（电力系统及其自动化专业论文）基于协同学的小电流接地系统故障测距的研究.pdf

a b s t r a c t n o n - d i r e c tg r o u n d e dn e u t r a ls y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nl o wa n dm e d i u m v o l t a g ed i s t r i b u t i o ns y s t e mi no u rc o u n t r y f e e d e rf a u l tl o c a t i o nh a sb e e nad i f f i c u l t p r o b l e mi nt h es t u d yo ff a u l tl o c a t i o nb e c a u s eo fi t sc o m p l i c a t e ds t r u c t u r ea n dt h e s p e c i a ln a t u r eo fs i n g l e p h a s et og r o u n df a u l tu n d e rt h i so p e r a t i o nm o d e t h e r ea r e a l m o s tn oa u t o m a t e df e e d e rf a u l tl o c a t i o n d e v i c e s ，s e a r c h i n gb ys e g m e n t si sa l s o a d o p t e dw i d e l yt oi d e n t i f yt h ef a u l tp o i n t a l o n gw i t ht h ea d v a n c e m e n to fd aa n dt h e u s e rr e q u i r e m e n t sf o rt h ei m p r o v e m e n to f p o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y , o nt h eo n eh a n d , i t i sp o s s i b l et oa c h i e v ea p r e c i s ef a u l tl o c a t i o n , o nt h eo t h e rh a n d ，i t su r g e n tt oe x p l o r e n e wt h e o r e t i c a lm e t h o d st oa c h i e v eh i g h - p r e c i s i o nf a u l tl o c a t i o nt oi m p r o v et h ep o w e r s u p p l yr e l i a b i l i t y s y n e r g e t i c si sab u r g e o n i n gs c i e n c e i ti sas c i e n c ew h i c hs t u d i e so ft h es y s t e m a w a yf r o me q u i l i b r i u mt h r o u g ht h es e l f - o r g a n i z a t i o no ft h ev a r i o u ss u b s y s t e m st og i v e b i r t ht ot e m p o r a l ，s p e c i a lo rf u n c t i o n a ls t r u c t u r e s y n e r g e t i c sd e s c r i b e dt h es y s t e m s b e h a v i o r sw h e nt h es y s t e mw a sn e a rt h ec r i t i c a lp o i n ta n dp r e s e n t e ds l a v i n gp r i n c i p l e a n do r d e rp a r a m e t e rt h e o r y i tc o n s i d e r e dt h a tt h es y s t e m se v o l u t i o nw a sc o n t r o l l e d b yo r d e rp a r a m e t e r s t h ef i n a ls t r u c t u r ea n do r d e r l yd e g r e eo ft h es y s t e m se v o l u t i o n w e r ed e p e n d e do no r d e rp a r a m e t e r s t h em a j o rs t u d ys u b j e c ti s n o n e q u i l i b r i u m s y s t e mu