CN110661237A - 适用于配电网自同步条件下的电流差动保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于配电网自同步条件下的电流差动保护方法，包括以下步骤：采集含分布式电源的配电网线路两端M侧和N侧的每相电流信号，组成信号数列；根据信号数列按照构造成Hankel矩阵并对其进行奇异值分解；根据奇异值分解结果，提取信号数列的细节分量，确定判断故障发生的门槛值；采用滚动法对M侧与N侧的电流进行检测，判定是否发生故障，找出最大值对应的时间以确定故障时刻；计算得到M、N侧流向故障点的故障分量电流的幅值；采用基于故障分量的电流保护判据。

Description

适用于配电网自同步条件下的电流差动保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，尤其涉及配电网自同步条件下的电流差动保护方法。

背景技术

分布式电源(Distributed Generator-DG)接入配电网改变了配电网的供电结构，影响了配电网的潮流分布，同时会对传统三段式电流保护的灵敏性和选择性造成影响。目前对含 DG配电网的保护措施是故障后隔离全部DG，仍沿用原有电流保护的整定计算，这种“一刀切”的方式严重限制了正常DG的运行，不利于新能源技术的发展与应用。

差动保护具有绝对选择性、全段速动性等优点，是解决含DG配电网保护问题有效的方式之一，但是传统电流差动保护方法因需考虑电源输出的实时传输，而现有配电网自动化水平低，通信系统的实时传输水平有限，毫秒级的同步误差不可避免，且容易出现信号丢失或异常等问题，为此研究人员提出了诸多方案：通过基于同步数字系列(SDH)技术或者专用光纤通道来降低实时同步误差；采用基于无源光网络(EPON)以IEEE 1588为同步传输协议的传输方式以提升传输精度；采用广域差动保护的思想，提取多点信息，实现对故障的定位和隔离。这些方案为实现数据的高同步传输，对硬件要求较高，需要对配电网通信系统进行升级改造，增加了配电网建设的成本。考虑配电网结构的复杂性以及通信设备覆盖全网的高成本问题，结合故障后分布式电源侧和系统侧电流的幅值差异，研究适用于配电网自同步条件下的电流差动保护方法对于低成本下提高保护的可靠性具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于配电网自同步条件下的电流差动保护方法，以克服分布式电源接入的配电网在同步信号异常时电流差动保护会退出的问题，降低保护方案对同步信号的依赖，提高了含分布式电源配电网电流保护的选择性和可靠性。技术方案如下：

适用于配电网自同步条件下的电流差动保护方法，不失一般性，以附图1含DG的配电网示意图为例，对本发明内容进行分析，包括以下步骤：

(1)采集含分布式电源的配电网正常运行时线路两端M侧和N侧的每相电流信号，组成信号数列。

(2)将步骤(1)组成的信号数列按照一定规则构造成Hankel矩阵并对其进行奇异值分解，提取出电流信号的细节分量P₃。

以采集M侧A相电流信号为例，设信号数列为a＝[a₁,a₂,…a_i,…a_N]，a_i为第i个采样值，a_N中N为采样点个数。构造的Hankel矩阵A如下：

对A进行奇异值分解，得到结果如下：

A＝UΛV^T (2)

其中：正交矩阵U＝[u₁,u₂,...,u_m]∈R^m×m。正交矩阵V＝[v₁,v₂,...,v_n]∈R^n×n。矩阵Λ∈R^m×n，由奇异值组成，σ_i(i＝1,2,…,q)称为矩阵A的奇异值，q＝min(m,n)，且有：σ₁≥σ₂≥···≥σ_q＞0。当m≤n时，Λ＝[diag(σ₁,σ₂,...,σ_q),O]，O∈R^m×(n-m)；当 m＞n时，Λ＝[diag(σ₁,σ₂,...,σ_q),O]^T，O∈R^(m-n)×n，diag表示对角矩阵，O代表零矩阵。

通过A的奇异值分解结果，可将矩阵A表示为：

其中，u_i(i＝1,2,…,q)和v_i(i＝1,2,…,q)分别为矩阵U与V的第i个列向量；u_i∈R^m×1， v_i∈R^n×1；A_i∈R^m×n为A的分量矩阵。

如附图2所示，将分量矩阵A_i的第一个行向量H_i,1和最后一个列向量L_i,n的转置首尾相接，就可以得到原始信号数列a_A的分量信号P_i，写成向量形式为：

进行将原始信号a分解为多个分量信号P_i，得到信号细节分量P₃。

a＝P₁+P₂+…+P_i+…+P_q (5)

