一种有源配电网接地装置的安全校核计算方法

本发明涉及一种有源配电网接地装置的安全校核计算方法，属于电气自动化领域。

背景技术：

配电网是连接大电网与电力用户的中间桥梁,其可靠、经济运行对整个电力系统稳定性有重要影响。有源配电网是指大量接入分布式电源、功率双向流动的配电网，又称主动配电网。目前，无源配电网正逐渐向有源配电网过渡，配电网的网架结构随之不断发生变化。有源配电网定期进行停电检修。检修人员在检修前，需要在工作点(即检修点)一侧加装接地装置，以保证维修人员的安全。其中，接地装置是指埋设在地下的接地电极与由该接地电极到设备之间的连接导线的总称，包括接地线、线夹等部件。

但现有的接地装置校核方法没有随配电网网架结构变化而随之调整，仅通过奥迪道克公式按照不熔断的原则对接地线的耐受电流进行校核，从而选取接地线截面积。没有考虑到电网短路容量增大、工作点残压、双向潮流等问题，存在一定安全隐患。因此，亟要一种适用于有源配电网的接地装置校核计算方法。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种有源配电网接地装置的安全校核计算方法，基于有源配电网现状，提出了接地装置的校核方法，维修人员能根据本专利所述方法灵活寻找最优、最安全的接地保护措施。

本发明的技术方案如下：

一种有源配电网接地装置的安全校核计算方法，包括如下步骤：

s1、获取有源配电网的参数和拓扑结构；

s2、基于奥迪道克公式，计算得到对于不同截面积的接地线，接地线耐受电流与线路开关保护动作时间的函数关系；

s3、根据有源配电网的拓扑结构，计算工作点的最大短路电流；

s4、利用所述函数关系，根据工作点所处线路的开关保护动作时间，选取一满足条件的接地线截面积；所述条件为接地线耐受电流大于所述最大短路电流；

s5、根据所述参数和接地线截面积，计算工作点的单相残压和三相残压；若单相残压和三相残压均低于人体安全电压，则选取的接地线截面积通过安全校核；否则，跳转至步骤s4，重新选取接地线截面积。

进一步的，根据接地线截面积的安全校核结果，确定接地线的使用措施。

进一步的，所述奥迪道克公式为：

式中，s为接地线截面积；ik为接地线的耐受电流；t为线路的开关保护动作时间；c为接地线材料的热稳定系数。

进一步的，所述步骤s3具体为：

计算有源配电网中各分布式电源向工作点提供的三相短路电流；

计算有源配电网连接的大电网向工作点提供的三相短路电流；

若接地线位于各分布式电源的上游，则取各分布式电源向工作点提供的三相短路电流之和、大电网向工作点提供的三相短路电流中的最大值为工作点的最大短路电流；若接地线位于各分布式电源的下游，则取各分布式电源向工作点提供的三相短路电流之和、大电网向工作点提供的三相短路电流的叠加值为工作点的最大短路电流。

进一步的，所述步骤s5中三相残压的计算公式如下：

ures3＝kug+idg(rx+rt)

式中，ug为所述大电网的电源电压；k为分压系数，k＜1；idg为各分布式电源向工作点提供的三相短路电流之和；rx为接地线短路电缆电阻；rt为线夹接触电阻。

进一步的，所述步骤s5中单相残压的计算公式如下：

式中，ik表示接地线的单相接地电流；ρ为土壤的电阻率；zg为接地线接地电阻；x为工作点与接地线之间的距离。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明考虑到了有源配电网中的双向潮流，选取工作点上下游能对工作点提供的三相短路电流最大值为最大短路电流，能有效保证接地线的可靠性，进而保证维修人员的安全。

2、本发明在校核接地线截面积时，考虑到工作点的单相残压和三相残压，有效保证维修人员安全。

3、本发明提供了有源中压配电网和有源低压配电网中工作点最大短路电流以及残压的具体计算方法，为校核接地装置提供数据支撑，保证在实际有源配网运行检修中能够快速选用合理、可靠、安全的接地装置，进而保护检修人员的人身安全。

4、本发明基于有源配电网现状(双向潮流、工作点存在残压)，提出了接地装置的校核方法，维修人员能根据本专利所述方法灵活寻找最优、最安全的接地保护措施。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为实施例三流程图；

