CN108181550B - 一种交流微电网故障类型判断和选相方法 - Google Patents

一种交流微电网故障类型判断和选相方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力系统继电保护和自动化领域，涉及一种交流微电网故障类型判断和选相方法，执行以下步骤：利用高频电流互感器实时采集流过各保护安装处的三相电流；利用形态学梯度算法分别提取线路两端保护安装处的电流模分量中的初始电流行波，判断出故障线路；提取故障线路某一侧保护安装处的三相电流和零模电流中的初始电流行波，得三相初始电流行波和零模初始电流行波；将三相初始电流行波以不同的排序方式赋值给向量；判断线路发生故障类型。

Description

一种交流微电网故障类型判断和选相方法
技术领域
本发明属于电力系统继电保护领域，具体涉及一种交流微电网故障类型判断和选相方法。
背景技术
交流微电网是由分布式电源、负荷以及储能系统等构建成的中低压配电系统，为太阳能、风能等可再生能源以及天然气、氢气等环境友好型能源的综合利用提供了一种有效的利用方式。但是微电网多变的运行方式、拓扑结构和分布式电源接入及其控制策略造成传统的三段式电流保护不再适用。当微电网中的逆变型分布式电源采用负序电流抑制控制策略时，基于电流稳态量和故障分量的故障类型判断和故障选相方法也受到了一定的影响。所以，研究适用于交流微电网的新型的故障选线选相法是当前继电保护技术的研究热点之一。
故障后线路中产生的初始电流行波不受微电网运行方式、接地方式以及分布式电源控制策略的影响，可利用其检测各类型短路故障，所以行波保护应用于微电网具有突出优势。目前，已有学者提出将行波保护应用于含逆变型分布式电源的微电网中。行波保护不仅能实现故障选线，也能够实现故障类型判断和故障选相，为故障的切除和修复提供一定的理论依据。但是，在故障点与保护安装处距离较短的情况下，零、线模电流行波存在混叠问题，现有的基于三相电流行波的故障类型判断和选相方法存在一定的不适用性，这个问题在线路较短的微电网尤为突出。因此需要研究发明计及零、线模初始电流行波混叠的交流微电网故障类型判断和选相方法，确保故障发生在线路不同位置时保护装置均能正确判断故障类型和故障相。
从目前的研究成果来看，基于行波信息的故障类型判断和选相方法，未能将保护安装处零、线模故障初始电流行波混叠和不混叠的情况同时考虑进去，造成这些方法均存在一定不适用性。
发明内容
本发明针对含多种分布式电源的交流微电网，提供一种交流微电网故障类型判断和选相方法。该方法计及零、线模初始电流行波混叠，能确保交流微电网中各种类型短路故障的故障类型判断和故障相选择的正确性。本发明采用如下的技术方案：
一种交流微电网故障类型判断和选相方法，执行以下步骤：
(1)利用高频电流互感器实时采集流过各保护安装处的三相电流ia、ib和ic；
(2)利用形态学梯度算法分别提取线路两端保护安装处的电流模分量iM＝ia+2ib3ic中的初始电流行波，并判断出故障线路；
(3)利用形态学梯度算法分别提取故障线路某一侧保护安装处的三相电流ia、ib、ic和零模电流i0＝1/3(ia+ib+ic)中的初始电流行波，得三相初始电流行波iaf、ibf、icf和零模初始电流行波i0f；
(4)将三相初始电流行波iaf、ibf、icf以不同的排序方式赋值给三个变量iF1、iF2、iF3，即向量[iF1 iF2 iF3]可为[iaf ibf icf]、[iaf icf ibf]、[ibf iaf icf]、[ibf icf iaf]、[icfiaf ibf]、[icf ibf iaf]中的任何一种；
(5)若存在一种排序方式，使得iF1、iF2、iF3满足式(1)，则判断线路发生单相接地故障，三相初始电流行波中幅值相等的两相为非故障相，余下的一相为故障相；若不满足，则进行下一步骤；
Figure BDA0001546974460000021
(6)若存在一种排序方式，使得iF1、iF2、iF3满足式(2)，则判断线路发生两相相间短路故障，
三相初始电流行波中幅值不为0的两相为故障相，余下的一相为非故障相；若不满足，则进行下一步骤；
