CN109444658A - 一种电力系统中基于短路比监测的母线故障判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种电力系统中基于短路比监测的母线故障判断方法，其包括以下步骤：获取电网中各母线上A、B、C三相电压的实时值；判断母线是否存在接地故障：计算交流系统正常运行方式下，交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi；计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCRl和多馈入短路比MSCRl，根据连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCRl和多馈入短路比MSCRl判断是否出现了母线短路故障；若是出现了母线短路故障，则采用改进的熄弧角判断法来判断母线短路出现故障的位置，将电压耦合作用因子变换为包含逆变器熄弧角的表达式，并判断逆变器熄弧角是否小于最小熄弧角，若是则判断该对应的母线出现故障；本发明可同时对这三种类型的母线故障进行判断。

Description

一种电力系统中基于短路比监测的母线故障判断方法

技术领域

本发明属于电力配电计算领域，具体属于一种电力系统中基于短路比监测的母线故障判断方法。

背景技术

随着国民经济以及电力技术的快速发展，人们对供电可靠性和电能质量的要求越来越高，因此对调度监控质量提出了极高的要求。

电力系统中线路故障是对电路调度的一项重要考验，而母线故障又占到了线路故障的不小比例，其中母线接地是一类常见故障，在实时告警中也属常见信号。母线接地可能引起二次回路经过接地网络启动出口，造成误动，也可能引起控制母线电压下降，造成拒动。通常解决这类故障采用的方法是：监控人员发现可疑接地异常后，通知给监控中心，由监控中心的调度人员通知运行维护人员到达现场，进行故障排查，最终找到故障线路，再由相关人员解决问题，消除接地异常。但是现有的技术中专利申请号为201310480842.7的专利中，虽然提供了母线接地的故障判断方法，但是母线的故障还有其他类型，比如母线短路、母线线路故障等，如果仅仅排除了母线接地故障，就认为线路是安全的，然而这并没有考虑到母线线路故障和母线短路的情况，这就增加了事故隐患，即使考虑到了线路故障，也是通过花费大量的时间在人为的故障现场排查故障点的过程中，并没有一种能够同时对母线接地故障、母线短路和线路故障进行自动寻找的方法。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高故障寻找效率的电力系统中基于短路比监测的母线故障判断。本发明的技术方案如下：

一种电力系统中基于短路比监测的母线故障判断方法，其包括以下步骤：

S1、获取电网中各母线上A、B、C三相电压的实时值；判断母线是否存在接地故障：当出现母线接地告警保护信号时，即时判断此母线上A、B、C三相电压的实时值，当其中一个或以上的电压实时值低于其额定安全值时，说明此条母线上出现了接地故障；否则，切换到步骤S2；

S2、计算交流系统正常运行方式下，交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi；计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比和多馈入短路比对线路故障进行排序；组合最恶劣的连锁故障集；计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCRl和多馈入短路比MSCRl，根据连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCRl和多馈入短路比MSCRl判断是否出现了母线短路故障；

S3、若是出现了母线短路故障，则采用改进的熄弧角判断法来判断母线短路出现故障的位置，改进在于：通过节点阻抗矩阵得出交直流系统电压耦合作用因子的简便计算公式；再根据交直流系统电压耦合作用因子的简便计算公式计算得到临界交直流电压耦合作用因子，利用电压耦合作用因子以及逆变器熄弧角表达式中的电压关系，将电压耦合作用因子变换为包含逆变器熄弧角的表达式，并判断逆变器熄弧角是否小于最小熄弧角，若是则判断该对应的母线出现故障；

具体包括：进行交直流系统潮流计算，确定各网络中节点电压值；根据系统网络参数和网架结构，构建发电机、线路、变压器、负荷和直流系统模型，建立网络阻抗分析数据，生成节点阻抗矩阵；

