CN113178854B - 一种基于主从控制的配电网接地故障柔性分散消弧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于主从控制的配电网接地故障柔性分散消弧方法，应用了电压源型主消弧装置和分散安装的电流源型从消弧装置。其中，从消弧装置采用柔性电流消弧法，利用测量的零序电压计算并跟踪给定电流值，无需进行故障选相，可就近补偿接地电流。主消弧装置采用柔性改进电压消弧法，通过向配电网注入电流，主动调控中性点电压，计算可抑制故障点电压、电流为零的故障线路等效电源电压值，作为给定电压参考值。安装于变电站的主消弧装置可动态补偿从消弧装置剩余的补偿量，且消弧效果不受线路阻抗和负荷电流影响。本发明无需实时通信，可实现主、从消弧装置之间的自主配合，实现单相接地故障可靠消弧，且对配电网网络结构变化适应性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于主从控制的配电网接地故障柔性分散消弧方法。
背景技术
随着配电网络的不断延伸和线路缆化率增高，单相接地故障电流水平急剧增加，单个消弧线圈的补偿容量已经无法将其限制至较低水平。较高的接地残流使得接地电弧的自熄能力受限，进而引发弧光接地过电压，该过电压可达相电压的3～5倍以上，容易击穿配电网沿线设备的绝缘薄弱处，进而引发相间短路和大面积停电。若更换容量更大的成套消弧线圈，经济性较差，且非规划新区的变电站往往无法提供足够的空间放置大容量成套设备。
为解决补偿容量不足问题，有学者提出了基于消弧线圈的分散补偿方案，在主变电站消弧线圈的基础上加装分散式安装的小容量消弧线圈，分散安装地点可选择线路或用户侧的开闭所、配电室等。该方案总体价格低廉、安装灵活方便，占地空间小，可实现单相接地故障的就近补偿。然而，线路缆化率的提高不仅增加了接地电流的无功分量，其有功分量也相应上升。此外，大量电力电子设备的应用增大了接地电流中的谐波分量。而消弧线圈仅能补偿接地电流的无功分量，接地残流仍可达到5A以上，无法实现单相接地故障的可靠消弧。因此，亟需提出合理的增容改造方案，以确保单相接地故障可靠消弧。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于主从控制的配电网接地故障柔性分散消弧方法，可灵活地注入全补偿电流，快速抑制故障点电压、电流至零，实现单相接地故障可靠消弧，提升配电网供电可靠性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于主从控制的配电网接地故障柔性分散消弧方法，应用主消弧装置和分散安装的从消弧装置；其中，从消弧装置利用测量的零序电压计算并跟踪给定电流值，无需进行故障选相，可就近补偿接地电流；主消弧装置通过向配电网注入电流，主动调控中性点电压，计算可抑制故障点电压、电流为零的故障线路等效电源电压值，作为给定电压参考值；所述主消弧装置与从消弧装置无需实时通信，可动态补偿从消弧装置剩余的补偿量，且消弧效果不受线路阻抗和负荷电流影响。
在本发明一实施例中，所述一种基于主从控制的配电网接地故障柔性分散消弧方法具体实现步骤如下：
步骤S1、配电网正常运行时，主消弧装置实时测量母线处三相电压和中性点电压，用以判断是否发生单相接地故障；主消弧装置每隔一段时间，通过向配电网注入电流，主动调控中性点电压，并计算配电网等效对地参数；从消弧装置利用测量的零序电压计算并跟踪给定电流值；
步骤S2、配电网发生单相接地故障时，主消弧装置调控中性点电压，采集中性点电压和主消弧装置注入电流，并计算可抑制故障点电压、电流至零的故障线路等效电源电压，作为主消弧装置的给定电压值，从而补偿从消弧装置作用后的接地残流；从消弧装置注入电流保持跟踪给定电流值；
步骤S3、当消弧进入稳态后，主消弧装置通过控制使得中性点电压逐渐减小至零，采集中性点电压和主消弧装置注入电流，并计算故障线路等效电源电压；
