一种配电网接地故障仿真平台构建方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种配电网接地故障仿真平台构建方法。

背景技术

随着风力发电、太阳能发电等非水RES(Renewable Energy Generation Systems-RES，高比例可再生能源)的逐步增多，分布式电源(DG)、电动汽车、储能装置、微电网乃至智能楼宇等多种电气装置的发展也极为迅猛。在今后几年内，此类多元化设备极有可能分散的、大量的接入传统配电网络，使得原本就日益复杂的配电网络成为集电源、网络、负荷、储能等在内的有源配电系统，并呈现出更多未知的特性。而对于配电网而言，其网架拓扑结构、设备状态水平、负荷特性情况决定了配电网对不同运行特质的多元化接入体的高弹性承载稳健度。

就目前发展形势而言，非水RES、电动汽车和储能的接入发展速度极为迅猛，但实际工作中欠缺对不同特性接入体在接入形式、接入量、接入点等方面的优化分析手段和指导性原则，难以开展多时间尺度下对多元化接入体的综合优化规划，以及接入后的负面影响调控。同时，目前研究对于多元化接入体波动特性、网络拓扑结构与系统承载稳健度之间的关联机理深度不够。这些都根源于对配电网承载稳健度提升措施的作用机理分析深度不够。如果不能尽快开展针对性分析，给出指导性的接入原则，多元接入体的无序接入势必增加配电系统的运行困难。无论是网架结构复杂的中心城市电网还是结构薄弱的农村电网，如果不能在多元化接入体的发展阶段开展有效的接入调控与规划，待其大量接入后再开展此类工作则必然事倍功半，重走“先污染后治理”的老路。

10kV配电网中性点接地方式的选取是一个综合性工程技术问题，配电网接地要解决的核心问题是在负荷类型、负荷密度、配电线路绝缘化程度、配电设备绝缘水平、配电网架结构、经济投入、配电自动化配置水平、站内保护设备配置水平、站内可用空间等约束条件下，寻求中性点接地方式建设和改造的策略和具体方案，并在实际工程中进行验证。目前，我国10kV配电网中性点主要采用不接地、经消弧线圈接地和经小电阻接地方式，但每一种接地方式都存在明显的优缺点。合理选用中性点接地方式，可减少线路故障跳闸次数，提高供电可靠性，同时减少设备的频繁改造和更换，降低投资。并且，10kV中性点接地方式与供电可靠性、过电压与绝缘配合、配网自动化、继电保护等密切相关，是电网人身安全及系统稳定运行的重要保障。因此，搭建仿真平台，对消弧线圈接地系统补偿容量扩容研究和小电阻接地方式下小电阻、变压器、电流互感器等设备参数及选型具有至关重要的作用。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种配电网接地故障仿真平台构建方法，通过分析中性点多元化接地方式，搭建仿真平台并进行仿真验证，最终分析结论，实现仿真分析及动态测试结果，为后续的10kV城配电网中线点接地方式选取提供理论依据。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

本发明实施例提供了一种配电网接地故障仿真平台构建方法，包括以下步骤：

中性点多元化接地方式分析；

搭建不同接地方式的仿真平台并进行仿真验证；

不同接地方式对配网可靠性影响及选择策略分析；

不同接地方式下故障支路故障选线及快速故障切除分析。

在一些实施例中，在所述中性点多元化接地方式分析中，包括：

结合消弧线圈接地方式和小电阻接地方式，将两种接地方式组合为中性点多元化接地方式；

中性点多元化接地方式中继电保护及控制策略分析。

在一些实施例中，在所述搭建不同接地方式的仿真平台并进行仿真验证中，包括：

消弧线圈接地系统补偿容量扩容分析；

小电阻接地方式下的设备参数及选型分析；

小电阻接地方式的继电保护配置及保护控制策略分析。

在一些实施例中，在所述消弧线圈接地系统补偿容量扩容分析中，包括：

消弧线圈扩容容量及安装布置方式分析；

消弧线圈的扩容后整定及扩容消弧线圈与主消弧线圈协调控制配合方式分析；

针对给定的变电站和用户模型，开展配网消弧线圈集中式扩容和用户侧或开闭所分散式扩容分析。

在一些实施例中，在所述搭建不同接地方式的仿真平台并进行仿真验证中，采用Rtlab搭建仿真平台进行仿真验证。

在一些实施例中，在所述不同接地方式对配网可靠性影响及选择策略分析中，包括：

结合仿真验证结果，给出不同接地方式对配网可靠性影响及选择策略研究报告。

在一些实施例中，在所述不同接地方式下故障支路故障选线及快速故障切除分析中，包括：

在单相接地时，对不同接地方式下故障支路故障选线算法性能分析；

分析选线后跳闸策略。

随着风力发电、太阳能发电等非水RES的逐步增多，分布式电源(DG)、电动汽车、储能装置、微电网乃至智能楼宇等多种电气装置的发展也极为迅猛。在今后几年内，此类多元化设备极有可能分散的、大量的接入传统配电网络，使得原本就日益复杂的配电网络成为集电源、网络、负荷、储能等在内的有源配电系统，并呈现出更多未知的特性。而对于配电网而言，其网架拓扑结构、设备状态水平、负荷特性情况决定了配电网对不同运行特质的多元化接入体的高弹性承载稳健度。