n d e rp h a s et r a n s i t i o n , a n dt h ec r i t i c a lp o w e rs y s t e mi sp r o p e r l yi nl i n ew i t h t h ec o n d i t i o n s as c h e m eo ff a u l tl o c a t i o nb a s e do ns y n e r g e t i c sf o rs i n g l e p h a s e t o g r o u n df a u l t i nn o n - d i r e c tg r o u n d e dn e u t r a ls y s t e mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r a n a l y z i n gt h ef a u l tb y u s eo fs l a v i n gp r i n c i p l ei ns y n e r g e t i c s ，t h ee q u a t i o ns e td e s c r i b i n gt h ef a u l th a db e e n m a p p e di n t os i m p l eo n eb ya d i a b a t i ca p p r o x i m a t i o n ；t h eo r d e r - p a r a m e t e rw a sd e r i v e d i nc r i t i c a ls t a t e r e g a r d i n gt h ef a u l tl o c a t i o na st h eo p e r a t i o ni nak i n e t i cs y s t e mo f o r d e r - p a r a m e t e r ，a n db ym e a n so fr e s e a r c h i n gt h ee v o l u t i o no fe x p e r i m e n t a ls a m p l ei n k i n e t i cs y s t e mt h es t r u c t u r ea n ds t a t eo ft h es a m p l ea r ej u d g e d , s ot h ef a u l tc a nb e l o c a t e d r e s u l t so fa t ps i m u l a t i o ns h o w p o s s e s sg o o da n t i i n t e r f e r e n c ef e a t u r e t h e o fs y n e r g e t i c si np o w e rs y s t e m t h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di sf e a s i b l ea n d r e s e a r c hi si l l u m i n a t i n gf o rt h e a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：n o n d i r e c tg r o u n d e d p r i n c i p l e ；o r d e rp a r a m e t e r ；f a u l tl o c a t i o n n e u t r a ls y s t e m ；s y n e r g e t i c s ；s l a v i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：夕岳壤 签字日期：加p 孑 年多月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：彳 纽 导师签名： 砍泵超 签字日期：西。j 1 年乡月，口日 签字日期：加谚年月几日 第一章绪论 1 1 本课题现状及研究意义 第一章绪论 故障测距的研究一直都是电力系统重要的课题之一【l 】。目前，应用于电力系 统的比较成熟的测距装置都是针对中性点直接接地系统( 1 1 0 k v 及以上) ，而对于 小电流接地系统，由于其结构复杂，馈线传输距离短，及此运行方式下的单相接 地故障的特殊性，馈线故障点定位一直是故障测距研究中的难题【2 】。一般只配置 故障选线装置，几乎没有馈线故障测距装置，还广泛采用逐段查找的方式确定故 障点。 我国3 6 6 k v 系统大多采用中性点不接地或经消弧线圈接地的小电流接地系 统。在此种运行方式下，单相接地故障占绝大多数。发生单相接地故障时，由于 故障电流小，且负荷侧的线电压保持不变，系统可带故障继续运行一定的时间， 可显著提高供电的可靠性，同时也具有提高对设备和人身安全性，降低对通讯系 统电磁干扰等优点，但是长时间带故障运行，特别是间歇性的弧光接地故障时， 过电压容易使故障扩大，因此准确定位故障点并及时修复对保证供电可靠性具有 重要意义。 