CN103728537B

CN103728537B - 一种无电压死区的故障方向判别系统及判别方法

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Publication number: CN103728537B
Application number: CN201310723349.3A
Authority: CN
Inventors: 黄仁谋; 吴伟明; 袁欢; 黄立毅; 余新; 张保会; 郭丹阳; 郝治国; 张金华; 原博
Original assignee: Xian Jiaotong University; Hainan Power Grid Co Ltd
Current assignee: Xian Jiaotong University; Hainan Power Grid Co Ltd
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2033-12-24
Also published as: CN103728537A

Abstract

一种无电压死区的故障方向判别系统及判别方法，该系统包括依次连接的故障分量提取单元、背侧阻抗计算单元以及判别与发令单元；其方法为：首先故障分量提取单元提取保护安装处的电压及电流故障分量；然后背侧阻抗计算单元利用电压及电流故障分量计算得到保护的背侧阻抗，用以判别故障方向；最后由判别及发令单元判别故障方向：若背侧阻抗为正，则判定故障为正方向故障，若背侧阻抗为负，则判定故障为反方向故障，并发出闭锁命令；测试结果表明，这种利用基于背侧阻抗计算的故障方向判别系统能够准确判别故障方向，且不存在电压死区，不受分布式电源接入及过渡电阻的影响。

Description

一种无电压死区的故障方向判别系统及判别方法

技术领域：

本发明属于电力系统方向性保护领域，具体涉及一种无电压死区的故障方向判别系统及判别方法。

背景技术：

新能源（含间歇式能源）并网给电力系统运行以及传统的电力系统理论方法和技术体系带来挑战。含多类型新能源的弱互联区域电网中多类型新能源发电装置提供的短路电流可能会超过系统侧提供的短路电流，在进行电网设备选择、校验和继电保护配置、整定时，需考虑多类型新能源发电装置影响。基于传统电力系统故障特性继电保护的动作特性将难于满足要求，诸如在含分散式风电电源的配电网保护系统中，若风电接入点相邻馈线发生短路故障，由于风电电源提供的助增电流影响，将可能导致风电接入点上游的保护反向误动。因此，研究在现代电力系统保护装置中假装方向元件来避免保护的反向误动问题，是具备实际需求和长远意义的。

分布式能源的接入使原有单电源辐射型配电网变为双端电源或多端电源供电的复杂网络，由此带来的故障电流方向的不唯一性，可能导致保护的误动。目前，传统的方向性保护是在保护上增设一个功率方向闭锁元件，该元件当短路功率方向由母线流向线路时动作，相反时闭锁保护。但是，此短路功率的方向取决于保护安装处电流、电压的相位关系，在三相短路时存在电压死区，且其特性受故障点过渡电阻的影响，在变压器两相短路时可能发生误动。因此，一种不受分布式电源接入及过渡电阻影响的不存在电压死区的新型故障方向判别方法，是极具研究意义与研发效益的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无电压死区的故障方向判别系统及判别方法，能够准确判别故障方向，且不存在电压死区，不受分布式电源接入及过渡电阻的影响。利用该判别方法构成的方向性继电保护，较传统的基于电压电流相量差的方向性保护动作更加可靠、整定更加简单。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种无电压死区的故障方向判别系统，包括依次连接的故障分量提取单元、背侧阻抗计算单元以及判别与发令单元；所述故障分量提取单元提取线路保护安装处的电压及电流故障分量；所述背侧阻抗计算单元利用电压及电流故障分量计算得到保护的背侧阻抗；所述判别与发令单元通过背侧阻抗的正负判别故障方向：若背侧阻抗为正，则判定故障为正方向故障，若背侧阻抗为负，则判定故障为反方向故障，并发出闭锁命令。

上述所述判别系统的判别方法，包括如下步骤：

步骤一：故障分量提取单元从线路保护安装处提取故障发生后电压、电流的故障分量，具体实现方法如下：

故障发生后，将当前时刻线路的电压电流即故障电压和故障电流，与20ms前的电压电流即未发生故障时的正常电压和正常电流相减，得到电压、电流的故障分量的瞬时值表示A、B、C三种相别，计算公式如式(1)、(2)所示：

对电压、电流故障分量的瞬时值进行全周傅氏滤波，得到电压故障分量及电流故障分量

步骤二：背侧阻抗计算单元利用电压及电流故障分量计算得到保护的背侧阻抗，具体计算方法如下：

(A)利用电流故障分量进行故障类型识别：

BC两相短路：

| {Δ \overset{\cdot}{I}}_{A} | < K_{1} | Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C} | - - - (7)

AB两相短路：

| Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C} | < K_{1} | Δ {\overset{\cdot}{I}}_{A} | - - - (8)

CA两相短路：

| Δ {\overset{\cdot}{I}}_{A} + Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C} | < K_{1} | Δ {\overset{\cdot}{I}}_{A} | - - - (9)

