CN111884183A - 一种花瓣状配电网主干线的自适应正序电流速断保护方法 - Google Patents

一种花瓣状配电网主干线的自适应正序电流速断保护方法 Download PDF

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何亚坤
李仲青
杨国生
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Abstract

本发明涉及一种花瓣状配电网主干线的自适应正序电流速断保护方法，包括如下步骤：步骤1，计算故障时保护安装处正序电压相量和正序电流幅值；获取并存储被保护线路正序阻抗值；判断故障类型；同时，判断故障方向；步骤2，当故障方向元件判断为正向发生故障时，根据故障类型选择自适应电流速断保护整定公式，当保护测得正序电流大于保护整定值时，则判定为被保护线路发生短路故障，断路器迅速跳闸。本发明与现有方法相比，本发明方法具有足够的灵敏性，且不随线路长度和系统运行方式的变化而变化。

Description

一种花瓣状配电网主干线的自适应正序电流速断保护方法
技术领域
本发明涉及电力系统配电网继电保护领域,涉及一种配电网单端量自适应电流保护方法，特别是一种花瓣状配电网主干线的自适应正序电流速断保护方法。
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，花瓣状配电网保护对于保证现代配电网系统的可靠性和安全性至关重要。
目前，花瓣状配电网主干线以光纤电流差动保护作为主保护，过电流保护作为后备保护。但是，电流差动保护严重依赖于通信数据的同步性和通信通道的可靠性，一旦通信出现问题，可能会引起光纤差动保护的拒动或误动。过电流保护存在延时高、选择性差的问题。故障位置的不同可能会造成保护无法准确识别故障线路，扩大切除范围。因此，过电流保护不利于保障花瓣状配电网中负荷的电能供应。
针对母线配电网线路保护中存在的问题，众多学者对于配单网保护的研究以自适应电流保护为主。《自适应继电保护及其前景展望》提出计算保护背侧阻抗的自适应电流保护，但线路较短时，存在灵敏性不足的问题。对于花瓣状配电网，还没有能够快速动作且具保证足够灵敏性的单端量保护。因此，为保证花瓣状配电网主干线供电的可靠性和安全性，研究新的基于单端量信息的电流保护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的自适应正序电流速断保护方法，本方法基于相间短路故障时保护安装处正序电压与正序电流关系特征和被保护线路阻抗值，结合功率方向元件构造花瓣状配电网主干线路单端量电流保护判据快速识别保护范围内短路故障。不仅克服了现有电流速断保护灵敏性不足的问题，且具有不受系统运行方式和网架结构变化影响的优点。
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的自适应正序电流速断保护方法，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 BDA0002591444160000021
故障时各相电压工频量
Figure BDA0002591444160000022
以及各相电流工频量
Figure BDA0002591444160000023
计算故障时保护安装处正序电压相量
Figure BDA0002591444160000024
和正序电流幅值I1；
获取并存储被保护线路正序阻抗值ZL1；
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，当故障方向元件判断为正向发生故障时，根据故障类型选择自适应正序速断电流保护整定公式，当保护测得正序电流大于保护整定值时，则判定为被保护线路发生短路故障，断路器迅速跳闸。
而且，自适应正序电流速断保护的整定公式为
Figure BDA0002591444160000025
式中，三相短路故障时
Figure BDA0002591444160000026
两相相间短路故障时
Figure BDA0002591444160000027
Figure BDA0002591444160000028
为非故障相X的正常运行时电压工频量。Krel是可靠系数。
而且，所述正常运行时电压幅值
Figure BDA0002591444160000029
取故障发生时刻前40ms电压测量幅值。
而且，所述故障类型的判断方法为：
当
Figure BDA00025914441600000210
时，故障类型为AB两相短路故障；
当
Figure BDA00025914441600000211
时，故障类型为BC两相短路故障；
当
Figure BDA00025914441600000212
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 BDA00025914441600000213
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 BDA0002591444160000031
式中，
Figure BDA0002591444160000032
和
Figure BDA0002591444160000033
分别为保护安装处的电压和电流相量，Φ代指A、B、C；
Figure BDA0002591444160000034
为线路阻抗角。
而且，所述的可靠系数Krel取1.2。
本发明的优点和有益效果为：
本花瓣状配电网主干线的自适应正序电流速断保护方法，基于被保护线路正向发生故障时保护安装处正序电流和正序电压的关系，提出了花瓣状配电网主干线自适应正序电流速断保护方法，与现有方法相比，本发明方法具有足够的灵敏性，且不随线路长度和系统运行方式的变化而变化。
附图说明
图1 10kV花瓣状配电网示意图；
图2两相相间短路故障复合序网图；
图3三相短路故障时的等值电路；
图中标号说明：
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UB1表示B母线处的正序电压；Uf1表示故障点处的正序电压；I'f1和I”f1为故障点两侧正序电流；Zm＝ZAB+αZBC，Zn＝(1-α)ZBC+ZCA。
