CN107276048B - 含分布式电源配电网故障方向识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含分布式电源配电网故障方向识别方法。本发明基于故障电流的相位，对现有的故障方向识别方法提出了改进与优化，首先在基础0.02s延时的基础上，若故障电流相位落入85°~95°之间，便再次延时0.02s，使其稳定即可落入正常算法识别范围内，通过计算判断故障方向的向量Δ，即可可靠判断出故障方向。本故障识别方法不受潮流流向、接地电阻、故障类型、DGs容量占比与位置和谐波等因素的影响，并且本算法能够可靠地识别线路全长范围内的故障方向；针对电流相位为90°的情况进行了精细化分析，极大降低了当电流相位处于90°左右情况下误判的可能性，提高了可靠性。

Description

含分布式电源配电网故障方向识别方法
技术领域
本发明涉及配电网继电保护领域，具体为一种含分布式电源配电网故障方向快速识别方法，适用于在含有分布式电源的配电网中使用。
背景技术
由于越来越多随机性分布式电源(Distribute Generations,DGs)的接入，辐射状配电网络变成多端供电网络，这就要求在原有三段式电流保护的基础上增加大量的方向元件，例如功率方向继电器等方向元件，构成三段式方向电流保护。对于配电网自动化建设，如果大量使用功率方向继电器等类似方向元件，由此增加的费用将成为一个不可避免的问题。因此，研究经济的适用于含DGs配电网的新型保护方法迫在眉睫。有学者设计了一种仅利用母线上3条以上线路的故障分量电流相位就能判断故障方向的元件，该方向元件不需要电压信息，但是没有就测量过程中的误差对保护判据进行调整，可能会出现误判。还有文献提出一类基于通信的保护，通过上传多点测量的信息，由主站集中处理来判定故障区域。这类保护采用了多种智能或非智能算法来处理大量数据，对主站的要求较高；并且由于需要实时上传大量数据，对通信的要求较高。因此需要一种在含分布式电源配电网中，故障电流快速方向识别方法，来快速识别故障电流方向，从而采取措施。
对于快速识别故障方向的方法，在现有技术中虽然已经可以实现，但是其可靠性较差，在一些特定情况下需要进行纠正。引用一篇A.Jalilian，M.Tarafdar Hagh，Member,IEEE,and S.M.Hashemi在IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY,VOL.29,NO.6,DECEMBER 2014上发表的文献《An Innovative Directional Relaying Scheme Based onPostfault Current》。此文献中主要介绍了基于故障电流相位的含分布式电源的配电网上的故障快速方向识别方法，具体方案原理如下：
三相接地故障时故障方向识别原理
潮流正向流动意味着功率方向与保护装置规定正方向一致。在这种情况下，正向和反向故障分析如下。
1)正向故障：如图1中F1点发生故障，故障电流计算为：
对求正导数：
对求负导数：
建立参考向量
2)反向故障：如图1中F2点发生故障，故障电流计算为：
对求正导数为：
对求负导数为：
建立参考向量
3)建立一个判断故障方向的向量Δ：
计算得出：
文献对上述结果进行了修正，文献中最终故障方向判断依据为：
当时，故障方向为正向；
当时，故障方向为反向。
上述故障方向识别算法基于故障后电流相位，由于存在暂态过程，所以可以人为将采集故障电流时间延时0.02s，待暂态过程基本结束后，电流相位稳定，即可计算出故障方向。但在上述算法中，虽然已经启用了0.02s延时，但在实践中发现实际故障电流相位迫近90°附近时，本判据仍然无法可靠判断出故障方向结果，因此为了克服这种缺陷，需要一种基于此算法的新的故障方向识别方法。
发明内容
本发明为了解决故障电流相位迫近90°附近时，基于故障电流相位判断故障方向的方法容易出现不可靠的问题，本发明改进了上述故障电流识别方法，提供了一种新的含有分布式电源配电网故障快速方向识别方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种含分布式电源配电网故障方向识别方法，包括以下步骤：
(1)采集线路数据ia、ib、ic，判断ia、ib、ic是否正常，如果正常就继续采集数据；如果其中采集到的电流幅值突然变大，超过常值，证明线路出现故障，将故障电流用iF来表示；
(2)故障出现后，延时0.02s采集故障电流iF的相位，当采集的故障电流iF相位不在85°～95°范围内时，计算判断故障方向的向量Δ；当采集的故障电流iF相位落入85°～95°范围内时，再次延时0.02s，再采集故障电流iF的相位，计算判断故障方向的向量Δ；
(3)当时，为正向故障；当时，为反向故障，故障方向识别结束。
与背景文献中不同的是，文献得出的最终判断故障方向的判据为：当时，故障方向为正向；当 时，故障方向为反向。但在本发明的实践与计算中，却发现并不存在上述范围的计算结果，只存在与两种结果，因此对背景文献的判断依据做出了改进和优化，即本发明的故障方向判断依据为：当时，为正向故障；当时，为反向故障，故障方向识别结束。
在基于现有技术的基础上，虽然启用0.02s延时为本领域技术人员容易想到的，但在实践中偶然发现当实际电流相位迫近附近时，本判据仍然无法可靠判断出故障方向结果。因此在本发明中，当第一次0.02s延时后，如果故障电流iF相位落入85°～95°范围内，继续延时0.02s达到稳态，然后计算判断故障的向量Δ，得出故障方向。