为相电流故障分量幅值，系数K₁取0.5；式(7)～(9)中，任一式的条件满足时即为两相短路，并判断出故障相别；式(7)～(9)均不满足时判定为三相短路；

(B)利用电压、电流故障分量计算得到背侧阻抗Z_s，计算公式如式(10)所示：

式中，为相电压差故障分量，为相电流差故障分量，为AB，BC，CA；

当判定是三相短路故障或AC两相短路故障时：

Z_{s} = - \frac{Δ {\overset{\cdot}{U}}_{CA}}{Δ {\overset{\cdot}{I}}_{CA}} - - - (11)

当判定是AB两相短路故障时：

Z_{s} = - \frac{Δ {\overset{\cdot}{U}}_{AB}}{Δ {\overset{\cdot}{I}}_{AB}} = - \frac{Δ {\overset{\cdot}{U}}_{AB}}{2 Δ {\overset{\cdot}{I}}_{A} + Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C}} - - - (12)

当判定是BC两相短路故障时：

Z_{s} = - \frac{Δ {\overset{\cdot}{U}}_{BC}}{Δ {\overset{\cdot}{I}}_{BC}} = - \frac{Δ {\overset{\cdot}{U}}_{BC}}{2 Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C} + Δ {\overset{\cdot}{I}}_{A}} - - - (13)

计算式(11)～(13)背侧阻抗时，分别计算对应的电压故障分量的实部与虚部、电流故障分量的实部与虚部，进行相量的除法，得到背侧阻抗的实部与虚部，即背侧电阻与背侧电抗；

步骤三：判别与发令单元利用计算得到的保护背侧阻抗判别故障方向并发出相应命令，即当计算出背侧阻抗Z_s为正值时，判断为正方向故障；当计算出背侧阻抗Z_s为负值时，判断为反方向故障，并发出闭锁命令，不允许继电保护装置动作。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1）利用电压、电流的故障分量计算背侧阻抗，通过阻抗值的正负判断故障方向，不存在电压死区，克服了传统方向元件易受故障过渡电阻影响的缺点，计算简单，原理可靠。

2）能够有效识别正方向与反方向故障，防止在含分布式能源电力系统中电流保护的反向误动，提高了系统的安全稳定性。

3）利用电压、电流信号的暂态信息，该元件构成的保护动作快速，较传统方向保护有很大的优越性。

附图说明

图1是本发明判别系统框图。

图2是含有分散式风电电源的10.5kV配电系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明为一种无电压死区的故障方向判别系统，该系统包括依次连接的故障分量提取单元、背侧阻抗计算单元以及判别与发令单元；其方法为：首先故障分量提取单元提取保护安装处的电压及电流故障分量，用于后续计算；然后背侧阻抗计算单元利用电压及电流故障分量计算得到保护的背侧阻抗，用以判别故障方向；最后由判别与发令单元判别故障方向：若背侧阻抗为正，则判定故障为正方向故障，若背侧阻抗为负，则判定故障为反方向故障，并发出闭锁命令。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

如图2所示，风电由B母线接入。具体电气参数参照如下：

风电机组参数：采用双馈式风机；

额定电压U_n=0.69kV；

额定转速w_n=314.16rad/s；

定-转子变比n=0.38；

惯性时间常数（集中参数）T_J=5s；

定子电阻R_s=0.0108p.u.，转子电阻R_r=0.0121p.u.；

激磁电感L_m=3.362p.u.；

定子漏感L_s=0.102p.u.，转子漏感L_r=0.11p.u.；

线路参数：线路阻抗：Z₁=0.169+0.394Ω/km；

每段线路长度5km；

机组变压器参数：10/0.69kV，dYN联接；

变压器额定容量为5MVA；

空载损耗为2.125kW；

变压器漏抗0.05p.u.；

负荷参数：Z_load=(20+j5)Ω；

系统阻抗：系统最大运行方式下阻抗Z_s.min=j0.91Ω,

最小运行方式下阻抗Z_s.max=j1.16Ω。

下面以在PSCAD/EMTDC软件平台上建立的如图2所示配电网为例，说明本发明中故障方向判别方法的具体实施步骤。

本实施例一种无电压死区的故障方向判别方法，包括如下步骤：

步骤一：提取电压、电流故障分量

(A)采用三相电流突变量启动元件确定相间短路故障初始时刻t₀后，将当前时刻线路的电压电流即故障电压和故障电流，与20ms前的电压电流即未发生故障时的正常电压和正常电流相减，得到电压、电流的故障分量的瞬时值表示A、B、C三种相别，计算公式如式(1)、(2)所示：

