CN112924896B - 一种配电网三相不平衡与单相接地故障集成抑制方法 - Google Patents

一种配电网三相不平衡与单相接地故障集成抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种配电网三相不平衡与单相接地故障集成抑制方法，包括如下步骤：步骤S1：以柔性消弧装置为硬件平台，将其接入配电网中性点，控制注入电流以实现配电网三相不平衡抑制；步骤S2：针对三相不平衡抑制过程中发生单相接地故障，利用配电网中性点电压幅值是否大于整定值作为故障判据，对三相不平衡抑制过程中单相接地故障进行识别；步骤S3：单相接地故障发生后，柔性消弧装置改变注入电流，共同抑制三相不平衡和故障电流；在利用电流消弧方法时，考虑三相对地参数不平衡的影响，综合计算注入电流表达式，以在三相不平衡抑制的同时实现电流消弧效果的优化；本发明可解决谐振接地系统中性点位移电压及单相接地故障问题。

Description

一种配电网三相不平衡与单相接地故障集成抑制方法
技术领域
本发明涉及电力线路技术领域，尤其是一种配电网三相不平衡与单相接地故障集成抑制方法。
背景技术
单相接地故障是配电网中最常见的故障，常常伴随着电弧，为防止故障扩大需及时对故障点进行熄弧。谐振接地系统采用消弧线圈补偿配电网对地电容电流，实现故障消弧。但在三相对地参数不平衡条件下，由于消弧线圈零序阻抗较小，易导致中性点位移过电压，影响配电网正常运行。为解决该问题，一般采用消弧线圈串联或并联阻尼电阻以抑制中性点位移电压。但此方法难以实时跟踪配电网三相对地参数变化，导致中性点位移电压抑制速度、准确度难以满足运行需求。随着配电网电力电子设备的大力发展，更好地解决了三相不平衡及单相接地故障消弧等问题，但这些设备大多功能单一，利用率低，难以实现一机多用。
为解决谐振接地系统中性点位移电压及单相接地故障问题，本发明专利提出一种配电网三相不平衡与单相接地故障集成抑制方法。配电网正常运行时，柔性消弧装置注入电流实现三相不平衡抑制，发生单相接地故障时，设备可靠检测故障并改变注入电流，其中，注入电流考虑三相不平衡的影响，在三相不平衡抑制的同时实现电流消弧效果的优化。
发明内容
本发明提出一种配电网三相不平衡与单相接地故障集成抑制方法，可解决谐振接地系统中性点位移电压及单相接地故障问题。
本发明采用以下技术方案。
一种配电网三相不平衡与单相接地故障集成抑制方法，包括如下步骤：
步骤S1：以柔性消弧装置为硬件平台，将其接入配电网中性点，控制注入电流以实现配电网三相不平衡抑制；
步骤S2：针对三相不平衡抑制过程中发生单相接地故障，利用配电网中性点电压幅值是否大于整定值作为故障判据，对三相不平衡抑制过程中单相接地故障进行识别；
步骤S3：单相接地故障发生后，柔性消弧装置改变注入电流，共同抑制三相不平衡和故障电流；在利用电流消弧方法时，考虑三相对地参数不平衡的影响，综合计算注入电流表达式，以在三相不平衡抑制的同时实现电流消弧效果的优化。
所述步骤S1中利用柔性消弧装置注入电流，实现配电网三相不平衡抑制的具体过程如下：
当柔性消弧装置未投入时，即开关K1断开，根据KCL可得：
Figure BDA0002922087010000021
由公式一转化得
Figure BDA0002922087010000022
其中，
Figure BDA0002922087010000023
为相电源电压，
Figure BDA0002922087010000024
为三相对地参数不平衡导致的配电网中性点位移电压，YA、YB、YC为单相对地导纳，YL为消弧线圈等效导纳；
柔性消弧装置投入抑制中性点位移电压时，
Figure BDA0002922087010000025
为其注入电流，表述为：
Figure BDA0002922087010000026
其中，
Figure BDA0002922087010000027
为设备投入抑制中性点位移电压时的中性点电压；
由于三相对地参数不平衡抑制的控制目标为
Figure BDA0002922087010000028
故有：
Figure BDA0002922087010000029
其中，YA+YB+YC+YL随配电网运行方式而改变，因此需要测量配电网三相对地参数，方法为联立公式一、公式三得
Figure BDA00029220870100000210
所述步骤S2中实现三相不平衡抑制过程中单相接地故障识别的具体过程如下：