iF1:iF2:iF31:-1:0 (2)
(7)若i0f＝0，则判断线路发生三相短路故障；若i0f≠0，则判断线路发生两相接地短路故障，并进行下一步骤；
(8)若iaf+ibf+icf0，则判断三相初始电流行波中仅含有线模量，利用零模初始电流行波i0f对三相初始电流行波进行变换，得三相初始电流行波变换值i* af、i* bf、i* cf，变换公式如式(3)所示，三相变换值中幅值为0的一相为两相接地短路故障的非故障相，余下的一相为故障相；若iaf+ibf+icf≠0，则判断三相初始电流行波中同时含有线、零模量，三相初始电流行波中幅值为0或最接近于0的一相为两相接地短路故障的非故障相，余下的一相为故障相：
Figure BDA0001546974460000022
本发明解决了现有故障类型判断和选相方法在无法确定零、线模初始电流行波是否混叠情况下不适用的缺陷，实现了故障类型和故障相的可靠判断。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明在保护安装处零、线模初始电流行波完全混叠、不完全混叠和完全不混叠的情况下均适用。
附图说明
附图1为典型的交流微电网结构图。
具体实施方式
本发明通过比较故障线路某一侧的三相初始行波电流的幅值和极性关系，实现对故障类型和故障相的判断，保证零、线模量在完全混叠、不完全混叠和完全不混叠状态下，该方法均能正确判断故障类型并选择出故障相。其具体实现步骤如下：
(1)利用高频电流互感器实时采集流过各保护安装处的三相电流ia、ib和ic，并将同一电流互感器测得的三相电流合成一个电流模分量iM＝ia+2ib-3ic，假设某条线路两端的电流模分量iM1、iM2的形态学梯度变换结果的第一个模极大值分别为PiM1、PiM2，若PiM1×PiM2>0则判断该线路为故障线路；若PiM1×PiM2<0则判断该线路发生区外故障；
(2)利用形态学梯度算法提取故障线路某一侧保护安装处的三相电流ia、ib、ic和零模电流i0＝1/3(ia+ib+ic)中的初始电流行波，得三相初始电流行波iaf、ibf、icf和零模初始电流行波i0f；
(3)将三相初始电流行波iaf、ibf、icf以不同的排序方式赋值给三个变量iF1、iF2、iF3，即向量[iF1 iF2 iF3]可为[iaf ibf icf]、[iaf icf ibf]、[ibf iaf icf]、[ibf icf iaf]、[icfiaf ibf]、[icf ibf iaf]中的任何一种；
(4)若存在一种排序方式，使得iF1、iF2、iF3三变量能够同时满足iF1×iF2≤0、iF1×iF3≤0和|iF2|＝|iF3|∈[0,0.5]|iF1|(|iF1|≠0)，则判断线路发生单相接地故障，三相初始电流行波中幅值相等的两相为非故障相，余下的一相为故障相；若不满足，进行下一步骤；
(5)若存在一种排序方式，使得iF1、iF2、iF3满足iF1:iF2:iF31:-1:0，则判断线路发生两相相间短路故障，三相初始电流行波中幅值不为0的两相为故障相，余下的一相为非故障相；若不满足，则进行下一步骤；
(6)若i0f＝0，则判断线路发生三相短路故障；若i0f≠0，则判断线路发生两相接地短路故障，并进行下一步骤；
(7)若iaf+ibficf＝0，则判断三相初始电流行波中仅含有线模量，利用零模初始电流行波i0f对三相初始电流行波进行变换，得三相初始电流行波变换值i* af＝iaf+i0f、i* bf＝ibf+i0f、i* cf＝icf+i0f，三相变换值i* af、i* bf、i* cf中幅值为0的一相为两相接地短路故障的非故障相，余下的一相为故障相；若iaf+ibf+icf≠0，则判断三相初始电流行波中同时含有线、零模量，三相初始电流行波中幅值为0或最接近于0的一相为两相接地短路故障的非故障相，余下的一相为故障相。
下面首先说明本发明的故障类型判断和选相方法提出的依据，再结合具体实施例更进一步地说明本发明的故障方向判别方法技术方案。
(一)计及零、线模初始电流行波混叠的交流微电网故障类型判断和选相方法的提出
