CN109193595B - 基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法，其利用配电线路上各配电自动化终端在故障前后电流相位相同的特点，以故障前的负荷电流相位为基准，计算故障电流分量与负荷电流分量的相位关系，通过比较相邻配电自动化终端的相位关系构成故障隔离判据，即若相邻配电自动化终端所测量到故障电流分量方向相同，则判定为区外故障，否则为区内故障。该方案对通信要求低，无需装设电压互感器。大量的仿真表明，新方案能够解决传统故障隔离方案应用于有源配电网所带来的故障隔离误判以及失效等问题，具有良好的应用前景。

Description

基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法

技术领域

本发明属于配电网故障隔离领域，具体涉及一种基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法。

背景技术

随着新能源发电技术的日渐成熟，分布式电源被更多的用户所接受，大量的分布式电源接入配电网，一定程度上改变了传统配电网辐射性的单电源网络结构，使配电网网络中的潮流流向由单向变为双向潮流。

我国配电自动化系统所采用的故障定位策略是根据短路电流上报信息进行故障定位，传统故障定位原理如下：如果一个区域的入点经历了故障电流，并且该区域的所有末点(或是末梢点)均未经历故障电流，则故障在该区域内；若至少有一个末点经历了故障电流，则故障不在该区域内。

例如对于图1所示的配电网，QF是变电站出线断路器，A、B、C、D、E是分段开关。当开关C、D、E所围的区域λ(C,D,E)内发生故障时，开关S、A和C会流过短路电流并上报短路电流信息，其余节点不流过短路电流。对于区域λ(S,A)，其端点S、A都上报了短路电流信息，因此依据传统故障定位原理，故障不在该区域中。对于区域λ(A,B,C)，其有两个端点A、C上报了短路电流信息，因此依据传统故障定位原理，故障不在该区域中。对于区域λ(C,D,E)，其端点C上报了短路电流信息，而所有其他端点均未上报短路电流信息，因此依据传统故障定位原理，故障就在该区域中。

对于接入了分布式电源的配电网，当配电网中的分布式电源渗透率较低时，通过设定合适的电流阈值，消除分布式电源提供的短路电流的影响，传统的故障隔离方案仍能可靠地隔离故障。但是，若分布式电源的渗透率较高(通常为超过30％)时，其提供短路电流的能力与主电源相差不大时，此时很难单独利用故障电流的幅值实现可靠地隔离故障。

也就是说，分布式发电接入馈线时，某个区域发生故障后，除了该区域的主电源侧端点会流过短路电流以外，该区域与分布式电源DG连接的端点也会流过由分布式电源DG提供的短路电流。若故障发生在近主网电源侧，此时主网电源所提供的短路电流与分布式电源DG提供的短路电流相差较大时，可以通过设置短路电流上报阈值，来区分主网电源与分布式电源DG所供出的短路电流，从而根据短路电流分布信息进行故障定位。当故障发生在近分布式电源DG侧，或者发生在馈线末端，此时主电网源与分布式电源DG供出的短路电流相差很小时，则难以进行区分，依靠短路电流信息的传统故障定位方法可能发生误判。

以图2为例，当发生如图所示故障，断路器QF和分段开关A感受到由主电源所供出的短路电流，上报故障信息，分段开关B、C、D和E感受到由DG供出的短路电流，也上报故障信息。若两者相差较大时，则可以通过设置短路电流上报阈值，使得只有感受到主电源故障电流的QF和A上报短路电流，此时依据短路电流信息的传统故障定位方法可以正确判断出故障发生在区域λ(A,B,C)内。若主网电源与分布式电源DG两者供出的短路电流差别较小时，则找到适当的电流上报阀值将两者进行区分，可能造成QF、A、B、C、D和E均上报短路电流信息，依靠短路电流信息的传统故障定位方法无法正确地判断出故障区域，即传统配电网利用配电自动化终端(FTU)测量电流的大小进行故障区段定位，从而进行隔离故障的方案失效。

因此，研究适用于有源配电网的故障隔离方案具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服以上现有技术存在的缺陷，能够针对含有分布式电源的配电网，尤其是含有高渗透率分布式电源的配电网而快速识别并隔离故障，从而增加故障隔离可靠性的基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法，应用于包含有高渗透率分布式电源的配电网中以判断并隔离故障，所述基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法包括以下步骤：

