CN109256762B - 配电网单相故障电流补偿控制方法、装置与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及配电网单相故障电流补偿控制方法、装置与系统，对故障线路的故障电流进行补偿后，进行残流检测，若残流超过设定电流则再次对故障线路进行补偿，直到检测的残流在设定的电流值以内。本发明对配电网单相接地故障进行多次补偿，不断减小故障线路上的残流，提高单相故障电气设备运行的可靠性，保证了工作人员的人身安全。

Description

配电网单相故障电流补偿控制方法、装置与系统

技术领域

本发明属于电力系统配电网技术领域，具体涉及配电网单相故障电流补偿控制方法、装置与系统。

背景技术

10kV配电网主要有中性点直接接地、中性点不接地、中性点经小电阻接地和中性点经消弧线圈接地等几种运行方式。考虑供电可靠性，我国以配电网中性点不接地或经消弧线圈接地运行方式为主，对于配电网接地故障，允许系统带接地故障运行2小时。随着配电网自动化技术的发展，对配电网的可靠性和安全性提出了更高要求，国网最新《配电网技术导则》提出在接地故障10s后应切除故障，主要目的就是提高电气设备运行可靠性和安全性。

配电网结构复杂，运行方式多变，配电网单相故障事故多发，据统计配电网故障其中80％为单相故障，造成极大的人员伤害和财产损失。中性点采用不接地运行方式虽然可以带电运行，为检修人员提供检修时间，但单相接地运行时间过长，会造成相间短路，同时接地点通过的容性电流为原来相对地电容电流的3倍，这种电容电流不容易熄灭，可能引起线路谐振而产生过电压；中性点采用消弧线圈接地方式虽然可以形成一个与接地电容电流大小接近相等方向相反的电感电流，从而使流经接地处的电流降低，但消弧线圈的补偿一般采用过补偿方式，对接地点的补偿仅仅补偿容性电流，并不对全电气量进行补偿，补偿后的残流往往大于人身安全电流。上述接地方式侧重于考虑设备运行安全性和和供电可靠性，从人身防护角度考虑较少，同时带电运行时间过长容易发生相间短路引起保护跳闸，降低供电可靠性。

中性点装设消弧线圈的全补偿是补偿的感抗等于线路容抗。目前，配电网接地技术领域对配电网故障定位和选线研究较多，从考虑人身安全防护的配电网单相故障全补偿技术研究较少，经对现有技术领域检索发现，中国专利申请号201310262215.6，授权公告号CN103368167U，名称为一种单相接地故障基波电流全补偿装置与方法的中国专利，是中性点不接地电网发生单相接地故障时，在接地相的超前相对地接入电抗和电阻，实现接地基波电流的全补偿。仅仅补偿基波没有对全电气量包括谐波和暂态电气量进行补偿，补偿后故障线路的残流很大，难以满足人身安全防护要求。申请号 201310378527.3，授权公告号CN103474979A，名称为有源全补偿的消弧线圈装置的中国专利，是一种有源注入的全补偿消弧线圈装置，缺乏对有功分量、无功分量以及谐波和暂态分量全电气量的检测和控制，同样，补偿后故障线路的残流大于人身安全电流，容易造成人身伤害事故。

发明内容

本发明的目的是提供一种配电网单相故障电流补偿控制方法、装置与系统，用于解决现有配电网单相故障电流补偿后故障线路的残流大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种配电网单相故障电流补偿控制方法，包括以下步骤：

当配电网发生单相故障时，对故障线路的故障电流进行一次补偿，一次补偿后检测故障线路上的残流，当所述残流大于设定的电流时，对所述故障线路的残流进行再次补偿，直到补偿后检测到的故障线路上的残流小于或等于所述设定的电流为止。

每次补偿后计算到的故障线路上的残流包括：基波有功分量、基波无功分量、谐波分量、零序分量和负序分量。所述残流大于设定的电流为：残流中的所有分量的均方根值大于设定的电流。

