CN112701658A - 一种基于有源逆变电压调节与小电阻的复合接地装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于有源逆变电压调节与小电阻的复合接地装置，包括高阻接地故障辨识单元、有源逆变电压调节器、小电阻零序保护装置和协调控制器；所述高阻接地故障辨识单元用于实现故障馈线的准确辨识；所述有源逆变电压调节器接收协调控制器发出的运行指令，向中性点注入调节电压；所述小电阻零序保护装置用于故障电流不低于零序保护阈值时的接地故障处理；所述协调控制器负责有源逆变电压调节器与小电阻零序保护装置的协调配合。本发明通过有源逆变电压调节器和小电阻零序保护装置的高效协调配合，可以高效地抑制故障点电压，实现对瞬时性和永久性接地故障的高效可靠处理，尤其是可用于高阻接地故障的抑制，具有很好的可行性和实用价值。

Description

一种基于有源逆变电压调节与小电阻的复合接地装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体的是一种基于有源逆变电压调节与小电阻的复合接地装置。
背景技术
配电网位于电力系统末端，与用户密切相关。因此，如何在发生故障的情况下提高配电网的安全性和可靠性一直是研究热点。以消弧线圈为代表的谐振接地系统由于其简单的工作原理以及在瞬时性接地故障下能够保持故障馈线正常运行的能力而被广泛应用于城乡配电网。然而，随着城市配电网的不断发展，电缆线路以及非线性负荷的不断增加导致接地故障电流幅值日益增大。传统的消弧线圈扩容困难，存在谐振隐患，并且无法抑制接地故障电流中的谐波及有功分量，导致接地残流难以控制在规定范围内，严重威胁电网的安全运行。随着电力电子技术的快速发展和运行可靠性的不断提高，其快速、可靠、灵活等优点愈加突出，这也使得实现接地系统的柔性控制成为可能。
目前，小电阻接地系统正在被推广应用。一方面，它具有更高的可靠性和更简单的实现过程；另一方面，它也避免了谐振过电压和容量匹配的问题。然而，当配电网发生高阻接地故障时，过渡电阻通常大于1kΩ，故障电流小于10A，小电阻系统很难有效地识别故障特征，零序保护无法动作，接地故障无法准确、快速地被辨识和处理。因此，高阻接地故障的排查时间通常为数小时甚至数月，时间周期过长，严重威胁配电网设备和人员的安全。
综上所述，当单相接地故障尤其是高阻接地故障发生时，传统谐振接地或小电阻接地系统无法完全实现高可靠运行，需要更加高效可控的接地方法。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种基于有源逆变电压调节与小电阻的复合接地装置，通过有源逆变电压调节器向中性点注入调节电压，可以高效地抑制故障点电压，实现故障消除，通过源逆变电压调节器和小电阻零序保护装置的高效协调配合，可以实现对瞬时性接地故障和永久性接地故障的高效可靠处理，解决了高阻接地故障辨识及抑制较难的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于有源逆变电压调节与小电阻的复合接地装置，包括高阻接地故障辨识单元、有源逆变电压调节器、小电阻零序保护装置和协调控制器；
高阻接地故障辨识单元利用小波包变换和灰色关联度算法实现故障馈线的辨识；
所述有源逆变电压调节器接收协调控制器发出的运行指令，向中性点注入调节电压；
所述小电阻零序保护装置用于故障电流不低于零序保护阈值时的接地故障处理；
协调控制器负责有源逆变电压调节器与小电阻零序保护装置的协调配合，并向所述有源逆变电压调节器和小电阻零序保护装置发出运行指令。
进一步优选地，高阻接地故障辨识单元通过小波包实现故障时刻定位并快速准确提取故障波形中的暂态特征量，利用灰色关联度算法，分析提取的各个馈线波形相对变化趋势的相似程度，从而实现故障馈线的辨识。
进一步优选地，故障馈线的辨识具体包括以下步骤：
(1)当系统发生高阻接地故障时，利用小波包奇异性原理对零序电压进行小波包变换，确定模极大值点，在此点信号突变最为明显，对应实际故障时间；
(2)对馈线暂态电流波形利用小波包变换进行分解、重构，提取出幅值变化明显的信号频段；