图3中ZAB是线路AB的阻抗；ZBC是线路BC的阻抗；ZCA是线路CDA的阻抗；α是故障点与母线B之间的距离占BC线路全长的比例；UA、UB、UC是母线A、B、C上的相电压；If为故障点电流。
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自适应正序电流速断保护方法，利用线路保护安装处正序电流和正序电压的关系推导得到正序电流速断整定值，比较正序电流与整定值的的大小实现对短路故障的判别，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 BDA0002591444160000041
以及故障时各相电压工频量
Figure BDA0002591444160000042
电流采集装置采集得到各相电流工频量
Figure BDA0002591444160000043
并经过数据处理装置计算故障时保护安装处正序电压相量
Figure BDA0002591444160000044
和正序电流幅值I1。
在保护装置中提前存储被保护线路正序阻抗值ZL1。
(2)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。并利用90°接线方式的功率方向元件判断故障方向。
(3)当故障方向元件判断为正向发生故障时，根据故障类型选择自适应正序电流速断保护整定公式，当保护测得正序电流大于保护整定值时，则判定为被保护线路发生短路故障，断路器迅速跳闸。自适应正序电流速断保护的整定公式为
Figure BDA0002591444160000045
式中，三相短路故障时
Figure BDA0002591444160000046
两相相间短路故障时
Figure BDA0002591444160000047
Figure BDA0002591444160000048
为非故障相X的正常运行时电压工频量。Krel是可靠系数。
步骤(1)中，正常运行时电压相量
Figure BDA0002591444160000049
可取故障发生时刻前40ms电压测量工频量。
步骤(2)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 BDA00025914441600000410
表中，
Figure BDA00025914441600000411
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 BDA0002591444160000051
式中，
Figure BDA0002591444160000052
和
Figure BDA0002591444160000053
分别为保护安装处的电压和电流相量(Φ代指A、B、C)；
Figure BDA0002591444160000054
为线路阻抗角。
步骤(3)中，可靠系数Krel取1.2。
基于保护安装处正序电压与正序电流关系的自适应正序电流速断保护能够识别被保护线路上发生的短路故障，原理为：
被保护线路发生两相短路故障时，故障复合序网图如图2所示，由图2可知，保护3处正序电压和正序电流存在如下关系
Figure BDA0002591444160000055
在实际配电网中，忽略系统内阻抗和线路阻抗上的压降，
Figure BDA0002591444160000056
可用保护安装处非故障相正常运行时电压
Figure BDA0002591444160000057
代替。
三相短路故障时，故障等效电路图3所示，由图3可知，保护3处正序电压和正序电流存在如下关系
Figure BDA0002591444160000058
结合式(1)和式(2)可得自适应正序电流速断保护的整定值为
Figure BDA0002591444160000059
式中，三相短路故障时
Figure BDA00025914441600000510
两相相间短路故障时
Figure BDA00025914441600000511
Figure BDA00025914441600000512
为非故障相X的正常运行时电压工频量。Krel是可靠系数。
由式(3)可得速断保护的保护范围η：
Figure BDA00025914441600000513
保护范围η仅与可靠系数Krel有关，与线路长度和系统的运行方式无关。当可靠系数Krel取1.2时，速断电流保护的保护范围η＝83.3％。
结合功率方向判据可以得到自适应正序电流速断保护的动作判据
Figure BDA0002591444160000061
由式(4)可知，当被保护线路正方向保护范围内发生故障时，正序故障电流大于整定值。因此，自适应正序电流速断保护能对保护范围内的短路故障快速且准确的识别。
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。
1)自适应正序电流速断保护的故障判别
为验证不同故障类型和故障位置对自适应正序电流速断保护的影响，对位于BC线路α＝0.1，0.4，0.6，0.9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的动作情况如表1所示。
表1 BC线路自适应正序电流速断保护动作情况
Figure BDA0002591444160000062
由表2可知：
在α≤0.833内，Id1>IZDZ，保护3都会动作；在α>0.833内，保护3不动作，线路两端速断保护具有确定的保护范围，能够保证足够的灵敏性。
2)线路长度对保护范围的影响
为验证不同线路长度对自适应正序电流速断保护范围的影响，CD线路保护的仿真结果如表2所示，表2中β是故障点与母线C之间的距离占CD线路全长的比例。
表2 CD线路保护5的动作情况
Figure BDA0002591444160000063
Figure BDA0002591444160000071
结合表1和表2可知：
线路长度不影响自适应正序电流速断保护的保护范围，即使在较短的线路中，保护仍具有确定的保护范围，能够保证自适应正序电流速断保护的灵敏性。
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 (7)

