CN113346462B - 一种基于预测电压幅值的花瓣型配电网联络线路保护方法 - Google Patents

一种基于预测电压幅值的花瓣型配电网联络线路保护方法 Download PDF

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CN113346462B CN202110616496.5A CN202110616496A CN113346462B CN 113346462 B CN113346462 B CN 113346462B CN 202110616496 A CN202110616496 A CN 202110616496A CN 113346462 B CN113346462 B CN 113346462B
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Abstract

本发明涉及一种基于预测电压幅值的花瓣型配电网联络线路保护方法，广域保护控制终端获取双花瓣型配电网开关站间的线路参数和联络线路断路器状态；各个开关站通过电压电流采集装置采集母线电压向量和两侧线路流过的电流向量；然后，各个开关站利用其采集得到的电压电流向量预测两侧开关站的母线电压向量，计算相邻变电站的母线电压幅值，并将计算结果传输至广域保护控制终端；广域保护控制终端计算每个开关站母线的电压幅值预测误差，根据电压幅值预测误差判断出故障发生线路；广域保护控制终端通过开关站采集计算装置向故障线路断路器发送跳闸信号，以达到隔离故障保证双花瓣型配电网安全稳定运行的目的，本发明实现继电保护的安全可靠动作。

Description

一种基于预测电压幅值的花瓣型配电网联络线路保护方法
技术领域
本发明属于电力系统领域，涉及配电网的继电保护领域，具体涉及一种基于广域电压幅值信息的花瓣型配电网联络线路保护方法。
背景技术
随着社会经济的快速发展，城市内部的负荷密度迅速增长，这对于电网的供电可靠性提出了新的要求。配电网作为电力系统中较为薄弱的环节，对供电可靠性的影响较大，因此需要从网架结构、量测通信和自动化水平等方面进行改进。双“花瓣”型配电网从网架结构上改变了传统配电网辐射性的结构特征，采用合环运行的方式并实现高度自动化水平，显著提高了配电可靠性。双“花瓣”型配电网由于其复杂的网架结构给继电保护的配置与整定带来了巨大的挑战，首先，由于双“花瓣”型配电网一般采用合环运行方式，传统配电网的过流保护无法满足闭环运行配电网的有效故障隔离；其次，双“花瓣”型配电网运行方式灵活，线路潮流方向不固定，给继电保护的整定过程带来较大困难。现已建成的双“花瓣”型配电网联络线均采用光纤电流差动保护，但采用这类保护的成本较高，并且对于线路两侧测量设备的同步性有较高要求，过大的对时误差都将引发保护的误动作。除此之外，随着通信技术的发展，诸如5G通信这类高可靠性低延时的通信方式能够运用于配电网的继电保护。综上所述，传统的保护配置已经无法运用于双“花瓣”型配电网，基于5G通信技术的广域配电网继电保护将成为继电保护未来发展的趋势。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于广域电压幅值信息的花瓣型配电网联络线路保护方法，能够利用5G可靠性通信技术，通过对双花瓣型配电网内母线电压电流进行测量，并预测其两侧开关站的母线电压幅值，通过电压幅值的比较实现继电保护的安全可靠动作，保证双花瓣配电网的安全稳定。
本发明的技术方案：
一种基于预测电压幅值的花瓣型配电网联络线路保护方法，通过对双花瓣型配电网内母线电压电流进行测量，并预测其两侧开关站的母线电压幅值，通过电压幅值的比较实现继电保护的安全可靠动作，保护双花瓣配电网的安全稳定。
优选的，广域保护控制终端获取双花瓣型配电网开关站间的线路参数和联络线路断路器状态；其次，各个开关站通过电压电流采集装置采集母线电压向量和两侧线路流过的电流向量；然后，各个开关站利用其采集得到的电压电流向量预测两侧开关站的母线电压向量，计算相邻变电站的母线电压幅值，并将计算结果传输至广域保护控制终端；之后，广域保护控制终端计算每个开关站母线的电压幅值预测误差，根据电压幅值预测误差判断出故障发生线路；最后，广域保护控制终端通过开关站采集计算装置向故障线路断路器发送跳闸信号，以达到隔离故障保证双花瓣型配电网安全稳定运行的目的。
优选的，具体包括以下步骤：
步骤1：广域保护控制终端获取双花瓣型配电网开关站间的线路参数和联络线路断路器状态；
步骤2：各个开关站通过电压电流采集装置同步采集母线电压相量
Figure BDA0003096498520000021
以及两条联络线路的电流相量
Figure BDA0003096498520000022
和
Figure BDA0003096498520000023
其中
Figure BDA0003096498520000024
代表相序；
步骤3：开关站采集计算装置利用公式(1)预测与本开关站相邻两个开关站的电压相量
Figure BDA0003096498520000025
和
Figure BDA0003096498520000026
并将两侧开关站电压相量的幅值
Figure BDA0003096498520000027
和本开关站电压相量幅值