对所述故障线路的残流进行再次补偿包括以下子步骤：

对残流的基波有功分量、基波无功分量、谐波分量、零序分量和负序分量中幅值最大的分量进行再次补偿。

通过以下步骤判定所述配电网发生单相故障：

当配电网各分段线路的电流变化率大于设定的门槛值时，判定配电网的相应分段线路发生单相故障。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种配电网单相故障电流补偿控制系统，包括补偿控制装置，补偿量注入设备，及设置于各馈电线路的各分段线路的配电终端，其中，补偿控制装置控制连接补偿量注入设备，补偿控制装置采样连接各分段配电终端；

各分段配电终端采集各分段的电气量信息，根据所述电气量信息判定故障线路发生单相接地故障，并将故障线路的电气量信息发送至补偿控制装置，补偿控制装置根据故障线路的电气量生成补偿控制指令，所述补偿量注入设备接收补偿控制指令后，对故障线路的故障电流进行一次补偿，一次补偿后故障线路的配电终端重新检测并发送该故障线路上的电气量信息至补偿控制装置，补偿控制装置计算得到该故障线路的残流，当所述残流大于设定的电流时，补偿控制装置控制补偿量注入设备对所述故障线路的残流再次补偿，直到补偿后检测到的故障线路上的残流小于或等于所述设定的电流为止。

每次补偿后计算到的故障线路上的残流包括：基波有功分量、基波无功分量、谐波分量、零序分量和负序分量。所述残流大于设定的电流为：残流中的所有分量的均方根值大于设定的电流。

对所述故障线路的残流进行再次补偿包括以下子步骤：

对残流的基波有功分量、基波无功分量、谐波分量、零序分量和负序分量中幅值最大的分量进行再次补偿。

所述补偿量注入设备为可控的电力电子装置。

通过以下步骤判定所述配电网发生单相故障：

当配电网各分段线路的电流变化率大于设定的门槛值时，判定配电网的相应分段线路发生单相故障。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种配电网单相故障电流补偿控制装置，包括通信模块、检测模块和补偿控制模块，其中，通信模块用于将配电终端发送的故障线路的电气量信息传输给检测模块，检测模块根据故障线路的电气量信息，计算对故障线路的故障电流或残流进行一次补偿的电气量，补偿控制模块根据全补偿的电气量发出补偿指令，并对每次补偿后故障线路的残流进行判断，当所述残流大于设定的电流时，对所述故障线路的残流进行再次补偿，直到补偿后所述检测模块检测到的故障线路上的残流小于或等于所述设定的电流为止。

每次补偿后计算到的故障线路上的残流包括：基波有功分量、基波无功分量、谐波分量、零序分量和负序分量。所述残流大于设定的电流为：残流中的所有分量的均方根值大于设定的电流。

对所述故障线路的残流进行再次补偿包括以下子步骤：

对残流的基波有功分量、基波无功分量、谐波分量、零序分量和负序分量中幅值最大的分量进行再次补偿。

所述通信模块的通信媒介是光纤以太网、无线或双绞线。

本发明的有益效果是：本发明对故障线路的故障电流进行补偿后，进行残流检测，若残流超过设定电流则再次对故障线路进行补偿，直到检测的残流在设定的电流值以内。本发明对配电网单相接地故障进行多次补偿，不断减小故障线路上的残流，提高单相故障电气设备运行的可靠性，保证了工作人员的人身安全。

本发明对现有只考虑无功分量、有功分量的补偿方法进行改进，实现的故障电流的补偿为多个电气分量的全补偿，包括故障电流的基波有功分量、基波无功分量、谐波分量、零序分量和负序分量，检测线路故障的残流也包括这些电气分量，由补偿控制装置控制补偿量注入设备进行多个电气量的补偿。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图；

图2是本发明的系统连接示意图；

图3是n次谐波电流正序分量检测算法原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

实施例一：

本发明配电网单相故障电流的补偿控制系统如图2所示，配电网变压器的二次侧连接多条馈线，分别有L1、L2、…、Ln，每条馈线的各分段设置有用于检测各分段单相故障电流的配电终端，每个配电终端对应有用电用户，所有配电终端通信连接一个全补偿控制器，该全补偿控制器控制连接有补偿量注入设备，该补偿量注入设备用于接收全补偿控制器的控制指令，对配电网进行全补偿。

