CN106058825A - 一种适用于多端电源交流系统的故障方向判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于多端电源交流系统的故障方向判断方法：实时采集流过保护装置的电流，并分离出负序电流；若三相电流对称，则通过控制三相中的一相滤波数据窗延迟而人为产生不平衡电流，并分离出负序电流；实时采集同一母线上无源支路的正序电流；计算采集到的负序电流和正序电流间的相位关系；若相位差大于90°且小于270°，则判定为正方向故障；若相位差大于‑90°且小于90°，则判定为反方向故障；若判定为正方向故障，则开放保护装置；若判定为反方向故障，则闭锁保护装置。本发明可以实现正方向故障时开放保护装置，反方向故障时闭锁保护装置，从而保证保护装置的选择性和可靠性，避免保护拒动、误动。

Description

一种适用于多端电源交流系统的故障方向判断方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，具体涉及一种基于流过保护的负序电流和同一母线上无源支路正序电流间相位关系的故障方向判据。

背景技术

传统10kV中压配电网受短路电流限制通常采用环网建设辐射运行方式。随着大城市负荷密度的不断增加，配电网的规模不断扩大，辐射状网络可靠性低的缺陷愈发突出。与此同时，客户对供电可靠性、电能质量的要求却在不断提高，对于计算机、工厂调速装置、精密仪器等敏感负荷，即使短时的供电中断也会带来较大的经济损失，甚至产生严重的社会影响。为了提高配电网的供电能力和运行可靠性，需要改进现有网络结构。

随着电力电子技术的发展和相关研究的深入，基于电压源换流器的柔性直流技术在城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模分布式电源并网等方面具有较强的技术优势，除能够提供动态无功支持等优点外，在遇到设备过载或故障检修时，柔直装置能够经济、安全地实现负荷转移，大幅减少转移过程的供电中断。同时柔直装置可灵活控制系统潮流，实现多馈线间的负荷均衡，优化电网的供电能力，显著提高配电网的可靠性和设备利用率。

分布式电源以及柔直装置的接入使得原有配电网由传统的单电源供电的辐射状网络变为多端电源供电的网络，功率不再单一方向流动。同时柔直装置的故障特征与控制特性有关，不同于传统交流系统，因此传统配电网中应用的三段式电流保护受柔直装置接入的影响，会出现误动、拒动等问题。为了既保留应用三段式电流保护又保证配电网保护动作可靠性，很多文献提出为原有三段式电流保护加装方向元件。

传统方向性电流保护的方向元件是采用90°接线方式的功率方向元件，而采用功率方向元件一方面需要增设电压互感器，会增加设备投资和二次系统接线复杂性；另一方面柔直装置的工作特征受控制策略影响，应用于交直流互联系统中的柔直装置应具备故障穿越能力，在不对称故障时其输出故障电流与出口母线电压的夹角取决于相应的控制策略，而不等于线路阻抗角。这些特性使得柔直装置接入后的交流系统故障特征和故障分析方法要更加复杂。而且柔直装置具有四象限运行特性，与分布式电源单一象限运行特性有所不同。目前已有的研究成果主要是针对于分布式电源接入配电网的情况，其中典型的有基于故障前后正序电流相位比较的方向判据、基于正序故障电流和故障前电压相位信息的方向判据、基于母线处各出线电流故障分量幅值比较的方向判据等，这些原理有的受潮流方向、母线出线数量、过渡电阻影响大，有的需要额外装设电压互感器，均不适合柔直装置接入交流配电系统的情况。为此需要研究发明更加全面可靠适应范围更广的故障方向判据。

发明内容

本发明针对母线含有无源支路的多端电源供电的交流系统，提出了一种基于流过保护的负序电流和同一母线上的无源支路正序电流间相位关系的新型故障方向判据。实现正方向故障时开放保护装置，反方向故障时闭锁保护装置，从而保证保护装置的选择性和可靠性，避免保护拒动、误动。本发明采用如下的技术方案：