目前故障测距方法很多【3 疆】，比如传统的阻抗测距法、行波测距法，注入式 测距法、以及一些诸如应用小波神经网络的智能化方法。阻抗法在等效网络简化， 求解等环节必然产生误差，且容易受接地电阻的影响、有伪故障点。行波实现故 障测距的主要优点是构成简单、容易实现。但行波信号作为高频暂态信号，易与 噪声干扰相混淆，因此检测信号存在困难。注入法的测距装置成本很高，需要离 线处理，影响供电可靠性。基于各种小波神经网络的测距方法在权值调整、收敛 速度以及学习样本集的构建等方面有待进一步提高。因此，小电流接地系统中故 障测距是待研究问题的重点和难点。特别是具有最大故障发生率且故障特征信号 又有别于中性点直接接地系统时的单相接地故障，其测距研究尤为重要。 随着配电自动化水平的提高和用户对供电可靠性要求的提高，一方面使实现 馈线高精度故障测距成为了可能，另一方面迫切需要寻找新的理论依据，探求新 的理论方法，发展新的高精度故障测距方法，以便快速、准确的排除故障、缩短 停电时间、提高供电的可靠性。 第一章绪论 1 2 小电流接地系统故障测距原理分析 当前，国内外专家对小电流接地系统故障测距的研究很多。现有的测距方法 按其工作原理可分为四类：阻抗法、行波法、注入法及其它方法。现在对其工作 ：原理分述如下。 1 2 1 阻抗法 阻抗测距法与阻抗继电器的基本原理类似，以线路的集中参数模型为基础， 根据故障时测量到的电压、电流量而计算出故障回路的阻抗，由于线路长度与阻 抗成正比，便可求出由装置装设处到故障点的距离；其优点是原理简单，易于实 现，但未考虑线路分布电容以及系统运行方式等因素的影响，测距精度难以达到 要求9 1 。 文献 3 按照高压输电线路故障测距中阻抗测距方法的思想，在小电流接地 系统故障等效序网上导出一含有故障距离的二次方程。但此方法在等效网络简化 以及提取基频分量、求解等环节必然产生误差，且面临区别真伪根的问题。 现有的阻抗法都是针对均匀传输线提出的，不适用于架空线与电缆混合的参 数变化较大的线路。由于其具有投资少的优点，阻抗法多用于对分支少、结构简 单的线路进行测距。 1 2 2 行波法 行波法测距，通过测量行波波前在观测点与故障点之间的往返时间实现故障 定位。这类方法对设备要求较高，技术上较难实现，尚有待于进一步开发研究。 利用行波实现故障测距的主要优点是构成简单、容易实现。但行波信号作为 高频暂态信号，易与噪声干扰相混淆，因此检测信号存在困难。行波测距的关键 是正确识别故障行波的波头及其对应时刻。小波分析作为一种时频分析方法可很 好地解决这个问题，小波变换的跨尺度分析可排除噪声干扰，因此采用小波变换 技术进行行波测距是目前比较成熟，而且已经得到实际应用的测距方法。但是这 种采用小波变换技术的测距方法只在高压系统中应用较成熟。 基于小波变换的行波测距法的关键因素是正确识别行波波头。由于小波变换 有很好的时频局部化特性，因此，对采集到的行波信号进行小波变换，利用小波 变换的模极大值理论准确刻画故障行波到达测量端的时刻。同时，通过跨尺度分 析排除噪声干扰【8 】。 2 第一章绪论 1 2 3 注入法 注入测距法是通过故障后向系统注入某种信号定位具体的故障点，主要有端 口故障诊断法、加信传递函数法和s 注入法等吲。 2 0 世纪9 0 年代初提出的端1 2 1 比值分支定位法【1 0 1 属于端口故障诊断法。其借鉴 模拟电路故障诊断理论，从端口方程出发，通过施加音频正弦信号并结合字典法 的概念，用零序故障电流在主支两侧的分布参数与故障位置的对应性实现故障定 位。其缺点是定位范围只包括主支和第一级分支与主支的交点，无法确定确切的 故障距离，且需要数据通信采集线路两侧信息。 加信传递函数法 i h 3 】基于频谱分析原理和线路分布参数模型，在故障出线处 加入方波诊断信号，选择线路加信端的模量分解中地模电流与电压的比值构造传 递函数，获得故障信息，并由传递函数的频谱特性构造判据进行故障定位。在多 分支的线路中，采用检波法或者排除法把各节点的响应信号从传递函数波形中剔 除可得到只含有故障信息的波形，使测距定位更为准确。理论上这种方法不受负 载参数变化的影响、测量方便，但尚未应用于实际测距工作中。 s 注入法【5 】是利用故障时暂时闲置的电压互感器注入交流电流信号，在故障 线路中跟踪寻找注入信号的通路，并进行选线和定位。 文献 1 4 针对单相接地故障，提出了采用“直流开路、交流寻踪”的离线故 障定位新方法。该方法通过外加直流高压使接地点保持击穿状态，通过寻踪注入 的交流检测信号找出故障的准确位置，其中注入信号电流的消失点就是接地故障 点。但由于该方法需要粗略计算出距离值，然后在户外操作寻求故障点，因此注 入信号的强度和检测等问题尚待解决。 1 2 4 其它测距方法 小波神经网络法【6 】：该方法采用小波分析方法，根据目标问题，对故障暂态 信息提取特征分量，然后利用神经网络来实现故障特征分量和故障点位置之间的 映射，从而实现故障点精确定位。但网络训练需要各种故障情况下的样本，而在 电力系统中需要的历史数据一般不能通过大量的试验获得，只能采用监测电路发 生的故障。即使采用无导师的训练模式，仍是基于基频分量，建立在傅氏算法基 础上，网络训练时间较长。