Figure BDA0003096498520000028
在广域保护控制终端进行处理；
步骤4：：广域保护控制终端利用式(2)计算每个开关站的电压幅值
Figure BDA0003096498520000029
与相邻两个开关站预测本开关站电压幅值
Figure BDA00030964985200000210
的差得到预测误差
Figure BDA00030964985200000211
和
Figure BDA00030964985200000212
步骤5：广域保护控制终端根据步骤4得到的预测误差
Figure BDA00030964985200000213
和
Figure BDA00030964985200000214
对线路故障进行判断；
步骤6：根据故障线路判定结果，广域保护控制终端向相应线路断路器发送跳闸信号，实现对于双花瓣型配电网故障联络线路的隔离。
优选的，步骤3中的公式为：
Figure BDA00030964985200000215
Figure BDA00030964985200000216
和
Figure BDA00030964985200000217
分别为与本开关站相邻两个开关站的电压相量；为
Figure BDA00030964985200000218
母线电压相量；
Figure BDA0003096498520000031
和
Figure BDA0003096498520000032
分别为两条联络线路的电流相量；
Figure BDA0003096498520000033
为本开关站左侧开关站与本开关站之间的线路阻抗，
Figure BDA0003096498520000034
为本开关站右侧开关站与本开关站之间的线路阻抗。
优选的，步骤3中的
Figure BDA0003096498520000035
和本开关站电压相量幅值
Figure BDA0003096498520000036
利用5G通信技术传输至广域保护控制终端进行处理。
优选的，步骤4预测误差
Figure BDA0003096498520000037
和
Figure BDA0003096498520000038
的计算公式为：
Figure BDA0003096498520000039
Figure BDA00030964985200000310
和
Figure BDA00030964985200000311
为预测误差；
Figure BDA00030964985200000312
和
Figure BDA00030964985200000313
分别为相邻两个开关站预测本开关站电压幅值，对于i变电站其左侧变电站为i-1变电站，而对于i-1变电站而言，i变电站为其右侧变电站；
Figure BDA00030964985200000314
为开关站的电压幅值。
优选的，步骤5对线路故障进行判断方法为：假设保护的动作门槛为
Figure BDA00030964985200000315
当
Figure BDA00030964985200000316
且
Figure BDA00030964985200000317
时，说明本开关站与左侧相邻开关站之间线路发生故障。
优选的，步骤5对线路故障进行判断方法为：
当
Figure BDA00030964985200000318
且
Figure BDA00030964985200000319
时，说明本开关站与右侧相邻开关站之间线路发生故障。
优选的，所述步骤2的相序分别为A相、B相、C相和零序。
优选的，所述方法适用于双花瓣型配电网联络线发生单相故障、两相故障和三相故障故障类型。
本发明的有益效果：
本方法通过同步采集开关站本地母线电压向量和线路电流向量来预测相邻变电站的电压幅值，并依据各个节点测量电压幅值和预测电压幅值之间的关系实现双“花瓣”型配电网的广域保护。
其优势在于：1、只需实现站内同步采样，无需实现站间同步采样，对各个设备的同步性要求较低；2、需要的通信变量较少、对通信的实时性要求不高且采用高可靠性低延时的5G通信技术；3、需要装设的设备数量少、无需铺设通信光缆，保护设备成本较低；4、保护动作延时较短，该保护的动作延时仅为通信传输延时和保护设备计算延时。
本方法可以应用于双“花瓣”型配电网联络线路的主保护，在其联络线路发生故障时可以快速准确地实现故障隔离，实现继电保护的安全可靠动作，保证双“花瓣”配电网的安全稳定。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是本发明双“花瓣”型配电网的网络拓扑结构图；
图3是本发明广域电压幅值信息保护的设备情况及通信拓扑图；
图4-1是变电站A传输到广域保护控制终端电压幅值随时间变化图；
图4-2是开关站A传输到广域保护控制终端电压幅值随时间变化图；
图4-3是开关站B传输到广域保护控制终端电压幅值随时间变化图；
图5是Bus1母线电压幅值与变电站A、开关站B预测Bus1电压幅值随时间变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明的技术方案进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-5所示，一种基于预测电压幅值的“花瓣”型配电网联络线路保护方法，其适用于双“花瓣”型配电网联络线发生两相故障、三相故障等多种故障类型其流程图如附图1所示，双“花瓣”型配电网的网络拓扑结构图如附图2所示，广域电压幅值信息保护的设备情况及通信拓扑图如附图3所示。在本实施例中，以双“花瓣”型配电网的L1线路在t＝1s时发生三相短路故障为例，利用 PSCAD/EMTDC软件进行仿真以实现对发明的技术方案进行完整的描述，其具体步骤如下：