步骤1：当所述配电网中发生故障后，故障所在馈线上的各配电自动化终端均分别获取其所在位置在故障发生前一周波的三相电流信息和故障发生后一周波的三相电流信息；

步骤2：每个所述配电自动化终端中，对所获得的故障发生前一周波的三相电流信息和故障发生后一周波的三相电流信息分别进行滤波和傅里叶基频提取，得到所述配电自动化终端所在位置在故障发生前一周波的三相电流采样值和故障发生后一周波的三相电流采样值；

步骤3：每个所述配电自动化终端中，基于故障发生前一周波的三相电流采样值和故障发生后一周波的三相电流采样值计算得到所述配电自动化终端所在位置的三相电流故障分量值；

步骤4：每个所述配电自动化终端中，将三相电流故障分量值经过相模变换解耦为正序、负序、零序的故障电流分量；将故障发生前一周波的三相电流采样值经过相模变换解耦为正序、负序、零序的负荷电流分量；

步骤5：每个所述配电自动化终端中，将正序的故障电流分量和正序的负荷电流分量相比而得到相位差；

步骤6：每个所述配电自动化终端中，将所述相位差与预设的相位区间进行比较，判断所述相位差是否落入所述相位区间中而得到相位判断结果；

步骤7：比较所述馈线中每个区段两端的所述配电自动化终端的相位判断结果，若一个区段两端的所述配电自动化终端的相位判断结果相同，则故障发生在该区段外；若一个区段两端的所述配电自动化终端的相位判断结果不同，则故障发生在该区段内，该发生故障的区段两端的所述配电自动化终端下达跳闸命令来进行故障隔离。

所述步骤1中，若所述配电自动化终端检测到由故障导致的突变量，则故障发生在该所述配电自动化终端所在馈线上。

所述步骤3中，所述三相电流故障分量值的计算公式为：

其中，为故障发生后一周波的三相电流采样值，为故障发生前一周波的三相电流采样值，为三相电流故障分量值。

所述步骤4中，所述正序、负序、零序的故障电流分量的计算公式为：

其中，分别为三相电流故障分量值，分别为正序、负序、零序的故障电流分量；

所述正序、负序、零序的负荷电流分量的计算公式为：

其中，分别为故障发生前一周波的三相电流采样值，分别为正序、负序、零序的负荷电流分量；

a＝e^j120°，a²＝e^j240°，且1+a+a²＝0，a³＝1。

所述步骤5中，所述相位差的计算公式为：

其中，θ为所述相位差。

所述步骤6中，所述配电自动化终端根据所述相位差是否落入所述相位区间而输出不同信号，若所述相位差落入所述相位区间，则所述配电自动化终端输出第一信号，否则输出第二信号；

所述步骤7中，比较所述馈线中每个区段两端的所述配电自动化终端的输出信号，若一个区段两端的所述配电自动化终端输出信号相同，则故障发生在该区段外；若一个区段两端的所述配电自动化终端输出信号不同，则故障发生在该区段内，该发生故障的区段两端的所述配电自动化终端下达跳闸命令来进行故障隔离。

所述第一信号为0，所述第二信号为1，或者所述第一信号为1，所述第二信号为0。

所述相位区间为其中为预设的灵敏角。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的故障隔离方法只利用了电流的信息量，不用采集电压信息，无需加设电压互感器，对于大规模配电网具有一定的经济性；由于电流相位变化判断可以在本地装置实现，只需上报相位差是否在相位区间的判断结果信号，不要求同步性，对通信要求不高。仿真结果表明该方法不受故障类型、故障位置、分布式电源类型、过渡电阻等因素的影响，能够准确判断并隔离故障，大大增加了故障隔离的可靠性，适用于含高渗透率分布式电源的配电网，具有很好的应用前景。

附图说明

附图1为传统配电网故障定位规则示意图。

附图2为接入分布式电源DG的配电网故障定位规则示意图。

附图3为馈线系统结构图。

附图4为故障分量示意图。

附图5为本发明的基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：如附图3所示是配电网中的一条输电馈线，其中系统的变电站基准容量是100MVA，基准电压为10.5kV，K0-K9为分段开关，分段母线A、B、C、D、E都接有负荷，大小为2MW。线路AB、BC、CD、DE为输电馈线区段，长度均为1km，其线路电阻r1＝0.138Ω/km，线路电抗x1＝0.369Ω/km。分布式电源接在母线D上，开关K1-K6处均设置有对电流的相位进行检测的配电自动化终端FTU。以下以假设故障发生在馈线区段AB上为例说明本发明的基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法。