随着配电自动化水平的提高，故障线路的允许切除时 间大大缩短，采用此方法同现在配电网自动化的发展不适应。 5 次谐波法【l5 】也是一种较重要的测距方法，其主要通过测量户外空间零序电 场和磁场的5 次谐波，分析谐波的幅值和相位关系，判断小电流接地系统的单相 接地故障点。采用该方法设计的故障探测器具有投资少、体积小、便于携带的优 3 第一章绪论 点，但如何提高检测装置的灵敏度和抗干扰能力是5 次谐波法广泛应用的关键。 除此之外还有一些智能化的测距方法，如模糊神经网络法、模拟退火法【1 6 】， 光纤测距等，目前这些方法离实际应用还有很大一段距离。综上所述，小电流接 地系统的故障测距问题的研究相对较少，现有的故障测距方法都有一定的局限 性，真正用于现场实际的测距装置更是少见，这同配电网自动化的水平不相适应， 很有必要对此进行进一步的研究。 1 3 小电流接地系统故障测距的主要问题及困难 对于小电流接地系统，关于馈线故障测距研究的主要困难表现在以下几个方 面： 1 ) 对于中性点不接地系统，故障线路始端零序c t 输出电流( 或三相电流之 和) 为除故障线路以外的系统对地电容电流，数值很小； 2 ) 对于中性点经消弧线圈接地的系统，由于感性电流的加入，将使故障线 路零序c t 输出电流更小； 3 ) 小电流接地系统一般自身结构复杂，中低压配电网又多呈辐射形网状结 构；小电流接地系统中输电线路传输距离较短，测距误差较大时意义不 大； 4 ) 故障点接地过渡电阻，负荷的不对称性以及测量装置的误差对有些测距 方法精度影响很大。 5 ) 由于配电自动化水平等方面的局限性，难以实现较高精度的故障点定 位。 小电流接地系统线路单相接地故障的特征，使单相接地故障测距一直是测距 研究的难点。随着科技水平的发展及供电质量要求的提高，原有的小电流接地系 统中馈线故障定位的方法已不能满足需求。迫切需要寻找新的理论依据，探求新 的理论方法，发展新的高精度故障测距方法，以便快速、准确的排除故障、缩短 停电时间、提高供电的可靠性。 1 4 基于协同学的小电流接地系统故障测距方法的提出 协同学是一门新兴的学科，它是一门研究远离平衡态的系统如何通过各子系 统之间的自我组织产生时间、空间或功能结构的科学，其主要目标是寻找现实世 界中千差万别现象的普适性规律。它横跨自然科学和社会科学，适应范围非常广 泛。已应用到物理学、生物学、社会学等众多学科，成为一门独树一帜、颇受学 4 第一章绪论 术界青睐的学科【l 卜川。 协同学主要的研究对象是处于相变状态的非平衡系统，它以研究复杂结构的 非线性系统演化的普遍性规律以及探讨新机构形成的条件、方式等为其主要目 标。而临界的电力系统正好符合这样的条件。从宏观上来讲，电力系统可看成是 和外界不断进行着能量交换的开放系统，它又由大量子系统所组成，这些子系统 从微观上讲又是由大量的负荷、电机、电力线路等组成。 正是由于电力系统具有如此复杂的特性，导致无法用简单的数学模型对其进 行描述和分析。传统的分析方法均需要确切知道系统中各元件的详细数学模型。 这些分析方法属于复杂系统理论中的还原论方法，很难把握电力系统的整体动态 特征【l9 】。而从协同学的角度出发，电力系统发生故障时可认为各子系统通过协同、 竞争的作用使整个电力系统发生相变，即从故障发生时的无序状态( 暂态) 转化至 某种有序状态( 稳态) 。 。 本文提出了一种基于协同学的小电流接地系统单相接地故障测距方法。应用 协同学的役使原理对故障情况做了分析，得出了临界状态下的序参量。并应用绝 热近似等效将描述故障的方程组简化为序参量方程。将测距过程视为序参量动力 学系统的运行，通过研究实验样本在该系统中的演化判断其结构和最终状态，从 而实现故障测距。大量数字仿真结果表明此方法是可行的，不受过渡电阻影响且 具有较好的抗干扰性能。并对协同学在电力系统中的应用有一定的启发作用。 1 5 本文的主要工作 本文根据国内外小电流接地系统故障测距的研究现状，在研究将协同学应用 于电力系统故障分析的可行性的基础上，提出了一种基于基于协同学的小电流接 地系统故障测距方法，大量的数字仿真实验验证了这种方法的可行性。 本文的具体工作归纳如下： 1 ) 深入研究了小电流接地系统单相接地故障的特征。并应用暂态仿真软件 a t p 进行了仿真分析； 2 ) 将协同学的役使原理和序参量原理引入到故障测距中，将测距过程视为 序参量动力学系统的运行，提出了基于协同学的小电流接地系统故障测 距方法。 3 ) 利用a t p 建立了小电流接地系统的仿真模型，在m a t l a b 中实现了故障测距 算法，并进行了大量数字仿真试验，验证了新方法的可行性。 4 ) 对本课题发展的前景和所需要解决的问题做出了展望，并提出了协同学 可能在电力系统中的应用方向。 第二章小电流接地系统故障测距基础 第二章小电流接地系统故障测距基础 本章首先介绍了电力系统中性点各种接地方式及其特点，重点研究了中性点 不接地系统和经消弧线圈接地系统在正常运行及故障后各种电气量的变化规律， 并给出了a t p 仿真结果，为后面的故障测距奠定了理论基础。 2 1 中性点接地方式概述 我国电力系统中性点接地方式主要有两种，即中性点直接接地方式、中性点 不直接接地方式。