CN111276958B - 一种基于锁相环的配电网单相接地故障消弧方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于锁相环的配电网单相接地故障消弧方法，包括以下步骤：配电网发生单相接地故障后，将采集到的零序电压信号分解为两路正交的信号，并在dq坐标系中对其进行幅值和相位解耦；控制q轴分量为零，得到零序电压幅值；将瞬时角频率转化为相位角，得到零序电压相角；利用得到的零序电压的幅值和相位，计算参考消弧注入电流，并以此计算注入补偿电流，控制变流器向配电网中性点注入该注入补偿电流。本发明能够精确快速地跟踪到目标电压的相位和幅值信息，准确地输出补偿电流，有效地促进电弧的熄灭，提升消弧系统的稳态性能。

Description

一种基于锁相环的配电网单相接地故障消弧方法

技术领域

本发明涉及配电网安全设计技术领域，特别是一种基于锁相环的配电网单相接地故障消弧方法。

背景技术

由于配电网沿线的气候、地质、环境等运行情况复杂，容易发生单相接地故障，且电缆的广泛使用导致线路对地电容电流的增大，使得单相接地故障电流随之上升。而电力电子设备的大量投入在推动配电网柔性化发展的同时，也导致单相接地故障电流中含有一定的有功和谐波成分，由于传统消弧线圈仅能补偿接地故障电流中的无功分量，接地故障残流较大，电弧易于重燃，这给配电网供电可靠性带来了极大挑战。

目前已有的配电网单相接地故障主从式柔性消弧系统，其中消弧线圈补偿接地故障电流中的大部分无功分量，而从消弧装置通过控制变流器注入所需的电流，补偿故障接地电流中的部分无功分量和有功分量，实现故障电流的全补偿，抑制故障相电压的恢复，促进电弧熄灭。而在计算补偿电流的过程中，通常存在目标电压突变、谐波影响等问题导致参考电流异常，因此需要寻求一种精确可行的采集电压信息方法，保证消弧系统的可靠消弧。此外，为减小变流器投入过程中由于跟踪误差而产生的电流冲击，确保消弧系统的安全性，需要采用一种可靠的启动方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于锁相环的配电网单相接地故障消弧方法，能够精确快速地跟踪到目标电压的相位和幅值信息，准确地输出补偿电流，有效地促进电弧的熄灭，提升消弧系统的稳态性能，且采用变流器软启动的方法，避免其投入时对配电网的冲击，确保消弧系统运行的可靠性。

本发明采用以下方案实现：一种基于锁相环的配电网单相接地故障消弧方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：配电网发生单相接地故障后，将采集到的零序电压信号分解为两路正交的信号，并在dq坐标系中对其进行幅值和相位解耦；

步骤S2：控制q轴分量为零，得到零序电压幅值；将瞬时角频率转化为相位角，得到零序电压相角；

步骤S3：利用得到的零序电压的幅值和相位，计算参考消弧注入电流，并以此计算注入补偿电流，并使用比例积分(Proportional Integral，PI)控制器控制变流器向配电网中性点注入该注入补偿电流。

进一步地，在变流器开始向配电网中性点注入补偿电流前，使变流器的输出电压跟踪中性点的电压，并将注入补偿电流的输出起始时刻选取为参考消弧注入电流的过零点，以减小冲击电流。

进一步地，步骤S1具体为：

步骤S11：配电网发生单相接地故障后，利用二阶广义积分器(Second OrderGeneralized Integrator，SOGI)作为相位检测器(Phase Detector，PD)将采集到的零序电压信号分解为两路正交的信号u_α、u_β：

u_α＝U cos(ωt+θ′)；

u_β＝U sin(ωt+θ′)；

式中，U为分解后正交信号的幅值，θ′为零序电压u₀与αβ坐标系中的α轴的夹角；

步骤S12：将两路正交的信号u_α、u_β进行派克变换得到：

式中，T_αβ-dq为αβ坐标系转换至dq旋转坐标系所用的转换矩阵，θ为d轴与α轴的夹角。

进一步地，步骤S2具体为：利用环路滤波器(Loop Filter，LF)中的比例积分控制器，控制q轴分量为零，得到零序电压幅值；通过压控震荡器(Voltage ControlledOscillator，VCO)中的积分环节将瞬时角频率转化为相位角，得到零序电压相位。

进一步地，步骤S3具体为：

步骤S31：在配电网单相接地故障主从式柔性消弧系统中，采用下式计算参考消弧注入电流

式中，

为零序电压，C₀为线路对地电容，r₀为泄漏电阻，L为消弧线圈电感；其中，所述配电网单相接地故障主从式柔性消弧系统包括并联的消弧线圈与柔性从消弧装置，所述柔性从消弧装置由级联H桥变流器串联滤波电感构成；