上述补偿控制系统实现的电网单相故障电流的补偿控制方法包括以下步骤：

当配电网各分段线路的电流变化率大于设定的门槛值时，判定配电网的相应分段线路发生单相故障。当配电网发生单相故障时，对故障线路的故障电流进行一次补偿，一次补偿后检测故障线路上的残流，当该残流大于设定的电流时，对故障线路的残流进行下一次补偿，直到补偿后检测到的故障线路上的残流小于或等于设定的电流为止。

上述补偿控制系统的工作原理如下：

各分段配电终端判定配电网发生单相接地的故障线路，并将故障线路的电气量信息发送至全补偿控制器，全补偿控制器根据故障线路的电气量生成控制指令，补偿量注入设备接收该控制指令后，对故障线路的故障电流进行第一次补偿，补偿方式为过补偿，第一次补偿后故障线路的配电终端重新检测、并发送该故障线路上的电气量信息至全补偿控制器，全补偿控制器计算得到该故障线路的残流，残流为全补偿后故障线路残流中的基波有功分量、基波无功分量、谐波分量、零序分量、负序分量，当该残流大于设定的人体安全电流时，全补偿控制器控制补偿量注入设备对故障线路的残流进行第二次补偿、第三次补偿、第四次补偿等，直到每次补偿后全补偿控制器检测到的故障线路上的残流小于或等于人体安全电流为止。

本发明当变压器中性点经过消弧线圈接地发生单相接地故障时，通过馈电线路各分段配电终端检测故障点故障电气量，在继电保护动作前，全补偿控制器检测补偿故障点全电气量，降低故障点残流，提高电气设备运行安全性、可靠性以及人身财产安全性。

实施例二：

如图2所示的补偿控制系统，包括设置在变电站内的全补偿控制器，设置在中性点接地变压器附近的补偿量注入设备，及设置于各馈电线路的各分段线路的配电终端，全补偿控制器控制连接补偿量注入设备，全补偿控制器采样连接各分段配电终端。其中，补偿量注入设备是以电力电子设备(IGBT)为主的可控电力电子装置或消弧线圈装置，全补偿控制器包括通信模块、检测模块和补偿控制模块，该三个模块作为运行于微处理器的软件执行相应的功能。

该系统的全补偿控制方法如图1所示，包括以下步骤：

步骤a，配电终端实时采集计算所有馈线上的各分段全电气量，进行电气量的检测，设置故障启动标志信号，通过通信通道与全补偿控制器进行数据传输。

例如图2中的A点故障时，本条馈电线路L2设置故障启动标志信号，该故障启动标志信号是变电站内继电保护动作前的故障启动标志信号。判断发生单相接地故障时故障启动标志信号设置为1，无故障时设置为0。故障启动信号判断公式如下：

dik/dt＞Iref

式中，dik/dt为馈电线路第k分段电流变化率，Iref为馈电线路故障电流参考值。

馈电线路L2各分段上的配电终端，实时将故障启动标志信号和 A/D采样信号通过通信通道与全补偿控制器进行数据传输。

步骤b，全补偿控制器接收到设置故障标志的配电终端A/D采样信号，立即快速判断确定故障线路和补偿量，确定计算故障线路需要补偿的基波有功分量、基波无功分量以及谐波分量、零序分量、负序分量。

步骤b1，全补偿控制器的通信模块将接收到的故障馈电线路上各分段配电终端检测到的电气量，传送给补偿检测模块；通信模块的通信媒介可以是光纤以太网通信、无线通信、双绞线通信等。

步骤b2，补偿检测模块对接收的电气量进行处理，采用基于瞬时无功功率理论的i_p-i_q检测法。检测出基波有功分量、基波无功分量、零序分量、负序分量以及谐波分量。

各电气量检测方法如下：

假设三相电路的电压电流瞬时值分别为e_a,e_b,e_c,i_a,i_b,i_c。把它们变换到α-β两相正交的坐标系上得到两相瞬时电压e_α,e_β及两相瞬时电流i_α,i_β，即：

其中，

将其反变换，在时间坐标下的三相有功电流、无功电流与α-β坐标下的有功电流与无功电流存在以下关系：

其中，

通过上述方法可以检测基波有功分量和基波无功分量。

n次谐波电流正序分量检测算法原理框图如图3所示，将电源_a相电压的瞬时值e_a的n倍频后通过锁相环和正、余弦发生电路得到n 次谐波同步旋转的虚拟d-q变换矩阵：

经过变换矩阵为C₊的d-q变换后，三相系统的n次谐波电流中的正序分量转换成虚拟d轴、q轴上的两个直流分量，滤除其中正弦分量，分离出相应的直流分量，再将直流分量通过变换矩阵为C-进行反变换得到n次谐波的正序分量。