图3为不同截面积下，接地线耐受电流与线路开关保护动作时间的函数关系图；

图4为有源中压配电网的拓扑结构示意图；

图5为有源低压配电网的拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

实施例一

如图1所示，一种有源配电网接地装置的安全校核计算方法，包括以下步骤：

s1、获取有源配电网的拓扑结构和参数。

s2、基于奥迪道克公式，计算得到不同截面积下，接地线耐受电流与线路开关保护动作时间的函数关系，得到函数关系图(如图3所示)。其中，线路开关保护动作时间为一固定值，配电网中不同线路的开关保护动作时间不同。

s3、根据有源配电网的拓扑结构，计算工作点的最大短路电流；

s4、根据工作点所处线路的开关保护动作时间，在满足接地线耐受电流大于所述最大短路电流的条件下(即不熔断原则)，在函数关系图中选取一尽可能小的截面积。

s5、根据所述参数和接地线截面积，计算工作点的单相残压和三相残压，若单相残压和三相残压均低于人体安全电压，则选取的接地线截面积通过安全校核；否则，跳转至步骤s4，重新选取一较大的接地线截面积直至选取到接地线截面积的最大值。

s6、根据截面积的校核结果，确定接地线的使用措施。

由计算单相残压和三相残压的公式知，单相残压、三相残压分别随接地线的短路电缆电阻、线夹接触电阻增大而增大。而短路电缆电阻、线夹接触电阻均随着接地线截面积的增大而降低，按照电力行业dl-t879-2004技术规定，对于截面面积为16mm²，25mm²，35mm²，50mm²，70mm²，95mm²，120mm²的各接地线，平均每米的电阻值应分别小于1.24mω，0.79mω，0.56mω，0.40mω，0.28mω，0.21mω，0.16mω。故，需要选取一足够大的截面积，以保证单相残压和三相残压均低于人体安全电压。

而在个别情况下(如在配变出口端进行检修)，即使选取的接地线截面积达到其施工规范下的最大值(如120mm²)，截面积仍无法通过安全校核。则维修人员采用如将接地线并接或挂接多重接地线等多种使用措施来保证安全。

本发明基于有源配电网现状，提出了接地装置的校核方法，维修人员能根据本专利所述方法灵活寻找最优、最安全的接地保护措施(即接地线截面积、接地线使用措施)。同时在校核接地线截面积时，考虑到工作点的单相残压和三相残压，有效保证维修人员安全。

实施例二

进一步的，步骤s3具体为：

计算有源配电网中各分布式电源向工作点提供的三相短路电流。

计算有源配电网所连接的大电网向工作点提供的三相短路电流。

若接地线位于各分布式电源的上游，则取各分布式电源向工作点提供的三相短路电流之和、大电网向工作点提供的三相短路电流中的最大值为工作点的最大短路电流。

若接地线位于各分布式电源的下游，则取各分布式电源向工作点提供的三相短路电流之和、大电网向工作点提供的三相短路电流的叠加值为工作点的最大短路电流。

由于接入了多个分布式电源，有源配电网中会出现双向潮流，即工作点上下游方向都有可能来电。本实施例的进步之处在于，考虑到了有源配电网中的双向潮流，选取工作点上下游能对工作点提供的三相短路电流最大值为最大短路电流，能有效保证接地线的可靠性，进而保证维修人员的安全。

实施例三

参见图2，一种有源配电网接地装置的安全校核计算方法，包括如下步骤：

s1、获取有源配电网的拓扑结构及参数。拓扑结构包括有源配电网中接入的各电力设备(如分布式电源等)及各电力设备之间的连接方式等。参数包括有源配电网所连接大电网的短路容量(短路容量表征电力系统供电能力强弱，用于计算大电网阻抗)、中性点接地方式(中性点直接接地的电网系统为小电流接地系统，中性点经小电阻接地的电网系统为大电流接地系统)、线路参数(有源配电网中线路长度、类型(各类型线路的阻抗、容抗不同))、分布式电源参数、线路的开关保护动作时间等。

