CN102904229A - 一种基于二次侧阻波器的配电网边界保护方法 - Google Patents

一种基于二次侧阻波器的配电网边界保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电力系统的保护方法，具体涉及一种利用二次阻波器改变线路边界参数实现线路全线速动保护的方法。该方法针对基于工频分量的时限配合式继电器无法满足网络快速性、选择性的要求，通过在配电线路边界开关处加入暂态保护专用电流互感器，在其二次侧串接阻波器，相当于在配电线路边界处接入“等效阻波器”，利用二次阻波器改变线路边界的折射系数和反射系数，形成对阻波频带内的故障行波的衰减作用，达到各边界处保护装置根据故障行波差异自动识别故障区段的目的，提高了暂态保护装置的可靠性。本发明在不改变配电线路原有接线的基础上，强化区内、外故障行波的差异，实现配电网的全线速动保护。

Description

一种基于二次侧阻波器的配电网边界保护方法
技术领域
本发明涉及一种电力系统的保护方法，具体涉及一种利用二次阻波器改变线路边界参数实现线路全线速动保护的方法。
背景技术
目前配电网络的全线速动保护主要基于工频分量原理实现，暂态量保护主要在小电流接地选线装置中得到应用。显然，基于暂态量的保护原理也为配电网络继电保护方案的优化与改进提供了新的思路，为实现具有全线速动的配电网边界保护提供了可能。
边界保护成立的基本条件是暂态分量在故障区段的边界两侧存在明显差异，以构成可靠的保护判据。因此，通过在各区段边界处串联一定频带的阻波器，将相应的高频行波信号限制在故障区内，从而形成区段保护判据，是实现配电网边界保护的最有效手段。但是，对于配电网络而言，当线路分段较多时，在馈线上串接阻波器会使得一次系统过于复杂，而且安装阻波器等设备也带来了成本上的增加。至于在区段边界处并联高频谐振装置，以加强边界两侧相应频带暂态信号成分差异的方法，由于也涉及到对电网一次系统的改造，而且电网电压等级越高其安全性就越差，实现起来较为困难。
由于边界保护方案一般要求在被保护线路两端装设阻波器，从而提升故障高频分量在区内、外的衰减效果，使之作为可靠的保护判据。因此，鉴于配电网络结构的复杂性，寻求一种在不需要改变电力线路结构基础上的边界保护实现方案是非常必要的。
发明内容
本发明针对配电网络采用传统方法实现边界保护会使得电网一次系统过于复杂和成本增加的问题，提出一种不改变电力线路结构的新的技术方案。
本发明的技术方案如下：
在配电线路两端边界处的专用电流互感器的二次侧接入阻波器，按照如下步骤进行故障的判断与相应操作：
(1)实时监测线路行波信号，若其发生突变，则启动下述的故障判断程序；
(2)计算信号的模极大值，判断模极大值是否越限以确定故障发生时刻；
(3)提取故障时间段内各频段的高频和低频行波信号；
(4)计算高频段信号能量PdH和低频段信号能量PdL；
(5)计算高频段信号能量和低频段信号能量之比lp＝PdH/PdL，以此作为能量比例判据；
(6)若lp>lset，则线路发生区内故障，否则为区外故障；
(7)延时判断故障是否依然存在，若存在则发出跳闸指令，否则返回步骤(1)。
其中，采用对高频信号具有良好动态响应的Rogowski式电流互感器作为所述专用电流互感器。
阻波器的选择并不局限于传统的阻波器类型，可根据电网情况选择阻波器的类型和参数以获得最敏感频率区段。
步骤(2)中计算信号的模极大值采用正交小波变换的方法。
步骤(4)中计算信号能量采用db4小波变换的方法；PdH为小波提取二次阻波频带内故障行波的信号能量，实际高频频段可以根据不同线路情况进行调整选取；PdL为故障行波频段为1kHz到10kHz故障行波信号能量；选定近母线区外故障稳定不动作的能量比例作为保护整定数值lset。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过在配电线路边界接入二次阻波器以改变线路的边界特性，不需要改变电力系统配电网线路原有的基本结构，能够简单可靠地为实现全线速动保护提供边界条件。