(B)对电压、电流故障分量进行全周傅氏滤波，得到电压和电流故障分量的复数形式如式(3)、(4)所示：

式中，为电压故障分量，为电流故障分量；为电压故障分量的实部，为电压故障分量的虚部；为电流故障分量的实部，为电流故障分量的虚部。

(C)求得电压故障分量与电流故障分量的幅值如式(5)、(6)所示：

式中，为相电压故障分量的幅值，为相电流故障分量的幅值。

步骤二：计算背侧阻抗

(A)利用电流故障分量进行故障类型识别：

BC两相短路：

| {Δ \overset{\cdot}{I}}_{A} | < K_{1} | Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C} | - - - (7)

AB两相短路：

| Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C} | < K_{1} | Δ {\overset{\cdot}{I}}_{A} | - - - (8)

CA两相短路：

| Δ {\overset{\cdot}{I}}_{A} + Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C} | < K_{1} | Δ {\overset{\cdot}{I}}_{A} | - - - (9)

为相电流故障分量，系数K₁取0.5。式(7)～(9)中，任一式的条件满足时即为两相短路，并判断出故障相别；式(7)～(9)均不满足时判定为三相短路。

当判定是三相短路故障或AC两相短路故障时：

Z_{s} = - \frac{Δ {\overset{\cdot}{U}}_{CA}}{Δ {\overset{\cdot}{I}}_{CA}} - - - (11)

当判定是AB两相短路故障时：

Z_{s} = - \frac{Δ {\overset{\cdot}{U}}_{AB}}{Δ {\overset{\cdot}{I}}_{AB}} = - \frac{Δ {\overset{\cdot}{U}}_{AB}}{2 Δ {\overset{\cdot}{I}}_{A} + Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C}} - - - (12)

当判定是BC两相短路故障时：

Z_{s} = - \frac{Δ {\overset{\cdot}{U}}_{BC}}{Δ {\overset{\cdot}{I}}_{BC}} = - \frac{Δ {\overset{\cdot}{U}}_{BC}}{2 Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C} + Δ {\overset{\cdot}{I}}_{A}} - - - (13)

步骤三：故障方向判断及发令

判别与发令单元利用计算得到的保护背侧阻抗判别故障方向并发出相应命令，即当计算出背侧阻抗Z_s为正值时，判断为正方向故障；当计算出背侧阻抗Z_s为负值时，判断为反方向故障，并发出闭锁命令，不允许继电保护装置动作。

本发明根据图2所示风电接入配电系统算例，对不同故障位置、不同风电接入容量、过渡电阻分别进行测试，大量测试结果表明，该故障方向判别元件在不同的工况下均能正确区分正方向、反方向故障，且不受故障位置、风电接入容量、过渡电阻的影响。表1给出了方向元件在图2所示含风电接入配电系统最大运行方式下的三相短路测试结果（以保护R1为考察对象）。

表1

从表1可以看出，无论风电接入容量与故障过渡电阻大小，本发明提出的故障方向判别元件方法均能正确判断出故障方向，不存在死区，有效解决了含分散式新能源系统中保护的反向误动问题，验证了该元件的准确性及有效性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims

1.一种无电压死区的故障方向判别系统的判别方法，所述系统包括依次连接的故障分量提取单元、背侧阻抗计算单元以及判别与发令单元；所述故障分量提取单元提取线路保护安装处的电压及电流故障分量；所述背侧阻抗计算单元利用电压及电流故障分量计算得到保护的背侧阻抗；所述判别与发令单元通过背侧阻抗的正负判别故障方向：若背侧阻抗为正，则判定故障为正方向故障，若背侧阻抗为负，则判定故障为反方向故障，并发出闭锁命令；

其特征在于：所述判别方法包括如下步骤：

(A)利用电流故障分量进行故障类型识别：

BC两相短路：

| Δ {\overset{\cdot}{I}}_{A} | < K_{1} | Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C} | - - - (7)

AB两相短路：

| Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C} | < K_{1} | Δ {\overset{\cdot}{I}}_{A} | - - - (8)

CA两相短路：

| Δ {\overset{\cdot}{I}}_{A} + Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C} | < K_{1} | Δ {\overset{\cdot}{I}}_{A} | - - - (9)

当判定是三相短路故障或AC两相短路故障时：

Z_{s} = - \frac{Δ {\overset{\cdot}{U}}_{C A}}{Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C A}} - - - (11)

当判定是AB两相短路故障时：

Z_{s} = - \frac{Δ {\overset{\cdot}{U}}_{A B}}{Δ {\overset{\cdot}{I}}_{A B}} = - \frac{Δ {\overset{\cdot}{U}}_{A B}}{2 Δ {\overset{\cdot}{I}}_{A} + Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C}} - - - (12)

当判定是BC两相短路故障时：

Z_{s} = - \frac{Δ {\overset{\cdot}{U}}_{B C}}{Δ {\overset{\cdot}{I}}_{B C}} = - \frac{Δ {\overset{\cdot}{U}}_{B C}}{2 Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C} + Δ {\overset{\cdot}{I}}_{A}} - - - (13)