CN109617029A - 一种基于谐波保护装置的电网保护方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种基于谐波保护装置的电网保护方法与系统，包括：采集母线的电压信号以及所述母线的各出线的电流信号，基于所述采集的母线电压信号和所述出线电流信号，计算所述母线谐波电压向量、所述出线各次谐波电流向量和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数，基于所述母线谐波电压和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数以及设定的谐波保护定值和保护时延，对电网进行保护。本发明为可在所述母线谐波电压大于所述母线谐波电压保护定值，且持续时间超过设定的保护时延时，迅速、精确地切除所述贡献系数最大的出线，确保电网的安全运行，能够防止因为谐波治理不当造成的超越电网安全许可的谐波的侵入。

Description

一种基于谐波保护装置的电网保护方法与系统

技术领域

本发明涉及一种基于谐波保护装置的电网保护方法与系统。

背景技术

近几年来，随着风力发电、光伏发电的大规模接入，以及直流输电、电气化铁路、电动汽车、微电网、分布式发电等新技术的快速发展和需求侧变频负载占比的快速增长，电网的谐波形势日趋复杂与严峻，谐波源已经从过去主要集中在用户侧迅速扩展至发、输、变、配、用各环节，谐波已不再单是影响电能质量，严重时已危及电网安全。谐波治理不适当可能造成超越电网安全许可的谐波侵入，此时，如不及时采取措施，不仅严重影响电能质量，甚至危及整个电网的可靠运行。

发明内容

为了解决上述由于谐波治理不当或者治理设备故障等造成的超越电网安全许可的谐波侵入，从而严重影响电能质量，危害整个电网的可靠运行，本发明提供一种基于谐波保护装置的电网保护方法，所述方法包括：

采集母线的电压信号以及所述母线的各出线的电流信号；

基于所述采集的母线电压信号和所述出线电流信号，计算所述母线谐波电压向量、所述出线各次谐波电流向量和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数；

基于所述母线谐波电压和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数以及设定的谐波保护定值和保护时延，对电网进行保护。

优选的，所述基于所述母线谐波电压和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数以及设定的谐波保护定值和保护时延，对电网进行保护包括：

如果所述母线谐波电压大于同次谐波电压保护定值且持续时间超过保护时延定值，立即向母线谐波电压的贡献系数最大的出线断路器发出跳闸信号；

基于切除母线谐波电压的贡献系数最大的出线断路器后，重新对剩余电网中母线谐波电压进行判断，如果所述母线谐波电压大于同次谐波电压保护定值且持续时间超过保护时延定值，则继续向所述母线谐波电压的贡献系数最大的出线断路器发出跳闸信号，直到剩余电网中母线谐波电压小于等于同次谐波电压保护定值且持续时间不超过保护时延定值。

优选的，所述基于所述采集的母线电压信号和所述出线电流信号，计算所述母线谐波电压向量、所述出线各次谐波电流向量和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数包括：

基于所述采集的母线电压信号和所述出线电流信号，采用傅立叶算法计算所述母线谐波电压向量、出线各次谐波电流向量及电压总体波形畸变率；

基于所述母线谐波电压向量、出线各次谐波电流向量及电压总体波形畸变率计算所述母线谐波电压和出线对所述母线谐波电压的贡献系数。

优选的，所述电压总体波形畸变率的计算公式如下：

式中，U_n为第n次谐波电压的幅值；U_THD为电压总体波形畸变率。

优选的，所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数包括：

利用最小二乘法对计算的多组电压相量、电流相量进行拟合，建立诺顿等效模型；

基于建立的诺顿等效模型确定出线对所述母线谐波电压的贡献系数。

优选的，所述诺顿等效模型基于下式设定：

式中，为第h次谐波电流相量，为第h次谐波电压相量，为第h次谐波导纳，为出线发出的第h谐波电流分量。

优选的，所述基于建立的诺顿等效模型确定出线对所述母线谐波电压的贡献系数包括：

基于诺顿等效模型得到各出线发出的h次谐波电流

将所述各出线发出的h次谐波电流进行向量叠加得出该次谐波总电流在谐波总电流相量中对各出线谐波电流进行投影得出出线对母线谐波电压的贡献系数。

优选的，所述采集母线的电压信号以及所述母线的各出线的电流信号的方式包括数字方式或模拟方式。

一种基于谐波保护装置的电网保护系统，包括：

采集模块：用于采集母线的电压信号以及所述母线的各出线的电流信号；

计算模块：用于基于所述采集的母线电压信号和所述出线电流信号，计算所述母线谐波电压向量、所述出线各次谐波电流向量和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数；

保护模块：用于基于所述母线谐波电压和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数以及设定的谐波保护定值和保护时延，对电网进行保护。