步骤S4、若故障线路等效电源电压计算值小于所设阈值，表明故障线路中已无等效电压源，则判断单相接地故障消失，主消弧装置退出运行；若故障线路等效电源电压计算值大于所设阈值，表明故障线路中仍然存在等效电压源，则判断单相接地故障未消失；主消弧装置继续工作，并启动选线装置，隔离故障馈线。
在本发明一实施例中，所述步骤S1具体实现如下：
在配电网正常运行时，主消弧装置通过注入电流主动调控中性点电压/>并利用下式计算配电网等效对地参数Y0：
式(1)中：Y0L为馈线对地参数；YZ01、YZ02分别为从消弧装置1、从消弧装置2等效对地参数；为配电网因三相对地参数不对称引起的零序电压偏移；
在配电网正常运行时，从消弧装置向配电网注入零序电流，其参考值表达式为：
式(2)中：为从消弧装置安装处零序电压；/>为从消弧装置安装处测得的因三相对地参数不对称引起的零序电压偏移；G1、C1为从消弧装置自身可用于消弧的等效容量参数；配电网正常运行时，由于/>幅值较低，从消弧装置注入零序电流约等于零，不会对配电网零序回路造成负面影响；而当配电网发生单相接地故障时，从消弧装置无需选相，即可注入零序电流补偿接地电流。
在本发明一实施例中，所述步骤S2具体实现如下：
在配电网发生单相接地故障时，主消弧装置调控中性点电压，采集中性点电压和主消弧装置注入电流，并计算可抑制故障点电压、电流至零的故障线路等效电源电压作为主消弧装置的给定电压参考值/>该参考值表达式为：
式(3)中：分别为主消弧装置主动调控中性点电压前的中性点电压和主消弧装置注入电流；/>分别为主消弧装置主动调控中性点电压后的中性点电压和主消弧装置注入电流；Y0为配电网等效对地参数，其包含馈线对地参数，以及各台从消弧装置等效对地参数；因此，主消弧装置无需与从消弧装置实时通信，即可准确补偿各台从消弧装置剩余的补偿量，实现单相接地故障消弧。
在本发明一实施例中，所述从消弧装置为电流源型消弧装置或消弧线圈，安装于线路或用户侧开闭所，电流源型消弧装置采用柔性电流消弧方法。
在本发明一实施例中，所述从消弧装置采用三相H桥变流器，所述三相H变流器包括两电平三相半桥、三电平三相半桥、多电平三相半桥、三相级联H桥，可通过升压变压器或直接挂接于配电网线路或用户侧开闭所、配电室；所述从消弧装置长期挂接于配电网线路，在零序回路中可等效为电感和负电阻，不会对配电网零序回路造成负面影响，且其在配电网正常运行时，可复用为有功补偿装置、无功补偿装置、三相负荷不平衡抑制装置，以提高设备的利用率。
在本发明一实施例中，所述主消弧装置为电压源型消弧装置，采用柔性改进电压消弧方法，挂接于变电站的接地变压器的中性点。
在本发明一实施例中，所述主消弧装置采用单相H桥变流器，所述单相H变流器包括两电平单相半桥、三电平单相半桥、多电平单相半桥、单相级联H桥。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用柔性改进电压消弧法，可将故障点电压、电流抑制至零，不受线路阻抗和负荷电流对消弧效果的影响，任意故障点和过渡电阻均可实现可靠消弧。
2、本发明采用柔性电流消弧法，利用测量的零序电压计算给定电流值，将从消弧装置等效为电感和负电阻，简易可行，无需进行故障选相，可就近补偿接地电流。
3、本发明应用电压源型主消弧装置和分散安装的电流源型从消弧装置，主消弧装置负责动态补偿从消弧装置剩余的补偿量，无需实时通信，即可自主配合实现单相接地故障消弧，且对配电网网络结构变化适应性强。
附图说明
图1为本发明所应用的柔性分散补偿系统示意图；
图2为本发明所应用的中性点经电流源型消弧装置接地的配电网简化图；
图3为本发明所应用的柔性改进电压消弧法的配电网零序等效回路；
图4为本发明所应用的柔性分散消弧方法的配电网零序等效回路；
