CN111884182B - 一种花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法 - Google Patents

一种花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法，包括如下步骤：计算故障时保护处正序电压工频量和正序电流幅值；获取被保护线路正序阻抗值、保护方向上的下线条线路的正序阻抗以及花瓣状配电网主干线因相继动作保护测得故障电流突变量的最小值；判断故障类型；同时，判断故障方向；当故障方向元件判断为正向发生故障时，根据故障类型判别结果选择自适应限时电流速断保护整定公式以及电流突变量整定公式；当正序电流大于限时电流速断保护整定值，小于速断电流整定值，且电流突变量大于突变量整定值时，则保护判定为区内故障。本发明克服了传统电流保护速动性不足的问题，且具有适应对称故障的优点。

Description

一种花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法
技术领域
本发明涉及电力系统配电网继电保护领域,涉及一种配电网限时电流速断保护加速动作方法，特别是一种花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法。
背景技术
随着用户对配电网可靠性要求的提高，花瓣状的网架结构逐渐应用配电网，花瓣状配电网保护对电力系统的安全性和可靠性日益显得尤其重要。花瓣状城市配电网合网运行，网架结构特殊，配电网主干线线路较短，导致主干线上发生短路故障时，故障电流大，严重威胁了配电网系统的安全可靠运行。因此，准确快速的切除故障线路对于保证花瓣状配电网的可靠性和安全性至关重要。
目前，配电中多以电流速断保护和限时电流电流速断保护作为线路的主保护，被保护线路中速断保护保护范围外的短路故障由限时电流速断保护切除，但是，限时电流速断保护为保证选择性，需要经过一定的延时动作，无法保证故障线路的快速切除。
针对目前配电网主保护存在的速动性问题，众多学者对于配电网主保护的研究以加速限时电流断保护为主。《基于小波理论的全线相继速动保护方案》利用对侧断路器跳闸时本侧电流序分量产生的突变量加速本侧保护，但该方法不适用于对称故障的情况。因此，为保证花瓣状主干线的安全性，研究新的限时电流速断保护加速方法具有十分重要的意义。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速动作方法，本方法利用花瓣状配电网主干线线路两端保护的相继动作造成一端保护测得的电流突变量特征。构造花瓣状配电网主干线突变量判据以加速限时电流速断保护的动作，不仅克服了传统电流保护速动性不足的问题，且具有适应对称故障的优点。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法，包括如下步骤：
步骤1，基于获取的正常运行时各相电压工频量
Figure GDA0003674317580000011
故障时各相电压工频量
Figure GDA0003674317580000012
各相电流工频量
Figure GDA0003674317580000013
以及因保护相继动作产生的电流突变量ΔIt，计算故障时保护处正序电压相量
Figure GDA0003674317580000021
和正序电流幅值I1；
获取被保护线路正序阻抗值ZL1、保护方向上的下条线路的正序阻抗ZL1，next以及花瓣状配电网主干线因相继动作保护测得故障电流突变量的最小值Iδ；
利用保护安装处的各相电流的故障分量判断故障类型；同时，基于获得的故障类型利用90°接线方式的功率方向元件判断故障方向；
步骤2，当功率方向元件判断为正向发生故障时，根据故障类型判别结果选择自适应限时电流速断保护整定公式以及电流突变量整定公式；
当正序电流大于限时电流速断保护整定值，小于速断电流整定值，且电流突变量ΔIt大于突变量整定值Iset时，则保护判定为区内故障。
而且，所述正序电流满足的关系式为
Figure GDA0003674317580000022
式中，三相短路故障时
Figure GDA0003674317580000023
两相相间短路故障时
Figure GDA0003674317580000024
Figure GDA0003674317580000025
为非故障相的正常运行时电压工频量。Krel和
Figure GDA0003674317580000026
是可靠系数。
而且，所述的电流突变量整定公式为
Figure GDA0003674317580000027
式中
Figure GDA0003674317580000028
是可靠系数；Kd是故障类型系数，三相短路时Kd＝1，两相短路时
Figure GDA0003674317580000029
而且，所述正常运行时电压幅值Upre取故障发生时刻前40ms电压测量幅值。电流突变量ΔIt为故障发生后电流的第二次突变值。