优选的，所述保护模块包括：判断单元；

所述判断单元用于如果所述母线谐波电压大于同次谐波电压保护定值且持续时间超过保护时延定值，立即向母线谐波电压的贡献系数最大的出线断路器发出跳闸信号；

基于切除母线谐波电压的贡献系数最大的出线断路器后，重新对剩余电网中母线谐波电压进行判断，如果所述母线谐波电压大于同次谐波电压保护定值且持续时间超过保护时延定值，则继续向所述母线谐波电压的贡献系数最大的出线断路器发出跳闸信号，直到剩余电网中母线谐波电压小于等于同次谐波电压保护定值且持续时间不超过保护时延定值。

与最接近的现有技术相比，本申请具有如下有益效果：

1、本发明为一种基于谐波保护装置的电网保护方法与系统，采集母线的电压信号以及所述母线的各出线的电流信号，基于所述采集的母线电压信号和所述出线电流信号，计算所述母线谐波电压向量、所述出线各次谐波电流向量和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数，基于所述母线谐波电压和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数以及设定的谐波保护定值和保护时延，对电网进行保护，通过设定母线谐波电压保护定值及保护时延，可在所述母线谐波电压大于所述母线谐波电压保护定值，且持续时间超过设定的保护时延时，迅速、精确地切除所述贡献系数最大的出线，确保电网的安全运行，能够防止因为谐波治理不当造成的超越电网安全许可的谐波的侵入；

2、本发明为一种基于谐波保护装置的电网保护方法与系统，通过实时监测母线电压及其出线电流，实时定位所述母线谐波电压的来源，若有一条以上所述出线，可实时计算所述各出线对所述母线谐波电压贡献系数的大小；

3、本发明为一种基于谐波保护装置的电网保护方法与系统，有望在谐波环境日益复杂的电力系统中应用广泛，在保障电网安全和提升供电质量方面发挥重要作用，具有显著的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的电网谐波保护装置与母线关系的结构示意图；

图3为本发明的电网谐波保护方法的流程示意图。

具体实施例

为了更好的解释本发明的技术方案，下面结合具体的实施例对本发明做进一步的解释说明

实施例1

如图1所示：

步骤1：采集母线的电压信号以及所述母线的各出线的电流信号；

步骤2：基于所述采集的母线电压信号和所述出线电流信号，计算所述母线谐波电压向量、所述出线各次谐波电流向量和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数；

步骤3：基于所述母线谐波电压和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数以及设定的谐波保护定值和保护时延，对电网进行保护。

具体的，如图3所示：

步骤1：采集母线的电压信号以及所述母线的各出线的电流信号，具体包括：

(1)一台谐波保护装置对应一条母线，根据保护需求，在谐波保护装置中事先设定好谐波电压保护定值及时延定值。

(2)所述谐波保护装置以数字或模拟的方式，通过互感器实时采集所述母线电压信号及所述母线各条出线电流信号。

步骤2：基于所述采集的母线电压信号和所述出线电流信号，计算所述母线谐波电压向量、所述出线各次谐波电流向量和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数，具体包括：

(3)所述谐波保护装置基于采集的所述电压信号和电流信号，实时计算所述母线的谐波电压幅值及所述各条出线对所述母线谐波电压的贡献系数。

步骤3：基于所述母线谐波电压和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数以及设定的谐波保护定值和保护时延，对电网进行保护，具体包括：

(4)所述谐波保护装置实时判断所述母线谐波电压的计算值是否大于与所述谐波电压保护定值，如果是大于且持续时间超过所述时延定值，立即向所述贡献系数最大的出线断路器发出跳闸信号。

对上述(1)中所述谐波保护装置持续重复(2)、(3)和(4)，以持续进行谐波保护。

所述谐波电压保护定值可包括任意次谐波电压保护定值和电压总谐波畸变率保护定值；所述保护时延定值需要根据电网拓扑结构设定，以使距离谐波源近的谐波保护装置优先动作。保护定值的设定参考GB/T 14549 93《公用电网谐波标准》中规定的谐波电压限值的1.5-2倍。保护时延定值需保证从检测到谐波电压大于定值到切除相关出线的时间间隔至少小于10s。

所述互感器应为宽频带的电子式互感器，其准确等级符合步骤(3)中所述计算的要求。一般选取准确度等级优于0.2级的互感器。

计算所述母线谐波电压包括计算所述母线的各次谐波电压及电压总体波形畸变率，具体计算方式为通过对采集数据进行快速傅里叶变换(FFT)计算可以得出各次谐波电压，总体波形畸变率通过以下公式得出：