1.单相接地故障的三相初始电流行波分析
故障发生的初始阶段，微电网还未受非线性的电力电子器件控制策略的影响，可用故障分量法对初始电流行波进行分析。当线路发生金属性A相接地故障时，三相初始电流行波iaf、ibf、icf和三相初始电压行波uaf、ubf、ucf满足以下边界条件：
Figure BDA0001546974460000031
式中：uaF为故障前一时刻的故障点的A相电压。
通过凯伦贝尔变换可实现对三相线路的解耦，凯伦贝尔变换和逆变换矩阵分别如式(5)、(6)所示，凯伦贝尔变换不仅适用于三相电流也适用于三相电压。
Figure BDA0001546974460000041
Figure BDA0001546974460000042
式中：ia、ib和ic分别为三相电流；i0为电流的零模量；iα和iβ为电流的线模量。
零、线模量满足模域欧姆定律，如式(7)所示：
Figure BDA0001546974460000043
式中：z0为线路零模波阻抗；z1为线路线模波阻抗。
将式(5)、(7)代入式(4)可得零、线模初始电流行波之间的关系：
Figure BDA0001546974460000044
线路中线模行波的传播速度快于零模行波，保护安装处测得的三相初始电流行波中是否同时含有零、线模量取决于故障点到保护安装处的距离D、电流互感器的采样频率fs以及零、线模行波的波速v0、v1。若零、线模初始电流行波达到保护安装处的时间间隔小于一个采样间隔时，可判断三相初始电流行波中的零、线模量完全混叠；否则，则判断三相初始电流行波中的零、线模量不完全混叠或者完全不混叠。当电流互感器的采样频率和零、线模行波的波速确定时，造成零、线模是否完全混叠的故障点到保护安装处的临界距离Dc为：
Figure BDA0001546974460000045
根据凯伦贝尔逆变换可知，若故障线路某端测得的三相初始电流行波iaf、ibf、icf中的零、线模量完全混叠，三相初始电流行波满足式(10)；若三相初始电流行波iaf、ibf、icf中的零、线模量不完全混叠或者完全不混叠，满足式(11)。
iaf:ibf:icf＝1:0:0 (10)
iaf:ibf:icf＝-2:a:a(0＜a1) (11)
同理，当线路发生B相接地故障和C相接地故障时，情况类似。综合上述分析可知线路发生单相接地故障时零、线模初始电流行波完全混叠、不完全混叠和完全不混叠三种情况下的三相电流行波均能满足的关系式如下所示。
Figure BDA0001546974460000051
式中：iF1对应故障相的初始电流行波；iF2、iF3对应非故障相的初始电流行波。根据式(12)可判断故障类型是否为单相接地故障，并可确定幅值相同的两相为故障相。
2.两相相间短路故障的三相初始电流行波分析
AB相间发生金属性短路故障时，初始电压电流行波满足以下关系：
Figure BDA0001546974460000052
式中：uabF为故障前一时刻的故障点的AB相间电压。由式(13)可推导出零、线模初始电流行波满足：
Figure BDA0001546974460000053
BC相间短路故障和AC相间短路故障时，情况类似。与此可知，线路发生两相相间短路故障时，零模电流行波为0，不存在零、线模量混叠的问题，所以当线路发生两相相间短路故障时，三相电流一定满足：
iF1:iF2:iF3＝1:-1:0 (15)
式中：iF1、iF2对应故障相的初始电流行波；iF3对应非故障相的初始电流行波。根据式(15)可判断故障类型是否为两相相间短路故障，并可确定幅值为0的一相为故障相。
3.两相接地故障和三相短路故障的三相初始电流行波分析
当线路发生AB接地故障、BC接地故障、AC接地故障和三相短路故障时，初始电压电流行波分别满足表1中所述的边界条件。
表1 两相接地故障和三相短路故障的边界条件
Figure BDA0001546974460000054
表1中，uaF、ubF、ucF分别为故障前一时刻的故障点的A、B、C相电压。由表1可推导出线路发生AB接地故障、BC接地故障、AC接地故障和三相短路故障时，零、线模电流初始行波混叠和不混叠情况下满足的关系式，如表2所示。