步骤S32：将参考消弧注入电流

离散化得到：

式中，U₀和θ₀分别为零序电压幅值和零序电压相位；

步骤S33：计算注入补偿电流i_z为：

其中，

式中，K_i表示PI控制器积分系数，K_P表示PI控制器比例系数，L_z表示滤波电感，R表示变流器等效损耗电阻。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明能够准确提取出电流消弧法所需要的零序电压幅值和相位信息，且在算法上具备一定的滤波功能，避免了由于零序电压突变或者谐波导致参考电流异常，保证了电流消弧法的可靠性。

2、本发明应用变流器软启动算法，简易可行，抑制了投入时的冲击电流，防止消弧系统的变流器被击穿，造成消弧系统失效。

附图说明

图1为本发明所应用的SOGI控制框图；

图2为本发明所应用的dq轴与αβ轴相量关系

图3为本发明所应用的电流消弧法控制框图；

图4为本发明所采用的变流器软启动流程图；

图5为本发明实施例中的配电网模型；

图6为本发明实施例中SOGI的输入和输出波形；其中，(a)零序电压输入波形，(b)为k＝0.8时的输出波形，(c)为k＝1.2时的输出波形。

图7为本发明实施例中单相PLL锁相输出波形；

图8为本发明实施例中级联H桥变流器应用软启动策略前后故障电流。其中，(a)为未采用软启动策略的故障电流示意图，(b)为采用软启动策略的故障电流示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例提供了一种基于锁相环的配电网单相接地故障消弧方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：配电网发生单相接地故障后，将采集到的零序电压信号分解为两路正交的信号，并在dq坐标系中对其进行幅值和相位解耦；

步骤S2：控制q轴分量为零，得到零序电压幅值；将瞬时角频率转化为相位角，得到零序电压相角；

步骤S3：利用得到的零序电压的幅值和相位，计算参考消弧注入电流，并以此计算注入补偿电流，控制变流器向配电网中性点注入该注入补偿电流。

在本实施例中，在变流器开始向配电网中性点注入补偿电流前，使变流器的输出电压跟踪中性点的电压，并将注入补偿电流的输出起始时刻选取为参考消弧注入电流的过零点，以减小冲击电流。

在本实施例中，步骤S1具体为：

步骤S11：配电网发生单相接地故障后，利用二阶广义积分器SOGI作为相位检测器PD将采集到的零序电压信号分解为两路正交的信号u_α、u_β：

u_α＝U cos(ωt+θ′)；

u_β＝U sin(ωt+θ′)；

式中，U为分解后正交信号的幅值，θ′为零序电压u₀与αβ坐标系中的α轴的夹角；

其中，SOGI的控制框图如图1所示，可得出其传递函数：

式(1)中，u₀为零序电压；u_α、u_β分别为分解后的两路相互正交的信号；ω为SOGI的谐振频率，通常取为所跟踪目标电压的基波频率，正常运行的配电网的频率，上下波动不超过±0.5Hz，对控制影响小；k为增益，可通过改变k来改变SOGI的滤波性能。k值需要根据跟踪目标的特性来选取，以权衡响应速度及滤波性能之间的矛盾。若跟踪目标本身谐波含量较小、有快速跟踪的需求，可以该值选取较大，提高响应速度。

由于需要本实施例需要在单片机数字控制系统中应用，因此将SOGI的传递函数进行离散化。本实施例采用双线性方法对其离散化，即令

其中，z为离散后的时间变量。所以整理后的离散化传递函数为：

式中，T_s表示采样周期；

令x＝2kωT_s，y＝(ωT_s)²，并将式(2)标准化，可得：

令

代入式(3)，可得：

同理，式(1)的第二项可离散化为：

其中，G_α(s)可以认为是一个二阶低通滤波器。G_β(s)可以认为是一个二阶带通滤波器，在谐振频率处的增益为1，对应的相位为0°，其他频率处的增益则为小于1，能够有效滤除谐波。

经过SOGI变换，输入信号可以被分解为两路相互正交的信号，分别为u_α、u_β，二者相位相差90°，幅值相等，即u_α＝U cos(ωt+θ′)，u_β＝U sin(ωt+θ′)。