获取多馈入直流系统中直流逆变器侧换流母线与交流母线之间的互阻抗，及各交流母线的自阻抗，计算交直流系统电压耦合作用因子；具体包括：对单回线路包括相连的第j个直流逆变侧换流母线与第m个受端系统交流母线，当第m个受端系统交流母线发生故障后在其上投入对称三相电抗器使得该交流母线的线电压下降量为ΔU_m，相应地在第m个受端系统交流母线处投入对称三相电抗器后第j个直流逆变侧换流母线的电压变化量为ΔU_j，ΔU_m和ΔU_j均为标幺值，j≥1，m≥1；依据前述交直流电压耦合作用因子的定义可知，交直流电压耦合作用因子ADVCF_jm的表达式如下式所示：

ADVCF_jm＝ΔU_j/ΔU_m (1)

0≤ADVCF_jm≤1，ADVCF_jm越大，则直流逆变站j与受端交流母线m间的交互作用越强；

基于节点阻抗矩阵得出交直流系统电压耦合作用因子的简便计算公式；

所述交直流系统电压耦合作用因子简便计算公式为：

ΔU_j表示逆变侧换流母线j的电压变化量，ΔU_m表示受端系统交流母线m发生三相对称电感性接地故障时的电压变化量，Z_jm表示故障前受端交流系统等值阻抗矩阵Z中母线j和母线m之间的互阻抗，Z_mm表示故障前受端系统等值阻抗矩阵Z中母线m的自阻抗；

多馈入直流输电系统中任一直流逆变站j的熄弧角表达式如下式(3)所示：

其中，I_dj为直流j的运行电流；X_Lj为逆变站j的换相电抗；U_Lj为逆变站j的换流母线线电压有效值；β_j为逆变站j的越前触发角；n_j为逆变站j的换相变压器的变化，

由于，β_j＝180°-α_j，α_j是逆变站j的滞后触发角，将其代入式(3)中得到：

若γ_j<γ_min,即逆变器熄弧角小于最小熄弧角，γ_min为逆变站的最小熄弧角，若是则判断该对应的母线出现故障。

进一步的，所述步骤S1是基于智能电网调度技术支持系统D5000实现的，D5000系统的监控中心的监视界面实时显示电网中各母线的运行状况——实时刷新母线上A、B、C三相电压值，这些电压值是通过遥测方式得到的。

进一步的，所述步骤S2中，交流系统正常运行方式下，交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi分别表示为：

其中，S_ac为换流母线的短路容量；P_dN为额定直流功率；Q_cN为当换流站交流母线电压U取额定值U_N时，无功补偿设备产生的无功功率；P_dNi为第i回直流系统的额定运行功率；Zsi为第i回直流换流母线的自阻抗；Z_ij为第i回和第j回直流换流母线之间的互阻抗；P_dNj为第j回直流系统的额定运行功率，i,j＝1,2,…,n，n为交流系统中直流系统的数量；按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi的计算方式计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比ESCR_Nk和多馈入短路比MSCR_Nk，其中；k＝1,2,3,4；按照计算出的ESCR_Nk或多馈入短路比MSCR_Nk的大小对线路故障进行排序。

进一步的，所述步骤S2采用PSD‐BPA潮流程序在线完成第N次线路故障后潮流转移情况仿真和评估，从而判断出第N次线路故障后潮流分布情况，判断可能导致线路重载或母线电压偏低的情况，进而确定第N+1次故障所涉元件，从而组合出可能发生的最恶劣连锁故障集。

进一步的，所述步骤S2同样按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi的计算方式计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCRl和多馈入短路比MSCRl。

