基于改进熵权法的调度端小电流接地选线方法

杨 湘，汤 俊，周 杨，段登伟，杨晓磊

(国网四川省电力公司成都供电公司，四川 成都 610041)

0 引 言

中国6～35 kV中压配电网广泛采用中性点非有效接地方式，即不接地和经消弧线圈接地(谐振接地)的小电流接地系统[1]。随着城市电网快速发展，电缆线路所占比例越来越高，接地时故障点电流增大不易熄弧，且同沟电缆单相接地故障处理不及时极有可能会发展成大面积停电事故，严重影响供电服务质量，危害极大。故目前大城市配电网多数采用经消弧线圈接地的谐振接地方式。虽然谐振接地能有效减少流过故障点的电流，使电弧更易于熄灭，但是消弧线圈掩盖了真实的接地现象，导致故障量不突出、不易辨识[2]。大量研究认为谐振接地系统很难通过稳态量进行选线[3-4]，导致选线难度较大，选线时间较长，存在的风险也更高，容易造成大量供电服务问题。

目前，国内外对小电流接地选线理论研究主要集中在厂站端选线[5-21]。其中大部分基于暂态零序量[5-6]、小波分析[7-11]、注入法[12-16]判断方法的小电流接地选线装置尽管在理论上判断更迅速和准确；但受现场电磁干扰较多、安装成本较高、对含消弧线圈的接地选线不够准确，其在变电站实际应用效果并不理想，实际使用程度不高。部分研究融合了人工智能、深度学习[17-21]的小电流接地选线新算法仍处于理论探索研究阶段，尚未投入实用化经受现场考验。目前中国电网调度部门基本上实现了智能电网调度系统(D5000)的部署应用。调度主站端由于受数据量及传输影响，针对中压配电网只采集了功率、电压、电流等稳态实时数据，无法应用暂态量进行选线判断。这种情况导致相当多的单相接地故障还是依靠调度员凭经验人工拉路的方法实现选线。因此，在调度主站端系统上开发小电流接地选线功能具有更大的实际应用性和经济性，且能够协助调度员在最短时间内判断出单相接地线路，并能充分考虑保电负荷和重要负荷的可靠供电，更好地确保电网安全稳定运行。基于调度主站端的小电流接地选线方法研究迫在眉睫。

针对上述问题，在分析了小电流接地系统接地现象的基础上，结合实际运行经验提出了适用于调度主站端的3种选线判据，并提出了针对谐振接地系统的动态补偿法和选线流程。

1 小电流接地系统接地分析

中性点不接地系统的单相故障如图1所示，正常情况下三相对称，对地电容电流之和为0。以线路1的A相发生接地故障为例进行分析。

图1 中性点不接地系统单相接地故障

1)对于非接地线路，其三相对地电容电流分别为

(1)

非接地线路感受到的零序电流为

(2)

故非接地线路的零序电流大小由接地零序电压和本线路对地电容决定。

2)对于接地线路，非接地相有其本身的电容电流流过，而流过接地相故障点的电流是电网中所有非接地相对地电容电流之和，即

(3)

中性点不接地系统接地线路感受到的零序电流为

(4)

经上述分析可知，对于中性点不接地系统，接地线路的零序电流值将远大于其他线路的零序电流值，调度主站端可根据零序电流幅值大小进行选线。

图2 接地前后电流矢量

|ΔIiA|=|IiA_fault-IiA_normal|

(5)

对于接地线路，绝大多数情况下，由于|θ2|≠|θ1|，幅值变化量|ΔIiA|>0，其将发生明显的变化；极特殊情况下当|θ2|=|θ1|时，|ΔIiA|=0。对于非接地线路而言，由于A相电压为0，A相对地电容电流为0，非接地线路A相电流幅值将几乎没有变化。因此，调度主站端可以将线路接地前后接地相的相电流变化量作为选线判据之一。

线路接地后，由于对地电容电流的存在，各条线路将产生零序电流，其将直接导致线路的无功功率发生相应的变化，变化量为

ΔQi=ΔSisinθ

(6)

对于接地线路，接地点故障电流较大，其无功功率变化量也较大；对于非接地线路而言，其无功功率的变化量仅由本身对地电容电容电流产生，其无功功率变化量将远小于接地线路。因此，调度主站端可以将线路接地前后无功功率变化量作为选线判据之一。