式中，U_n为第n次谐波电压的幅值。U_THD为电压总体波形畸变率。

计算所述贡献系数包括计算对所述母线各次谐波电压及电压总谐波畸变率的贡献系数。具体计算方式为，根据需要计算的谐波次数确定需要采集数据量的大小，一般每次谐波需要5组以上不同的谐波电压、电流值，利用整体最小二乘法进行拟合，建立各条出线的诺顿等效模型，具体为：

式中为第h次谐波电流相量，为第h次谐波电压相量，为第h次谐波导纳，为出线发出的第h谐波电流分量。

将各出线发出的某次谐波电流进行向量叠加即可得出该次谐波总电流在总谐波电流向量中对各出线谐波电流进行投影可得出各出线的谐波电压贡献系数。

所述母线谐波电压超过所述谐波电压保护定值包括任意次谐波电压大于所述同次谐波电压保护定值及电压总谐波畸变率大于所述电压总谐波畸变率保护定值。如果某次谐波电压大于所述保护定值且持续时间超过保护时延定值，立即向所述贡献系数最大的出线断路器发出跳闸信号；如果谐波电压总体波形畸变率大于所述保护定值且持续时间超过保护时延定值，立即向谐波电压幅值最高的所述该次谐波电压贡献系数最大的出线断路器发出跳闸信号。

实施例2

(1)遴选可能受到谐波源侵扰的电网节点，通常为变电站母线。然后，对此母线一对一地配置谐波保护装置。谐波保护装置投运前，要完成谐波电压保护定值和保护时延定值的设定，保护定值的设定参考GB/T 14549 93《公用电网谐波标准》中规定的谐波电压限值的1.5-2倍。谐波电压保护定值可以是电压总谐波畸变率保护定值，也可以是某个特定频率谐波电压保护定值，也可以是上述保护定值的组合；保护时延则根据多个相关谐波保护装置的配合需要设定，保证从检测到谐波电压大于定值到切除相关出线的时间间隔小于10s。

(2)如附图2所示，在所述母线配置宽频带电压互感器，所述各出线应配置宽频带电流互感器，且精度等级符合谐波计算分析的基本要求，一般选取准确度等级为0.1或0.2级的互感器；所述谐波保护装置对所述电压互感器和电流互感器的输出信号进行实时采样，采样可以通过网络，也可以通过模拟电缆。

(3)所述谐波保护装置基于采集的所述电压信号和电流信号，进行快速傅里叶变换(FFT)计算，实时计算所述母线各次谐波电压的幅值、相位和总体波形畸变率，实时计算所述各条出线的谐波电流幅值及相位，在此基础上进一步计算所述各条出线对母线谐波电压贡献系数的大小，具体计算方式为，根据需要计算的谐波次数确定采集数据量的大小，一般每次谐波电压需要5组以上不同的谐波电压、电流值，利用整体最小二乘法建立各条出线的诺顿等效模型，具体为：

式中定义为第h次谐波导纳，为负载发出的第h谐波电流分量。

将各出线发出的某次谐波电流进行向量叠加即可得出该次谐波总电流在总谐波电流向量中对各出线谐波电流进行投影可得出各出线的谐波电压贡献系数。

(4)所述谐波保护装置实时判断所述母线各次谐波电压及总谐波畸变率是否大于对应的所述保护定值，如果某次谐波电压大于所述保护定值且持续时间超过保护时延定值，立即向所述贡献系数最大的出线断路器发出跳闸信号；如果谐波电压总体波形畸变率大于所述保护定值且持续时间超过保护时延定值，立即向谐波电压幅值最高的所述该次谐波电压贡献系数最大的出线断路器发出跳闸信号。

(5)所述谐波保护装置持续重复步骤(2)、(3)和(4)，以持续进行谐波保护。

实施例3

本发明还涉及一种基于谐波保护装置的电网保护系统，包括：

采集模块：用于采集母线的电压信号以及所述母线的各出线的电流信号；

计算模块：用于基于所述采集的母线电压信号和所述出线电流信号，计算所述母线谐波电压向量、所述出线各次谐波电流向量和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数；

保护模块：用于基于所述母线谐波电压和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数以及设定的谐波保护定值和保护时延，对电网进行保护；

所述保护模块包括：判断单元；

所述判断单元用于如果所述母线谐波电压大于同次谐波电压保护定值且持续时间超过保护时延定值，立即向母线谐波电压的贡献系数最大的出线断路器发出跳闸信号；

基于切除母线谐波电压的贡献系数最大的出线断路器后，重新对剩余电网中母线谐波电压进行判断，如果所述母线谐波电压大于同次谐波电压保护定值且持续时间超过保护时延定值，则继续向所述母线谐波电压的贡献系数最大的出线断路器发出跳闸信号，直到剩余电网中母线谐波电压小于等于同次谐波电压保护定值且持续时间不超过保护时延定值。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于谐波保护装置的电网保护方法，其特征在于，所述方法包括：