负序分量的检测与正序分量的检测原理相同，将变换矩阵C₊和 C-中的2π/3，全部换成-2π/3，-2π/3全部换成2π/3就可以得到检测负序分量的变换矩阵。

中性点采用消弧线圈接地方式时配电网单相接地会有一定的零序分量，零序分量为(i_a+i_b+i_c)/3。

补偿检测模块将从配电终端接收的瞬时A/D采样的三相电流信号以-ωt进行旋转d-q变换后，基波负序转换为直流分量i_d2、i_q2，此分量再通过以-ωt旋转的2/2变换后，得到i′_d2、i′_q2。同样接收的A/D 采样信号通过以ωt进行旋转的d-q变换后，经过计算可得到i′_dh、i′_qh，分别减去上面获得的i′_d2、i′_q2，于是得到不含基波负序的所有次谐波 i_dh、i_qh。实现对非线性负载产生的谐波、感容性负载产生的无功及不平衡负载产生的负序电流分量的检测。

步骤b3，检测出各分段线路的基波有功分量、基波无功分量、零序分量、负序分量以及谐波分量后，将各分量按照幅值大小的从大到小的顺序进行排列，存放于缓冲区。通过补偿控制模块依次发出控制指令，补偿量注入设备接收指令控制注入需要补偿的电气量，进行第一次补偿，为过补偿方式，同时计算第一次补偿后的故障点残流，故障点残流包括补偿后故障线路中剩余故障电流的基波有功分量、基波无功分量、零序分量、负序分量以及谐波分量。

步骤c，对故障线路第一次补偿后，将故障线路中剩余故障电流的基波有功分量、基波无功分量、零序分量、负序分量以及谐波分量的均方根值，与设定的人体安全电流限值10mA相比较，若大于设定的人体安全电流限值10mA，就根据残流中分量幅值的大小按照从大到小的顺序一次补偿残流中的分量，每次补偿只补偿残流中分量幅值最大的对应分量，补偿后重新检测残流，重新比较残流中基波有功分量、基波无功分量、零序分量、负序分量以及谐波分量的均方根值，与人体安全电流限值的大小，若大于，则继续进行补偿，直到每次检测残流中的所有分量的均方根值小于或等于人体安全电流限值为止，本发明的闭环控制以故障点残流均方根值满足人体安全标准为目标。

本发明首先利用配电网各馈电线路各分段配电终端监测计算本分段节点全电气量，采集计算的电气量包括：基波无功分量、基波有功分量以及谐波分量和暂态分量，并将故障启动标志和电气量通过通信线路传输到站内全补偿控制器；然后全补偿控制器分析馈电线路各分段线路，确定故障线路和补偿全电气量大小和相位；全补偿控制器依据分析的结果发出控制指令，控制补偿量注入设备补偿故障线路中电流，利用闭环控制，降低故障点残流，达到故障线路残流符合人体安全标准为止。本发明利用配电自动化配电终端检测故障电气量，在站内继电保护动作前，通过全补偿控制器快速有效补偿故障线路的基波无功分量、基波有功分量以及谐波分量和暂态分量，实现故障线路上的全补偿，降低故障点残流，提高单相故障电气设备运行的安全性、可靠性以及人身财产安全性。

本实施例对故障线路电流或残流分解成的基波有功分量、基波无功分量以及谐波分量、零序分量、负序分量的处理过程是由全补偿控制器完成的，作为其他实施方式，该过程可以由各个配电终端完成，将分解后的各分量发送给全补偿控制器进行补偿控制。

本发明还提出了一种配电网单相故障电流补偿控制装置，包括通信模块、检测模块和补偿控制模块，其中，通信模块用于将配电终端发送的故障线路的电气量信息传输给检测模块，检测模块根据故障线路的电气量信息，计算对故障线路的故障电流或残流进行一次补偿的电气量，补偿控制模块根据全补偿的电气量发出补偿指令，并对每次补偿后故障线路的残流进行判断，当所述残流大于设定的电流时，对所述故障线路的残流进行再次补偿，直到补偿后所述检测模块检测到的故障线路上的残流小于或等于所述设定的电流为止。