步骤S12：将两路正交的信号u_α、u_β进行派克变换得到：

式中，T_αβ-dq为αβ坐标系转换至dq旋转坐标系所用的转换矩阵，由图2可知，θ′为零序电压u₀与αβ坐标系中的α轴的夹角，θ为d轴与α轴的夹角。

在本实施例中，步骤S2具体为：利用环路滤波器LF中的比例积分控制器，控制q轴分量为零，得到零序电压幅值；通过压控震荡器VCO中的积分环节将瞬时角频率转化为相位角，得到零序电压相位。当d轴与向量u₀重合时，即θ′＝θ，由式(6)可知u_q＝0，u_d＝U。在算法上，如图3所示的电流消弧法控制框图，利用PI环节控制u_q的幅值为0，此时u_d为u₀的幅值，而d轴与α轴的夹角θ即为u₀的相位。

在本实施例中，步骤S3具体为：

步骤S31：在配电网单相接地故障主从式柔性消弧系统中，电流消弧法的注入电流参考值表达式有两种形式，一种是与故障相电源电压、对地参数相关，但在应用时需要先进行故障选相且受负荷电流影响，而另外一种如式(7)所示，是与零序电压、对地参数相关，该方法无需进行故障选相。在配电网单相接地故障主从式柔性消弧系统中，采用下式计算参考消弧注入电流

式中，

为零序电压，C₀为线路对地电容，r₀为泄漏电阻，L为消弧线圈电感；其中，所述配电网单相接地故障主从式柔性消弧系统包括并联的消弧线圈与柔性从消弧装置，所述柔性从消弧装置由级联H桥变流器串联滤波电感构成；令级联H桥变流器输出电流跟踪该参考电流值，可以使得故障点接地电流为0，达到消弧目的。

步骤S32：将参考消弧注入电流

离散化得到：

式中，U₀和θ₀分别为零序电压幅值和零序电压相位；可见应用锁相环后，免去了对零序电压进行微分的环节，避免了由于零序电压突变或者谐波导致参考电流异常；

步骤S33：得到参考电流后，级联H桥变流器可以等效为电流源，采用PI控制器注入电流。计算注入补偿电流i_z为：

其中，令电流消弧的开环传递函数为：

式中，K_i表示PI控制器积分系数，K_P表示PI控制器比例系数，L_z表示滤波电感，R表示变流器等效损耗电阻。

较佳的，在本实施例中，当变流器并网时，主从式柔性消弧系统中的滤波电感L_z因电压差而产生了冲击电流，该电流表达式为：

其中，u_z为变流器输出电压，u_s为系统电压。

将式(11)离散化，设并网瞬间为k，i_L(k)＝0，则并网瞬间的冲击电流为：

假设控制算法为PI控制，在级联H桥变流器未投入前，输出电压有公式：

离散化为：

u_z(k)＝K_p[i_zref(k-1)-i_L(k-1)]+K_i∑Δi； (14)

故障启动后，由于开关存在动作时间，变流器需经一段时间后才能投入系统。变流器输出电压对电流误差进行积分，使得输出电压值越来越大，在变流器投入瞬间，由于变流器电压与系统电压压差的存在，且连接电感L_z感值较小，会使得电感瞬间饱和，电流激增。且PI控制器响应速度有限，无法迅速将电流抑制。为减小电流冲击，变流器采用软启动的方法。

参照图4，假设k为启动时刻，启动前，将参考电流i_zref设置为零，使电流误差为零。对PI控制器u_z(k-1)进行赋值：

u_z(k)＝u_s(k-1)； (15)

即输出电压开环跟踪并网点电压，尽量减小变流器投入瞬间的电压差。根据现场经验，系统采样率可取为10kHz，每个周波200个采样点，可使电压差减小到一定的程度。在断路器可靠合闸后，增大注入参考电流i_zref。为了避免变流器的输出电流突增，将注入补偿电流的输出起始时刻选取为参考电流i_zref的过零点。在现场运行中需要先通过检测开关量来判断断路器的状态，待断路器可靠合闸后，方可判断参考电流过零点。采用闭环控制令变流器在投入后逐渐增大输出电流并有效地跟踪给定参考值。

特别的，如图5所示，本实施例利用MATLAB/Simulink软件搭建含有配电网单相接地故障主从式柔性消弧系统的10kV配电网模型，用于测试基于锁相环的配电网单相接地故障消弧方法的性能。测试结果表明，本实施例的方法能够在零序电压产生后的一个周波后对其幅值相位信息进行准确跟踪，且在单相级联H桥变流器并网时故障电流没有冲击，避免变流器因为冲击过大而损坏。