若注入电流
Figure BDA0002922087010000031
用以抑制配电网三相不平衡的同时，配电网发生单相接地故障，视同为配电网三相对地参数不平衡等效电路中的开关K2闭合，根据KCL可得
Figure BDA0002922087010000032
其中，
Figure BDA0002922087010000033
为配电网不平衡抑制过程中发生单相接地故障时的中性点电压，Yf＝1/Rf，Rf为故障接地电阻；
把公式四代入公式六，得
Figure BDA0002922087010000034
设配电网三相对地参数平衡，列写节点电压方程，表述为：
Figure BDA0002922087010000035
由于三相对地参数平衡，故有：
Figure BDA0002922087010000036
根据公式七和公式九，采用中性点电压幅值是否大于整定值作为单相接地故障判据。
所述步骤S3中单相接地故障发生后，柔性消弧装置改变注入电流，共同抑制三相不平衡和故障电流；利用电流消弧方法，考虑三相对地参数不平衡的影响，综合计算注入电流表达式，在三相不平衡抑制的同时实现电流消弧效果的优化；上述步骤具体过程如下：
配电网三相对地参数不平衡条件下发生单相接地故障，基于电流消弧方法，考虑三相对地参数不平衡的影响，柔性消弧装置的注入电流
Figure BDA0002922087010000037
为：
Figure BDA0002922087010000038
其中，
Figure BDA0002922087010000039
为发生单相接地故障后的中性点电压；
把公式四代入公式十得
Figure BDA0002922087010000041
本发明专利提出一种配电网三相不平衡与单相接地故障集成抑制方法。配电网正常运行时，柔性消弧装置注入电流实现三相不平衡抑制，发生单相接地故障时，设备可靠检测故障并改变注入电流，其中，注入电流考虑三相不平衡的影响，在三相不平衡抑制的同时实现电流消弧效果的优化。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1.本发明可长期抑制谐振接地系统普遍存在的中性点位移电压，且在抑制过程中识别并抑制单相接地故障。
2.本发明考虑三相对地参数不平衡对电流消弧法消弧效果的影响，可实现三相不平衡和故障电流的集成抑制。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1为本发明实施例中所应用的配电网三相对地参数不平衡等效电路示意图；
附图2为本发明实施例中所应用的10kV配电网仿真模型示意图；
附图3为本发明算法流程示意图；
附图4为本发明算法控制结构框示意图。
具体实施方式
如图所示，一种配电网三相不平衡与单相接地故障集成抑制方法，包括如下步骤：
步骤S1：以柔性消弧装置为硬件平台，将其接入配电网中性点，控制注入电流以实现配电网三相不平衡抑制；
步骤S2：针对三相不平衡抑制过程中发生单相接地故障，利用配电网中性点电压幅值是否大于整定值作为故障判据，对三相不平衡抑制过程中单相接地故障进行识别；
步骤S3：单相接地故障发生后，柔性消弧装置改变注入电流，共同抑制三相不平衡和故障电流；在利用电流消弧方法时，考虑三相对地参数不平衡的影响，综合计算注入电流表达式，以在三相不平衡抑制的同时实现电流消弧效果的优化。
所述步骤S1中利用柔性消弧装置注入电流，实现配电网三相不平衡抑制的具体过程如下：
该步骤中，配电网三相对地参数不平衡等效电路图如附图1所示。图中，GA、GB、GC为单相对地电导；CA、CB、CC为单相对地电容；L为消弧线圈等效电感；LH为连接电感；
Figure BDA0002922087010000051
为相电源电压；K1为柔性消弧装置投切开关。
当柔性消弧装置未投入时，即开关K1断开，根据图1结合KCL可得：
Figure BDA0002922087010000052
由公式一转化得
Figure BDA0002922087010000053
其中，
Figure BDA0002922087010000054
为相电源电压，
Figure BDA0002922087010000055
为三相对地参数不平衡导致的配电网中性点位移电压，YA、YB、YC为单相对地导纳，YL为消弧线圈等效导纳；
柔性消弧装置投入抑制中性点位移电压时，