中性点直接接地系统发生单相接地故障时，接地短路电流很大， 这种系统称为大电流接地系统。中性点不直接接地系统发生单相接地故障时，由 于不直接构成短路回路，接地故障电流往往比负荷电流小得多，故称其为小电流 接地系统。 直接接地系统供电可靠性相对较低。这种系统中发生单相接地故障时，出现 了除中性点外的另一个接地点，构成了短路回路，接地相电流很大，为了防止损 坏设备，必须迅速切除接地相甚至三相。不直接接地系统供电可靠性相对较高， 但对绝缘水平的要求也高。因这种系统中发生单相接地故障时，不直接构成短路 回路，只是经过线路对地电容形成容性电流通路，故障电流非常小，不必立即切 除接地相，不要求保护装置立即动作，允许系统运行一、两个小时，这是不直接 接地系统的主要优点。但这时非接地相的对地电压却升高为相电压的3 倍，可 能造成非故障相的绝缘破坏，有可能发展成为相间或多点接地故障，造成停电事 故。 在中压范围内，我国电网普遍采用小电流接地方式，其单相接地故障电弧能 够自行熄灭，是一个突出的特点，这应当是进行小电流接地系统范围界定的必要 与充分条件。中性点接地方式虽然有多种表现形式，但根据上述原则，基本上可 以划分为两大类：凡是需要断路器遮断单相接地故障者，属于大电流接地方式； 凡是单相接地故障电弧能够自行熄灭者，属于小电流接地方式。 在大电流接地方式中，主要有： 1 ) 中性点有效接地方式； 2 ) 中性点全接地方式，即非常有效接地方式； 3 ) 中性点经低电抗、中电阻和低电阻接地方式等。 在小电流接地方式中，主要有： 6 第二章小电流接地系统故障测距基础 1 ) 中性点谐振接地( 经消弧线圈) 接地方式； 2 ) 中性点不接地方式； 3 ) 中性点经高阻接地方式等。 在小电流接地方式中，以经消弧线圈接地方式最受关注。中性点经消弧线圈 接地方式是小电流接地系统的一种电流补偿方案，配电网中性点经消弧线圈接地 分为两种形式。即经固定消弧线圈接地、经自动消弧线圈接地。固定消弧线圈由 于调谐上的困难现在已逐渐淘汰，取而代之的是自动消弧线圈，自动消弧线圈能 实时检测电网电容电流、调整补偿电流。 中性点经消弧线圈接地目的是降低接地点容性电流的幅值，有利于电弧熄 灭，同时消除铁磁谐振过电压，有效抑制弧光接地过电压，大大提高供电可靠性。 为此，在我国采用中性点经消弧线圈接地方式是我国中压电网的发展方向。 2 2 中性点不接地系统中单相接地故障的特点 如图2 1 所示的最简单的网络接线，在正常情况下，三相对地有相同的电容 c 0 ，在相电压作用下，每相都有一超前于相电压9 0 。的电容电流流入地中，而三 相电流之和等与0 。假设在a 相发生了单相接地故障，则a 相对地电压变为0 ，对 地电容被短接，而其他两相的对地电压升高3 倍，对地电容电流也相应的增大 3 倍，向量关系如图2 2 所示。在单相接地时，由于三相中的负荷电流和线电压 仍然是对称的，因此，下面本文不予考虑，而只分析对地关系的变化1 2 0 j 。 e c 图2 1 简单网络接线示意图 7 第二章小电流接地系统故障测距基础 - 昱c 图2 - 2 a 相接地时的向量图 在彳相接地以后，各相对地电压为： u j 4 - d = 0 故障点d 的零序电压为： 一 【，肛- d ：e b e 一= 3 e ae - j 1 5 仃 一 u c d = e c e 一2 3 e e j ”矿 痧d 。= 三( 6 彳一。+ 6 口一。+ 痧c 一。) = 一三一 在非故障相中流向故障点的电容电流为： i b = u b dj 曰c o i c = u c dj 窃c 0 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 其有效值为i 。= i r = 3 【，。配。，式中以为相电压的有效值。 此时，从接地点流回的电流为i d = i b + i c ，由图2 2 可见，其有效值为 i n = 3 u 。n r c o 即正常运行时三相对地电容电流的算术和。 当网络中有发电机( ，) 和多条线路存在时，如图2 3 所示，每台发电机和每 条线路对地均有电容存在，设用c 。，、c 0 、c 。：等集中的电容来表示，当线路2 彳相接地后，如果忽略负荷电流和电容电流在线路阻抗上的电压降，则全系统彳 相对地的电压均等于0 ，因而各元件a 相对地的电容电流也等于0 ，同时b 相和 c 相的对地电压和电容电流也都升高3 倍，仍可用( 2 1 ) ( 2 6 ) 式的关系来表示， 第二章小电流接地系统故障测距基础 在这种情况下的电容电流分布，在图中可以用“一”表示。 由图2 3 可见，在非故障的线路1 上，彳相电流为0 ，b 相和c 相中流有本身 的电容电流，因此，在线路始端所反应的零序电流为： 3 1 0 l = i 口i + ，c l ( 2 7 ) 参照图2 2 所示的关系，其有效值为： 3 1 0 l = 3 u m e o l ( 2 8 ) 即零序电流为线路l 本身的电容电流，电容性无功功率的方向为由母线流向 线路。当电网中的线路很多时，上述结论可适用于每一条非故障线路。 ”血 图2 3 单相接地时电容电流分布图 线 路 l 线 路 2 在发电机，上，首先有它本身的b 相和c 相的对地电容电流，。