s2、根据奥迪道克公式，计算得到16mm2、25mm2、35mm2等各截面积等级的接地线的耐受电流与线路开关保护动作时间的函数关系图，如图3所示。

奥迪道克公式为：

式中，s为接地线截面积；ik为耐受电流(即流过接地线的短路电流值)；t为线路的开关保护动作时间；c为接地线所用材料的热稳定系数。

s3、根据有源配电网的拓扑结构，计算工作点的最大短路电流：

计算有源配电网中各分布式电源三相短路电流：

根据与配电网的并网方式不同，分布式电源大致可以分为旋转电机型分布式电源和逆变型分布式电源。

旋转电机型分布式电源向工作点提供的三相短路电流计算公式：

式中，un、xd”分别为旋转电机型分布式电源的出口电压、次暂态阻抗。

逆变型分布式电源向工作点提供的三相短路电流计算公式：

式中，sdg、udg分别为逆变型分布式电源的额定容量、额定电压。

计算有源配电网连接大电网向工作点提供的三相短路电流，由于有源中压配电网和有源低压配电网中电流流经设备不同(有源中压配电网可视作有源低压配电网的一部分，有源低压配电网还包括有电流流经配电变压器后的部分)，分为以下两种情况：

有源中压配电网中，计算大电网向工作点提供的三相短路电流if0的公式如下：

式中；zxi为旋转电机型分布式电源lxi到其上游前一节点之间线路的阻抗值；znj为逆变型分布式电源lni到其上游前一节点之间线路的阻抗值；zf1为工作点到上游前一节点之间线路的阻抗值；xs为大电网的阻抗；ib为有源中压配电网的基准电流。

对有源低压配电网进行检修时，由于大电网、分布式电源错误发送的电流会经过配电变压器的转换(有源中压配电网进行检修时，错误发送的电流在到达工作点前，不会经过配电变压器)，计算大电网向工作点提供的三相短路电流if0要多考虑配电变压器的存在(即需要考虑配电变压器阻抗、变比、接地电阻等因素)，公式如下：

式中,zxi为旋转电机型分布式电源lxi到其上游前一节点之间线路的阻抗值；znj为逆变型分布式电源lni到其上游前一节点之间线路的阻抗值；zf2为配电变压器到上游前一节点之间线路的阻抗值；zf3为工作点到配电变压器之间线路的线路阻抗值；xs为大电网的阻抗；zt、u2n/u1n分别为配电变压器的阻抗、变比。

其中，大电网阻抗xs计算公式为：

式中：ug为大电网的电源电压，sc为大电网的短路容量。

若接地线位于各分布式电源的上游，则取各分布式电源向工作点提供的三相短路电流之和、大电网向工作点提供的三相短路电流中的最大值为工作点的最大短路电流。

若接地线位于各分布式电源的下游，则取各分布式电源向工作点提供的三相短路电流之和、大电网向工作点提供的三相短路电流的叠加值为工作点的最大短路电流。

s4、根据所述最大短路电流和工作点所处线路的开关保护动作时间，在函数关系图(图3)中确定一点(即图中红点)。在满足接地线耐受电流大于所述最大短路电流的条件下，选取尽可能小的截面积。如，图中红点位于35mm2截面积线和50mm2截面积线之间，则选取接地线的截面积为50mm2。

s5、根据所述参数和接地线截面积，计算工作点的单相残压和三相残压：

根据所述接地线截面积查阅电力行业dl-t879-2004技术规定，得到接地线的线夹接触电阻rx、接地线短路电缆电阻rt。

计算工作点处的三相残压，公式如下：

ures3＝kug+idg(rx+rt)

式中，ug为有源配电网连接的大电网的电源电压；k为大电网对工作点的分压系数，k＜1；idg为各分布式电源向工作点提供的三相短路电流之和；rx为接地线短路电缆电阻；rt为线夹接触电阻。

计算工作点的单相残压，公式如下：

式中，ik表示接地线的单相接地电流；ρ为土壤的电阻率；zg为接地线接地电阻；x为工作点与接地线之间的距离。

其中，单相接地电流ik的计算方式为：

若有源配电网为大电流接地系统,即中性点经小电阻接地，则

式中，为接地点的开路电压，为分布式电源的等效电压源，z∑(1)、z∑(2)、z∑(0)为有源配电网等效正序、负序、零序阻抗，ib为有源配电网的基准电流。

若有源配电网为小电流接地系统，即中性点直接接地，则

式中，uφ为有源配电网的相电压，c∑为有源配电网中输电线路总电容，l为消弧线圈电感。

若单相残压和三相残压均小于人体安全电压，则选取的截面积通过安全校核；否则，跳转至步骤s4，重新选取一较大的截面积。

根据截面积的校核结果，确定接地线的使用措施，如多重接地线来减小短路电流和工作点的残压。

本实施例的有益效果在于，提供了有源中压配电网和有源低压配电网中工作点最大短路电流以及残压的具体计算方法，为接地装置提供校核计算方法，保证在实际有源配网运行检修中能够快速选用合理、可靠、安全的接地装置，进而保护检修人员的人身安全。其中在计算三相短路电流时，考虑到了由于分布式电源的接入使得系统短路容量增大，提高了工作点最大短路电流的计算准确度。

