CN112230101A - 基于有源注入法的配电网单相接地故障的故障相辨识方法 - Google Patents

基于有源注入法的配电网单相接地故障的故障相辨识方法 Download PDF

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CN112230101A CN202011066635.3A CN202011066635A CN112230101A CN 112230101 A CN112230101 A CN 112230101A CN 202011066635 A CN202011066635 A CN 202011066635A CN 112230101 A CN112230101 A CN 112230101A
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陆杨
潘一璠
杨亚军
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Yancheng Power Supply Co of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明公布了基于有源注入法的配电网单相接地故障的故障相辨识方法。该方法步骤为：首先计算有源电力装置往中性点注入的电流值，以消除配电网不对称度；其次，各相单相接地故障时，分析补偿后的中性点电压与各相电源电压之间的关系；然后，分析各相发生单相接地故障时，中性点电压与A相电源电压之间的相角差分布规律；最后，利用中性点电压与A相电压之间的相角差分布规律对故障相进行辨识。通过本发明可以有效解决配电网发生单相接地故障时的故障相判别问题。

Description

基于有源注入法的配电网单相接地故障的故障相辨识方法
技术领域
本发明涉及基于有源注入法的配电网单相接地故障的故障相辨识方法。属于配电网控制领域。
背景技术
近年来随着电缆电路以及电力电子设备的广泛应用，配电网发生单相接地故障时，短路电流除了对地电容电流外，还存在大量有功电流和谐波电流。而其中的有功分量与谐波分量无法通过消弧线圈进行补偿，这会导致配电网发生单相接地故障后，故障点的残余电流在消弧线圈补偿后依旧较大，故障点电弧难以熄灭，从而导致故障进一步扩大，威胁配电网安全。
因此对于现代复杂配电网络，传统的无源消弧法均不能补偿故障后的有功分量及谐波分量，有源消弧应运而生，有源消弧按其补偿对象可以分为有源电流消弧和有源电压消弧。有源消弧一方面可补偿电网的有功分量及谐波分量，能够适应系统网络结构变化，另一方面能有效抑制间歇性电弧接地过电压。然后为了实现有源消弧，第一步就必须实现故障相的精确辨识，只有准确地判别出故障相，才能通过有源逆变装置注入相应的电流来实现电压消弧。
当配电网发生单相接地故障时，传统的故障相辨识方法大都简单的通过比较各相电压大小来实现，且均没有考虑系统参数不对称带来的影响。其中最常见的判据就是当配电网发生金属性单相接地故障时，健全相的相电压升高到原来的
Figure BDA0002713936950000011
倍，而故障相电压迅速降到零附近，因此可通过母线三相电压的大小来判别故障相。除此之外，还有一种常用判据：当不接地系统发生经过过渡电阻短路时，则认为故障相是三相母线对地电压中最高相的滞后相。
然而传统的配电网选相方法均未考虑系统三相对地参数的不对称性，以及忽略了线路对地绝缘电阻的影响。随着电网规模的不断扩大，非线性负荷以及电力电子设备的大量应用，系统三相对地参数不对称的影响越来越大，因此在实际电网中需对故障相进行辨识时要着重考虑不对称引起的误判问题。根据电网实际运行情况的及相关仿真实验可以发现，不对称电网在发生单相经电阻接地故障时(尤其是经高阻接地故障)，传统的故障相判别方法的精度大大降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于有源注入法的不对称电网单相接地故障的故障相辨识方法，本发明通过有源电力装置往中性点注入电流来消除配电网的不对称度，使得故障后的中性点电压仅仅由接地电阻决定，从而使得故障相辨识不再受配电网三相对地参数不对称的影响，提高了故障相辨识精确度。
本发明具体为基于有源注入法的配电网单相接地故障的故障相辨识方法，具体包括以下步骤：
步骤1、计算为消除配电网不对称而需有源电力装置往中性点注入的电流值；
步骤2、分析各相单相接地故障时补偿不对称后的中性点电压与各相电源电压之间的关系；
步骤3、分析各相发生单相接地故障时，中性点电压与A相电源电压之间的相角差
Figure BDA0002713936950000029
分布规律；
步骤4、利用中性点电压与A相电压之间的相角差分布规律对故障相进行辨识。
进一步的，步骤1中确定消除配电网不对称度而需有源电力装置注入的中性点电流值，具体如下：
步骤1.1、确定中性点不对称电压与中性点注入电流之间的关系：
当有源电力装置往中性点注入电流时，根据基尔霍夫定律得该电流值与中性点不对称电压之间的关系为：
Figure BDA0002713936950000021
其中CA、CB、CC分别为三相对地电容；GA、GB、GC分别为三相对地泄露电导；