进一步的，所述步骤S2中，通过评估连锁故障下交流系统强度，根据以下判断标准判断是否发生判断是否出现了母线短路故障；

1)ESCR l/MSCRl≤1.5，判断该交流系统为极弱系统，发生母线短路故障可能性高；

2)1.5＜ESCR l/MSCRl≤2.5，判断该交流系统为弱系统，发生母线短路故障可能性不大；

3)2.5＜ESCR l/MSCRl，判断该交流系统为强系统，基本不会引起母线短路故障。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明通过将母线接地故障和母线线路故障结合，实现了母线故障的全排除。通过改进的熄弧角判断法来判断母线是否出现故障，改进在于：通过节点阻抗矩阵得出交直流系统电压耦合作用因子的简便计算公式；再根据交直流系统电压耦合作用因子的简便计算公式计算得到临界交直流电压耦合作用因子，利用电压耦合作用因子以及逆变器熄弧角表达式中的电压关系，将电压耦合作用因子变换为包含逆变器熄弧角的表达式，并判断逆变器熄弧角是否小于最小熄弧角，若是则判断该对应的母线出现故障；本发明还创新性的引入了短路比，来对母线的短路故障情况进行故障判断，可以便捷的对三种情况的母线故障进行排除，减少了人工排除线路故障的麻烦与危险，并且提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例电力系统中单回线路的母线故障寻找方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

如图1所示，一种电力系统中基于短路比监测的母线故障判断方法，其包括以下步骤：

S1、获取电网中各母线上A、B、C三相电压的实时值；判断母线是否存在接地故障：当出现母线接地告警保护信号时，即时判断此母线上A、B、C三相电压的实时值，当其中一个或以上的电压实时值低于其额定安全值时，说明此条母线上出现了接地故障；否则，切换到步骤S2；

S2、计算交流系统正常运行方式下，交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi；计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比和多馈入短路比对线路故障进行排序；组合最恶劣的连锁故障集；计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCRl和多馈入短路比MSCRl，根据连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCRl和多馈入短路比MSCRl判断是否出现了母线短路故障；

S3、若是出现了母线短路故障，则采用改进的熄弧角判断法来判断母线短路出现故障的位置，改进在于：通过节点阻抗矩阵得出交直流系统电压耦合作用因子的简便计算公式；再根据交直流系统电压耦合作用因子的简便计算公式计算得到临界交直流电压耦合作用因子，利用电压耦合作用因子以及逆变器熄弧角表达式中的电压关系，将电压耦合作用因子变换为包含逆变器熄弧角的表达式，并判断逆变器熄弧角是否小于最小熄弧角，若是则判断该对应的母线出现故障；

具体包括：进行交直流系统潮流计算，确定各网络中节点电压值；根据系统网络参数和网架结构，构建发电机、线路、变压器、负荷和直流系统模型，建立网络阻抗分析数据，生成节点阻抗矩阵；

获取多馈入直流系统中直流逆变器侧换流母线与交流母线之间的互阻抗，及各交流母线的自阻抗，计算交直流系统电压耦合作用因子；具体包括：对单回线路包括相连的第j个直流逆变侧换流母线与第m个受端系统交流母线，当第m个受端系统交流母线发生故障后在其上投入对称三相电抗器使得该交流母线的线电压下降量为ΔU_m，相应地在第m个受端系统交流母线处投入对称三相电抗器后第j个直流逆变侧换流母线的电压变化量为ΔU_j，ΔU_m和ΔU_j均为标幺值，j≥1，m≥1；依据前述交直流电压耦合作用因子的定义可知，交直流电压耦合作用因子ADVCF_jm的表达式如下式所示：

ADVCF_jm＝ΔU_j/ΔU_m (1)

0≤ADVCF_jm≤1，ADVCF_jm越大，则直流逆变站j与受端交流母线m间的交互作用越强；

基于节点阻抗矩阵得出交直流系统电压耦合作用因子的简便计算公式；

所述交直流系统电压耦合作用因子简便计算公式为：

ΔU_j表示逆变侧换流母线j的电压变化量，ΔU_m表示受端系统交流母线m发生三相对称电感性接地故障时的电压变化量，Z_jm表示故障前受端交流系统等值阻抗矩阵Z中母线j和母线m之间的互阻抗，Z_mm表示故障前受端系统等值阻抗矩阵Z中母线m的自阻抗；

多馈入直流输电系统中任一直流逆变站j的熄弧角表达式如下式(3)所示：

其中，I_dj为直流j的运行电流；X_Lj为逆变站j的换相电抗；U_Lj为逆变站j的换流母线线电压有效值；β_j为逆变站j的越前触发角；n_j为逆变站j的换相变压器的变化，