(2)本发明中选择Rogowski式电流互感器作为接入二次阻波器的专用电流互感器，Rogowski式电流互感器对高频信号有良好的动态响应，避免了传输高频行波信号的饱和，保证了二次侧阻波器阻抗等效至一次侧阻抗的高频信号传输特性。
(3)本发明中阻波器并不局限于传统的阻波器类型，可以根据实际情况选择阻波器的类型和参数以获得最敏感频率区段，以及针对不同接线配电网络调整对应阻波器参数获得相同的保护整定值。
附图说明
图1为基于二次侧阻波器的配电网边界保护结构示意图；
图2为阻波器的细节图；
图3为本发明具体实施软件流程图；
图4用本发明仿真获得区内外故障行波信号各频段波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
基于二次侧阻波器的配电网边界保护方法的结构示意图如图1所示，图2是图1中阻波器Trap3的放大图。
在配电网络各线路段两端边界处的专用电流互感器的二次侧串接阻波器，形成区段故障行波信号差异，为区分区内外行波信号提供边界条件。如图1所示，以其中NP段的保护系统配置为例进行说明。实际电网的每台开关中一般装设有供保护、测量用的两组铁芯式电流互感器。在配电线路两端边界处采用对高频信号具有良好动态响应的Rogowski式电流互感器作为专用电流互感器，能够避免传输高频行波信号的饱和，保证二次阻波器阻抗等效至一次侧阻抗的高频信号传输特性。对靠近母线N、P侧的专用电流互感器的二次侧进行改造，分别接入阻波器Trap3、Trap4，对应的阻抗分别为Z3、Z4，假设Z3、Z4折算到专用电流互感器的一次侧后的等效阻抗分别为Z3'、Z4'，则根据阻抗等效原理，相当于在线路NP的两端分别串入了两个等效阻波器Z3'、Z4'。显然，Z3'、Z4'与Z3、Z4的幅频特性一致。在一定的频带（尤其是阻波器的阻波频带）内，阻波器阻抗将明显不等于配电线路的波阻抗，从而形成线路波阻抗的不连续点，可以认为是“线路边界”。
在以上电路改造的基础上，本发明实现配电网全线速动保护的具体实施流程如图3所示。具体为：
(1)各边界处暂态保护装置实时监测线路暂态行波信号，若该信号发生突变，则启动下述的故障判断程序。
(2)通过正交小波变换计算模极大值，判断模极大值是否越限。
(3)若模极大值越限，则利用该值确定故障发生时刻，然后提取故障时间段内各频段的高频和低频行波信号。
(4)对提取的行波信号进行db4小波变换，并计算高频段能量PdH和低频段信号能量PdL。其中，PdH为db4小波提取二次阻波频带内故障行波信号能量，实际高频频段可根据不同线路情况进行调整选取；PdL选取故障行波频段为1kHz-10kHz信号能量；
(5)计算lp＝PdH/PdL，以此作为能量比例判据；
(6)若lp>lset，则判断线路发生区内故障，否则为区外故障；其中，lset作为保护整定
值，以近区外故障稳定不动作的能量比例判据作为选择原则。
(7)延时判断故障是否依然存在，若存在则发出跳闸指令，否则返回步骤(1)。
结合本发明方法，使用PSCAD/EMTDC软件搭建模型进行了仿真实验，系统频率为50Hz，电源电压为35kV，电源容量为10MVA，线路采用FD(frequency dependent)模型。模型仿真三段配电线路，M、N、P和Q为各段母线。电流互感器变比取1:100，MN、NP和PQ线路长度各为10km，母线对地等效电容取0.01uF，系统采样频率选300kHz，故障类型为A相接地，故障发生时刻为A相电压过零后30°，故障接地电阻大小为0.1Ω。