一种适用于多端电源交流系统的故障方向判断方法，执行以下步骤：

(1)实时采集流过保护装置的电流，并分离出负序电流；若三相电流对称，则通过控制三相中的一相滤波数据窗延迟而人为产生不平衡电流，并分离出负序电流；

(2)实时采集同一母线上无源支路的正序电流；

(3)计算采集到的负序电流和正序电流间的相位关系；

(4)若相位差大于90°且小于270°，则判定为正方向故障；若相位差大于-90°且小于90°，则判定为反方向故障；

(5)若判定为正方向故障，则开放保护装置；若判定为反方向故障，则闭锁保护装置。

本发明解决了现有故障方向判据在多端电源供电的交流系统中不适用的缺陷，实现了故障方向的可靠识别。与现有技术相比，本方法适用于传统正弦交流电源等不产生负序电压的电压源或逆变型分布式电源等不产生负序电流的电流源接入的多端电源网络中母线含有无源支路的情形，不受具体故障穿越策略的影响，抗过渡电阻能力强，受母线出线数量的影响小，并且解决了传统方向元件出口三相故障的死区问题，无需装设电压互感器。

附图说明

图1为典型的背靠背柔直装置接入交流系统的计算模型。

图2为F2点发生BC相间短路时的复合序网。

图3为F3点发生BC相间短路时的复合序网。

图4为F4点发生BC相间短路时的复合序网。

最佳实施方式

本发明通过对流过保护的负序电流和同一母线上的无源支路的正序电流进行求取并比较其相位关系，实现正方向故障时开放保护装置，反方向故障时闭锁保护装置，从而保证保护装置的选择性和可靠性，避免保护拒动、误动。其具体实现步骤如下：第一步，实时采集流过保护装置的负序电流和同一母线上无源支路的正序电流；第二步，计算两者间相位关系；第三步，判断故障方向。若相位差大于90°小于270°，则判定为正方向故障，开放保护装置；若相位差大于-90°小于90°，则判定为反方向故障，闭锁保护装置。

本发明的方向判据给出如下：

其中为流过保护装置的负序电流，为同一母线上无源支路正序电流。满足式(1)所示判据时，判定为正方向故障；不满足式(1)所示判据时，判定为反方向故障。

下面首先说明本发明的故障方向判据提出的依据，再结合具体实施例更进一步地说明本发明的故障方向判据技术方案。

(一)基于流过保护的负序电流和同一母线上无源支路正序电流的方向判据的提出

基于电压源型变换器的柔直装置在系统不平衡时的控制策略按控制目的不同可分为两种：一是抑制交流侧负序电流，二是抑制直流侧电压二次谐波。抑制交流侧负序电流的控制方式只是使交流侧负序电流为零，而负序电压依然存在，这会使有功功率产生二次谐波分量，引起直流侧电压波动；而抑制直流侧电压二次谐波的控制方式实际上是在交流侧加入一定的负序电流，这会使交流侧系统不平衡情况更加严重。考虑到柔直装置的应用场景，应优先保证交流侧的控制情况，提高柔性直流输电系统在发生交流侧故障时的持续运行能力，因此柔直装置采用抑制负序电流的控制策略，在交流系统对称及不对称条件下均输出三相对称电流。

由于柔直装置在系统故障时只输出正序分量，对于负序分量网络，柔直装置支路相当于开路，所以柔直装置的接入不会改变相间故障时负序网络的结构，而传统交流电源支路不产生负序电压。因此，相间故障时故障点处负序电压最高，负序电流由故障点流向两侧，正方向故障时流过保护的负序电流为负(电流方向以母线流向线路为正)，而反方向故障时流过保护的负序电流为正，可见负序电流的流向反映了故障点的方向。

而无源支路不论是在正常运行还是故障状态下，其正序电流均由背后系统提供，方向为由母线流向线路，特别是当本支路故障时，无源支路上正序电流同样是由母线流向线路。即不论是在正常运行还是故障状态下，无源支路上正序电流的流动方向都是一定的。