由于，β_j＝180°-α_j，α_j是逆变站j的滞后触发角，将其代入式(3)中得到：

若γ_j<γ_min,即逆变器熄弧角小于最小熄弧角，γ_min为逆变站的最小熄弧角，若是则判断该对应的母线出现故障。

优选的，所述步骤S1是基于智能电网调度技术支持系统D5000实现的，D5000系统的监控中心的监视界面实时显示电网中各母线的运行状况——实时刷新母线上A、B、C三相电压值，这些电压值是通过遥测方式得到的。

优选的，所述步骤S2中，交流系统正常运行方式下，交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi分别表示为：

其中，S_ac为换流母线的短路容量；P_dN为额定直流功率；Q_cN为当换流站交流母线电压U取额定值U_N时，无功补偿设备产生的无功功率；P_dNi为第i回直流系统的额定运行功率；Zsi为第i回直流换流母线的自阻抗；Z_ij为第i回和第j回直流换流母线之间的互阻抗；P_dNj为第j回直流系统的额定运行功率，i,j＝1,2,…,n，n为交流系统中直流系统的数量；按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi的计算方式计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比ESCR_Nk和多馈入短路比MSCR_Nk，其中；k＝1,2,3,4；按照计算出的ESCR_Nk或多馈入短路比MSCR_Nk的大小对线路故障进行排序。

优选的，所述步骤S2采用PSD‐BPA潮流程序在线完成第N次线路故障后潮流转移情况仿真和评估，从而判断出第N次线路故障后潮流分布情况，判断可能导致线路重载或母线电压偏低的情况，进而确定第N+1次故障所涉元件，从而组合出可能发生的最恶劣连锁故障集。

优选的，所述步骤S2同样按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi的计算方式计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCRl和多馈入短路比MSCRl。

优选的，所述步骤S2中，通过评估连锁故障下交流系统强度，根据以下判断标准判断是否发生判断是否出现了母线短路故障；

1)ESCR l/MSCRl≤1.5，判断该交流系统为极弱系统，发生母线短路故障可能性高；

2)1.5＜ESCR l/MSCRl≤2.5，判断该交流系统为弱系统，发生母线短路故障可能性不大；

3)2.5＜ESCR l/MSCRl，判断该交流系统为强系统，基本不会引起母线短路故障。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种电力系统中基于短路比监测的母线故障判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取电网中各母线上A、B、C三相电压的实时值；判断母线是否存在接地故障：当出现母线接地告警保护信号时，即时判断此母线上A、B、C三相电压的实时值，当其中一个或以上的电压实时值低于其额定安全值时，说明此条母线上出现了接地故障；否则，切换到步骤S2；

S2、计算交流系统正常运行方式下，交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi；计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比和多馈入短路比对线路故障进行排序；组合最恶劣的连锁故障集；计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCRl和多馈入短路比MSCRl，根据连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCRl和多馈入短路比MSCRl判断是否出现了母线短路故障；

S3、若是出现了母线短路故障，则采用改进的熄弧角判断法来判断母线短路出现故障的位置，改进在于：通过节点阻抗矩阵得出交直流系统电压耦合作用因子的简便计算公式；再根据交直流系统电压耦合作用因子的简便计算公式计算得到临界交直流电压耦合作用因子，利用电压耦合作用因子以及逆变器熄弧角表达式中的电压关系，将电压耦合作用因子变换为包含逆变器熄弧角的表达式，并判断逆变器熄弧角是否小于最小熄弧角，若是则判断该对应的母线出现故障；

具体包括：进行交直流系统潮流计算，确定各网络中节点电压值；根据系统网络参数和网架结构，构建发电机、线路、变压器、负荷和直流系统模型，建立网络阻抗分析数据，生成节点阻抗矩阵；

获取多馈入直流系统中直流逆变器侧换流母线与交流母线之间的互阻抗，及各交流母线的自阻抗，计算交直流系统电压耦合作用因子；具体包括：对单回线路包括相连的第j个直流逆变侧换流母线与第m个受端系统交流母线，当第m个受端系统交流母线发生故障后在其上投入对称三相电抗器使得该交流母线的线电压下降量为ΔU_m，相应地在第m个受端系统交流母线处投入对称三相电抗器后第j个直流逆变侧换流母线的电压变化量为ΔU_j，ΔU_m和ΔU_j均为标幺值，j≥1，m≥1；依据前述交直流电压耦合作用因子的定义可知，交直流电压耦合作用因子ADVCF_jm的表达式如下式所示：