，和，但 是，由于它还是产生其他电容电流的电源，因此，从彳相中要流回从故障点流上 来的全部电容电流，而在b 相和c 相又要分别流出各线路上同名相的对地电容电 流，此时从发电机出线端所反应的零序电流仍为三相电流之和，由图可见，各线 路的电容电流由于从彳相流入后又分别从召相和c 相流出了，因此，相加后互相 抵消，而只剩下发电机本身的电容电流，故： 有效值为： 3 1 0 厂= i s f + ( 2 - 9 ) 9 第二章小电流接地系统故障测距基础 3 i o ，= 3 u ：r c o ， ( 2 1 0 ) 即零序电流为发电机本身的电容电流，其电容性无功功率的方向是由母线流 向发电机，这个特点与非故障线路是一样的。 现在再来看看发生故障的线路2 ，在召相和c 相上，与非故障的线路一样， 流有它本身的电容电流，口：和，c ：，而不同之处是在接地点要流回全系统曰相和 c 相对地电容电流之总和，其值为： i d = ( ，占l + i b l ) + ( ，口2 + ，占2 ) + ( ，+ ，) ( 2 1 1 ) 有效值： i o = 3 u 9 刃( c o l + c 0 2 + c o ，) = 3 u 妒m c o ( 2 - 1 2 ) 式中c 0 z 为全系统每相对地电容的总和。此电流要从么相流回去，因此，从 4 相流出的电流可表示为i 一：= - i d 这样在线路2 始端所流过的零序电流则为： 3 1 0 2 = 一2 + ，丑2 + i c 2 = 一( ，口l + i c l + ，+ ，c 厂) ( 2 - 1 3 ) 其有效值为： 3 1 0 2 = 3 u 。刃( c 0 一c 0 2 ) ( 2 1 4 ) 由此可见，由故障线路流向母线零序电流，其数值等于全系统非故障元件对 地电容电流之总和( 但不包括故障线路本身) ，其电容性无功功率的方向为由线路 流向母线，恰好与非故障线路上的相反。 总结以上分析的结果，可以得出中性点不接地系统中： 1 ) 在发生单相接地时，全系统都将出现零序电压。用电设备的工作并没有 受到影响，允许继续工作，比中性直接接地的供电可靠性大大提高； 2 ) 在非故障线路上有零序电流，其数值等于本身的对地电容电流，电容性 无功功率的实际方向是由母线流向线路； 3 ) 在故障线路上的零序电流理论上为全系统非故障元件对地电容电流之 和，总数值一般比较大，电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线； 4 ) 绝缘水平要求高。单相接地后，健全相对地电压升高3 倍，所以系统 的绝缘要按线电压考虑，在绝缘上投资相应要增加； 5 ) 弧光过电压对绝缘有非常大的威胁，发生故障后应及时查找故障，以免 故障范围扩大。 1 0 第二章小电流接地系统故障测距基础 2 3 中性点经消弧线圈接地系统中单相接地故障的特点 工 2 什扬 图2 4 中性点经消弧线圈接地系统单相接地电容电流分布图 根据以上分析，当中性点不接地电网中发生单相接地时，在接地点要流过全 系统的对地电容电流，如果此电流比较大，就会在接地点点燃电弧，引起弧光过 电压，从而使非故障相的对地电压进一步升高，因此，使绝缘损坏，形成两点或 多点的接地短路，造成停电事故。为了解决这个问题，通常在中性点接入一个电 感线圈，如图2 - 4 所示，这样当单相接地时，在接地点就有一个电感分量通过， 此电流和原系统中的电容电流相抵消，就可以减少流经故障点的电流，因此，称 此电感线圈为消弧线圈。 当采用了消弧线圈以后，单相接地时的电流分布将发生重大变化。兹假定在 图2 3 所示的网络中，在电源的中性点接入了消弧线圈，如图2 4 所示，当线路 2 上彳相接地以后，电容电流的大小和分布与不接消弧线圈时是一样的，不同之 处是在接地点又增加了一个电感分量的电流，因此，从接地点流回的总电流 为 厶= ( l + 如) ( 2 1 5 ) 式中k 为全系统的对地电容电流，：为消弧线圈的电流，设用表示它的 电感，则 第二章小电流接地系统故障测距基础 一f j ，= 1( 2 1 6 ) w l 由于k 和i l 的相位大约相差1 8 0 。，因此，厶将因消弧线圈的补偿而减小。 根据对电容电流补偿程度的不同，消弧线圈有完全补偿、欠补偿及过补偿三种补 偿方式。 其中完全补偿、欠补偿都有可能产生谐振过电压的情况，过补偿就是使 i l ，晓，补偿后的残余电流是电感性的。采用这种方法不可能发生串联谐振的 过电压问题，因此，在实际中获得了广泛的应用。 总结以上分析的结果，可以得出中性点经消弧线圈接地系统： 1 ) 当采用完全补偿方式时，流经故障线路和非故障线路的零序电流都是本 身的电容电流，电容性无功功率的实际方向都是由母线流向线路； 2 ) 当采用过补偿方式时，流经故障线路零序电流大于本身的电容电流，而 电容性无功功率的实际方向仍然是由母线流向线路，和非故障线路的方 向一样； 3 ) 消弧线圈两端的电压为零序电压，消弧线圈的电流通过故障点和故障线 路的故障相，而不通过非故障线路； 4 ) 实际上，在电网中发生的单相接地故障，往往是非金属性不完全接地， 即故障相经过一个过渡电阻接地。