就目前发展形势而言，非水RES、电动汽车和储能的接入发展速度极为迅猛，但实际工作中欠缺对不同特性接入体在接入形式、接入量、接入点等方面的优化分析手段和指导性原则，难以开展多时间尺度下对多元化接入体的综合优化规划，以及接入后的负面影响调控。同时，目前研究对于多元化接入体波动特性、网络拓扑结构与系统承载稳健度之间的关联机理深度不够。这些都根源于对配电网承载稳健度提升措施的作用机理分析深度不够。如果不能尽快开展针对性分析，给出指导性的接入原则，多元接入体的无序接入势必增加配电系统的运行困难。无论是网架结构复杂的中心城市电网还是结构薄弱的农村电网，如果不能在多元化接入体的发展阶段开展有效的接入调控与规划，待其大量接入后再开展此类工作则必然事倍功半，重走“先污染后治理”的老路。

另一方面，随着多元化接入体的不断接入，对电力系统的运行安全稳定性也带来了一定的影响。例如高渗透率分布式电源和储能接入后，配电网将从无源网络逐步转变为包含源网荷储的有源配电系统。整个配电系统的潮流方向、运行模式都会产生本质的变化。未来甚至会形成基于微电网的区域性小规模局部系统。当系统内发生典型故障时，系统特性也与常规的配电网有所不同。因此有必要针对未来新型配电系统开展故障状态下的系统特性仿真分析和故障检测研究。

电力系统的接地方式选择对电力设备的寿命、电网的安全运行、供电的可靠性、电力建设投资成本、电力用户的安全等诸多方面有很大的影响。从技术的角度来看，涉及电力系统运行维护、继电保护的配置、电力设备的绝缘配合、自动化、通信侵扰(电磁兼容影响)以及电网接地系统的配合等诸多领域。因此电网中性点接地方式，尤其是配电网中性点接地方式的问题是多年以来一直受国内外学者们关注的电力系统重要课题之一。

10kV配电网中性点接地方式的选取是一个综合性工程技术问题，配电网接地要解决的核心问题是在负荷类型、负荷密度、配电线路绝缘化程度、配电设备绝缘水平、配电网架结构、经济投入、配电自动化配置水平、站内保护设备配置水平、站内可用空间等约束条件下，寻求中性点接地方式建设和改造的策略和具体方案，并在实际工程中进行验证。目前，我国10kV配电网中性点主要采用不接地、经消弧线圈接地和经小电阻接地方式，但每一种接地方式都存在明显的优缺点。合理选用中性点接地方式，可减少线路故障跳闸次数，提高供电可靠性，同时减少设备的频繁改造和更换，降低投资。并且，10kV中性点接地方式与供电可靠性、过电压与绝缘配合、配网自动化、继电保护等密切相关，是电网人身安全及系统稳定运行的重要保障。因此，搭建仿真平台，对消弧线圈接地系统补偿容量扩容研究和小电阻接地方式下小电阻、变压器、电流互感器等设备参数及选型具有至关重要的作用。通过制定不同接地方式下继电保护配置及保护控制策略能够充分发挥继电保护装置的功能特性，开展不同接地方式对配网可靠性影响的研究，对于后期的策略制定和方案选取也具有良好的指导价值。