表2 两相接地故障和三相短路故障的三相电流初始行波和零模初始电流行波
Figure BDA0001546974460000055
Figure BDA0001546974460000061
由表2可知，两相接地故障和三相短路故障的区别为：线路发生三相短路故障时i0f＝0，线路发生两相接地故障时i0f≠0。根据线路发生两相接地故障时，零、线模量混叠和不混叠的情况的情况，可分别设计选相判据：若iaf+ibf+icf＝0，则判断三相初始电流行波中仅含有线模量，利用零模初始电流行波i0f对三相初始电流行波进行变换，得三相初始电流行波变换值i* af＝iaf+i0f、i* bf＝ibf+i0f、i* cf＝icf+i0f，三相变换值i* af、i* bf、i* cf中幅值为0的一相为两相接地短路故障的非故障相，余下的一相为故障相；若iaf+ibf+icf≠0，则判断三相初始电流行波中同时含有线、零模量，三相初始电流行波中幅值为0(零、线模量完全混叠)或最接近于0(零、线模量不完全混叠)的一相为两相接地短路故障的非故障相，余下的一相为故障相。
(二)实施例
下面以附图1所示的并网型微电网为例，分析当线路发生各类型短路故障时，对本发明设计的计及零、线模初始电流行波混叠的交流微电网故障类型判断和选相方法进行实验验证。
如图1所示，35kV等级的微电网通过公共连接点(PCC)经升压变压器与大电网相连。DG1为光伏电源，额定有功功率0.5MW，额定无功功率为0MVar，通过逆变器接入微电网；DG2为小型柴油发电机，额定电压为4kV，通过升压变压器接入微电网；负荷Load功率为10MW；L1至L4为微电网内的4条长度为10km的架空线，在PSCAD/EMTDC仿真软件中通过多个串联的π型等值电路模块来进行模拟，零、线模线路参数为L1＝0.9337mH/km、L0＝4.2146mH/km、C1＝0.01274μF/km、C0＝0.007751μF/km、R1＝0.48Ω/km、R0＝0.79Ω/km；CT0至CT8为采样频率为1MHz的电流互感器，电流正方向为由母线指向线路。
以22ms时线路L1上与CT1距离5km处发生三相接地故障为例，进行验证基于行波电流极性比较式方向保护的原理可以准确选择故障线路。通过形态学梯度算法提取各个电流互感器处的电流模分量iM＝ia+2ib-3ic的初始电流行波，即iM的形态学梯度变换结果的第一个模极大值PiM。其中，形态学梯度算法的两个结构元素分别为[0 0 0 1 1 1 1]和[1 1 11 0 0 0]。将同一线路两端的模极大值进行比较，从而判断出故障线路，为下一步故障类型判断和故障相选择做准备。CTi处的第一个模极大值为PiMi，单位为kA。
表3 线路L1故障时各电流互感器处的模极大值
Figure BDA0001546974460000071
由表3可知，线路L1两端的模极大值PiM1PiM2＞0，而其他线路的模极大值乘积均小于0，基于行波电流极性比较式方向保护的原理可准确判断出线路L1故障。
以22ms时线路L1上距离电流互感器CT1分别为0.3km、2km、8km处发生A相接地故障、AB相间短路故障、AB接地故障和三相短路故障为例，分析线、零模量完全混叠、不完全混叠和完全不混叠的情况下本方法是否均能有效判断出故障类型和故障相，仿真结果分别如表4、5、6所示。
表4 电流互感器CT1与故障点距0.3km时的三相电流初始行波和零模电流初始行波
Figure BDA0001546974460000072
表5 电流互感器CT1与故障点距2km时的三相电流初始行波和零模电流初始行波
Figure BDA0001546974460000073
表6 电流互感器CT1与故障点距8km时的三相电流初始行波和零模电流初始行波
Figure BDA0001546974460000074
Figure BDA0001546974460000081