显然，零序电压的大小受过渡电阻大 小的影响，过渡电阻大，零序电压小，零序电流的大小则随着零序电压 的变化而变化。但零序电压与零序电流的相位关系不受过渡电阻的影 响。 2 4 故障线路和故障相的判别 2 4 1 故障线路的判别 鉴别故障线路和相别的方法对于一个中性点不接地系统来说，发生单相接地 时可以得出如下结论： 1 ) 零序电压大小由0 v 上升到相电压值； 2 ) 非故障线路的零序电流数值等于本身对地的电容电流，由母线流向线 路，即超前零序电压9 0 0 ； 3 ) 故障线路的零序电流数值等于所有非故障线路的零序电流之和，由线路 流向母线且滞后零序电压9 0 0 。 1 2 第二章小电流接地系统故障测距基础 以上3 点不受运行方式、负荷、接地电阻的影响。所以中性点不接地系统的 故障线路可以通过故障线路与非故障线路之间的功率方向不同而很容易被测定。 然而，它不能用来检测中性点经消弧线圈接地系统的接地故障，因为此时故 障路线与非故障线路之间的区别不大。对于中性点经消弧线圈接地的系统，由于 消弧线圈在单相接地时能提供对地感性电流，因此电流分布发生重大变化，但零 序电流5 次谐波分量的分布规律同无消弧线圈系统一样，这是因为当补偿基波时 c o l = 1 ( 粥) ( 近似) ，在5 次谐波时，5 c o l = 1 5 ( , c ) ，因此可以认为消弧线圈对5 次谐 波没影响。实用中利用快速傅氏变换获得5 次谐波高频分量的功率方向来测定接 地故障线路。 2 4 2 故障相的判别 根据电压的相对幅值可以检测出故障相。当小电流系统发生单相接地时，故 障相的零序电流为其他非故障相零序电流之和。原则上它是这组采样值中最大 的，但由于t a 误差、采样误差、信号干扰以及线路长短差别悬殊，有可能在排 序时排到第二、第三，但不会超出前3 个。这一步为初选，所采用的是相对值原 理( 在现行运行方式下，取前3 个最大的) 。第二步，在前3 个信号里，采用相对 相位概念，即用电流之间的方向或电流和电压之间的超前与滞后关系，进一步确 定是前3 个中哪一相是故障相。由于采用双重判据，而且使用的都是相对原理， 克服了运行方式变化、接地电阻及线路长短的影响，并且不需整定。 另外，当故障电阻是零时，故障相电压很小，接近于零。但绝大多数场合， 故障电阻不等于零，这样故障相电压可能高于某一非故障相电压。不管故障电阻 是否等于零，有电路理论分析，还能得到以下判相依据： 1 ) 在中性点不接地系统中，电压幅值最高相的滞后相是故障相； 2 ) 在中性点经消弧线圈接地系统中，电压幅值最高相的超前相是故障相。 2 5 基于a t p 的小电流接地系统故障仿真分析 a t p 程序( t h ea l t e r n a t i v et r a n s i e n t sp r o g r a m ) 是目前世界上电磁暂态分析 程序( e m t p ) 最广泛使用的一个版本。a t p 程序的基本功能是进行电力系统仿真 计算，典型应用是预测电力系统在某个扰动( 如开关投切或故障) 之后感兴趣的变 量随时间变化的规律。本节将应用a t p 对小电流接地系统进行故障仿真分析。 本文采用的算例如图2 5 所示，是一个简单的4 回出线的1 0 k v 系统。线路 参数为：正序阻抗z 1 = ( 0 1 7 + o 3 8 q ) k m ；正序容纳6 l = 3 0 4 5 9 s k m ；零序阻抗 z o = ( 0 2 3 + 1 7 2 ) f 2 k m ；零序容纳岛= 1 8 8 4 9 s k m 电压等级为1 1 0 3 5 1 0 k v ，线路 第二章小电流接地系统故障测距基础 长度为l l = 2 0 k i n ，厶= 1 2 k i n ，厶= 1 8 k i n ，厶= 2 3 k i n 。接地方式为过补偿，补 偿系数为1 0 8 。 图2 5 小电流接地系统模型 线路l 4 线路l 3 线路l 2 线路l l 在a t p 下搭建系统仿真图如图2 - 6 所示，控制开关g n 开断能改变中性点运 行方式，开关g 闭合时模拟发生单相接地故障，用一电阻元件模拟接地电阻， 负载感性，功率因数为o 8 。仿真时采样频率为1 1 0 5 h z ，仿真时段长为0 1 2 s 。 图2 - 6 小电流接地系统a t p 仿真模型 2 5 1 中性点不接地系统仿真分析 正常运行时，在图2 - 5 所示算例系统中性点不接地，得到如下仿真图形： 1 4 第二章小电流接地系统故障测距基础 囝盔露西罄篷黧l i 量冀：薏二 f 自k a t p - m 0 拈d _ 3 0 , 0 1 4 ：x - v a t t l t v a v ：t v 8 vt v c 划型捌到坐i ! 型l 型i 图2 - 7 正常运行时电压电流仿真圈 采用中性点不接地运行方式。当线路在距母线1 0 k m 处发生单相接地故障 第二章小电流接地系统故障测距基础 时( 故障时刻t = 00 2 5 s ) 线路母线电压和故障线路电流仿真图如图2 8 。 囝雹嚣量馨鞋；蔓薹量j 二羔。鬟霾嗣冒 划型到旦|叫旦p n r t _ t 型型到到 图2 - 8 线路母线电压和故障线路电流仿真圈 由仿真图形可以看出，发生故障后，a 相母线电压经过过渡过程衰减为0 坠剑。