(3)确定系统正常运行时电流信号的细节分量P₃中各元素绝对值的最大值

并设定判断故障发生的门槛值P_TS。

(4)采用滚动法对M侧与N侧的电流进行检测，提取信号细节分量P₃的过程同前面步骤，当电流信号的细节分量P₃中某元素绝对值的最大值大于门槛值P_TS，即判定发生故障，找出最大值对应的时间以确定故障时刻t_M和t_N。

(5)以故障时刻为基准，提取出线路M、N两端故障时刻前一周波的负荷电流

和故障时刻后一周波的基波电流计算得到M、N侧流向故障点的故障分量电流的幅值：

并将线路两端故障分量电流的幅值传到线路对侧。

(6)本发明采用一种基于故障分量的电流保护判据，利用保护判据对区内外故障进行判断。保护判据公式如下：

其中，k是制动系数，k＞1，

为M侧流向故障点的故障分量电流，为N侧流向故障点的故障分量电流。

与现有技术相比，本发明实现了以下有益效果：

1)该发明中利用Hankel矩阵的奇异值分解来检测故障时刻的方式具有零偏移特性，能够准确找到故障时刻，提高了计算故障分量电流的准确度。

2)该发明中利用Hankel矩阵的奇异值分解来检测故障时刻的方式具有较高的灵敏性，即使区内故障后分布式电源侧输出电流较小，此方法也能检测到故障发生。

3)以故障时刻为基准作为同步采样，利用本地信息实施电流差动保护的方法在实时同步信号异常时保护方法仍适用，降低了对配电网信号同步的依赖，降低了配电网建设的成本。

4)本发明中基于故障分量电流的保护方法实现了保护灵敏性和可靠性相统一，保护判据原理简单，在含分布电源的配电网中易于实现。

附图说明

图1是含分布式电源的简单配电网。

图中：M侧为系统电源侧线路保护装置；N侧为分布式电源侧线路保护装置；

与

分别为双端电流相量；Z_s为系统侧等效阻抗；Z_DG为分布式电源侧等效阻抗；Z_mk和Z_nk为故障点两侧的线路阻抗。

图2是利用分量矩阵A_i得到分量信号P_i示意图。

图中：A_i为分量矩阵；H_i,1为分量矩阵A_i中去掉最后一个元素的第一个行向量， H_i,1∈R^1×(n-1)；L_i,n为分量矩阵A_i中最后一个列向量，L_i,n∈R^m×1；P_i是向量H_i,1和L_i,n的转置进行首尾相接的向量，即

图3是数据对齐提取过程。

图中：横轴t为时间；纵轴i_M是M侧首先满足起动判据的某相电流瞬时值；i_N是N侧首先满足起动判据的某相电流瞬时值，蓝色框线内的波形为故障时刻前一周波的电流波形，红色框线内的波形为故障时刻后一周波的电流波形。

图4是区内故障时的工频故障网络。

图中：

为M侧流向故障点的故障分量电流，

为N侧流向故障点的故障分量电流；Z_s为系统侧等效阻抗；Z_DG为分布式电源侧等效阻抗，Z_mk和Z_nk为故障点两侧的线路阻抗，

为区内故障时故障点的工频故障电压分量。

具体实施方式

本发明提出了适用于配电网自同步条件下的电流差动保护方法。现将具体实施方案描述如下：

如附图1所示，为含分布式电源的简单配电网示意图。该图左侧为系统电源，记为M侧，右侧为分布式电源，记为N侧。适用于配电网自同步条件下的电流差动保护方法，不失一般性，包括以下步骤：

(1)采集含分布式电源的配电网正常运行时线路两端M侧和N侧的每相电流信号，组成信号数列。

(2)将步骤(1)组成的信号数列按照一定规则构造成Hankel矩阵并对其进行奇异值分解，提取出电流信号的细节分量P₃。

以采集M侧A相电流信号为例，设信号数列为a＝[a₁,a₂,…a_i,…a_N]，a_i为第i个采样值，a_N中N为采样点个数。构造的Hankel矩阵A如下：

对A进行奇异值分解，得到结果如下：

A＝UΛV^T (2)