本发明对比于现有技术所具有的有益效果如下：(1)本故障识别算法不受潮流流向、接地电阻、故障类型、DGs容量占比与位置和谐波等因素的影响，不仅适用于对称电路故障方向检测，也适用于不对称电路故障方向检测，本算法都能够可靠地识别线路全长范围内的故障方向；(2)针对电流相位接近的情况进行了精细化分析，极大降低了当电流相位处于左右情况下误判的可能性；(3)可以与多种保护配合使用，例如可以与通信通道配合，构成一种新型差动保护方案，也可取代功率方向继电器，与电流保护相结合，构成新型方向性电流保护。
附图说明
图1为背景技术的结构示意图。
图2为仿真实施例1与2的结构示意图。
图3为本发明中故障方向识别算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
一种含分布式电源配电网故障方向识别方法，如图3所示，包括以下步骤：
(1)采集线路数据ia、ib、ic，判断ia、ib、ic是否正常，如果正常就继续采集数据；如果其中采集到的电流幅值突然变大，超过常值，证明线路出现故障，将故障电流用iF来表示；
(2)故障出现后，延时0.02s采集故障电流iF的相位，当采集的故障电流iF相位不在85°～95°范围内时，计算判断故障方向的向量Δ；当采集的故障电流iF相位落入85°～95°范围内时，再次延时0.02s，再采集故障电流iF的相位，计算判断故障方向的向量Δ；
(3)当时，为正向故障；当时，为反向故障，故障方向识别结束。
下述仿真实施例1与2均为基于实时数字仿真器RTDS(Real Time DigitalSimulator，RTDS)验证基于故障后电流相位的故障方向识别算法，并且将所测得的保护装置安装处的电流信号输入RSCAD(一个仿真软件)搭建的控制电路中，运行所提出的现有技术(即背景文献技术)以及本发明的故障方向识别算法。仿真系统中取采样频率为1000Hz。
仿真实施例1：
将现有技术在RSCAD控制电路里搭建相位精细检测电路，启动第一个0.02s延时模块，待暂态过程结束后，将此时的故障电流相位信号用于故障方向向量Δ计算。
如图2所示，仿真案例1是一个包含3个节点的35kV系统，频率为50Hz，线路SB、BL为架空线路，长度均为10km，其参数为线路电抗x1＝0.01857Ω/km，电阻r1＝0.37661Ω/km，发电机S表示大电网的等效模型，B表示变电站的等效模型，L表示分布式电源(DGs)的等效模型；F1和F2表示故障发生处；RSB表示电流监测保护，Relay Direction表示功率继电器方向。在这个系统中，运用现有技术的计算方法，对所提出的故障方向识别算法在不同功率方向流动下进行评估。
在RTDS仿真过程中，还需要考虑潮流方向的影响：由于发电机S、L初始相位不同，会导致不同的功率流向。在上述条件下使F1点发生正向故障，使F2点发生反向故障。不同初始相位情况下的故障方向验证结果见表1与表2，Δθ＝∠θS-∠θL；表格为Δθ为±30°时，的故障方向判断，在表1中ABC表示三相，故障类型Ag表示单相接地故障，ABg表示双相接地故障，ABCg表示三相接地故障，AB表示双相相间其余故障，ABC表示三相相间其余故障。
表1 Δθ＝30°情况下故障方向判断
表2 Δθ＝-30°情况下故障方向判断
由表1、表2可以看出，在上述仿真过程中，采用现有技术计算故障方向的结果，通过实验验证后得出结论：(1)当只使用第一个0.02s延时时，故障电流相位落在85°～95°范围内时，计算出的故障方向有误判现象，且大多数落入此范围内的故障电流相位计算出的故障方向为错误；(2)计算出的判断故障方向的向量Δ的相角，只有两种结果或者因此从上述结果得知通过现有技术计算故障方向的方法不可靠。
仿真实施例2
该实施例为本发明的仿真实施例，运用图3所示的方法来计算故障方向。本实施例与仿真实施例1仿真条件均相同，但搭建的控制电路不同，将本发明在RSCAD控制电路里搭建相位精细检测电路，当故障电流信号通过DFT(离散傅里叶变换Discrete FourierTransform，缩写为DFT)模块把相位确定在85°～95°之间时，启动另一延时模块(即另一延时0.02s)，待暂态过程结束后，再使用DFT模块对故障电流相位进行新一次检测，将此时的相位信号用于故障方向向量Δ的计算。
在与仿真实施例1条件相同的情况下，加入另一延时模块以后，不同初始相位情况下的故障方向验证结果见表3与表4。
表3 Δθ＝30°情况下故障方向判断
表4 Δθ＝-30°情况下故障方向判断
由表3、表4可以看出，当F1与F2处的故障电流相位落入85°～95°(在此区间内的数值并不容易取到)范围时，在增加了另一延时模块(即另一延时0.02s)后，计算得出正确的故障方向，因此本发明中的算法可以可靠的识别出故障方向。而在实际中，可以将上述RSCAD搭建的相位精细检测电路部分编入微机继电保护的算法当中，在上述特定情况下避开暂态过程，准确获取电流相位信息，可以在实际中应用。

Claims (1)

1.一种含分布式电源配电网故障方向识别方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)采集线路数据ia、ib、ic，判断ia、ib、ic是否正常，如果正常就继续采集数据；如果其中采集到的电流幅值突然变大，超过常值，证明线路出现故障，将故障电流用iF来表示；
(2)故障出现后，延时0.02s采集故障电流iF的相位，当采集的故障电流iF相位不在85°～95°范围内时，运用iF的相位计算判断故障方向的向量Δ，计算方法如下：
①对故障电流iF求导，计算相位+i'F和-i'F；
②计算参考向量
③计算判断故障方向的向量Δ：Δ＝|iF|∠(∠IRef-∠iF)；
当采集的故障电流iF相位落入85°～95°范围内时，再次延时0.02s，再采集故障电流iF的相位，运用上述步骤来计算判断故障方向的向量Δ；
(3)当时，为正向故障；当时，为反向故障，故障方向识别结束。
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