型网络，判断 新网络对于给定的目标函数是否更优。 近年来国内外也有学者运用区间分析理论研究配电网络的可靠性，如应用 区间分析进行配电系统结构和电气主接线的可靠性分析、考虑负荷时变区间特 性的系统可靠性评估、考虑电气元件区间特性的系统可靠性分析、研究提高系 统可靠性的配电网络多目标重构方法、基于区间层次分析法的电网改造方法、 电网规划区间决策方法等1 3 2 h 3 5 j 。考虑负荷时变区间特性的系统可靠性评估方法 分析了三种情况：第一种情况是配电数据采集系统( s c a d a ) 无法得到准确的负 荷数据，根据配电变压器的负荷率估算平均负荷的方法，第二种情况是根据配 电系统母线依时序变化的典型负荷曲线或按负荷大小及其持续时间排列的持续 负荷曲线，计算一个包含典型日负荷曲线且有一定宽度的带状负荷曲线，第三 种情况根据负荷预报各时段上负荷的最大值和最小值构造负荷的变化区间，即 得到区间负荷预报，然后根据区间值负荷预报得到的某一母线的等值有功负荷 持续曲线得到平均负荷的区间值【1 9 】。考虑电气元件区间特性的系统可靠性分析 主要分析了具有区间特性的电气元件串并联之后的整体区间特性，并进一步分 析了发电厂、变电站的电气主接线的区间可靠性评估。提高系统可靠性的配电 网络多目标重构方法是提出了基于可能度的区间分析，以特定的系统可靠性指 标作为综合评价值，以综合评价值减少的可能度最大化为目标函数进行网络结 构优化 3 6 1 。基于区问层次分析法通过用区间数代替点值对传统的层次分析法进 8 第f 章绪论 行改进p 7 1 。电网规划区间决策方法是基于区间层次分析法和区间o l 规划的电力 系统规划决策方法，算法的约束条件是考虑系统的可靠性3 s l 4 0 l 。最近还有学者 提出了基于未确知数学理论处理配电系统不确定性的配电网可靠性评估方法 【4 。 上述这些理论和方法都偏重于从电源配置、网架结构、负荷转移、自动化 装置和继电保护装置等方面研究电力系统可靠性，而没有考虑中性点接地方式 对电力线路故障率和电力系统可靠性的影响，目前在国内外还未发现有文献定 量计算中性点接地方式对电网可靠性影响。而事实上，中性点接地方式是影响 配电网络线路故障率的关键问题，也是决定整个配电系统可靠性的关键因素之 一。合适的中性点接地方式可以降低配电网络的线路故障率和提高系统可靠性， 反之，对于整个配电系统没有进行深入研究和仔细分析，草率的选择中性点接 地方式可能会对系统产生极其严重的后果，会造成系统故障扩大和发展，降低 配电系统的可靠性。如何定量分析中性点对配电网供电可靠性的影响，也是大 家所关注的重要问题。 1 2 3 配电网中性点接地方式解决方案的研究和应用现状 电网中性点接地方式是个很重要的综合技术问题，它不仅直接影响故障电 压、故障电流、过电压等，而且影响停电次数、停电时间等电网供电可靠性和 连续性指标。 德国工程师彼得逊在第一次世界大战期间首先研制成功消弧线圈，德国其后 在各种电压等级的电力网中大量发展中性点经消弧线圈接地方式，从3 0 2 2 0 k v 的电网中都采用了这种接地方式，甚至在柏林市的3 0 k v 、1 4 0 0 k m 电容电流高达 4 0 0 0 a 的电缆配电网中，也采用了消弧线圈接地方式1 4 2 1 。德国电网l e i p z i g 公司 1 1 0 1 0 k v 变压器为y y 接法，1 0 k v 中性点经消弧线圈接地，消弧线圈附加回路装 设大功率电阻( 1 4 0 ，2 0 0 0 a s ) ，系统出现接地后，接地信号启动短时( 0 i s ) 投入该电阻，相当于系统短时小电阻接地，增大了接地电流，通过保护继电器 的测量发现接地线路并发出报警指示，快速隔离故障线路【4 3 】。