其中：正交矩阵U＝[u₁,u₂,...,u_m]∈R^m×m。正交矩阵V＝[v₁,v₂,...,v_n]∈R^n×n。矩阵Λ∈R^m×n，由奇异值组成，σ_i(i＝1,2,…,q)称为矩阵A的奇异值，q＝min(m,n)，且有：σ₁≥σ₂≥···≥σ_q＞0。当m≤n时，Λ＝[diag(σ₁,σ₂,...,σ_q),O]，O∈R^m×(n-m)；当 m＞n时，Λ＝[diag(σ₁,σ₂,...,σ_q),O]^T，O∈R^(m-n)×n，diag表示对角矩阵，O代表零矩阵。

通过A的奇异值分解结果，可将矩阵A表示为：

其中，u_i(i＝1,2,…,q)和v_i(i＝1,2,…,q)分别为矩阵U与V的第i个列向量；u_i∈R^m×1， v_i∈R^n×1；A_i∈R^m×n为A的分量矩阵。

如附图2所示，将分量矩阵A_i的第一个行向量H_i,1和最后一个列向量L_i,n的转置首尾相接，就可以得到原始信号数列a_A的分量信号P_i，写成向量形式为：

进行将原始信号a分解为多个分量信号P_i，得到信号细节分量P₃。

a＝P₁+P₂+…+P_i+…+P_q (5)

(3)确定系统正常运行时电流信号的细节分量P₃中各元素绝对值的最大值

并设定判断故障发生的门槛值P_TS。

(4)采用滚动法对M侧与N侧的电流进行检测，提取信号细节分量P₃的过程同前面步骤，当电流信号的细节分量P₃中某元素绝对值的最大值大于门槛值P_TS，即判定发生故障，找出最大值对应的时间以确定故障时刻t_M和t_N。

(5)以故障时刻为基准，提取出线路M、N两端故障时刻前一周波的负荷电流

和故障时刻后一周波的基波电流计算得到M、N侧流向故障点的故障分量电流的幅值：

并将线路两端故障分量电流的幅值传到线路对侧。

(6)本发明采用一种基于故障分量的电流保护判据，利用保护判据对区内外故障进行判断。保护判据公式如下：

其中，k是制动系数，k＞1，为M侧流向故障点的故障分量电流，

为N侧流向故障点的故障分量电流。

具体实施方案详细描述如下：

步骤1：采集含分布式电源的配电网线路两端M侧和N侧的每相电流信号，组成信号数列，并设定判断故障发生的门槛值P_TS。具体步骤包括：

1)当系统正常稳定运行时，用电流互感器以100kHz的采样频率采集配电网线路M侧的A相电流信号，电流的频率为50Hz，共采集1个周期内电流瞬时值，得到2000个采样点。将采样点生成信号数列a_A＝[a₁,a₂,…a_i,…a_N]，a_i为第i个采样值，N为2000。

2)将信号数列a_A按照一定规则构造成Hankel矩阵并对其进行奇异值分解。

3)根据矩阵A的奇异值分解结果，提取信号数列a_A的细节分量P₃，确定判断故障发生的门槛值P_TS。

P₃中各元素绝对值的最大值对应时刻为原始信号一阶导数的突变点(跳跃点)，且电力系统中的交流电流为正弦函数，发生故障时信号本身连续但一阶导数会突变，因此本发明使用P₃判断故障时刻。将P₃中数据提取出来，通过冒泡法求得其绝对值的最大值

为避免门槛过低造成误动或门槛过高造成拒动，设定起动判据的门槛值P_TS为

系统正常运行时线路两端各相电流幅值相等，因此该门槛值适用于线路两端各相电流信号的检测。

步骤2：判断故障是否发生并确定线路两端的故障时刻。

线路两端以100kHz的采样频率采集三相电流信号，使用寄存器存放最新采集的两个周波内的电流瞬时值，每采集并更新一次寄存器内数据，就进行一次故障时刻检测。线路M 端与N端各自独立采集数据并进行检测，两边对故障时刻的检测互不影响。

当寄存器内的数据更新后，以M侧为例，将该侧寄存器内的三相电流信号组成的信号数列a_A、a_B、a_C各自构造Hankel矩阵并进行奇异值分解，将各相数据分解得到的P₃，利用冒泡法得到P₃中元素绝对值的最大值P_3max并与P_TS进行比较，若任意一相检测结果满足起动判据(P_3max大于P_TS)，那么该P_3max位置对应的时间点即可确定故障时刻t_M，M侧停止检测；若不满足起动判据，继续进行检测直到确定故障时刻t_M。同理N侧可确定故障时刻t_N。由于配电网线路较短，可认为故障信号从故障点传到线路两端保护装置的时间近似相等，即t_M≈t_N。