而且，所述的故障类型包括三相短路故障和两相短路故障。
而且，所述故障类型的判断方法为：
当
Figure GDA00036743175800000210
时，故障类型为AB两相短路故障；
当
Figure GDA00036743175800000211
时，故障类型为BC两相短路故障；
当
Figure GDA00036743175800000212
时，故障类型为CA两相短路故障；
当以上条件均不满足时，故障类型为ABC三相短路故障；
其中，
Figure GDA0003674317580000031
分别为保护安装处A相、B相和C相的故障分量，m为整定系数。
而且，所述整定系数m的取值范围为4～8。
而且，所述功率方向的判据为
Figure GDA0003674317580000032
式中，
Figure GDA0003674317580000033
和
Figure GDA0003674317580000034
分别为保护安装处的电压和电流相量，Φ代指A、B、C；
Figure GDA0003674317580000035
为线路阻抗角。
而且，所述的可靠系数Krel取1.2，
Figure GDA0003674317580000036
取0.5，
Figure GDA0003674317580000037
取0.8。
本发明的优点和有益效果为：
本花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法，基于花瓣状配电网主干线保护因相继动作特性测得的电流突变量特征，提出了花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法，速动性好。与现有方法相比，本发明方法不受故障类型的影响。
附图说明
图1中ES是系统等值相电势；ZS是系统等值内阻抗；A、B、C、D、E表示母线；f表示故障点；1、2、3、4、5、6、7、8、9、10为保护的序号；LD1、LD2、LD3、LD4表示负荷；I'f和I'f'为故障点两侧故障电流。
图2中Krel是电流速断保护的可靠系数
图3中A、B、C、D、E表示母线；ZAB表示AB线路的线路阻抗；Krel是电流速断保护的可靠系数；ΔIt表示因保护相继动作故障电流产生的第二次电流突变量；ZF表示故障点到母线A的线路阻抗。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法，主要利用花瓣状配电网主干线线路两端保护相继动作产生的电流突变量实现限时电流速断保护加速动作。其具体步骤如下：
(1)如图1所示，为本实施例具体应用的10kV花瓣状配电网示意图。保护处电压采集装置采集得到正常运行时各相电压工频量
Figure GDA0003674317580000041
以及故障时各相电压工频量
Figure GDA0003674317580000042
电流采集装置采集得到各相电流工频量
Figure GDA0003674317580000043
以及因保护相继动作产生的电流突变量ΔIt。基于上述参数经过数据处理装置计算故障时保护处正序电压相量
Figure GDA0003674317580000044
和正序电流幅值I1；
提前在保护装置中存入已测量的被保护线路正序阻抗值ZL1、保护方向上的下线条线路的正序阻抗ZL1，next以及花瓣状配电网主干线因相继动作保护测得故障电流突变量的最小值Iδ。
利用保护安装处的各相电流的故障分量区分三相短路故障和两相短路故障；利用90°接线方式的功率方向元件判断故障方向；
(2)当功率方向元件判断为正向发生故障时，根据故障类型判别结果选择自适应限时电流速断保护整定公式以及电流突变量整定公式，当正序电流大于限时电流速断保护整定值，小于速断电流整定值且电流突变量ΔIt大于突变量整定值Iset时，则保护判定为区内故障。正序电流满足的关系式为
Figure GDA0003674317580000045
式中，三相短路故障时
Figure GDA0003674317580000046
两相相间短路故障时
Figure GDA0003674317580000047
Figure GDA0003674317580000048
为非故障相的正常运行时电压工频量。Krel和
Figure GDA0003674317580000049
是可靠系数。
突变量整定公式为
Figure GDA00036743175800000410
式中
Figure GDA00036743175800000411
是可靠系数；Kd是故障类型系数，三相短路时Kd＝1，两相短路时
Figure GDA00036743175800000412
步骤(1)中，正常运行时电压幅值
Figure GDA00036743175800000413
可取故障发生时刻前40ms电压测量工频量。电流突变量ΔIt为故障发生后电流第二次突变值。
步骤(1)中，确定无零序电流后，故障类型判据如表1所示
表1故障类型的识别