不过德国莱茵电 力公司( r w e ) 认为电缆网络还是通过小电阻接地为宜，但其必须以环网为前 提条件，否则肯定会影响电网的供电可靠性j 。 美国在2 2 7 0 k v 的配电网中，中性点接地方式由不接地逐步发展为直接接 地 4 2 1 。如在n e e s ( n e we n g l a n de l e c t r i cs y s t e m ) 中，不管是电缆配电网系统还 9 广东工业大学工程硕士学位论文 是架空线路配电网系统，其1 2 7 3 4 5 k v 中压系统全部采用中性点直接接地方 式 4 5 h o l 。 英国的1 3 2 k v 电网全部是直接接地，因为它的投资最经济，故障的选择性 较好，暂时过电压( 工频过电压、谐振过电压) 较小，对电信干扰的程度能被 电信部门接受。英国的6 6 k v 电网多为电阻接地，3 3 k v 及以下的架空线路配电 网逐步由直接接地或电阻接地改为经消弧线圈接地 4 2 1 ，电缆配电网仍为小电阻 接地i 棚。 日本东京电力公司配电网中性点接地方式随电压等级不同而不同【4 2 】：6 6 k v 配电网采用电阻接地、电抗接地和消弧线圈接地，2 2 k v 配电网采用电阻接地， 6 6 k v 电网采取不接地方式，1 1 4 k v 电网中性点接地方式有四种：高、低压侧公 用中性线多重直接接地，高压侧中性点直接接地，低压侧中性点多重直接接地， 高压侧中性点经低电阻( 小于5 0 q ) 接地，高压侧中性点经高阻( 1 2 0 4 1 0 d ) 接地【5 0 h 5 l 】。 前苏联的1 1 0 k v 电网中性点采用直接接地，或经消弧线圈接地，低压电网 中性点直接接地，3 5 1 0 k v 电网中性点采用消弧线圈接地或不接地方式 4 2 1 5 2 1 。 法国电力公司( 简称e d f ) 从1 9 6 2 年开始将城市配电网的标准电压定为 2 0 k v ，限制或取消原有的l o k v 及1 5 l 【v 电压等级。2 0 k v 配电网中性点经电阻 或经电抗接地，限制接地故障电流到下列数值：大城市的中压电缆网为1 0 0 0 a ： 其他中压电网为3 0 0 a 。上述选择的前提是：中压故障线路快速跳闸，不考虑在 故障发生到切除故障线路为止这段时间的接触电压和跨步电压；故障期间中压 电网的接地装置上产生的过电压不至于使中压设备的绝缘闪络；低压电网的最 大接地电阻值选取原则是在中压电网对地闪络时，在低压电网的接地装置( 包 括低压中性线) 上产生的过电压水平不至于造成低压电网的绝缘闪络。法国配 电网中性点多年来一直采用电阻接地方式，电缆网络电源中性点通过1 2 0 电阻 接地，短路电流控制在1 0 0 0 a ，故障o 3 5 s 后跳闸不重合；架空线路网络电源中 性点通过4 0 q 电阻接地，短路电流控制在3 0 0 a ，故障后o 3 s 后跳闸，1 5 s 后重 合 4 2 1 。法国研究人员认为，架空线路经消弧线圈接地为宜，电缆网采用小电阻 接地为宜，架空线路和小电阻的混合网络采用自动调谐消弧线圈及并联高阻接 地为宜 4 4 1 。近年来e d f 对消弧线圈进一步深入研究后决定，将全部中压电网中 性点改为经消弧线圈接地方式5 3 卜嘲。 配电网中性点接地方式随着我国电力工业的发展也引起了广泛的争论。我 l o 第1 章绪论 国各个地区的电力系统根据各自和国外的运行经验，进行了大量中性点接地方 式的尝试，目前集中在使用小电阻和消弧线圈两种方法上。