步骤3：以故障时刻为基准，计算得到M、N侧流向故障点的故障分量电流的幅值，记作并将线路两端故障分量电流的幅值传到线路对侧。

1)确定故障时刻t_M、t_N后，以故障时刻作为基准时刻，将满足M、N侧故障时刻前一个周期内的数据提取出来，具体提取过程如附图3蓝色虚线框内所示。然后采用全波傅氏算法对新波形中的离散电流信号进行分解，计算出M、N侧故障前一周波的负荷电流相量和

2)以故障时刻作为基准时刻，将满足M、N侧故障时刻后一个周期内的数据提取出来，具体提取过程如附图3红色虚线框内所示。然后采用全波傅氏算法对新波形中的离散电流信号进行分解，计算出M、N侧故障后一周波的基波电流相量

与

3)计算得到M、N侧流向故障点的故障分量电流的幅值，记作

并将线路两端故障分量电流的幅值传到线路对侧。

步骤4：本发明采用一种基于故障分量的电流差动保护判据，利用保护判据对区内外故障进行判断。判据公式如下：

其中，k是制动系数，k＞1，

为M侧流向故障点的故障分量电流，

为N侧流向故障点的故障分量电流。

对保护判据的动作特性进行分析：

含DG的配电网示意图如图1所示，当线路MN发生故障时，工频故障分量网络如图4所示。

两端故障分量电流的比值为：

DG在配电网中渗透率有限且存在限流特性(一般情况下，区内故障后DG输出电流不超过2倍的额定电流)，故障后N端DG的出力较小，远小于系统侧传统电源的出力，导致区内故障时两侧电流幅值差异较大，因此可知DG侧电源的等效阻抗远大于系统侧传统电源的等效阻抗，即Z_DG＞＞Z_s，对于线路阻抗Z_mk和Z_nk，对一般10kV配电网的主变压器来讲，内阻抗约为线路单位阻抗的3倍甚至更高，配电网中线路较短，所以线路阻抗与系统侧阻抗相比更小，因此可以得出，式(7)中两端故障分量电流的比值较小，接近于0。

当区外故障时，流过被保护线路的电流为穿越性电流，假设电流互感器饱和情况不太严重，则两端电流的幅值近似相等，故障前两侧电流的幅值相等，此时式(7)中两端电流故障分量的比值接近于1。

设

则可以将基于两端电流故障分量的电流差动保护判据表示为：

当发生区外故障时，流过线路的电流为穿越性电流，满足，

即A＝B，代入公式得

此时可以得到：

设定制动系数满足k＞1，(1-k)A＜0，因此可以知道区外故障时保护可靠不动作。

当发生区内故障时，DG侧最大输出电流为2倍额定电流，即I_n,max＝2I_N，对于系统侧传统电源，发生故障后其输出的故障电流远高于DG侧输出的故障电流，根据电流和阻抗的关系，DG侧阻抗Z_DG远大于系统侧阻抗Z_s，而且线路阻抗相比系统侧阻抗较小，此时满足此时可以得到：

设定k＞1，A+kB＞0，因此可以知道区内故障时保护能可靠动作。

Claims (1)

1.一种适用于配电网自同步条件下的电流差动保护方法，包括以下步骤：

1)采集含分布式电源的配电网线路两端M侧和N侧的每相电流信号，组成信号数列。

2)根据信号数列按照构造成Hankel矩阵并对其进行奇异值分解。

3)根据奇异值分解结果，提取信号数列的细节分量P₃，确定判断故障发生的门槛值P_TS:P₃中各元素绝对值的最大值对应时刻为原始信号一阶导数的突变点，通过冒泡法求得绝对值的最大值

设定起动判据的门槛值P_TS为

4)采用滚动法对M侧与N侧的电流进行检测，当电流信号的细节分量P₃中元素绝对值的最大值大于门槛值P_TS，即判定发生故障，找出最大值对应的时间以确定故障时刻t_M和t_N；

5)以故障时刻为基准，提取出M、N侧故障时刻前一周波的电流数据得到负荷电流

和故障时刻后一周波的基波电流

和

计算得到M、N侧流向故障点的故障分量电流的幅值分别是：

并将线路两端电气量

和

传到线路对侧；

6)采用基于故障分量的电流保护判据，利用如下的保护判据对区内外故障进行判断：

其中,

为M侧流向故障点的故障分量电流，

为N侧流向故障点的故障分量电流；k为制动系数，取值满足k＞1。

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