叫 惦 黑詈 第二章小电流接地系统故障测距基础 b 、c 相的相电压为原来的3 倍，相位角由1 2 0 。变为6 0 。同时也可以看到，正 常相电压短时发生了过电压的情况。流过故障线路的a 相的电流剧增，经过大 约半个周波后过渡到稳态。故障线路3 相电流和正常线路存在较大差异，这一差 异性可以做为故障选线的依据。 2 5 2 中性点经消弧线圈接地系统仿真分析 采用中性点经消弧线圈接地运行方式。当线路厶在距母线1 0 k i n 处发生单相 接地故障时( 故障时刻t = 00 2 5 s ) ，线路母线电压和故障线路电流仿真图如图2 - 9 。 甓- l a 鞠南 第二章小电流接地系统故障测距基础 星撼 ：( 自l 。a t pm o d e j 0 _ 1 8 p 4r 。”w t ) 。t v a a 。t v 日l 1 日。7 v c c ：基g 到到剧! i 止业l ! 坐 图2 9 线路母线电压和故障线路电流仿真图 由仿真图形可以看出，同中性点不接地系统一样，发生故障后，一相母线电 压经过过渡过程衰减为0 ，b 、c 相的相电压为原来的3 倍，相位角由1 2 0 9 变为 6 0 。而流过故障线路的a 相的电流由于消弧线圈补偿作用，无明显增加，过渡 过程平稳。正常线路和故障线路，在故障发生后的过渡过程中零序电流差异不明 显，故一些基于过渡过程中，故障和正常线路零序电流存在差异的，适应于中性 点不接地系统的故障选线和测距原理在中性点经消弧线圈接地系统中失效。 2 6 本章小结 本章首先讨论了目前较广泛应用的配电网中性点接地方式，重点对中性点不 接地系统和经消弧线圈接地系统进行了分析，对各种接地方式故障后的特点进行 了分析比较。 当中性点不接地系统发生单相接地时，在接地点要流过相关配电网的对地电 容电流，极有可能在接地点燃起电弧引起间隙性弧光过电压，从而导致非故障 相对地电压升高，使绝缘处于非正常情况，形成两点或多点接地短路，造成停电 事故。 对于中性点经消弧线圈接地的配电网，虽然在一定程度上避免了电弧的燃 第二章小电流接地系统故障测距基础 起，但非接地相对地电压仍升高，对系统设备绝缘性能不利。因此，小电流接地 系统，对发生瞬时或短暂单相接地故障时可不停电，提高了供电可靠性；但发生 永久性接地故障时，则为防止故障扩大，必须尽快的选出接地线路和排除故障。 应用a t p 对中性点不接地和经消弧线圈接地系统进行了仿真，并根据仿真 图形得出了系统正常运行和故障后的各种电量特征及其变化规律，为后面的故障 测距打下了基础。 1 9 第三章协同学原理 3 1 协同学概述 第三章协同学原理 协同学是一门研究远离平衡态的系统如何通过各子系统之间的自我组织产 生时间、空间或功能结构的科学。其主要目标是寻找现实世界中千差万别现象的 普适性规律。它横跨自然科学和社会科学，适应范围非常广泛。已应用到物理学、 生物学、社会学等众多学科，成为一门独树一帜、颇受学术界青睐的学科。 协同学理论的诞生源于6 0 年代初对激光理论的深入研究。在深入研究激光 理论的过程中，哈肯教授发现在合作现象的背后隐藏着某种更为深刻的普遍规 律。1 9 7 1 年在哈肯教授编著的高等协同学一书中对协同学进行了这样的描 述：协同学研究有完全不同性质的大量子系统所构成的各类系统。在协同学里， 时间、空间或时空模式的演变都不是外界强加给系统的，而是系统内部自行协同 进行，以这种方式形成模式的过程我们称之为自组织。协同学的中心议题是探讨 是否存在支配生物界和非生物界结构和功能的自组织形成过程的普遍原理【1 7 】。 哈肯在1 9 7 7 年正式提出了协同学理论，摆脱了理论物理的传统研究方法， 结合平衡相变理论、激光理论、信息理论、控制理论、一般系统论、动力系统理 论，建立了一套处理非平衡相变的理论和方法协同学。 3 2 协同学的基本原理 协同学认为：世界的统一性不仅在于它们的微观结构的单一性( 都由原子、分 子等基本粒子构成) ，而且表现在宏观结构的形成遵从某些普适性规律。哈肯在 协同学中描述了临界点附近的行为，提出了役使原理( s l a v i n gp r i n c i p l e ) 和序参量 原理( o r d e rp a r a m e t e r ) ，认为事物的演化受序参量的控制，演化的最终结构和有 序程度决定于序参量l l 引。 尽管在不同系统中的子系统千差万别，然而它们在非平衡相变的演化过程中 却遵从相同或相似的动力学规律，并且相变过程的特点是由子系统之间的协同合 作行为所决定的。由此哈肯教授得出相变过程与子系统性质无关的重要结论。在 深入研究耗散结构的基础上，他首次提出了协同概念，从而迈出了建立具有广泛 运用范围的相变理论的重要一步。协同方法概括了各种相变演化过程的共同规 第三章协同学原理 律，总结出了处理相变过程的数学模型，从而可以对自然科学问题给出定量结果， 而且对社会科学问题也能给予定性解释。协同学“删繁就简”的役使原理方法是绝 热近似的发展，使它可以分析比p r i g o g i n e 提出耗散结构论时更复杂的系统，如 细胞、机体和社会。 协同学以概率论、随机理论为基础，汲取了平衡相变中的