该发明中阻波器的选择并不局限于传统的阻波器类型，可根据实际情况选择二次阻波器的类型和参数以获得最敏感频率区段。本实施例中依据交流电力系统阻波器国家标准GB/T7330-2008选取阻波频带为40kHz-160kHz的阻波器，具体参数为：主线圈电感L1=0.2mH,调谐装置电容C1=19.78nF,C2=31.25nF,调谐装置电感L2=0.127mH,调谐装置电阻R=800Ω。对应线路边界二次阻波器参数设置应为：
主线圈电感为：
L1s＝L1/k2=0.0002H/0.0001=2H；
调谐装置电容为：
C1s=C1*k2=19.78nF*0.0001=1.978pF；
C2s=C2*k2=31.25nF*0.0001=3.125pF；
调谐装置电感为：
L2s＝L2/k2=0.000127H/0.0001=1.27H；
调谐装置电阻为：
R＝R/k2=800/0.0001=8MΩ。
以区内F1点和区外F2点发生单相接地故障为例，提取信号时间为故障后1ms。经过db4小波提取的各频段信号波形如图4示。在阻波频段内，区内外暂态信号不仅幅值差异比较明显，而且能量也存在明显差异。经过计算，区内外故障对应能量比例判据lp差异明显，基本在一个数量级以上，显然能够可靠地区分区内外故障。
在不同的故障类型、不同的故障时刻以及不同的故障接地电阻大小情况下进行大量仿真实验，按照图3流程提取故障行波信号进行分析，实验结果验证了本发明提出的保护方案在各种不同故障情况下均能可靠的区分区内和区外故障，具有良好的通用性。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于二次侧阻波器的配电网边界保护方法，其特征在于：所述方法在配电线路两端边界处的专用电流互感器的二次侧接入阻波器，按照如下步骤进行故障的判断与相应操作：
(1)实时监测线路行波信号，若其发生突变，则启动下述的故障判断程序；
(2)计算信号的模极大值，判断模极大值是否越限以确定故障发生时刻；
(3)提取故障时间段内各频段的高频和低频行波信号；
(4)计算高频段信号能量PdH和低频段信号能量PdL；
(5)计算高频段信号能量和低频段信号能量之比lp＝PdH/PdL，以此作为能量比例判据；
(6)若lp>lset，则线路发生区内故障，否则为区外故障；
(7)延时判断故障是否依然存在，若存在则发出跳闸指令，否则返回步骤(1)。
2.根据权利要求1所述的基于二次侧阻波器的配电网边界保护方法，其特征在于：采用对高频信号具有良好动态响应的Rogowski式电流互感器作为所述专用电流互感器。
3.根据权利要求1所述的基于二次侧阻波器的配电网边界保护方法，其特征在于：所述阻波器的选择并不局限于传统的阻波器类型，可根据电网情况选择阻波器的类型和参数以获得最敏感频率区段。
4.根据权利要求1所述的基于二次侧阻波器的配电网边界保护方法，其特征在于：所述步骤(2)中计算信号的模极大值采用正交小波变换的方法。
5.根据权利要求1所述的基于二次侧阻波器的配电网边界保护方法，其特征在于：所述步骤(4)中计算信号能量采用db4小波变换的方法。
6.根据权利要求1所述的基于二次侧阻波器的配电网边界保护方法，其特征在于：所述步骤(4)中的PdH为小波提取二次阻波频带内故障行波的信号能量，实际高频频段可以根据不同线路情况进行调整选取。
7.根据权利要求1所述的基于二次侧阻波器的配电网边界保护方法，其特征在于：所述步骤(4)中的PdL为故障行波频段为1kHz到10kHz故障行波信号能量。
8.根据权利要求1所述的基于二次侧阻波器的配电网边界保护方法，其特征在于：选定近母线区外故障稳定不动作的能量比例作为保护整定数值lset。
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