由表4可知，当电流互感器与故障点距0.3km时，零、线模初始电流行波近似于同时到达故障点(零、线模量完全混叠)。线路发生A相接地故障时，iaf:ibf:icf近似为1:0:0；当线路发生AB相间故障时，iaf:ibf:icf近似为1:－1:0；当线路发生AB接地故障时，i0f≠0且i* cf=icf+i0f=0；当线路发生三相短路故障时，i0f＝0。由此可知，本发明的故障类型判别和选相方法适用于零、线模初始电流行波完全混叠的情况。
由表5可知，当电流互感器与故障点距2km时，零、线模初始电流行波处于完全混叠和不完全混叠的中间状态。线路发生A相接地故障时，iaf:ibf:icf近似为－2:a:a(0<a<1)；当线路发生AB相间故障时，iaf:ibf:icf近似为1:－1:0；当线路发生AB接地故障时，i0f≠0且icf幅值最接近于0；当线路发生三相短路故障时，i0f=0。由此可知，本发明的故障类型判别和选相方法适用于零、线模初始电流行波不完全混叠的情况。
由表6可知，当电流互感器与故障点距8km时，三相初始电流行波中仅含有线模初始电流行波。线路发生A相接地故障时，iaf:ibf:icf近似为－2:1:1；当线路发生AB相间故障时，iaf:ibf:icf近似为1:－1:0；当线路发生AB接地故障时，i0f≠0且icf幅值近似为0；当线路发生三相短路故障时，i0f0。由此可知，本发明的故障类型判别和选相方法适用于零、线模初始电流行波完全不混叠的情况。
综述所述，本发明设计的计及零、线模初始电流行波混叠的交流微电网故障类型判断和选相方法可利用三相初始电流行波及其模分量实现各种故障类型的判断和故障相的选择，在零、线模电流行波混叠和不混叠的情况下均适用，即故障点与保护安装处之间的距离不同时本方法均适用。
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)

1.一种交流微电网故障类型判断和选相方法，执行以下步骤：
(1)利用高频电流互感器实时采集流过各保护安装处的三相电流ia、ib和ic；
(2)利用形态学梯度算法分别提取线路两端保护安装处的电流模分量iM＝ia+2ib-3ic中的初始电流行波，并判断出故障线路；
(3)利用形态学梯度算法分别提取故障线路某一侧保护安装处的三相电流ia、ib、ic和零模电流i0＝1/3(ia+ib+ic)中的初始电流行波，得三相初始电流行波iaf、ibf、icf和零模初始电流行波i0f；
(4)将三相初始电流行波iaf、ibf、icf以不同的排序方式赋值给三个变量iF1、iF2、iF3，即向量[iF1 iF2 iF3]可为[iaf ibf icf]、[iaf icf ibf]、[ibf iaf icf]、[ibf icf iaf]、[icf iafibf]、[icf ibf iaf]中的任何一种；
(5)若存在一种排序方式，使得iF1、iF2、iF3满足式(1)，则判断线路发生单相接地故障，三相初始电流行波中幅值相等的两相为非故障相，余下的一相为故障相；若不满足，则进行下一步骤；
Figure FDA0002322670760000011
(6)若存在一种排序方式，使得iF1、iF2、iF3满足式(2)，则判断线路发生两相相间短路故障，三相初始电流行波中幅值不为0的两相为故障相，余下的一相为非故障相；若不满足，则进行下一步骤；
iF1:iF2:iF3＝1:-1:0 (2)
(7)若i0f＝0，则判断线路发生三相短路故障；若i0f≠0，则判断线路发生两相接地短路故障，并进行下一步骤；
(8)若iaf+ibf+icf＝0，则判断三相初始电流行波中仅含有线模量，利用零模初始电流行波i0f对三相初始电流行波进行变换，得三相初始电流行波变换值i* af、i* bf、i* cf，变换公式如式(3)所示，三相变换值中幅值为0的一相为两相接地短路故障的非故障相，余下的两相为故障相；若iaf+ibf+icf≠0，则判断三相初始电流行波中同时含有线、零模量，三相初始电流行波中幅值为0或最接近于0的一相为两相接地短路故障的非故障相，余下的两相为故障相：
Figure FDA0002322670760000012
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