随着经济发展和用电需求提升，为了提高配电网供电可靠性，10kV配电城网进行大规模架空线路入地及环网改造，大量的10kV架空线路已被改造成地下敷设的电缆线路，加之近年来高性能、免维护的全封闭的电缆分断器、分接箱、各式箱变等的广泛应用，电缆线路逐年快速递增，使得系统对地电容电流也越来越大，原有消弧线圈接地系统也面临着补偿容量不足，处于欠补偿运行状态，系统在发生故障及支路切除过程中容易引发谐振隐患，需要进行消弧线圈的扩容升级。否则在单相接地故障时会产生不能自动熄灭的电弧，产生弧光过电压，严重危机电网安全；同时长时间的接地不消除，由于接地点的热破坏作用，会使接地点的电缆绝缘老化，存在引起相间短路的隐患。由于配网中所用电缆的绝缘不具有自恢复特点，出现单相接地故障时常常属于永久性故障，出现瞬时接地短路的几率较小，因此在单相接地故障下仍然继续运行，会使故障扩大化，非故障相电压的上升，造成绝缘破坏及短路故障，所以，这种情况下，电缆一旦出现单相接地故障，系统保护必须快速切除短路支路。目前国内小电阻接地方式在部分城市的推广应用，如：上海、广州、青岛等地区。在此情况下，有必要综合考虑接地选线跳闸及小电阻接地方式下零序过流跳闸方式的多种跳闸方式，而多元化接地方式，是结合消弧线圈接地技术和小电阻接地技术的各自优点，可以快速隔离故障，有效降低配网线路跳闸率等特点而提出的。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种配电网接地故障仿真平台构建方法，采用理论结合实践，理论基础上，建立多种接地方式的RTLAB仿真平台，对多元化接地方式的控制保护策略进行了在环仿真验证，实践应用上，开发配电网多元化测控一体单元，实现完整、多元化的接地测控、故障诊断与保护控制系统，提高配电网接地故障技术水平，实现闭环解决方案。

本发明提供的一种配电网接地故障仿真平台构建方法，通过开展配电网不同接地方式分析和多元化接地技术分析，解决配电网接地故障高发处置问题，同时提供工程方案和技改依据，从管理和技术两个方面提升综合水平。

本发明提供的一种配电网接地故障仿真平台构建方法，使用仿真软件验证不同接地方式的配置可行性，并作为后续研究的工程基础平台。同时，为配电网提供典型实例下接地方式选择策略及相关一二次设备选型、参数确认、继电保护配置整定方案，并为试点站提供实际工程方案及技改依据。提出接地故障诊断和支路准确判别方法。

附图说明

为了更清楚地说明本公开中的技术方案，下面将对本公开一些实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例的附图，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。此外，以下描述中的附图可以视作示意图，并非对本公开实施例所涉及的产品的实际尺寸、方法的实际流程等的限制。

图1为根据本公开一些实施例中的10kV配电网系统仿真模型示意图；

图2为根据本公开一些实施例中的中性点不接地系统仿真模型示意图；

图3为根据本公开一些实施例中的消弧线圈接地系统仿真模型示意图；

图4为根据本公开一些实施例中的小电阻接地系统仿真模型示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本公开一些实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开所提供的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非上下文另有要求，否则，在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”被解释为开放、包含的意思，即为“包含，但不限于”。在说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例性实施例”、“示例”或“一些示例”等旨在表明与该实施例或示例相关的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开的至少一个实施例或示例中。上述术语的示意性表示不一定是指同一实施例或示例。此外，所述的特定特征、结构、材料或特点可以以任何适当方式包括在任何一个或多个实施例或示例中。

本发明实施例提供一种配电网接地故障仿真平台构建方法，包括步骤：S100-S400。

S100，中性点多元化接地方式分析。

在一些实施例中，在所述中性点多元化接地方式分析中，即步骤S100中，包括：S110-S120。

S110，结合消弧线圈接地方式和小电阻接地方式，将两种接地方式组合为中性点多元化接地方式。这样，实现既可以保证瞬时性接地故障的连续供电，也可以保证稳定接地故障的快速切除。

S120，中性点多元化接地方式中继电保护及控制策略分析。这样，能够保证快速隔离故障，有效降低配网线路跳闸率。

S200，搭建不同接地方式的仿真平台并进行仿真验证。

在一些实施例中，在所述搭建不同接地方式的仿真平台并进行仿真验证中，即步骤S200中，包括：S210-S230。

在一些实施例中，在所述搭建不同接地方式的仿真平台并进行仿真验证中，采用Rtlab搭建仿真平台进行仿真验证。

针对闭环仿真，构建Rtlab的仿真系统，以便验证理论算法等的有效性和合理性。为现场实际应用提供了可靠保障。

Rtlab是一种全新的基于模型的工程设计应用平台。工程师可以在一个平台上实现工程项目的设计，实时仿真，快速原型与硬件在回路测试的全套解决方案。

示例性的，如图1所示，在基于Rtlab仿真系统的Matlab中建立10kV配电网系统仿真模型，进行不同中性点运行方式的仿真，该系统包含一个无穷大的等效电源，一台110/10.5kV主变压器，一台Z型接地变压器(通过开关引出小电阻和消弧线圈)，一组并联补偿电容器，8条馈线，分支末端均带10/0.4kV的配电变压器。中性点接地方式可通过接地变引出开关实现不同接地方式的仿真模型。