如附图5所示，该基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法包括以下步骤：

步骤1：当含有高渗透率分布式电源的配电网中发生故障时，发生故障的馈线上所连接的配电自动化终端能够检测到突变量，则若配电自动化终端检测到由故障导致的突变量，则故障发生在该配电自动化终端所在馈线上。当配电网中发生故障后，故障所在馈线上的各配电自动化终端均分别获取其所在位置在故障发生前一周波的三相电流信息和故障发生后一周波的三相电流信息。在附图5中，当馈线区段AB上发生故障时，开关K1-K6处的各配电自动化终端检测到突变量从而启动程序，对故障发生前一周波的三相电流信息和故障发生后一周波的A、B、C三相电流信息进行检测。

步骤2：每个配电自动化终端中，对所获得的故障发生前一周波的三相电流信息和故障发生后一周波的三相电流信息分别进行滤波和傅里叶基频提取，得到配电自动化终端所在位置在故障发生前一周波的三相电流采样值和故障发生后一周波的三相电流采样值这里，故障发生前一周波的三相电流采样值实际包含A、B、C三相的电流采样值，分别为故障发生后一周波的三相电流采样值实际包含A、B、C三相的电流采样值，分别为

步骤3：如附图4所示，每个配电自动化终端中，基于故障发生前一周波的三相电流采样值和故障发生后一周波的三相电流采样值可以计算得到配电自动化终端所在位置的三相电流故障分量值三相电流故障分量值实际包含A、B、C三相的电流故障分量值，分别为对于每一相，利用

计算得到对应的电流故障分量值。其中，故障发生后一周波的三相电流采样值即检测到突变量时，利用此时刻后一周波的数据进行傅里叶提取基频分量的向量值，表示故障期间流经开关的故障电流；故障发生前一周波的三相电流采样值即检测到突变量时，利用此时刻前一周波的数据进行傅里叶提取基频分量的向量值，表示正常运行状态下的流经开关处的负荷电流。

步骤4：每个配电自动化终端中，将三相电流故障分量值经过相模变换解耦为正序、负序、零序的故障电流分量；将故障发生前一周波的三相电流采样值经过相模变换解耦为正序、负序、零序的负荷电流分量。

正序、负序、零序的故障电流分量的解耦计算公式为：

其中，分别为三相电流故障分量值，分别为正序、负序、零序的故障电流分量。

正序、负序、零序的负荷电流分量的计算公式为：

其中，分别为故障发生前一周波的三相电流采样值，分别为正序、负序、零序的负荷电流分量。

以上式(2)、(3)中，a＝e^j120°，a²＝e^j240°，且满足1+a+a²＝0，a³＝1。

步骤5：每个配电自动化终端中，将正序的故障电流分量和正序的负荷电流分量相比而得到二者的相位差θ。相位差的计算公式为：

步骤6：每个配电自动化终端中，将相位差与预设的相位区间进行比较，判断相位差是否落入相位区间中而得到相位判断结果。通常，配电自动化终端根据相位差是否落入相位区间而使配电自动化终端输出不同信号，即若相位差落入相位区间，则配电自动化终端输出第一信号，若相位差未落入相位区间，则配电自动化终端输出第二信号。第一信号为0，第二信号为1，或者第一信号为1，第二信号为0。相位区间设为其中为预设的灵敏角。本实施例中，取-90°，第一信号为0，第二信号为1。则判断原则如下：

配电自动化终端输出0；

配电自动化终端输出1。

此时，开关K1-K6所输出的0/1信号如下表所示：

步骤7：比较馈线中每个区段两端的配电自动化终端的相位判断结果，若一个区段两端的配电自动化终端的相位判断结果相同，则故障发生在该区段外；若一个区段两端的配电自动化终端的相位判断结果不同，则故障发生在该区段内，该发生故障的区段两端的配电自动化终端下达跳闸命令来进行故障隔离。由于配电自动化终端采用不同的输出信号来表征不同的相位判断结果，故需比较馈线中每个区段两端的配电自动化终端的输出信号来确定故障是否在该区段上，若一个区段两端的配电自动化终端输出信号相同，即同为第一信号0或同位第二信号1，则故障发生在该区段外；若一个区段两端的配电自动化终端输出信号不同，则故障发生在该区段内，该发生故障的区段两端的配电自动化终端下达跳闸命令来进行故障隔离。如上表所示，区段AB两端的开关K1、K2处的配电自动化终端所输出的信号不同，故判定故障发生于区段AB内，此时开关K1、K2跳闸而断开故障线路，进行故障隔离。