(3)计算提取的各条馈线之间的灰色关联度，实现故障选线。
进一步优选地，有源逆变电压调节器由全控型功率器件组成，通过有源逆变电压调节器向中性点注入调节电压，将故障点电压降低到可以产生故障电弧的安全阈值以下，有源逆变电压调节器采用双闭环控制策略，包括电压外环和电流内环。
进一步优选地，协调配合包括：当故障电流不低于零序保护阈值时，小电阻零序保护装置工作，故障线路切除；当故障电流小于零序保护阈值时，有源逆变电压调节器工作，抑制故障点电压。
进一步优选地，协调配合的具体步骤如下：
S1、协调控制器采样零序电流和零序电压，将零序电流值与接地故障阈值相比较，若零序电流值大于接地故障阈值，则协调控制器判定系统发生接地故障；
S2、协调控制器判定系统发生接地故障后，将零序电流值与零序保护阈值相比，若零序电流值不低于零序保护阈值，则所述协调控制器向小电阻零序保护装置发出运行指令，控制小电阻零序保护装置运行，从而切除接地故障，若零序电流值小于零序保护阈值，则所述协调控制器向有源逆变电压调节器发出运行指令，控制有源逆变电压调节器运行，向系统中性点注入调节电压，将故障点电压降低到安全阈值以下。
进一步优选地，协调控制器实时监测系统运行状态，当接地故障被辨识为永久性故障时，协调控制器向上级系统发出故障信号，并且当小电阻零序保护装置运行时，禁止零序保护装置重合闸。
本发明的有益效果：
本发明能够实现对于高阻接地故障的准确辨识和处理，尤其是对于过渡电阻大于1kΩ、故障电流小于10A的接地故障类型。当高阻接地故障发生时，通过有源逆变电压调节器向中性点注入调节电压，可以高效地抑制故障点电压，实现故障消除。本发明能够实现有源逆变电压调节器和小电阻零序保护装置的高效协调配合，可以实现对瞬时性接地故障和永久性接地故障的高效可靠处理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于有源逆变电压调节与小电阻的复合接地装置结构图；
图2为本发明基于有源逆变电压调节与小电阻的复合接地装置的工作流程图；
图3为本发明小电阻零序保护装置的原理示意图；
图4为本发明有源逆变电压调节器原理示意图；
图5为本发明有源逆变电压调节器双环控制器框图。
图6为本发明具体实施中接地故障下的仿真结果；
图7为本发明具体实施中典型动态过程的仿真结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图1为基于有源逆变电压调节与小电阻的复合接地装置结构图。包括控制器、有源逆变电压调节器、小电阻零序保护装置，所述控制器由高阻接地故障辨识单元和协调控制器组成。该复合接地装置能够实现高阻接地故障辨识、中性点电压有源主动调节和协调控制功能。
高阻接地故障辨识单元通过小波包实现故障时刻定位并快速准确提取故障波形中的暂态特征量，利用灰色关联度算法，分析提取的各个馈线波形相对变化趋势的相似程度，从而实现故障馈线的辨识，具体步骤如下：
(1)当系统发生高阻接地故障时，利用小波包奇异性原理对零序电压进行小波包变换，确定模极大值点，在此点信号突变最为明显，对应实际故障时间；
(2)对馈线暂态电流波形利用小波包变换进行分解、重构，提取出幅值变化明显的信号频段；
(3)计算提取的各条馈线之间的灰色关联度，实现故障选线。
图2为基于有源逆变电压调节与小电阻的复合接地装置的工作流程图。协调控制器采样零序电流和零序电压，将零序电流值与接地故障阈值相比较，若零序电流值大于接地故障阈值，则所述控制器判定系统发生接地故障；所述协调控制器判定系统发生接地故障后，将零序电流值与零序保护阈值相比，若零序电流值不低于零序保护阈值，则所述协调控制器向小电阻零序保护装置发出运行指令，控制小电阻零序保护装置运行，从而切除接地故障；若零序电流值小于零序保护阈值，则所述协调控制器向有源逆变电压调节器发出运行指令，控制有源逆变电压调节器运行，向系统中性点注入调节电压，将故障点电压降低到安全阈值以下。
图3为小电阻零序保护装置的原理示意图。当接地故障发生时，故障点与小电阻系统形成回路，当故障电流大于零序保护阈值时，系统发出断闸、重合闸指令。协调控制器实时监测系统运行状态，当接地故障被辨识为永久性故障时，所述协调控制器向上级系统发出故障信号，并且当小电阻零序保护装置运行时，禁止零序保护装置重合闸。