Figure GDA00036743175800000414
Figure GDA0003674317580000051
表中，
Figure GDA0003674317580000052
分别为保护安装处A相、B相和C相的故障分量，m为整定系数取值为4～8。
功率方向判据为
Figure GDA0003674317580000053
式中，
Figure GDA0003674317580000054
和
Figure GDA0003674317580000055
分别为保护安装处的电压和电流相量(Φ代指A、B、C)；
Figure GDA0003674317580000056
为线路阻抗角。
步骤(2)中，可靠系数Krel取1.2，
Figure GDA0003674317580000057
取0.5，
Figure GDA0003674317580000058
取0.8。
花瓣状配电网主干线利用保护相继动作产生的电流突变量加速限时电流速断保护的动作原理为：
线路两端速断保护的保护范围如图2所示，由图2可知。速断保护无法保护线路全长，当故障点f∈[0,1-(1/Krel)]∪[1/Krel,1]时，故障远端保护为保证选择性需要延时动作，即通过限时电流速断保护判定故障范围
限时电流速断保护的整定公式为
Figure GDA0003674317580000059
由式(1)可知，限时电流速断保护的保护范围延伸到下条线路。无法快速判断是线路末端发生故障还是下条线路发生故障。
故障近端保护动作前后，流经故障远端保护的故障电流
Figure GDA00036743175800000510
和
Figure GDA00036743175800000511
计算公式如下：
Figure GDA00036743175800000512
Figure GDA00036743175800000513
式中，ZF是故障点f到母线A的线路阻抗，ZH是整个花瓣网络的线路全阻抗。
结合式(2)和(4)可得故障远端保护测得的故障电流第二次增大值ΔIt的计算公式：
Figure GDA0003674317580000061
对于10kV配网主变，系统内阻抗约为2～3倍线路单位阻抗甚至更高。根据《工业与民用配电设备设计手册》，城区中配网供电半径不宜大于3km，所以ZH<4ZS。由式(4)可知，故障电流第二次增大值ΔIt与ZF正相关，ΔIt与ZF的关系图如图3所示。
由图3可知，花瓣网络中ΔIt存在最小值Iδ。Iδ是AB线路(1/Krel)％处发生短路故障时保护1所测得的ΔIt；
因此，结合方向元件和限时电流速断保护可得突变量判据
Figure GDA0003674317580000062
当满足式(5)时，可确定是保护线路末端发生故障，该线路限时速断保护快速动作。
本实施例中利用PSCAD/EMTDC软件如图1所示的10kV花瓣状配电网系统.系统基准容量是100MVA，基准电压是10.5kV，内阻抗为0.23Ω。电缆线路单位感抗和电阻分别为X1＝0.063Ω/km，R1＝0.047Ω/km；线路AB，BC，CD，DE，EA的长度分别为2km，2km，1km，1km，2km。在每个节点接入额定容量为2MVA，额定功率因数为0.9的负荷。
为验证电流第二次突变量ΔIt与ZF的关系，以各段线路83.4％处发生三相短路故障为例，保护1和保护10测得的ΔIt如表1所示。表中83.4％LXY(X、Y对应图1中母线A、B、C、D、E点)表示线路XY上距离母线X83.4％处发生短路故障。
表1花瓣网络中保护测得的ΔIt
Figure GDA0003674317580000063
由表1可知，电流突变量ΔIt与故障距离正相关。当可靠系数
Figure GDA0003674317580000064
取0.8时，保护1和保护10测得ΔIt的最小值Iδ＝2.309kA。因此，三相短路故障时Iset＝1.847kA，两相相间短路故障时Iset＝1.6kA。
为验证突变量判据对限时电流速断保护的加速作用，对位于BC线路α＝0.1，0.9处发生两相相间短路故障和三相短路故障进行仿真，保护3、4的动作情况如表2所示。表中α是故障点与母线B之间的距离占BC线路全长的比例。
表2基于保护相继动作特性的电流突变量判据动作情况
Figure GDA0003674317580000071
由表2可知，当线路末端短路故障时，I1>IZDZ2且ΔIt>Iset，电流突变量判据可以准确识别线路末端短路故障。保证限时电流速断保护的选择性和快速性。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (9)

1.一种花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，基于获取的正常运行时各相电压工频量
Figure FDA0003856037570000011
故障时各相电压工频量
Figure FDA0003856037570000012
各相电流工频量