本发明提出了一种基于记忆电流相位比较的有源配电网故障隔离新方案。该方案利用配电线路上各配电自动化终端在故障前后电流相位相同的特点，以故障前的负荷电流相位为基准，计算故障电流分量与负荷电流分量的相位关系，通过比较相邻配电自动化终端的相位关系构成故障隔离判据，即若相邻配电自动化终端所测量到故障电流分量方向相同，则判定为区外故障，否则为区内故障。该方案对通信要求低，无需装设电压互感器。大量的仿真表明，新方案能够解决传统故障隔离方案应用于有源配电网所带来的故障隔离误判以及失效等问题，具有良好的应用前景。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法，应用于包含有高渗透率分布式电源的配电网中以判断并隔离故障，其特征在于：所述基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法包括以下步骤：

步骤1：当所述配电网中发生故障后，故障所在馈线上的各配电自动化终端均分别获取其所在位置在故障发生前一周波的三相电流信息和故障发生后一周波的三相电流信息；

步骤2：每个所述配电自动化终端中，对所获得的故障发生前一周波的三相电流信息和故障发生后一周波的三相电流信息分别进行滤波和傅里叶基频提取，得到所述配电自动化终端所在位置在故障发生前一周波的三相电流采样值和故障发生后一周波的三相电流采样值；

步骤3：每个所述配电自动化终端中，基于故障发生前一周波的三相电流采样值和故障发生后一周波的三相电流采样值计算得到所述配电自动化终端所在位置的三相电流故障分量值；

步骤4：每个所述配电自动化终端中，将三相电流故障分量值经过相模变换解耦为正序、负序、零序的故障电流分量；将故障发生前一周波的三相电流采样值经过相模变换解耦为正序、负序、零序的负荷电流分量；

步骤5：每个所述配电自动化终端中，将正序的故障电流分量和正序的负荷电流分量相比而得到相位差；

步骤6：每个所述配电自动化终端中，将所述相位差与预设的相位区间进行比较，判断所述相位差是否落入所述相位区间中而得到相位判断结果；

步骤7：比较所述馈线中每个区段两端的所述配电自动化终端的相位判断结果，若一个区段两端的所述配电自动化终端的相位判断结果相同，则故障发生在该区段外；若一个区段两端的所述配电自动化终端的相位判断结果不同，则故障发生在该区段内，该发生故障的区段两端的所述配电自动化终端下达跳闸命令来进行故障隔离。

2.根据权利要求1所述的基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法，其特征在于：所述步骤1中，若所述配电自动化终端检测到由故障导致的突变量，则故障发生在该所述配电自动化终端所在馈线上。

3.根据权利要求1或2所述的基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法，其特征在于：所述步骤3中，所述三相电流故障分量值的计算公式为：

其中，为故障发生后一周波的三相电流采样值，为故障发生前一周波的三相电流采样值，为三相电流故障分量值。

4.根据权利要求3所述的基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法，其特征在于：所述步骤4中，所述正序、负序、零序的故障电流分量的计算公式为：

其中，分别为三相电流故障分量值，分别为正序、负序、零序的故障电流分量；

所述正序、负序、零序的负荷电流分量的计算公式为：

其中，分别为故障发生前一周波的三相电流采样值，分别为正序、负序、零序的负荷电流分量；

a＝e^j120°，a²＝e^j240°，且1+a+a²＝0，a³＝1。

5.根据权利要求4所述的基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法，其特征在于：所述步骤5中，所述相位差的计算公式为：

其中，θ为所述相位差。

6.根据权利要求5所述的基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法，其特征在于：所述步骤6中，所述配电自动化终端根据所述相位差是否落入所述相位区间而输出不同信号，若所述相位差落入所述相位区间，则所述配电自动化终端输出第一信号，否则输出第二信号；

所述步骤7中，比较所述馈线中每个区段两端的所述配电自动化终端的输出信号，若一个区段两端的所述配电自动化终端输出信号相同，则故障发生在该区段外；若一个区段两端的所述配电自动化终端输出信号不同，则故障发生在该区段内，该发生故障的区段两端的所述配电自动化终端下达跳闸命令来进行故障隔离。

7.根据权利要求6所述的基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法，其特征在于：所述第一信号为0，所述第二信号为1，或者所述第一信号为1，所述第二信号为0。

8.根据权利要求6所述的基于电流相位比较的有源配电网故障隔离方法，其特征在于：所述相位区间为其中为预设的灵敏角。