图5为本发明实施例中的配电网柔性分散消弧系统仿真模型；
图6为本发明实施例中的故障点电压、电流波形(过渡电阻Rf＝10Ω)；
图7为本发明实施例中的故障点电压、电流波形(过渡电阻Rf＝100Ω)；
图8为本发明实施例中的故障点电压、电流波形(过渡电阻Rf＝1000Ω)；
图9为本发明实施例中的各台消弧装置注入电流波形、电流波形；
图10为本发明实施例中的各台消弧装置注入电流波形、电流波形。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
请参照图1，本发明提供一种基于主从控制的配电网接地故障柔性分散消弧方法，所提方法中的主消弧装置为电压源型消弧装置，采用柔性改进电压消弧方法，挂接于变电站的接地变压器的中性点；从消弧装置可为电流源型消弧装置或消弧线圈，安装于线路或用户侧开闭所，电流源型消弧装置采用柔性电流消弧方法。配电网正常运行时，主消弧装置主动调控中性点电压，测量配电网等效对地参数；配电网发生单相接地故障时，主消弧装置和从消弧装置协调配合，共同补偿接地电流至零，具体包括以下步骤：
步骤S1：配电网正常运行时，主消弧装置实时测量母线处三相电压和中性点电压，用以判断是否发生单相接地故障。主消弧装置每隔一段时间，通过向配电网注入电流，主动调控中性点电压，并计算配电网等效对地参数。从消弧装置利用测量的零序电压计算并跟踪给定电流值。
步骤S2：配电网发生单相接地故障时，主消弧装置调控中性点电压，采集中性点电压和主消弧装置注入电流，并计算可抑制故障点电压、电流至零的故障线路等效电源电压，作为主消弧装置的给定电压值，从而补偿从消弧装置作用后的接地残流；从消弧装置注入电流保持跟踪给定电流值。
步骤S3：当消弧进入稳态后，主消弧装置通过控制使得中性点电压逐渐减小至零，采集中性点电压和主消弧装置注入电流，并计算故障线路等效电源电压。
步骤S4：若故障线路等效电源电压计算值小于所设阈值，表明故障线路中已无等效电压源，则判断单相接地故障消失，主消弧装置退出运行；若故障线路等效电源电压计算值大于所设阈值，表明故障线路中仍然存在等效电压源，则判断单相接地故障未消失。主消弧装置继续工作，并启动选线装置，隔离故障馈线。
优选的，主消弧装置采用单相H桥变流器，所述单相H变流器包括两电平单相半桥、三电平单相半桥、多电平单相半桥、单相级联H桥。
优选的，从消弧装置采用三相H桥变流器，所述三相H变流器包括两电平三相半桥、三电平三相半桥、多电平三相半桥、三相级联H桥。
优选的，所述三相H变流器可通过升压变压器或直接挂接于配电网线路或用户侧开闭所、配电室等。
优选的，所述的从消弧装置长期挂接于配电网线路，在零序回路中可等效为电感和负电阻，其零序注入电流参考值是以装置安装处的零序电压和装置自身可用于消弧的等效容量参数为乘积项，计算而得的。由于配电网正常运行时，装置安装处的零序电压较低，从消弧装置零序注入电流约等于零，不会对配电网零序回路造成负面影响。
优选的，所述从消弧装置中的有源消弧装置在配电网正常运行时，可复用为有功补偿装置、无功补偿装置、三相负荷不平衡抑制装置等，以提高设备的利用率。
以下对本实施例的技术方案从原理角度进行详细说明：
1、主消弧装置等效对地参数测量原理
配电网正常运行时，主消弧装置通过主动调控中性点电压测量其注入电流/>并利用下式计算配电网等效对地参数Y0：
式(1)中：Y0L为馈线对地参数；YZ01、YZ02分别为从消弧装置1、从消弧装置2等效对地参数；为配电网因三相对地参数不对称引起的零序电压偏移；
2、以零序电压为计算参考值的柔性电流消弧法
中性点经电流源型消弧装置接地的配电网简化图，如图2所示。根据基尔霍夫电流定律可得：
式(2)中：G∑＝GA+GB+GC为三相对地泄漏电导；C∑＝CA+CB+CC为三相对地电容；为故障相电源电压；/>为故障点电流；为配电网因三相对地参数不对称引起的零序电压偏移，可在配电网正常运行时测量得到。