Figure FDA0003856037570000013
以及因保护相继动作产生的电流突变量ΔIt，计算故障时保护处正序电压相量
Figure FDA0003856037570000014
和正序电流幅值I1；
获取被保护线路正序阻抗值ZL1、保护方向上的下条线路的正序阻抗ZL1，next以及花瓣状配电网主干线因相继动作保护测得故障电流突变量的最小值Iδ；
利用保护安装处的各相电流的故障分量判断故障类型；同时，基于获得的故障类型利用90°接线方式的功率方向元件判断故障方向；
步骤2，当功率方向元件判断为正向发生故障时，根据故障类型判别结果选择自适应限时电流速断保护整定公式以及电流突变量整定公式；
所述的自适应限时电流速断保护整定公式为：
Figure FDA0003856037570000015
式中，
Figure FDA0003856037570000016
是可靠系数，
Figure FDA0003856037570000017
是保护安装处与故障点之间的电压差；
所述的电流突变量整定公式为：
Figure FDA0003856037570000018
式中，
Figure FDA0003856037570000019
是可靠系数；Kd是故障类型系数，三相短路时Kd＝1，两相短路时
Figure FDA00038560375700000110
当正序电流大于限时电流速断保护整定值，小于速断电流整定值，且电流突变量ΔIt大于突变量整定值Iset时，则保护判定为区内故障。
2.根据权利要求1所述的一种花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法，其特征在于：所述正序电流满足的关系式为
Figure FDA0003856037570000021
式中，三相短路故障时
Figure FDA0003856037570000022
两相相间短路故障时
Figure FDA0003856037570000023
Figure FDA0003856037570000024
为非故障相的正常运行时电压工频量，Krel和
Figure FDA0003856037570000025
是可靠系数。
3.根据权利要求1所述的一种花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法，其特征在于：所述正常运行时电压相量
Figure FDA0003856037570000026
取故障发生时刻前40ms电压测量工频量，电流突变量ΔIt为故障发生后电流的第二次突变值。
4.根据权利要求1所述的一种花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法，其特征在于：所述的故障类型包括三相短路故障和两相短路故障。
5.根据权利要求4所述的一种花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法，其特征在于：所述故障类型的判断方法为：
当
Figure FDA0003856037570000027
时，故障类型为AB两相短路故障；
当
Figure FDA0003856037570000028
时，故障类型为BC两相短路故障；
当
Figure FDA0003856037570000029
时，故障类型为CA两相短路故障；
当以上条件均不满足时，故障类型为ABC三相短路故障；
其中，
Figure FDA00038560375700000210
分别为保护安装处A相、B相和C相的故障分量，m为整定系数。
6.根据权利要求5所述的一种花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法，其特征在于：所述整定系数m的取值范围为4～8。
7.根据权利要求1所述的一种花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法，其特征在于：所述功率方向的判据为
Figure FDA00038560375700000211
式中，
Figure FDA00038560375700000212
和
Figure FDA00038560375700000213
分别为保护安装处的电压和电流相量，Φ代指A、B、C；
Figure FDA00038560375700000214
为线路阻抗角。
8.根据权利要求2所述的一种花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法，其特征在于：所述的可靠系数Krel取1.2，
Figure FDA0003856037570000031
取0.5。
9.根据权利要求1所述的一种花瓣状配电网主干线限时电流速断保护加速方法，其特征在于：所述的可靠系数
Figure FDA0003856037570000032
取0.8。
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