Figure BDA0002713936950000022
为有源电力装置注入的等效电流；
Figure BDA0002713936950000023
分别为系统三相电源电压；Ubd为因各相对地分布参数不一致而产生的配电网中性点不对称电压；
步骤1.2、确定为消除电网的不对称度，所需有源电力装置注入的电流值，即使
Figure BDA0002713936950000024
时，
Figure BDA0002713936950000025
的值：
Figure BDA0002713936950000026
进一步的，步骤2所述的不对称补偿后，各相发生单相接地故障时，确定补偿后中性点电压与各相电压之间的关系，具体如下：
步骤2.1、A相发生接地故障时，分析中性点注入电流
Figure BDA00027139369500000210
与补偿后中性点电压之间的关系
Figure BDA0002713936950000027
为：
Figure BDA0002713936950000028
其中，Gf为故障点的接地电阻；
根据步骤1.2与2.1可计算得补偿后的中性点电压
Figure BDA0002713936950000031
为：
Figure BDA0002713936950000032
其中，CΣ＝CA+CB+CC、GΣ＝GA+GB+GC；
令jωCΣ+GΣ+Gf＝K∠β，其中
Figure BDA0002713936950000033
可将中性点电压
Figure BDA0002713936950000034
改写为：
Figure BDA0002713936950000035
其中，
Figure BDA0002713936950000036
为中性点电压与A相电源之间的相位差；
步骤2.2、B相发生接地故障时，同步骤2.1可分析得中性点注入电流
Figure BDA0002713936950000037
与补偿后中性点电压之间的关系
Figure BDA0002713936950000038
为：
Figure BDA0002713936950000039
步骤2.3、C相发生接地故障时，同步骤2.1可分析得中性点注入电流
Figure BDA00027139369500000310
与补偿后中性点电压之间的关系
Figure BDA00027139369500000311
为：
Figure BDA00027139369500000312
进一步的，步骤3中分析各相发生单相接地故障时，中性点电压与各相电源之间的相角差
Figure BDA00027139369500000313
分布规律，具体如下：
步骤3.1、以A相电源电压作为参考对象，分别计算A、B、C相中性点电压与A相电源之间的相角差
Figure BDA00027139369500000314
为：
(1)A相发生单相接地故障时，根据步骤2.1计算得
Figure BDA00027139369500000315
为：
Figure BDA0002713936950000041
(2)同样以A相电源电压为参考对象，B相发生单相接地故障时，根据步骤2.1计算得
Figure BDA0002713936950000042
为：
Figure BDA0002713936950000043
(3)同样以A相电源电压为参考对象，B相发生单相接地故障时，根据步骤2.1计算得
Figure BDA0002713936950000044
为：
Figure BDA0002713936950000045
步骤3.2、分析各相发生单相接地故障时，中性点电压与A相电源相位差
Figure BDA0002713936950000046
的特点：
(1)A相发生高阻接地故障时，由于Gf→0，故β→90°，因此α略大于90°；A相发生金属性接地故障时，由于Gf→+∞，故β→0°，故α略小于180°；
(2)B相发生高阻接地故障时，由于Gf→0，故β→90°，因此α略大于-30°；B相发生金属性接地故障时，由于Gf→+∞，故β→0°，故α略小于60°；
(3)C相发生高阻接地故障时，由于Gf→0，故β→90°，因此α略大于210°；C相发生金属性接地故障时，由于Gf→+∞，故β→0°，故α略小于300°。
进一步的，步骤4中根据中性点电压与A相电压之间的相位差
Figure BDA0002713936950000047
判定单相接地故障相，具体如下：
(1)发生单相接地故障，经有源电力装置注入电流补偿不对称度后，
Figure BDA0002713936950000048
时，可判别为A相故障；
(2)发生单相接地故障，经有源电力装置注入电流补偿不对称度后，
Figure BDA0002713936950000049
时，可判别为B相故障；
(2)发生单相接地故障，经有源电力装置注入电流补偿不对称度后，
Figure BDA00027139369500000410