在MATLAB中搭建模型进行仿真分析不同接地方式下，发生单相接地短路故障时，配电网电压电流的变化特性，以及参数及保护配置策略。

S210，消弧线圈接地系统补偿容量扩容分析。

在一些示例中，在所述消弧线圈接地系统补偿容量扩容分析中，即步骤S210中，包括：S211-S213。

S211，消弧线圈扩容容量及安装布置方式分析。

S212，消弧线圈的扩容后整定及扩容消弧线圈与主消弧线圈协调控制配合方式分析。

S213，针对给定的变电站和用户模型，开展配网消弧线圈集中式扩容和用户侧或开闭所分散式扩容分析。

S220，小电阻接地方式下的设备参数及选型分析。

上述设备包括小电阻、变压器、电流互感器等。

具体地，对小电阻接地方式下配电网故障电压、电流特性开展计算研究，并基于该研究结果计算短路电流热效应和导体电动力，分析配电网一次设备的热稳定性和动稳定性，并据此提出配电网的一次设备(包括：小电阻、变压器、电流互感器、高压断路器、隔离开关等)的选型方案。通过仿真平台验证小电阻接地方式对一次设备运行稳定性的影响。

S230，小电阻接地方式的继电保护配置及保护控制策略分析。

在一些示例中，在所述小电阻接地方式的继电保护配置及保护控制策略分析中，即步骤S230中，包括：S231-S232。

S231，小电阻接地方式下，接地故障零序过流多段式保护的过流越限定值计算依据及整定，各段保护的延时以及与其他保护的配合问题分析。

S232，小电阻接地方式下配电网零序过流保护策略分析。

具体地，考虑不同接地故障情况下，如金属性接地、间歇性弧光接地、高阻接地等情况下，零序过流保护的多段式保护策略。

结合继电保护整定配置方法，通过仿真平台验证继电保护方法的选择性、速动性、灵敏性和可靠性。

继电保护整定配置、接地方式对配电网可靠性分析及选择策略全局化仿真验证。

S300，不同接地方式对配网可靠性影响及选择策略分析。

在一些实施例中，在所述不同接地方式对配网可靠性影响及选择策略分析中，即步骤S300中，包括：S310。

S310，结合仿真验证结果，给出不同接地方式对配网可靠性影响及选择策略研究报告。

上述研究报告内容包括对应典型实例所采取的接地方式的优缺点、最终选取的接地方案、实施接地方案对一二次设备改进措施、典型实例电网中继电保护配置及整定方案确定等内容。

本发明采用新的评价体系，主要以电缆化比例、电容电流水平为基础，综合考虑供电可靠性、负荷重要程度、电网发展的趋势、人员安全、技术装备水平、设备成本、运维维护、网架结构等多种因素，提出中性点接地方式选择原则，构建不同接地方式对配网可靠性影响及选择策略。

S400，不同接地方式下故障支路故障选线及快速故障切除分析。

在一些实施例中，在所述不同接地方式下故障支路故障选线及快速故障切除分析中，即步骤S400中，包括：S410-S420。

S410，在单相接地时，对不同接地方式下故障支路故障选线算法性能分析。

其中，故障支路故障选线算法包括：暂态法、人工智能学习特征库、零序电流横向波动监测法等。

S420，分析选线后跳闸策略。特别是高阻接地故障时，故障支路的快速选线切除，同时考虑快速故障切除跳闸与线路重合闸，合于故障后加速配合等问题。

通过相关理论、大量的模型仿真以及运行经验表明：

随着电缆数量的增多，引起了单相接地电容电流的增大，采用中性点不接地(如图2所示)运行方式的10kV城市配电网将逐步被淘汰已成为必然趋势。

经消弧接地的自动跟踪补偿系统经实践证明补偿效果好，单相接地故障时仍可继续运行，供电可靠性较高，有利于保障用户的不间断供电，但是随着配网规模及电缆线路的增加，目前原有消弧线圈容量不能满足要求，面临扩容及改造需求。

中性点经小电阻接地与线路零序保护配合，可准确地查找出故障线路并迅速切除。在以电缆线路为主的城市配网中，这一特点避免了为寻找接地故障线路而进行的大量的拉、合闸操作。

初步来看，对于中压城市配电网(架空线和电缆混合)，当电容电流较小，以架空线路为主时，应采取消弧线圈接地，如图3所示；当电容电流较大，以电缆线路为主时时，应采取小电阻接地，如图4所示。但通过深入分析表明，中性点方式的选择属于一个综合性问题，无论采用什么接地方式，其原则都应该是立足于抑制单相接地时的故障电流且努力保证整个系统供电的可靠性。

对于不接地、消弧线圈接地和小电阻接地三种情况各有优劣，关键要与所在电网的实际情况相结合，寻找最合适的接地方式，因此应根据所处地区电网的结构、电容电流水平、电缆化比例、负荷重要程度等因素选择适应实际情况的接地方式，再根据电网发展的趋势，适时做出调整，满足运行及供电可靠性的需求。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。