李仲铭
广州南方电力集团科技发展有限公司 广东广州 510000
摘要: 配电网发生单相接地故障时，由于接地电流很小，加之故障情况复杂，因此其选线方法需要加以重视。基于此，本文以10kV架空线－电缆混合线路为例，建立锁相环的小信号模型，利用锁相环将波形中的五次谐波进行锁定，通过Simulink仿真试验表明，该方法具有可行性。
关键词：配电网；单相接地故障；五次谐波；锁相环
引言
配电网是连接电网与用户的重要部分，其运行的稳定性与安全性与人们的生活有着密切的联系，对促进社会的发展与经济的发展有着重要作用。在我国，配电网一般采用中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的工作方式，故障也有很多类型，其中单相接地故障占电网中所有事故的90%以上。当系统发生单相接地故障时，接地电流很小、馈线树木较多，加之故障特征有时不明显，给故障检测带来了较大的困难，因此必须要重视单相接地故障选线方法。为了提高供电可靠性和确保电网安全稳定运行，研究高效、准确、可靠的单相接地故障选线方法尤为重要。基于此，本文就配电网单相接地故障选线方法进行研究。
1.五次谐波选线原理
当电网中发生不对称故障时，会产生各次谐波。其中奇数次谐波含量较大，谐波含量会随谐波频率的增大而减小，由于三次谐波会在变压器角形连接中构成环流，因此不会流入电力系统，从而五次谐波在系统中的含量最大[1]。
在中性点经消弧线圈接地时，消弧线圈对五次谐波的补偿作用较弱，所以当该系统发生单相故障时常采用检测五次谐波的方法。假设第j条线路发生故障，故障相为A相，则各条线路中的电流为:
非故障线路i:
通过以上公式可知，当线路发生单相接地故障时，故障线路的五次谐波分量要大于非故障线路，且故障线路的五次谐波的幅值要大于其他非故障线路五次谐波幅值之和。此外，在故障线路中，零序电流要滞后于其零序电压90°。而非故障线路的零序电流超前于零序电压90°，因此，也可以通过比较两者的相位来选线。
2.锁相环的工作原理
2.1经典锁相环工作原理
经典锁相环的结构如图1所示。当故障电流信号加在锁相环时，锁相环会对振荡器的频率进行自主调节，直至与线路五次谐波的信号同频率并且在相位上保持同步，对五次谐波进行锁定[2]。
(1)鉴相器
鉴相器的作用是对于各个输入信号的相位进行对比。将输入信号进行相位作差，并以输出电压来反映两信号的差值大小，最后以输出电压极性来反映两信号相位的超前、滞后关系，从而将信号的相位差转变为了电压的大小。
图1经典锁相环构
(2)环路滤波器
环路滤波器可以对锁相环输出中的高频信号进行过滤，从而得到对系统有利的信号，最后输出给压控振荡器，实现了锁相环性能的提高。
(3)压控振荡器
在对锁相环进行设计和研究的过程中，压控振荡器是较难理解的一个环节。首先将通过环路滤波器过滤后的信号uf(t)传输至压控振荡器，通过控制压控振荡器的频率使其与输入信号的频率逐渐趋近，最后二者将达到同频。通过上述处理，使得出口信号与入口信号在相位上取得某种联系，从而实现相位的锁定。
2.2改进型锁相环工作原理
目前在电网中，锁相环的使用已经非常广泛，但是在信号输入锁相环之前都需要对该信号进行提前处理[3]。而这使得信号无法马上接触到锁相环，从而影响到选线的实时性。对于以上出现的问题，本文对传统的锁相环进行了改进如图2所示。在结构上将改进后的锁相环分为三个部分，即:输入部分、相位调整部分及幅值调整部分。这种锁相环可直接提取采集来的信号的幅值与相位等有用信息，进而实现对电网信号的跟踪和提取。
图2改进型锁相环结构图
2.2.1改进型锁相环的结构
(1)输入部分
上图中的输入是通过一个减法器来实现。将输入结果ui和输出结果y作差。将差值e作为下一模块的输入信号。
(2)相位调整部分
相位调整部分由三个模块构成，分别为:环路滤波器，乘法器以及压控振荡器。压控振荡器又是有三个模块构成的，分别为:加法器，比例控制器以及积分电路。首先信号e与压控振荡器出口处的信号uo1共同输入到锁相环中，经过锁相环处理后，得到信号ud1。信号ud1通过环路滤波器，输送出信号uo1，该信号被直接输入压控振荡器，最终信号的相位变化90°得到uo2。
(3)幅值调整部分
由图2可知，调整控制电路由三部分组成，分别为积分控制器以及乘法器2，3。将压控振荡器出口处的电压uo2作为乘法器2的输入，其输出信号又成为了积分电路模块的输入。
(4)输出信号
经模块的出口得到的信号具有相位信息，处理该信号并将其相位改变90°得到uo2。定义积分模块出口量A和y，A为该系统提取出的信号的最大值，y为提取出的信号。
2.2.2改进型锁相环的数学模型
以普通正弦信号为例对改进后的锁相环进行性能分析。设输入信号:
(2)积分控制器。其功能可用来表示。
(3)乘法器3。其作用表达式为y=Km3Auo2，式中Km3为该乘法器的增益系数。
通过乘法器2与积分环节将uo2的非线性部分滤除，因此只需对幅值进行计算。将幅值计算的数学模型表示为:
Uy(s)=Kd3A(s)(20)
其中Kd3=Km3Uo。
3.算例仿真
用MATLAB/Simulink对系统进行了仿真，验证改进锁相环检测五次谐波对故障选线的可行性。仿真电路如图3所示，其中L1为架空线路，L2为电缆线路，L3为架空线－电缆混合线路。线路参数如表1所示。
3.2中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障
在该系统中，假设线路L1发生故障，利用锁相环得到各条线路零序电流五次谐波分量如下图所示。
从图中可以看出中性点经消弧线圈接地与中性点不接地系统中五次谐波分量情况相似，说明基于改进锁相环的五次谐波分量法不受消弧线圈影响。其中，第一条线路的五次谐波幅值最大，大于后两条线路之和，而且相位与后两条线路相反。因此可以判定第一条线路为故障线路。
4.结论
综上所述，配电网系统具有复杂的结构，做好单相接地故障选线工作十分重要，其关系到人们的生产生活与社会的发展。在本研究中，首先建立了锁相环和小电流接地系统数学模型，通过研究五次谐波选线原理确定选线方案:在与母线连接的每条线路上安装一个锁相环，对线路五次谐波进行锁定；并采用Simulink建立架空线－电缆混合线路模型，对基于锁相环的五次谐波法进行验证。结果表明：本方法在小电流接地系统故障选线中都适用，不受消弧线圈的影响。
参考文献：
[1] 姜博, 董新洲, 施慎行. 配电网单相接地故障选线典型方法实验研究[J]. 电力自动化设备, 2015, 35(11):67-74.
[2] 柏杨. 配电网单相接地故障选线方法的研究[D]. 三峡大学, 2013.
[3] 吴乐鹏. 配电网单相接地故障选线与定位方法的研究[D]. 湖南大学, 2012.
论文作者:李仲铭
论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期
论文发表时间:2018/11/2
标签：谐波论文; 信号论文; 故障论文; 锁相环论文; 相位论文; 单相论文; 线路论文; 《防护工程》2018年第15期论文;