时，可判别为C相故障。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)对于实际配电网，三相对地分布参数通常是不对称的，本发明可有效解决因系统不对称而造成的故障相辨识误判问题；(2)本发明对故障相的辨识是通过中性点电压与A相电源电压之间的相角分布关系确定的，该方法一方面可以应用于不对称不接地系统，另一方面也可以应用于谐振接地系统在过补偿状态下的单相经过渡电阻接地故障。
附图说明
图1为本发明基于有源注入法的配电网单相接地故障的故障相辨识方法的流程图；
图2为不对称电网经补偿后的单相接地短路示意图；
图3为中性点不接地系统各相发生接地故障时的中性点电压轨迹；
图4为消除不对称后不接地系统各相发生单相接地时的相角关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明基于有源注入法的配电网单相接地故障的故障相辨识方法的具体实施方式做详细阐述。
如图1所示，本发明具体为基于有源注入法的配电网单相接地故障的故障相辨识方法，具体包括以下步骤：
步骤1、计算为消除配电网不对称而需有源电力装置往中性点注入的电流值；
步骤2、分析各相单相接地故障时补偿不对称后的中性点电压与各相电源电压之间的关系；
步骤3、分析各相发生单相接地故障时，中性点电压与A相电源电压之间的相角差
Figure BDA0002713936950000054
分布规律；
步骤4、利用中性点电压与A相电压之间的相角差分布规律对故障相进行辨识。
进一步的，步骤1中确定消除配电网不对称度而需有源电力装置注入的中性点电流值，具体如下：
步骤1.1、确定中性点不对称电压与中性点注入电流之间的关系：
如图2所示为不对称电网经补偿后的单相接地短路示意图，当有源电力装置往中性点注入电流时，根据基尔霍夫定律得该电流值与中性点不对称电压之间的关系为：
Figure BDA0002713936950000051
其中CA、CB、CC分别为三相对地电容；GA、GB、GC分别为三相对地泄露电导；
Figure BDA0002713936950000052
为有源电力装置注入的等效电流；
Figure BDA0002713936950000053
分别为系统三相电源电压；Ubd为因各相对地分布参数不一致而产生的配电网中性点不对称电压；
步骤1.2、确定为消除电网的不对称度，所需有源电力装置注入的电流值，即使
Figure BDA0002713936950000061
时，
Figure BDA0002713936950000062
的值：
Figure BDA0002713936950000063
进一步的，步骤2所述的不对称补偿后，各相发生单相接地故障时，确定补偿后中性点电压与各相电压之间的关系，具体如下：
步骤2.1、A相发生接地故障时，分析中性点注入电流
Figure BDA0002713936950000064
与补偿后中性点电压之间的关系
Figure BDA0002713936950000065
为：
Figure BDA0002713936950000066
其中，Gf为故障点的接地电阻；
根据步骤1.2与2.1可计算得补偿后的中性点电压
Figure BDA0002713936950000067
为：
Figure BDA0002713936950000068
其中，CΣ＝CA+CB+CC、GΣ＝GA+GB+GC；
令jωCΣ+GΣ+Gf＝K∠β，其中
Figure BDA0002713936950000069
可将中性点电压
Figure BDA00027139369500000610
改写为：
Figure BDA00027139369500000611
其中，
Figure BDA00027139369500000612
为中性点电压与A相电源之间的相位差；
步骤2.2、B相发生接地故障时，同步骤2.1可分析得中性点注入电流
Figure BDA00027139369500000613
与补偿后中性点电压之间的关系
Figure BDA00027139369500000614
为：
Figure BDA00027139369500000615
步骤2.3、C相发生接地故障时，同步骤2.1可分析得中性点注入电流
Figure BDA0002713936950000071
与补偿后中性点电压之间的关系
Figure BDA0002713936950000072
为：
Figure BDA0002713936950000073
进一步的，步骤3中分析各相发生单相接地故障时，中性点电压与各相电源之间的相角差
Figure BDA0002713936950000074
分布规律，具体如下：
步骤3.1、以A相电源电压作为参考对象，分别计算A、B、C相中性点电压与A相电源之间的相角差
Figure BDA0002713936950000075
为：
(1)A相发生单相接地故障时，根据步骤2.1计算得
Figure BDA0002713936950000076
为：
Figure BDA0002713936950000077
(2)同样以A相电源电压为参考对象，B相发生单相接地故障时，根据步骤2.1计算得
Figure BDA0002713936950000078
为：
Figure BDA0002713936950000079
(3)同样以A相电源电压为参考对象，B相发生单相接地故障时，根据步骤2.1计算得