采集母线的电压信号以及所述母线的各出线的电流信号；

基于所述采集的母线电压信号和所述出线电流信号，计算所述母线谐波电压向量、所述出线各次谐波电流向量和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数；

基于所述母线谐波电压和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数以及设定的谐波保护定值和保护时延，对电网进行保护。

2.如权利要求1所述的一种基于谐波保护装置的电网保护方法，其特征在于，所述基于所述母线谐波电压和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数以及设定的谐波保护定值和保护时延，对电网进行保护包括：

如果所述母线谐波电压大于同次谐波电压保护定值且持续时间超过保护时延定值，立即向母线谐波电压的贡献系数最大的出线断路器发出跳闸信号；

基于切除母线谐波电压的贡献系数最大的出线断路器后，重新对剩余电网中母线谐波电压进行判断，如果所述母线谐波电压大于同次谐波电压保护定值且持续时间超过保护时延定值，则继续向所述母线谐波电压的贡献系数最大的出线断路器发出跳闸信号，直到剩余电网中母线谐波电压小于等于同次谐波电压保护定值且持续时间不超过保护时延定值。

3.如权利要求1或2所述的一种基于谐波保护装置的电网保护方法，其特征在于，所述基于所述采集的母线电压信号和所述出线电流信号，计算所述母线谐波电压向量、所述出线各次谐波电流向量和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数包括：

基于所述采集的母线电压信号和所述出线电流信号，采用傅立叶算法计算所述母线谐波电压向量、出线各次谐波电流向量及电压总体波形畸变率；

基于所述母线谐波电压向量、出线各次谐波电流向量及电压总体波形畸变率计算所述母线谐波电压和出线对所述母线谐波电压的贡献系数。

4.如权利要求3所述的一种基于谐波保护装置的电网保护方法，其特征在于，所述电压总体波形畸变率的计算公式如下：

式中，U_n为第n次谐波电压的幅值；U_THD为电压总体波形畸变率。

5.如权利要求3所述的一种基于谐波保护装置的电网保护方法，其特征在于，所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数包括：

利用最小二乘法对计算的多组电压相量、电流相量进行拟合，建立诺顿等效模型；

基于建立的诺顿等效模型确定出线对所述母线谐波电压的贡献系数。

6.如权利要求5所述的一种基于谐波保护装置的电网保护方法，其特征在于，所述诺顿等效模型基于下式设定：

式中，为第h次谐波电流相量，为第h次谐波电压相量，为第h次谐波导纳，为出线发出的第h谐波电流分量。

7.如权利要求6所述的一种基于谐波保护装置的电网保护方法，其特征在于，所述基于建立的诺顿等效模型确定出线对所述母线谐波电压的贡献系数包括：

基于诺顿等效模型得到各出线发出的h次谐波电流

将所述各出线发出的h次谐波电流进行向量叠加得出该次谐波总电流在谐波总电流相量中对各出线谐波电流进行投影得出出线对母线谐波电压的贡献系数。

8.如权利要求1所述的一种基于谐波保护装置的电网保护方法，其特征在于，所述采集母线的电压信号以及所述母线的各出线的电流信号的方式包括数字方式或模拟方式。

9.一种基于谐波保护装置的电网保护系统，其特征在于，包括：

采集模块：用于采集母线的电压信号以及所述母线的各出线的电流信号；

计算模块：用于基于所述采集的母线电压信号和所述出线电流信号，计算所述母线谐波电压向量、所述出线各次谐波电流向量和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数；

保护模块：用于基于所述母线谐波电压和所述出线对所述母线谐波电压的贡献系数以及设定的谐波保护定值和保护时延，对电网进行保护。

10.如权利要求9所述的一种基于谐波保护装置的电网保护系统，其特征在于，所述保护模块包括：判断单元；

所述判断单元用于判断如果所述母线谐波电压大于同次谐波电压保护定值且持续时间超过保护时延定值，立即向母线谐波电压的贡献系数最大的出线断路器发出跳闸信号；

基于切除母线谐波电压的贡献系数最大的出线断路器后，重新对剩余电网中母线谐波电压进行判断，如果所述母线谐波电压大于同次谐波电压保护定值且持续时间超过保护时延定值，则继续向所述母线谐波电压的贡献系数最大的出线断路器发出跳闸信号，直到剩余电网中母线谐波电压小于等于同次谐波电压保护定值且持续时间不超过保护时延定值。