因此对于多端电源之间的线路，如果母线上含有无源支路，就可以利用被保护线路负序电流和同一母线上无源支路正序电流的相位关系来判断故障方向。

假设全系统阻抗角相等，正方向故障时：

反方向故障时：

可以看出，上述分析中将传统电源等效为正序电压源，不产生负序电压，而柔直装置等效为正序电流源，不产生负序电流。因此对于传统正弦交流电源等不产生负序电压的电压源或逆变型分布式电源等不产生负序电流的电流源，上述分析同样适用。

(二)实施例

下面以附图1所示背靠背柔直装置接入的交流系统中保护R2、R3为例，通过分析相间故障的复合序网，给出方向判据在正反方向故障时的具体相位关系公式，得出方向判据的动作范围。

1.保护R2反方向故障

F2点发生BC相间故障时，根据边界条件，得到复合序网如附图2所示，其中R＝R_f/2。

由附图2，根据电路定律分析可得流过保护R2的负序分量同流过保护R1的正序电流的关系：

${\stackrel{\·}{I}}_{R2}^{-}={\stackrel{\·}{I}}_{R1}^{+}\frac{Z_2}{(Z_S//Z_1+{\mathrm{\αZ}}_{AB})//Z_2+2R+Z_2}\×\frac{Z_2}{Z_S//Z_1+Z_{AB}+Z_{LD1}}\×\frac{Z_S}{Z_S+Z_1}---\left(4\right)$

其中

Z₁＝Z_AC+Z_CD+Z_LD2 (5)

Z₂＝(1-α)Z_AB+Z_LD1 (6)

考虑到配电网中负荷等效阻抗远大于系统等效阻抗，故可以作如下近似：

Z_S//Z₁≈Z_S，Z₂≈Z_LD1 (7)

则式(4)关系式可近似为：

$\arg \frac{{\stackrel{\·}{I}}_{R2}^{-}}{{\stackrel{\·}{I}}_{R1}^{+}}=\arg \frac{Z_S}{R_f+Z_{LD1}}---\left(8\right)$

近似认为系统阻抗角等于线路阻抗角为θ，负荷阻抗角为则可得R_f＝0时与的相位关系：

R_f→∞时与的相位关系：

$\arg \frac{{\stackrel{\·}{I}}_{R2}^{-}}{{\stackrel{\·}{I}}_{R1}^{+}}=\mathrm{\θ}---\left(10\right)$

2.保护R2正方向故障

F3处发生BC相间故障时，根据边界条件，得到复合序网如附图3所示。

由附图3，根据电路定律分析可得流过保护R2的负序分量同流过保护R1的正序电流的关系：

$\[\frac{\left(\frac{Z_3}{Z_4}+1\right){\stackrel{\·}{I}}_{R2}^{-}\×2R+2{\stackrel{\·}{I}}_{R2}^{-}{Z}_3+{\stackrel{\·}{I}}_G\left(Z_{CD}+Z_{LD2}\right)}{Z_4}+{\stackrel{\·}{I}}_{R2}^{-}\]{\mathrm{\βZ}}_{AC}+{\stackrel{\·}{I}}_{R2}^{-}{Z}_3+\left(\frac{Z_3}{Z_4}+1\right){\stackrel{\·}{I}}_{R2}^{-}\×2R=-{\stackrel{\·}{I}}_{R1}^{+}\left(Z_{AB}+Z_{LD1}\right)---\left(1\right)$

其中

Z₃＝Z_S//(Z_AB+Z_LD1)+βZ_AC (12)

Z₄＝(1-β)Z_AC+Z_CD+Z_LD2 (13)

式(11)近似为：

$\arg \frac{{\stackrel{\·}{I}}_{R2}^{-}}{{\stackrel{\·}{I}}_{R1}^{+}}=\arg \frac{-Z_{LD1}}{{\mathrm{\βZ}}_{AC}\left(1+\frac{R_f}{Z_{LD2}}\right)+R_f}---\left(14\right)$