2 改进熵权法选线判据权重计算

单一的选线判据具有其独立的适用范围，受现场实际影响，目前仍有多数地区电网未全部实现零序电流采样及覆盖，仅仅依靠零序电流单一判据进行选线判断具有一定的局限性。由上一章分析可知，接地前后接地相相电流及无功功率的变化量同样可作为调度主站端小电流接地选线的判据。调度主站端小电流接地选线各判据比较情况如表1所示。

表1 调度主站端小电流选线判据比较

不同的选线判据存在结合的可能。为了弥补独立选线判据准确性不高、存在一定限制条件缺陷的情况，可以通过将零序电流、无功功率变化量和相电流变化量3个判据进行合理的融合，得到调度主站端小电流接地选线综合判据。

熵权法是一种客观的赋权方法，通过对各个评价指标进行归一化处理及熵值计算，可以确定各项指标的权重值。

每次接地有n条线路，共有零序电流、相电流变化量和无功功率变化量3个特性指标，接地后各条线路特性指标值可记为

R=[I0，|ΔIi_f|，|ΔQ|]

(7)

式中：I0为接地后各条线路零序电流矩阵；ΔIi为接地前后第i条线路接地相相电流幅值变化量矩阵；ΔQ为接地前后各条线路无功功率变化量值矩阵。

对R中值进行归一化处理，可得第i条线路在第x个指标中的贡献度fxi为

(8)

式中：rxi∈R；i=1，2，…，n；x=1,2,…,m；m为特性指标总数。

第x个指标的熵值hx可通过式(8)求得。

(9)

式中，k=1/lnn。

由于零序电流、相电流和无功功率具有一定的相似性，为了减少相似指标产生的误差，采用改进熵权法计算公式对传统熵权计算公式方法进行修正[22]，每个指标的熵权wx为

(10)

式中：l=1,2,…,m；t=1,2,…,m。

最终通过式(7)—式(10)得到零序电流、相电流和无功功率变化量3种选线判据指标对应的的权重向量W=[w1，w2，w3]。

通过改进熵权法可得到每条线路接地概率，并以此进行选线。

(11)

3 谐振接地系统动态补偿法

当中性点经消弧线圈接地时，在中性点电压的作用下系统产生的电感电流为

(12)

式中：XL为消弧线圈感抗；L为消弧线圈电感。

电感电流将经接地点沿接地相返回，故此时接地线路感受到的零序电流可由式(4)和式(12)计算得到。

(13)

对于谐振接地系统，由于消弧线圈电感电流的作用，接地线路的零序电流经补偿后将变小，甚至小于大多数不接地线路的零序电流，使得真实的接地信息和特征量被掩盖，这将给调度员选线造成相当大的困扰。

任意试拉开一条线路，如果此线路为非接地线路(其零序电流幅值为3I0i=3ωC0iU0)，接地点将不再流过被拉掉线路的对地电容电流，接地线路感受到的零序电流与接地初始状态相比将动态变化为

(14)

其有效值将变大为

(15)

因此，可根据拉开线路前后所有线路零序电流的变化量进行选线。被拉开线路的零序电流越大，接地线路动态感受的零序电流变化量也将越大；对于非接地线路，其零序电流将不会受影响。由前两章分析可知，相电流变化量、无功功率变化量和零序电流3个特性指标均是由对地电容电流引起，相电流变化量和无功功率变化量也将与零序电流有同样的变化规律。改进熵权法选出线路接地概率最高的线路即为电容电流变化最大的线路。

对于谐振接地系统，为了打破由于消弧线圈补偿掩盖真实信息的状态，提出“动态补偿法”：接地后先通过改进熵权法选择出电容电流变化最大的线路将其拉开，再计算出接地初始状态和动态拉开后的各线路特征量的补偿差量；再次利用改进熵法选出动态补偿后电容电流变化最大的线路，此线路即为真实的接地线路。

采用动态补偿法后，各条线路特性指标值可记为

R2=[ΔI02，|ΔIi_f2|，|ΔQ2|]

(16)

式中：ΔI02为动态补偿前后各条线路零序电流变化量矩阵；ΔIi_f2为动态补偿前后前后i条线路接地相相电流幅值变化量矩阵；ΔQ2为动态补偿前后各条线路无功功率变化量矩阵。