由式(2)可知，当电流源型消弧装置注入电流时，故障点电流/>被抑制为零。因此，当从消弧装置的注入电流参考值为下式时，可补偿部分故障点电流。
式(3)中：为装置安装处零序电压；/>为装置安装处测到的因三相对地参数不对称引起的零序电压偏移；G1、C1为装置自身可用于消弧的等效容量参数。
此外，从消弧装置可长期挂接于配电网线路。当配电网正常运行时，由于装置安装处的零序电压较低，从消弧装置注入零序电流约等于零，不会对配电网零序回路造成负面影响；当配电网发生单相接地故障时，从消弧装置无需选相，即可注入零序电流补偿接地电流。
3、柔性改进电压消弧法
原柔性电压消弧法直接控制中性点电压忽略了线路阻抗和负荷电流对消弧效果的影响。因此，该方法在重载长馈线末端的消弧效果并不理想。本发明提出了柔性改进电压消弧法，其配电网零序等效原理图，如图3所示。其中，/>为计及线路阻抗和负荷电流影响的故障线路等效电源电压。
当电压源型消弧装置输出电压时，故障点电流/>可被抑制为零，实现任意故障位置和过渡电阻下的可靠消弧。/>可在配电网发生单相接地故障后，通过电压源型消弧装置主动调控中性点电压/>测量装置注入电流/>并根据下式得到
式(4)中：分别为电压源型消弧装置主动调控中性点电压前的中性点电压和装置注入电流；/>分别为电压源型消弧装置主动调控中性点电压后的中性点电压和装置注入电流；Y0L为馈线对地参数。
4、基于主从控制的配电网接地故障柔性分散消弧方法
当配电网发生单相接地故障时，从消弧装置控制变流器注入电流跟踪式(3)所示参考值，向配电网注入零序电流。而主消弧装置控制变流器输出电压跟踪下式(5)电压参考值，从而与从消弧装置配合，实现单相接地故障消弧。
式(5)中：Y0为配电网等效对地参数，其包含馈线对地参数，以及各台从消弧装置等效对地参数。因此，主消弧装置可准确补偿各台从消弧装置剩余的补偿容量。
此外，由于主消弧装置属于电压源型消弧装置，可将中性点电压始终限制在给定电压参考值。因此，当消弧过程中发生因线路切换或从消弧装置退出而补偿量发生改变时，主消弧装置可自动增加或减小补偿量，以确保单相接地故障的可靠消弧。
实施例1：
在本实施例中，如图4所示，利用MATLAB/Simulink软件搭建含有配电网柔性分散消弧系统的10kV配电网仿真模型，用于测试基于主从控制的配电网接地故障柔性分散消弧方法的性能。该10kV配电网仿真模型中，共四条出线包括架空线路、电缆线路以及混合线路，线路模型采用集中式π型等效电路。主消弧装置挂接于母线的接地变压器中性点，两台从消弧装置安装在馈线末端。接地故障发生位置设置在f1，仿真结果如图5-10所示。
测试结果表明，该方法能够在任意过渡电阻下，实现单相接地故障可靠消弧。此外，对消弧过程中因线路切换或从消弧装置退出而补偿量发生改变的情况进行了仿真。仿真结果表明，所提方法对配电网网络结构变化的适应性较强。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于主从控制的配电网接地故障柔性分散消弧方法，其特征在于，应用主消弧装置和分散安装的从消弧装置；其中，从消弧装置利用测量的零序电压计算并跟踪给定电流值，无需进行故障选相，可就近补偿接地电流；主消弧装置通过向配电网注入电流，主动调控中性点电压，计算可抑制故障点电压电流为零的故障线路等效电源电压值，作为给定电压参考值；所述主消弧装置与从消弧装置无需实时通信，可动态补偿从消弧装置剩余的补偿量，且消弧效果不受线路阻抗和负荷电流影响；
该方法具体实现步骤如下：
步骤S1、配电网正常运行时，主消弧装置实时测量母线处三相电压和中性点电压，用以判断是否发生单相接地故障；主消弧装置每隔一段时间，通过向配电网注入电流，主动调控中性点电压，并计算配电网等效对地参数；从消弧装置利用测量的零序电压计算并跟踪给定电流值；