Figure BDA0002922087010000056
为其注入电流，表述为：
Figure BDA0002922087010000057
其中，
Figure BDA0002922087010000058
为设备投入抑制中性点位移电压时的中性点电压；
由于三相对地参数不平衡抑制的控制目标为
Figure BDA0002922087010000059
故有：
Figure BDA00029220870100000510
其中，YA+YB+YC+YL随配电网运行方式而改变，因此需要测量配电网三相对地参数，方法为联立公式一、公式三得
Figure BDA00029220870100000511
所述步骤S2中实现三相不平衡抑制过程中单相接地故障识别的具体过程如下：
本步骤中的配电网三相对地参数不平衡等效电路图，如附图1所示；
若注入电流
Figure BDA0002922087010000061
用以抑制配电网三相不平衡的同时，配电网发生单相接地故障，视同为配电网三相对地参数不平衡等效电路中的开关K2闭合，根据KCL可得
Figure BDA0002922087010000062
其中，
Figure BDA0002922087010000063
为配电网不平衡抑制过程中发生单相接地故障时的中性点电压，Yf＝1/Rf，Rf为故障接地电阻；
把公式四代入公式六，得
Figure BDA0002922087010000064
设配电网三相对地参数平衡，列写节点电压方程，表述为：
Figure BDA0002922087010000065
由于三相对地参数平衡，故有：
Figure BDA0002922087010000066
比较上述公式可知，在三相不平衡抑制过程中和三相对地参数平衡两种情况下，配电网发生单相接地故障，两者的节点电压公式一致；基于上述分析及附图3所示的算法流程图；采用中性点电压幅值是否大于整定值作为单相接地故障判据。
所述步骤S3中单相接地故障发生后，柔性消弧装置改变注入电流，共同抑制三相不平衡和故障电流；利用电流消弧方法，考虑三相对地参数不平衡的影响，综合计算注入电流表达式，在三相不平衡抑制的同时实现电流消弧效果的优化；上述步骤具体过程如下：
配电网三相对地参数不平衡条件下发生单相接地故障，基于电流消弧方法，考虑三相对地参数不平衡的影响，柔性消弧装置的注入电流
Figure BDA0002922087010000067
为：
Figure BDA0002922087010000071
其中，
Figure BDA0002922087010000072
为发生单相接地故障后的中性点电压；
把公式四代入公式十得
Figure BDA0002922087010000073
在本实施例中，如附图2所示，为验证方法的可行性，采用MATLAB/SIMULINK软件搭建仿真模型。线路参数为集中式，其中，A、B、C三相对地电容分别为CA＝17.82μF、CB＝18.82μF、CC＝19.82μF，泄漏电阻RA＝RB＝RC＝5.8kΩ。110kV主变压器连接组别Yd11，级联H桥变流器和消弧线圈经Z型变压器接入电网。级联H桥变流器取10级联，每级联直流侧电源电压取为1kV，PWM载波频率为500Hz，连接电感LH＝0.01H。消弧线圈过补偿运行，过补偿度3％。在0.01s时刻级联H桥变流器并网，开关K1闭合，级联H桥变流器作为可控电流源注入电流以测量对地参数，再注入电流对配电网三相对地参数不平衡进行抑制。0.05s发生单相接地故障，设备可靠检测故障并改变注入电流。如附图4所示，此时级联H桥变流器注入电流值是在三相不平衡抑制电流基础上叠加故障电流抑制值，以对三相不平衡和故障电流集成抑制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种配电网三相不平衡与单相接地故障集成抑制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1：以柔性消弧装置为硬件平台，将其接入配电网中性点，控制注入电流以实现配电网三相不平衡抑制；
步骤S2：针对三相不平衡抑制过程中发生单相接地故障，利用配电网中性点电压幅值是否大于整定值作为故障判据，对三相不平衡抑制过程中单相接地故障进行识别；
步骤S3：单相接地故障发生后，柔性消弧装置改变注入电流，共同抑制三相不平衡和故障电流；在利用电流消弧方法时，考虑三相对地参数不平衡的影响，综合计算注入电流表达式，以在三相不平衡抑制的同时实现电流消弧效果的优化。