调度主站端小电流接地选线流程如图3所示。

图3 调度主站端小电流接地选线流程

当系统发生单相接地时，可首先获取并计算各条线路故障前后零序电流、相电流变化量、无功功率变化量，根据改进熵权法计算出接地概率(对地电容电流)最大的线路并拉开。对于中性点不接地系统，所选线路即为接地故障线路，选线结束；对于谐振接地系统，此操作相当于进行“动态补偿”操作，可计算出动态补偿前后各条线路的零序电流、相电流变化量、无功功率变化量，再通过改进熵权法计算出接地概率(对地电容电流)最大的线路拉开，进行故障选线。此操作可重复进行，直至选出故障线路。

4 实例验证

目前，基于改进熵权法的调度端小电流接地选线方法及所对应程序已经部署在国网成都地调D5000智能电网调度系统中，并已实现程序自动计算、自动选线排序、自动拉合断路器进行故障处理查找接地线路。

4.1 中性点不接地系统案例

2020年10月21日06:11，成都寿安站10 kVⅡ母发生A相接地(UA=0.89 kV，UB=9.64 kV,UC=10.42 kV)。由于该站未接入零序电流，其接地故障前后接地相电流变化量和无功功率变化量以及采用改进熵权法(W=[0.460,0.540,0.000])后的选线结果如表2所示。

表2 成都寿安站中性点不接地系统选线结果

06:11:54接地后，系统按照改进熵权法选线结果对接地概率第1(30.6%)的寿民路924断路器自动进行控分操作；06:12:30时，系统发现小电流接地信号复归，接地现象消失，证明该方法选线成功，整个故障处理仅耗时36 s。

4.2 谐振接地系统案例

2021年6月10日12：28，成都沙堰子站10 kVⅡ、Ⅲ母发生谐振系统A相单相接地(UA=1.98 kV，UB=8.76 kV，UC=10.42 kV)，接地后各判据指标及采用改进熵权法(W1=[0.307,0.314,0.379])后的选线结果如表3所示。

表3 成都沙堰子谐振系统接地系统第1次选线结果

12:28:57接地后，系统按照改进熵权法选线结果对接地概率最高(31.8%)的堰航线922断路器自动进行控分操作，等待一段时间后故障并未消失，系统随即采用“动态补偿法”。动态补偿前后其他线路零序电流变化量、相电流变化量和无功功率变化量以及采用改进熵权法(W2=[0.203,0.268,0.529)后的选线结果如表4所示。12:30:33时，系统按照第2次改进熵权法选线结果对接地概率最高(74.6%)的堰白线923断路器进行控分操作，随后于12:30:38发现小电流接地信号复归，接地现象消失。仅通过两次拉路即实现谐振接地系统故障选线，整个故障处理仅耗时101 s。

表4 成都沙堰子谐振系统接地系统第2次选线结果

在成都地调近1年的现场生产实际运行中，共发生小电流接地单相故障120次，采用基于改进熵权法选线方法的选线成功率达到100%，平均接地故障处理时间由过往的30 min缩减至1min左右，平均拉路数由过往4.8次下降至1.5次。所提方法大大提高了谐振接地系统单相接地选线成功率和故障处置时间，同时也解决了过往甚至试拉9条线路的不利情景。

5 结 论

针对目前中国广泛存在的谐振接地系统发生单相接地故障后选线难度大、选线时间长问题，基于对小电流接地系统分析理论分析及生产实际，提出了基于改进熵权法的调度端小电流接地选线方法，主要具有以下优点：

1)综合考虑零序电流、相电流、无功功率等特征量进行选线，以改进熵权法增加选线判据合理性，避免了单一判据的局限性，具有更广的适用性。以动态补偿法解决了谐振接地系统选线难题。

2)提高小电流接地选线的自动化水平，减少传统人工拉路法的“盲拉”次数，提高供电可靠性，小电流接地故障平均处理时间缩短了95%，对抑制单相长时间接地可能引发的同沟电缆起火和森林草原火灾有一定的意义。

3)相较于厂站端每个站部署选线装置投资大、须停电施工等缺点，所提方法部署在调度主站端具有更强的实用性和推广性。

4)通过在成都地调长时间运行，检验了所提方法的准确性和有效性。