ADVCF_jm＝ΔU_j/ΔU_m (1)

0≤ADVCF_jm≤1，ADVCF_jm越大，则直流逆变站j与受端交流母线m间的交互作用越强；

基于节点阻抗矩阵得出交直流系统电压耦合作用因子的简便计算公式；

所述交直流系统电压耦合作用因子简便计算公式为：

ΔU_j表示逆变侧换流母线j的电压变化量，ΔU_m表示受端系统交流母线m发生三相对称电感性接地故障时的电压变化量，Z_jm表示故障前受端交流系统等值阻抗矩阵Z中母线j和母线m之间的互阻抗，Z_mm表示故障前受端系统等值阻抗矩阵Z中母线m的自阻抗；

多馈入直流输电系统中任一直流逆变站j的熄弧角表达式如下式(3)所示：

其中，I_dj为直流j的运行电流；X_Lj为逆变站j的换相电抗；U_Lj为逆变站j的换流母线线电压有效值；β_j为逆变站j的越前触发角；n_j为逆变站j的换相变压器的变化，

由于，β_j＝180°-α_j，α_j是逆变站j的滞后触发角，将其代入式(3)中得到：

若γ_j<γ_min,即逆变器熄弧角小于最小熄弧角，γ_min为逆变站的最小熄弧角，若是则判断该对应的母线出现故障。

2.根据权利要求1所述的一种电力系统中单回线路的母线故障寻找方法，其特征在于，所述步骤S1是基于智能电网调度技术支持系统D5000实现的，D5000系统的监控中心的监视界面实时显示电网中各母线的运行状况——实时刷新母线上A、B、C三相电压值，这些电压值是通过遥测方式得到的。

3.根据权利要求1所述的一种电力系统中单回线路的母线故障寻找方法，其特征在于，所述步骤S2中，交流系统正常运行方式下，交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi分别表示为：

其中，S_ac为换流母线的短路容量；P_dN为额定直流功率；Q_cN为当换流站交流母线电压U取额定值U_N时，无功补偿设备产生的无功功率；P_dNi为第i回直流系统的额定运行功率；Zsi为第i回直流换流母线的自阻抗；Z_ij为第i回和第j回直流换流母线之间的互阻抗；P_dNj为第j回直流系统的额定运行功率，i,j＝1,2,…,n，n为交流系统中直流系统的数量；按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi的计算方式计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比ESCR_Nk和多馈入短路比MSCR_Nk，其中；k＝1,2,3,4；按照计算出的ESCR_Nk或多馈入短路比MSCR_Nk的大小对线路故障进行排序。

4.根据权利要求3所述的一种电力系统中单回线路的母线故障寻找方法，其特征在于，所述步骤S2采用PSD‐BPA潮流程序在线完成第N次线路故障后潮流转移情况仿真和评估，从而判断出第N次线路故障后潮流分布情况，判断可能导致线路重载或母线电压偏低的情况，进而确定第N+1次故障所涉元件，从而组合出可能发生的最恶劣连锁故障集。

5.根据权利要求4所述的一种电力系统中单回线路的母线故障寻找方法，其特征在于，所述步骤S2同样按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi的计算方式计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCRl和多馈入短路比MSCRl。

6.根据权利要求5所述的一种电力系统中单回线路的母线故障寻找方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过评估连锁故障下交流系统强度，根据以下判断标准判断是否发生判断是否出现了母线短路故障；

1)ESCR l/MSCRl≤1.5，判断该交流系统为极弱系统，发生母线短路故障可能性高；

2)1.5＜ESCR l/MSCRl≤2.5，判断该交流系统为弱系统，发生母线短路故障可能性不大；

3)2.5＜ESCR l/MSCRl，判断该交流系统为强系统，基本不会引起母线短路故障。