由于该补偿控制装置即为上述实施例中的全补偿控制器，上述全补偿控制器实际上是基于本发明补偿控制方法流程的一种计算机解决方案，即一种可以应用到配电站中的软件构架，由于对上述补偿控制方法和全补偿控制器的介绍已经足够清楚完整，故不再对补偿控制装置进行详细描述。

本发明利用i_p-i_q检测法计算各电气量的过程为现有技术，具体参见《中国电机工程学报》第25卷第13期41页-44页的《三相四线制系统任意次谐波电流的检测新方法》一文。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种配电网单相故障电流补偿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

对配电网各分段线路进行单相故障检测，当配电网中某段线路发生单相故障时，对该段故障线路的故障电流进行一次补偿，一次补偿采用过补偿方式，一次补偿后检测该段故障线路上的残流，当所述残流大于设定的电流时，对所述故障线路的残流进行再次补偿，直到补偿后检测到的故障线路上的残流小于或等于所述设定的电流为止；

每次补偿后计算到的故障线路上的残流包括：基波有功分量、基波无功分量、谐波分量、零序分量和负序分量；再次补偿时根据残流中分量幅值的大小按照从大到小的顺序一次补偿残流中的分量，每次补偿只补偿残流中分量幅值最大的对应分量，补偿后重新检测残流。

2.根据权利要求1所述的配电网单相故障电流补偿控制方法，其特征在于，所述残流大于设定的电流为：残流中的所有分量的均方根值大于设定的电流。

3.一种配电网单相故障电流补偿控制系统，其特征在于，包括补偿控制装置，补偿量注入设备，及设置于各馈电线路的各分段线路的配电终端，其中，补偿控制装置控制连接补偿量注入设备，补偿控制装置采样连接各分段配电终端；

各分段配电终端采集各分段的电气量信息，根据所述电气量信息判定故障线路发生单相接地故障，并将故障线路的电气量信息发送至补偿控制装置，补偿控制装置根据故障线路的电气量生成补偿控制指令，所述补偿量注入设备接收补偿控制指令后，对故障线路的故障电流进行一次补偿，一次补偿采用过补偿方式，一次补偿后故障线路的配电终端重新检测并发送该故障线路上的电气量信息至补偿控制装置，补偿控制装置计算得到该故障线路的残流，当所述残流大于设定的电流时，补偿控制装置控制补偿量注入设备对所述故障线路的残流再次补偿，直到补偿后检测到的故障线路上的残流小于或等于所述设定的电流为止；每次补偿后计算到的故障线路上的残流包括：基波有功分量、基波无功分量、谐波分量、零序分量和负序分量；再次补偿时根据残流中分量幅值的大小按照从大到小的顺序一次补偿残流中的分量，每次补偿只补偿残流中分量幅值最大的对应分量，补偿后重新检测残流。

4.根据权利要求3所述的配电网单相故障电流补偿控制系统，其特征在于，所述残流大于设定的电流为：残流中的所有分量的均方根值大于设定的电流。

5.一种配电网单相故障电流补偿控制装置，其特征在于，包括通信模块、检测模块和补偿控制模块，其中，通信模块用于将配电终端发送的故障线路的电气量信息传输给检测模块，检测模块根据故障线路的电气量信息，计算对故障线路的故障电流或残流进行一次补偿的电气量，一次补偿采用过补偿方式，补偿控制模块根据全补偿的电气量发出补偿指令，并对每次补偿后故障线路的残流进行判断，当所述残流大于设定的电流时，对所述故障线路的残流进行再次补偿，直到补偿后所述检测模块检测到的故障线路上的残流小于或等于所述设定的电流为止；

每次补偿后计算到的故障线路上的残流包括：基波有功分量、基波无功分量、谐波分量、零序分量和负序分量；再次补偿时根据残流中分量幅值的大小按照从大到小的顺序一次补偿残流中的分量，每次补偿只补偿残流中分量幅值最大的对应分量，补偿后重新检测残流。

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