步骤1：广域保护控制终端获取双“花瓣”型配电网开关站间的线路参数和联络线路断路器状态；
在本实施例中，双“花瓣”型配电网的电压等级为10.5kV，所有的联络线路采用400mm2电缆，其长度均为1km，线路的单位长度正序电阻为0.047Ω/km，正序电抗为0.062Ω/km，正序电容为0.36μF/km，因此线路阻抗
Figure BDA0003096498520000051
线路容抗
Figure BDA0003096498520000052
步骤2：各个开关站通过电压电流采集装置同步采集母线电压相量
Figure BDA0003096498520000053
以及两条联络线路的电流相量
Figure BDA0003096498520000054
和
Figure BDA0003096498520000055
其中
Figure BDA0003096498520000056
代表相序，分别为A相、B相、 C相和零序；
步骤3：开关站采集计算装置利用式(1)预测与本开关站相邻两个开关站的电压相量
Figure BDA0003096498520000057
和
Figure BDA0003096498520000058
并将两侧开关站电压相量的幅值
Figure BDA0003096498520000059
和本开关站电压相量幅值
Figure BDA00030964985200000510
利用5G通信技术传输至广域保护控制终端进行处理。
Figure BDA00030964985200000511
在本实施例中，以A相为例，变电站A、开关站A和开关站B传输到广域保护控制终端的预测电压幅值
Figure RE-GDA00031995762900000513
和
Figure RE-GDA00031995762900000514
以及母线电压幅值
Figure RE-GDA00031995762900000515
随时间的变化如附图4所示。
步骤4：广域保护控制终端利用式(2)计算每个开关站的电压幅值
Figure BDA00030964985200000515
与相邻两个开关站预测本开关站电压幅值
Figure BDA00030964985200000516
的差得到预测误差
Figure BDA00030964985200000517
和
Figure BDA00030964985200000518
Figure BDA00030964985200000519
在本实施例中，以A相为例主要针对变电站A对开关站A母线电压的预测值
Figure RE-GDA00031995762900000522
变电站A对开关站A母线电压的预测值
Figure RE-GDA00031995762900000523
和开关站A测量得到的母线电压幅值U1 &A进行分析，这三个值随时间的变化关系如附图5所示。从附图5可以看出在故障发生前，预测误差
Figure RE-GDA00031995762900000524
在故障发生后，预测误差
Figure RE-GDA00031995762900000525
步骤5：广域保护控制终端根据步骤4得到的预测误差
Figure BDA00030964985200000525
和
Figure BDA00030964985200000526
对线路故障进行判断，假设保护的动作门槛为
Figure BDA00030964985200000527
当
Figure BDA00030964985200000528
且
Figure BDA0003096498520000061
时，说明本开关站与左侧相邻开关站之间线路发生故障；当
Figure BDA0003096498520000062
Figure BDA0003096498520000063
且
Figure BDA0003096498520000064
时，说明本开关站与右侧相邻开关站之间线路发生故障；
在本实施例中，以A相为例，设置保护整定值
Figure BDA0003096498520000065
在故障发生前，由于所有开关站都满足
Figure BDA0003096498520000066
保护不会动作；在故障发生后，由于
Figure BDA0003096498520000067
且
Figure BDA0003096498520000068
Figure BDA0003096498520000069
因此广域电压信息保护可以通过此信息判断出故障发生在开关站右侧线路，即故障发生在L1线路上。
步骤6：根据故障线路判定结果，广域保护控制终端向相应线路断路器发送跳闸信号，实现对于双“花瓣”型配电网故障联络线路的隔离。
在本实施例中，广域保护控制终端利用5G通信网络，通过开关站采集计算装置向故障线路两侧断路器发出跳闸信号，即向1a和1b断路器发送跳闸信号，有效隔离L1线路故障，保证双“花瓣”型配电网的安全可靠运行。