步骤S2、配电网发生单相接地故障时，主消弧装置调控中性点电压，采集中性点电压和主消弧装置注入电流，并计算可抑制故障点电压电流至零的故障线路等效电源电压，作为主消弧装置的给定电压值，从而补偿从消弧装置作用后的接地残流；从消弧装置注入电流保持跟踪给定电流值；
步骤S3、当消弧进入稳态后，主消弧装置通过控制使得中性点电压逐渐减小至零，采集中性点电压和主消弧装置注入电流，并计算故障线路等效电源电压；
步骤S4、若故障线路等效电源电压计算值小于所设阈值，表明故障线路中已无等效电压源，则判断单相接地故障消失，主消弧装置退出运行；若故障线路等效电源电压计算值大于所设阈值，表明故障线路中仍然存在等效电压源，则判断单相接地故障未消失；主消弧装置继续工作，并启动选线装置，隔离故障馈线；
其中，所述步骤S1具体实现如下：
在配电网正常运行时，主消弧装置通过注入电流主动调控中性点电压/>并利用下式计算配电网等效对地参数Y0：
式(1)中：Y0L为馈线对地参数；YZ01、YZ02分别为从消弧装置1、从消弧装置2等效对地参数；为配电网因三相对地参数不对称引起的零序电压偏移；
在配电网正常运行时，从消弧装置向配电网注入零序电流，其参考值表达式为：
式(2)中：为从消弧装置安装处零序电压；/>为从消弧装置安装处测得的因三相对地参数不对称引起的零序电压偏移；G1、C1为从消弧装置自身用于消弧的等效容量参数；配电网正常运行时，由于/>幅值较低，从消弧装置注入零序电流等于零，不会对配电网零序回路造成负面影响；而当配电网发生单相接地故障时，从消弧装置无需选相，即可注入零序电流补偿接地电流；
其中，所述步骤S2具体实现如下：
在配电网发生单相接地故障时，主消弧装置调控中性点电压，采集中性点电压和主消弧装置注入电流，并计算可抑制故障点电压电流至零的故障线路等效电源电压作为主消弧装置的给定电压参考值/>该参考值表达式为：
式(3)中：分别为主消弧装置主动调控中性点电压前的中性点电压和主消弧装置注入电流；/>分别为主消弧装置主动调控中性点电压后的中性点电压和主消弧装置注入电流；Y0为配电网等效对地参数，其包含馈线对地参数，以及各台从消弧装置等效对地参数；因此，主消弧装置无需与从消弧装置实时通信，即可准确补偿各台从消弧装置剩余的补偿量，实现单相接地故障消弧。
2.根据权利要求1所述的一种基于主从控制的配电网接地故障柔性分散消弧方法，其特征在于，所述从消弧装置为电流源型消弧装置或消弧线圈，安装于线路或用户侧开闭所，电流源型消弧装置采用柔性电流消弧方法。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于主从控制的配电网接地故障柔性分散消弧方法，其特征在于，所述从消弧装置采用三相H桥变流器，所述三相H变流器包括两电平三相半桥、三电平三相半桥、多电平三相半桥、三相级联H桥，三相H变流器通过升压变压器接于配电网线路或用户侧开闭所、配电室，或者三相H变流器直接挂接于配电网线路或用户侧开闭所、配电室；所述从消弧装置长期挂接于配电网线路，在零序回路中可等效为电感和负电阻，不会对配电网零序回路造成负面影响，且其在配电网正常运行时，可复用为有功补偿装置、无功补偿装置、三相负荷不平衡抑制装置，以提高设备的利用率。
4.根据权利要求1所述的一种基于主从控制的配电网接地故障柔性分散消弧方法，其特征在于，所述主消弧装置为电压源型消弧装置，采用柔性改进电压消弧方法，挂接于变电站的接地变压器的中性点。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于主从控制的配电网接地故障柔性分散消弧方法，其特征在于，所述主消弧装置采用单相H桥变流器，所述单相H变流器包括两电平单相半桥、三电平单相半桥、多电平单相半桥、单相级联H桥。
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