Figure BDA00027139369500000710
为：
Figure BDA00027139369500000711
步骤3.2、分析各相发生单相接地故障时，中性点电压与A相电源相位差
Figure BDA00027139369500000712
的特点：
(1)A相发生高阻接地故障时，由于Gf→0，故β→90°，因此α略大于90°；A相发生金属性接地故障时，由于Gf→+∞，故β→0°，故α略小于180°；
(2)B相发生高阻接地故障时，由于Gf→0，故β→90°，因此α略大于-30°；B相发生金属性接地故障时，由于Gf→+∞，故β→0°，故α略小于60°；
(3)C相发生高阻接地故障时，由于Gf→0，故β→90°，因此α略大于210°；C相发生金属性接地故障时，由于Gf→+∞，故β→0°，故α略小于300°。
进一步的，如图3所示为中性点不接地系统各相发生接地故障时的中性点电压轨迹，步骤4中根据中性点电压与A相电压之间的相位差
Figure BDA00027139369500000713
判定单相接地故障相，具体如下：
(1)发生单相接地故障，经有源电力装置注入电流补偿不对称度后，
Figure BDA0002713936950000081
时，可判别为A相故障；
(2)发生单相接地故障，经有源电力装置注入电流补偿不对称度后，
Figure BDA0002713936950000082
时，可判别为B相故障；
(2)发生单相接地故障，经有源电力装置注入电流补偿不对称度后，
Figure BDA0002713936950000083
时，可判别为C相故障。
实施例1
结合图2搭建仿真模型，其中仿真参数如下：电源电压35KV、变压器变比设置为35kV/10Kv。仿真模型中线路采用PI型等值线路，并设置三条出线，出线长度分别为：16km、20km、25km。PI型线路参数设置为：正序电阻0.0127Ω/km，正序电容12.74e-9F/km，正序电感0.93e-3H/km，零序电阻0.3864Ω/km，零序电容7.75e-9F/km，零序电感4.12e-3H/km。为了模拟不对称电网的单相接地故障，在第一条支路的A相及第二条支路的B相分别增加长度为1km、2km的线路。利用三相RLC支路模拟线路对地绝缘电导，其参数设置为2.924e-8S。根据上述参数可得到注入电网的补偿电流为
Figure BDA0002713936950000084
本仿真模型的A相电压相角
Figure BDA0002713936950000085
如图4为消除不对称后不接地系统各相发生单相接地时的相角关系，其结果分别为当A、B、C三相分别发生单相10Ω、100Ω、1000Ω、10000Ω过渡电阻接地时的仿真结果，其中
Figure BDA0002713936950000086
为中性点电压相角，
Figure BDA0002713936950000087
为A相电源电压与中性点电压之间的相角差。
由图4结果可知不对称中性点不接地系统通过有源电力装置注入补偿电流后，当A相分别发生单相经10Ω、100Ω、1000Ω、10000Ω过渡电阻接地时，中性点电压与A相电源电压之间的相角差
Figure BDA0002713936950000088
B相发生同样的单相接地故障时
Figure BDA0002713936950000089
C相发生同样的单相接地故障时
Figure BDA00027139369500000810
由此证明本发明提出的不对称有源补偿后，利用中性点电压与A相电源电压之间的相角差可实现故障相的正确辨识。
最后应该说明的是，结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到，本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (5)

1.基于有源注入法的配电网单相接地故障的故障相辨识方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：
步骤1、计算为消除配电网不对称而需有源电力装置往中性点注入的电流值；
步骤2、分析各相单相接地故障时补偿不对称后的中性点电压与各相电源电压之间的关系；
步骤3、分析各相发生单相接地故障时，中性点电压与A相电源电压之间的相角差
Figure FDA0002713936940000011
分布规律；
步骤4、利用中性点电压与A相电压之间的相角差分布规律对故障相进行辨识。
2.根据权利要求1所述的基于有源注入法的配电网单相接地故障的故障相辨识方法，其特征在于，步骤1中确定消除配电网不对称度而需有源电力装置注入的中性点电流值，具体如下：
步骤1.1、确定中性点不对称电压与中性点注入电流之间的关系：
当有源电力装置往中性点注入电流时，根据基尔霍夫定律得该电流值与中性点不对称电压之间的关系为：
Figure FDA0002713936940000012
其中CA、CB、CC分别为三相对地电容；GA、GB、GC分别为三相对地泄露电导；
Figure FDA0002713936940000013
为有源电力装置注入的等效电流；