2.根据权利要求1所述的一种配电网三相不平衡与单相接地故障集成抑制方法，其特征在于：所述步骤S1中利用柔性消弧装置注入电流，实现配电网三相不平衡抑制的具体过程如下：
当柔性消弧装置未投入时，即开关K1断开，根据KCL可得：
Figure FDA0003470397760000011
由公式一转化得
Figure FDA0003470397760000012
其中，
Figure FDA0003470397760000013
为相电源电压，
Figure FDA0003470397760000014
为三相对地参数不平衡导致的配电网中性点位移电压，YA、YB、YC为单相对地导纳，YL为消弧线圈等效导纳；
柔性消弧装置投入抑制中性点位移电压时，
Figure FDA0003470397760000015
为其注入电流，表述为：
Figure FDA0003470397760000016
其中，
Figure FDA0003470397760000017
为设备投入抑制中性点位移电压时的中性点电压；
由于三相对地参数不平衡抑制的控制目标为
Figure FDA0003470397760000018
故有：
Figure FDA0003470397760000021
其中，YA+YB+YC+YL随配电网运行方式而改变，因此需要测量配电网三相对地参数，方法为联立公式一、公式三得
Figure FDA0003470397760000022
3.根据权利要求2所述的一种配电网三相不平衡与单相接地故障集成抑制方法，其特征在于：所述步骤S2中实现三相不平衡抑制过程中单相接地故障识别的具体过程如下：
若注入电流
Figure FDA0003470397760000023
用以抑制配电网三相不平衡的同时，配电网发生单相接地故障，视同为配电网三相对地参数不平衡等效电路中的开关K2闭合，根据KCL可得
Figure FDA0003470397760000024
其中，
Figure FDA0003470397760000025
为配电网不平衡抑制过程中发生单相接地故障时的中性点电压，
Yf＝1/Rf，Rf为故障接地电阻；
把公式四代入公式六，得
Figure FDA0003470397760000026
设配电网三相对地参数平衡，列写节点电压方程，表述为：
Figure FDA0003470397760000027
由于三相对地参数平衡，故有：
Figure FDA0003470397760000028
根据公式七和公式九，采用中性点电压幅值是否大于整定值作为单相接地故障判据。
4.根据权利要求2所述的一种配电网三相不平衡与单相接地故障集成抑制方法，其特征在于：所述步骤S3中单相接地故障发生后，柔性消弧装置改变注入电流，共同抑制三相不平衡和故障电流；利用电流消弧方法，考虑三相对地参数不平衡的影响，综合计算注入电流表达式，在三相不平衡抑制的同时实现电流消弧效果的优化；上述步骤具体过程如下：
配电网三相对地参数不平衡条件下发生单相接地故障，基于电流消弧方法，考虑三相对地参数不平衡的影响，柔性消弧装置的注入电流
Figure FDA0003470397760000031
为：
Figure FDA0003470397760000032
其中，
Figure FDA0003470397760000033
为发生单相接地故障后的中性点电压；
把公式四代入公式十得
Figure FDA0003470397760000034
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"Faulty_Feeder_Detection_Method_for_Pole-to-_ground_Fault_in_Radial_Flexible_DC_Distribution_Networks";Chang-qing等;《2020 IEEE 1st China International Youth Conference on Electrical Engineering》;20201231;全文 *
"基于柔性接地技术的配电网三相不平衡过电压抑制方法";曾祥君等;《中国电机工程学报》;20140205;全文 *

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