图4为有源逆变电压调节器原理示意图，图5为有源逆变电压调节器双环控制器框图。有源逆变电压调节器由全控型功率器件组成(可以采用的拓扑结构包括单相H桥、级联H桥、模块化多电平以及由异质功率器件组成的拓扑结构)，通过向中性点注入调节电压，将故障点电压降低到可以产生故障电弧的安全阈值以下；所述有源逆变电压调节器采用双闭环控制策略，包括电压外环和电流内环。Gu-outer为电压外环控制器，Gi-inner为电流内环控制器，GI-UN为输出电流与中性点调节电压的等效传递函数。
图6为接地故障下的仿真结果。可以看出，通过向中性点注入调节电压，故障点电压和电流被同步抑制。图7为典型动态过程的仿真结果图。当发生高阻接地故障时，系统可以迅速切换到电力电子工作模式，实现对故障点电压的有效抑制。另外，当协调控制器判定故障为永久性故障时，接地系统可以快速切除故障线路，从而提高整个配电网的可靠性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种基于有源逆变电压调节与小电阻的复合接地装置，其特征在于，包括高阻接地故障辨识单元、有源逆变电压调节器、小电阻零序保护装置和协调控制器；
所述高阻接地故障辨识单元利用小波包变换和灰色关联度算法实现故障馈线的辨识；
所述有源逆变电压调节器接收协调控制器发出的运行指令，向中性点注入调节电压；
所述小电阻零序保护装置用于故障电流不低于零序保护阈值时的接地故障处理；
所述协调控制器负责有源逆变电压调节器与小电阻零序保护装置的协调配合。
2.根据权利要求1所述的基于有源逆变电压调节与小电阻的复合接地装置，其特征在于，所述高阻接地故障辨识单元通过小波包实现故障时刻定位并快速准确提取故障波形中的暂态特征量，利用灰色关联度算法，分析提取的各个馈线波形相对变化趋势的相似程度，从而实现故障馈线的辨识。
3.根据权利要求2所述的基于有源逆变电压调节与小电阻的复合接地装置，其特征在于，所述故障馈线的辨识具体包括以下步骤：
(1)当系统发生高阻接地故障时，利用小波包奇异性原理对零序电压进行小波包变换，确定模极大值点，在此点信号突变最为明显，对应实际故障时间；
(2)对馈线暂态电流波形利用小波包变换进行分解、重构，提取出幅值变化明显的信号频段；
(3)计算提取的各条馈线之间的灰色关联度，实现故障选线。
4.根据权利要求1所述的基于有源逆变电压调节与小电阻的复合接地装置，其特征在于，所述有源逆变电压调节器由全控型功率器件组成，通过有源逆变电压调节器向中性点注入调节电压，将故障点电压降低到可以产生故障电弧的安全阈值以下，所述有源逆变电压调节器采用双闭环控制策略，包括电压外环和电流内环。
5.根据权利要求1所述的基于有源逆变电压调节与小电阻的复合接地装置，其特征在于，所述协调配合包括：当故障电流不低于零序保护阈值时，小电阻零序保护装置工作，故障线路切除；当故障电流小于零序保护阈值时，有源逆变电压调节器工作，抑制故障点电压。
6.根据权利要求5所述的基于有源逆变电压调节与小电阻的复合接地装置，其特征在于，所述协调配合的具体步骤如下：
S1、协调控制器采样零序电流和零序电压，将零序电流值与接地故障阈值相比较，若零序电流值大于接地故障阈值，则所述协调控制器判定系统发生接地故障；
S2、协调控制器判定系统发生接地故障后，将零序电流值与零序保护阈值相比，若零序电流值不低于零序保护阈值，则所述协调控制器向小电阻零序保护装置发出运行指令，控制小电阻零序保护装置运行，从而切除接地故障，若零序电流值小于零序保护阈值，则所述协调控制器向有源逆变电压调节器发出运行指令，控制有源逆变电压调节器运行，向系统中性点注入调节电压，将故障点电压降低到安全阈值以下。
7.根据权利要求1所述的基于有源逆变电压调节与小电阻的复合接地装置，其特征在于，所述协调控制器实时监测系统运行状态，当接地故障被辨识为永久性故障时，所述协调控制器向上级系统发出故障信号，并且当小电阻零序保护装置运行时，禁止零序保护装置重合闸。
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