1.一种花瓣状配电网主干线的自适应正序电流速断保护方法，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 FDA0002591444150000011
故障时各相电压工频量
Figure FDA0002591444150000012
以及各相电流工频量
Figure FDA0002591444150000013
计算故障时保护处正序电压相量
Figure FDA0002591444150000014
和正序电流幅值I1；
获取并存储被保护线路正序阻抗值ZL1；
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，当故障方向元件判断为正向发生故障时，根据故障类型选择自适应正序电流保护速断整定公式，当保护测得正序电流大于保护整定值时，则判定为被保护线路发生短路故障，断路器迅速跳闸。
2.根据权利要求1所述的一种花瓣状配电网主干线的自适应正序电流速断保护方法，其特征在于：自适应正序电流速断保护的整定公式为
Figure FDA0002591444150000015
式中，三相短路故障时
Figure FDA0002591444150000016
两相相间短路故障时
Figure FDA0002591444150000017
Figure FDA0002591444150000018
为非故障相的正常运行时电压工频量。Krel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的自适应正序电流速断保护方法，其特征在于：所述正常运行时电压相量
Figure FDA0002591444150000019
取故障发生时刻前40ms电压测量工频量。
4.根据权利要求1所述的一种花瓣状配电网主干线的自适应正序电流速断保护方法，其特征在于：所述故障类型的判断方法为：
当
Figure FDA00025914441500000110
时，故障类型为AB两相短路故障；
当
Figure FDA00025914441500000111
时，故障类型为BC两相短路故障；
当
Figure FDA00025914441500000112
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 FDA0002591444150000021
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。
5.根据权利要求4所述的一种花瓣状配电网主干线的自适应正序电流速断保护方法，其特征在于：所述整定系数m的取值范围为4～8。
6.根据权利要求1所述的一种花瓣状配电网主干线的自适应正序电流速断保护方法，其特征在于：所述功率方向的判据为
Figure FDA0002591444150000022
式中，
Figure FDA0002591444150000023
和
Figure FDA0002591444150000024
分别为保护安装处的电压和电流相量，Φ代指A、B、C；
Figure FDA0002591444150000025
为线路阻抗角。
7.根据权利要求2所述的一种花瓣状配电网主干线的自适应正序电流速断保护方法，其特征在于：所述的可靠系数Krel取1.2。
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