R_f＝0时可近似得到与的相位关系：

R_f→∞时与的相位关系：

3.保护R3正方向故障

根据附图3同样可以得到流过保护R3的负序分量同流过保护R4的正序电流的关系：

$\left(\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{R3}^{-}{Z}_4}{Z_3}+{\stackrel{\·}{I}}_{R3}^{-}\right)2R+{\stackrel{\·}{I}}_{R3}^{-}{Z}_4=-{\stackrel{\·}{I}}_{R4}^{+}{Z}_4+{\stackrel{\·}{I}}_G(1-\mathrm{\β})Z_{AC}---\left(17\right)$

近似为：

$\arg \frac{{\stackrel{\·}{I}}_{R3}^{-}}{{\stackrel{\·}{I}}_{R4}^{+}}=\arg \frac{-Z_{LD2}}{(\frac{Z_{LD2}}{Z_3}+1)R_f+Z_{LD2}}---\left(18\right)$

R_f＝0时可近似得到与的相位关系：

R_f→∞时与的相位关系：

4.保护R3反方向故障

F4点发生BC相间故障时，根据边界条件，得到复合序网如附图4所示。

由附图4，根据电路定律分析可得流过保护R3的负序分量同流过保护R4的正序电流的关系：

${\stackrel{\·}{I}}_{R3}^{-}{\stackrel{\·}{I}}_{R4}^{+}\frac{Z_6}{Z_5//Z_6+2R+Z_6}\×\frac{Z_6}{Z_5+Z_6}---\left(21\right)$

其中

Z₅＝Z_S//(Z_AB+Z_LD1)+Z_AC+λZ_CD (22)

Z₆＝(1-λ)Z_CD+Z_LD2 (23)

式(21)近似为：

$\arg \frac{{\stackrel{\·}{I}}_{R3}^{-}}{{\stackrel{\·}{I}}_{R4}^{+}}=\arg \frac{Z_{LD2}}{R_f+Z_{LD2}}---\left(24\right)$

R_f＝0时与的相位关系：

R_f→∞时与的相位关系：

通过前述分析可以看出，利用流过被保护线路的负序电流与同一母线无源支路的正序电流的角度，可构成不需要电压信息的方向元件。

综合上述分析结果，得到不同故障情况下序电流的相位关系如表1所示。

表1不同故障情况下序电流相位关系

其中为负荷阻抗角，θ为线路阻抗角。

因此可设置方向元件的动作方程为：

5.三相短路

上述分析均是基于BC相间故障，而针对三相短路不含负序分量的情况，可以通过控制三相中的一相滤波数据窗延迟，另外两相滤波数据窗正常，这样在三相故障时就人为制造出了不对称。例如，令A相数据窗滞后几个周期，B、C两相数据窗正常，三相短路时的故障特征就与BC两相短路相同，可以分解出负序分量，能够可靠反应三相短路。因而上述原理可以用作相间保护的方向判据。

上述分析可推广到各种多端电源配电网中需要方向元件的保护，电源类型既可以是传统正弦交流电源，也可以是基于电压源型变流器的背靠背柔直装置或逆变型分布式电源。电源类型不同会影响故障时测得的序电流相角差，但是仍满足式(27)所示的动作方程。

以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的系统及方法的限制，本发明的保护范围以权利要求为准。本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种适用于多端电源交流系统的故障方向判断方法，执行以下步骤：

(1)实时采集流过保护装置的电流，并分离出负序电流；若三相电流对称，则通过控制三相中的一相滤波数据窗延迟而人为产生不平衡电流，并分离出负序电流；

(2)实时采集同一母线上无源支路的正序电流；

(3)计算采集到的负序电流和正序电流间的相位关系；

(4)若相位差大于90°小于270°，则判定为正方向故障；若相位差大于-90°小于90°，则判定为反方向故障；

(5)若判定为正方向故障，则开放保护装置；若判定为反方向故障，则闭锁保护装置。