Figure FDA0002713936940000014
分别为系统三相电源电压；Ubd为因各相对地分布参数不一致而产生的配电网中性点不对称电压；
步骤1.2、确定为消除电网的不对称度，所需有源电力装置注入的电流值，即使
Figure FDA0002713936940000015
时，
Figure FDA0002713936940000016
的值：
Figure FDA0002713936940000017
3.根据权利要求1所述的基于有源注入法的配电网单相接地故障的故障相辨识方法，其特征在于，步骤2所述的不对称补偿后，各相发生单相接地故障时，确定补偿后中性点电压与各相电压之间的关系，具体如下：
步骤2.1、A相发生接地故障时，分析中性点注入电流
Figure FDA0002713936940000018
与补偿后中性点电压之间的关系
Figure FDA0002713936940000019
为：
Figure FDA00027139369400000110
其中，Gf为故障点的接地电阻；
根据步骤1.2与2.1可计算得补偿后的中性点电压
Figure FDA0002713936940000021
为：
Figure FDA0002713936940000022
其中，CΣ＝CA+CB+CC、GΣ＝GA+GB+GC；
令jωCΣ+GΣ+Gf＝K∠β，其中
Figure FDA0002713936940000023
可将中性点电压
Figure FDA0002713936940000024
改写为：
Figure FDA0002713936940000025
其中，
Figure FDA0002713936940000026
为中性点电压与A相电源之间的相位差；
步骤2.2、B相发生接地故障时，同步骤2.1可分析得中性点注入电流
Figure FDA0002713936940000027
与补偿后中性点电压之间的关系
Figure FDA0002713936940000028
为：
Figure FDA0002713936940000029
步骤2.3、C相发生接地故障时，同步骤2.1可分析得中性点注入电流
Figure FDA00027139369400000210
与补偿后中性点电压之间的关系
Figure FDA00027139369400000211
为：
Figure FDA00027139369400000212
4.根据权利要求1所述的基于有源注入法的配电网单相接地故障的故障相辨识方法，其特征在于，步骤3中分析各相发生单相接地故障时，中性点电压与各相电源之间的相角差
Figure FDA00027139369400000213
分布规律，具体如下：
步骤3.1、以A相电源电压作为参考对象，分别计算A、B、C相中性点电压与A相电源之间的相角差
Figure FDA00027139369400000214
为：
(1)A相发生单相接地故障时，根据步骤2.1计算得
Figure FDA0002713936940000031
为：
Figure FDA0002713936940000032
(2)同样以A相电源电压为参考对象，B相发生单相接地故障时，根据步骤2.1计算得
Figure FDA0002713936940000033
为：
Figure FDA0002713936940000034
(3)同样以A相电源电压为参考对象，B相发生单相接地故障时，根据步骤2.1计算得
Figure FDA0002713936940000035
为：
Figure FDA0002713936940000036
步骤3.2、分析各相发生单相接地故障时，中性点电压与A相电源相位差
Figure FDA0002713936940000037
的特点：
(1)A相发生高阻接地故障时，由于Gf→0，故β→90°，因此α略大于90°；A相发生金属性接地故障时，由于Gf→+∞，故β→0°，故α略小于180°；
(2)B相发生高阻接地故障时，由于Gf→0，故β→90°，因此α略大于-30°；B相发生金属性接地故障时，由于Gf→+∞，故β→0°，故α略小于60°；
(3)C相发生高阻接地故障时，由于Gf→0，故β→90°，因此α略大于210°；C相发生金属性接地故障时，由于Gf→+∞，故β→0°，故α略小于300°。
5.根据权利要求1所述的基于有源注入法的配电网单相接地故障的故障相辨识方法，其特征在于，步骤4中根据中性点电压与A相电压之间的相位差
Figure FDA0002713936940000038
判定单相接地故障相，具体如下：
(1)发生单相接地故障，经有源电力装置注入电流补偿不对称度后，
Figure FDA0002713936940000039
时，可判别为A相故障；
(2)发生单相接地故障，经有源电力装置注入电流补偿不对称度后，
Figure FDA00027139369400000310
时，可判别为B相故障；
(2)发生单相接地故障，经有源电力装置注入电流补偿不对称度后，
Figure FDA00027139369400000311
时，可判别为C相故障。
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