很多专家学者认为： 小电阻虽然能够快速切除故障、防止故障发展和扩大，提高电力系统的安全性， 但它大大增加了配电网的跳闸率，牺牲了配电网供电可靠性；而消弧线圈则相 反，能够提高供电可靠性，现在新型具有故障选线功能的消弧线圈与继电保护 装置配合能够快速切除故障线路，避免引起事故发展和扩大 4 2 1 1 4 5 】【5 5 1 1 5 6 1 。另一些 专家和学者认为：在电缆和架空线路的混合网络或电缆配电网中，电缆的大多 数接地故障是因为电缆绝缘层击穿或损坏而造成的，属于绝缘不可恢复性故障， 因此为了系统的安全必须立即切除故障线路，另外，由于我国配电网结构已经 由传统的放射状网架逐步优化为双电源环网供电结构，配电线路发生故障时即 使快速切除故障线路也不会影响系统对用户供电，因此使用中性点经小电阻接 地方式比较合理，没有必要使用消弧线圈进行灭弧【”j 。 无论采取中性点经小电阻、消弧线圈或其它接地方式，主要目的都是为了 提高系统可靠性，但目前的研究大都局限于定性分析中性点接地方式对系统可 靠性影响，既没有建立一个合理的数学模型定量分析中性点接地方式对系统可 靠性的影响，也没有根据分析结果采用一套系统的算法合理选择最佳中性点接 地方式。 1 3 论文工作的主要内容 从总体上看，本论文主要包括以下方面的内容： ( 1 ) 论文的背景、意义、提出问题和解决问题的思路概述 论文第一章概述了选择最优中性点接地方式对于提高中压电缆配电网运行 水平的意义，介绍了国内外在提高配电网可靠性和经济性以及中性点接地方式 领域的研究现状，认为用区间分析理论研究电缆配电网中性点接地方式对于提 高系统运行水平很有意义，并提出三个具体问题：如何定量分析中性点接地方 式对配电网可靠性的影响；如何降低区间运算结果的灰度；如何根据中性点接 地方式对配电网运行的影响提出一套具有普遍意义能够适用于各种网架结构的 最优中性点接地方式决策算法。论文的第二章介绍了区间分析理论的相关概念 及本文研究采用的有关修正算法等内容。 ( 2 ) 中性点接地方式对配电网可靠性影响的研究 论文第三章针对第一章提出的如何定量分析中性点接地方式对配电网可靠 广东工业大学工程硕士学位论文 性的影响和如何降低区间运算结果的灰度这两个问题，应用区间分析计算理论 定量分析了中性点接地方式对电缆、架空线路配电网的影响；把基于相对优势 度区间数比较方法推广为区间函数比较，分析了不同网架结构( 辐射状、树枝 型、环网等) 配电网的中性点接地方式对可靠性指标的影响；引入用户耐受故 障指标衡量中性点接地方式对供电连续性的影响；在文献 6 6 】的基础上根据区间 数的线性和平移关系进一步研究区间数运算法则修正，以减小运算结果的灰度 和保障运算结果的可信度；最后根据i e e er b t s 算例和实际电气系统提供的参 数进行了计算和分析。 ( 3 ) 中性点接地方式综合决策算法 论文第四章针对第一章所提出的如何根据中性点接地方式对配电网运行的 影响，提出一套具有普遍意义的、能够适用于各种臃架结构的最优中性点接地 方式决策算法这个问题，提出加权多指标区间数灰靶决策算法，作为从提离配 电网运行水平角度( 包括过电压、可靠性、供电连续性) 综合考虑寻求最优中 性点接地方式的决策算法；并根据实际电气系统提供的参数进行了算例计算和 分析。 ( 4 ) 结论 论文第五章对论文主要工作进行了总结。简述了论文第一章所提出的几个问 题的研究结论，并强调了论文创新点。 第2 章区间分析理论基本概念与运算法则修正 第2 章区间分析理论基本概念与运算法则修正 论文采用区间分析方法定量研究中性点接地方式对中压配电网可靠性影响 和中性点最优决策算法，因此有必要对区间分析方法研究现状进行简要介绍。 区间分析理论属于灰色系统理论，主要研究信息