实施例四

如图4所示,对有源中压配电网进行检修，有源中压配电网中包括大电网g1、m+n个旋转电机型分布式电源lxi；(0≤i≤m+n)、p+q个逆变型分布式电源lnj(0≤j≤p+q)、配电变压器。其中，zxi表示lxi到其上游前一节点之间线路的阻抗值(如图4中zx2表示lx2到lx1之间线路的阻抗值)；znj表示lnj到其上游前一节点之间线路的阻抗值(如图4中zn2表示ln2到ln1之间线路的阻抗值)；zf1为工作点到其上游前一节点之间线路的阻抗值；kf1、kf2为开关。

在工作点f1不远端挂接地线1，若kf1误动(kf1误动表示：在检修过程中，开关kf1由于装置、人为等原因出现误操作，导致电源突然错误送电，危及检修人员安全)，则工作点f1上游(即g1、lxi(0≤i≤m)、lnj(0≤j≤p))三相短路电流if∑up计算如下：

式中，if0为大电网向工作点处提供的三相短路电流；ifxi为旋转电机型分布式电源向工作点处提供的三相短路电流；ifnj为逆变型分布式电源向工作点处提供的三相短路电流；zxi为旋转电机型分布式电源lxi到其上游前一节点之间线路的阻抗值；znj为逆变型分布式电源lnj到其上游前一节点之间线路的阻抗值；zf1为工作点到其上游前一节点之间线路的阻抗值；xs为大电网g1的阻抗，ib为有源配电网的基准电流；un、xd”分别为旋转电机型分布式电源的出口电压、次暂态阻抗；sdg、udg为逆变型分布式电源的额定容量、额定电压。

若kf2误动，则工作点f1下游(lxi、lnj(m≤i≤m+n)、lnj(p≤j≤p+q))三相短路电流if∑down计算如下：

式中，ifxi为旋转电机型分布式电源向工作点处提供的三相短路电流；ifnj为逆变型分布式电源向工作点处提供的三相短路电流；zxi、znj、zf1、zc分别为旋转电机型分布式电源lxi、逆变型分布式电源lnj、配电变压器、线路末端到上游前一节点之间线路的阻抗值；xs为大电网的系统阻抗；ib为有源配电网的基准电流；un、xd”分别为旋转电机型分布式电源的出口电压、次暂态阻抗，sdg、udg分别为逆变型分布式电源的额定容量、额定电压。

在本实施例中，假设单个接地线截面积无法通过安全校核，则在工作点f1一侧挂接地线1和接地线2。并假设kf1误动，计算得到接地线1和接地线2上三相短路电流为：

式中，rx1、rt1分别为接地线1的短路电缆电阻、线夹接触电阻；rx2、rt2分别为接地线2的短路电缆电阻、线夹接触电阻；z12为接地线1和接地线2之间的线路阻抗，if∑up为工作点f1上游的三相短路电流。

计算单相残压为：

式中，zg2为接地线2的接地电阻；zg1为接地线1的接地电阻；z12表示两个接地线之间的线路阻抗；ik表示接地线1处的单相接地电流；ρ为土壤的电阻率；x为工作点与接地线之间距离。

本实施例的进步之处在于，在单个接地线无法通过校验的情况下，维修人员可使用挂接多重接地线等方法来完成接地保护，并利用本发明所述残压计算方法再次进行校验，保证工作点的残压低于人体安全电压，进而保证维修人员安全。

实施例五

如图5所示：对有源低压配电网进行检修，在工作点f2不远端挂接地线3检修，假设kf1误动，计算得到接地线3上三相短路电流如下：

式中，zxi为旋转电机型分布式电源lxi到其上游前一节点之间线路的阻抗值；znj为逆变型分布式电源lni到其上游前一节点之间线路的阻抗值；zf2为配电变压器到上游前一节点之间线路的阻抗值；zf3为工作点到配电变压器的线路阻抗值；xs为大电网的阻抗；zt、u2n/u1n分别为配电变压器的阻抗、变比；un、xd”分别为旋转电机型分布式电源的出口电压、次暂态阻抗；sdg、udg为逆变型分布式电源的额定容量、额定电压。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。