在配电网仿真模型中，用无穷大电源模拟高压主网，该辐射式配电网的6条出线包括架空线路、电缆线路以及架空-电缆线路，由于配电网中的线路较短，可采用集中式π型等效电路来模拟线路。柔性消弧系统结构为单相级联H桥变流器并联消弧线圈，为满足注入电流要求，采用级联数为10的级联H桥变流器形式，H桥单元的直流侧并联一个容值为2000μF的直流电容，电容电压为2kV；消弧线圈电感值为0.1586H，滤波电感为0.01H；电网频率为50Hz，消弧系统的采样频率为10kHz。

为了验证PLL算法锁相能力，首先要分析SOGI算法生成正交坐标的影响因素，从图6的(a)和图6的(b)对比可以发现，SOGI只提取零序电压的基波分量来产生两个正交向量。调整增益k的大小，当k较小时，算法的滤波效果较好，输出的正交波形更接近于正弦，而k较大时，算法的动态性能更好，跟踪零序电压的速度更快，如图6的(c)所示，当k＝1.2时，经过一个周波的跟踪，输出波形已基本与图6的(a)中的零序电压波形拟合。由于配电网运行时，谐波含量较低，因此可以将增益k选取为1.2。图7为本实施例的电压输出波形，可以看出本实施例的方法在零序电压产生后的1个周波后及可对其幅值相位信息进行准确跟踪，初期延时主要由SOGI产生正弦坐标系的延时和PLL算法跟踪延时组成，可通过调整二者增益使得跟踪效果最佳。

根据PLL算法跟踪的延时时间，可将消弧系统的投入时间选为检测到故障后的两个周波后，且消弧系统投入后不立即输出电流，待消弧系统检测到参考电流的过零点才下发输出电流指令。图8为采用软启动算法的故障电流对比图，当接地电阻为10Ω，未采用软启动算法时，虽然消弧稳态后故障电流的补偿效果能够使得电弧熄灭，但变流器投入瞬间会产生极大的冲击电流，并且需要三个周波震荡才能够抑制电流，容易造成变流器损坏。而应用了软启动算法后，故障电流平稳地进入稳态阶段，基本上没有冲击，故障电弧也可靠熄灭。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于锁相环的配电网单相接地故障消弧方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：配电网发生单相接地故障后，将采集到的零序电压信号分解为两路正交的信号，并在dq坐标系中对其进行幅值和相位解耦；

步骤S2：控制q轴分量为零，得到零序电压幅值；将瞬时角频率转化为相位角，得到零序电压相角；

步骤S3：利用得到的零序电压的幅值和相位，计算参考消弧注入电流，并以此计算注入补偿电流，控制变流器向配电网中性点注入该注入补偿电流；

其中，步骤S3具体为：

步骤S31：在配电网单相接地故障主从式柔性消弧系统中，采用下式计算参考消弧注入电流

式中，

为零序电压，C₀为线路对地电容，r₀为泄漏电阻，L为消弧线圈电感；其中，所述配电网单相接地故障主从式柔性消弧系统包括并联的消弧线圈与柔性从消弧装置，所述柔性从消弧装置由级联H桥变流器串联滤波电感构成；

步骤S32：将参考消弧注入电流

离散化得到：

式中，U₀和θ₀分别为零序电压幅值和零序电压相位；

步骤S33：计算注入补偿电流i_z为：

其中，

式中，K_i表示PI控制器积分系数，K_P表示PI控制器比例系数，L_z表示滤波电感，R表示变流器等效损耗电阻。

2.根据权利要求1所述的一种基于锁相环的配电网单相接地故障消弧方法，其特征在于，在变流器开始向配电网中性点注入补偿电流前，使变流器的输出电压跟踪中性点的电压，并将注入补偿电流的输出起始时刻选取为参考消弧注入电流的过零点，以减小冲击电流。

3.根据权利要求1所述的种基于锁相环的配电网单相接地故障消弧方法，其特征在于，步骤S1具体为：

步骤S11：配电网发生单相接地故障后，利用二阶广义积分器SOGI作为相位检测器PD将采集到的零序电压信号分解为两路正交的信号u_α、u_β：

u_α＝U cos(ωt+θ′)；

u_β＝U sin(ωt+θ′)；

式中，U为分解后正交信号的幅值，θ′为零序电压u₀与αβ坐标系中的α轴的夹角；

步骤S12：将两路正交的信号u_α、u_β进行派克变换得到：

式中，T_αβ-dq为αβ坐标系转换至dq旋转坐标系所用的转换矩阵，θ为d轴与α轴的夹角。

4.根据权利要求1所述的种基于锁相环的配电网单相接地故障消弧方法，其特征在于，步骤S2具体为：利用环路滤波器LF中的比例积分控制器，控制q轴分量为零，得到零序电压幅值；通过压控震荡器VCO中的积分环节将瞬时角频率转化为相位角，得到零序电压相位。

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