Claims (5)

1.一种基于预测电压幅值的花瓣型配电网联络线路保护方法，其特征在于，通过对双花瓣型配电网内母线电压电流进行测量，并预测其两侧开关站的母线电压幅值，通过电压幅值的比较实现继电保护的安全可靠动作，保护双花瓣配电网的安全稳定；
具体包括以下步骤：
步骤1：广域保护控制终端获取双花瓣型配电网开关站间的线路参数和联络线路断路器状态；
步骤2：各个开关站通过电压电流采集装置同步采集母线电压相量
Figure FDA0003631521120000011
以及两条联络线路的电流相量
Figure FDA0003631521120000012
和
Figure FDA0003631521120000013
其中
Figure FDA0003631521120000014
代表相序；
步骤3：开关站采集计算装置利用公式(1)预测与本开关站相邻两个开关站的电压相量
Figure FDA0003631521120000015
和
Figure FDA0003631521120000016
并将两侧开关站电压相量的幅值
Figure FDA0003631521120000017
和本开关站电压相量幅值
Figure FDA0003631521120000018
在广域保护控制终端进行处理；
Figure FDA0003631521120000019
Figure FDA00036315211200000110
和
Figure FDA00036315211200000111
分别为与本开关站相邻两个开关站的电压相量；为
Figure FDA00036315211200000112
母线电压相量；
Figure FDA00036315211200000113
和
Figure FDA00036315211200000114
分别为两条联络线路的电流相量；
Figure FDA00036315211200000115
为本开关站左侧开关站与本开关站之间的线路阻抗，
Figure FDA00036315211200000116
为本开关站右侧开关站与本开关站之间的线路阻抗；
步骤4：广域保护控制终端利用式（ 2 ） 计算每个开关站的电压幅值
Figure FDA00036315211200000117
与相邻两个开关站预测本开关站电压幅值
Figure FDA00036315211200000118
的差得到预测误差
Figure FDA00036315211200000119
和
Figure FDA00036315211200000120
Figure FDA0003631521120000021
Figure FDA0003631521120000022
和
Figure FDA0003631521120000023
为预测误差；
Figure FDA0003631521120000024
和
Figure FDA0003631521120000025
分别为相邻两个开关站预测本开关站电压幅值，对于i变电站其左侧变电站为i-1变电站，而对于i-1变电站而言，i变电站为其右侧变电站；
Figure FDA0003631521120000026
为开关站的电压幅值；
步骤5：广域保护控制终端根据步骤4得到的预测误差
Figure FDA0003631521120000027
和
Figure FDA0003631521120000028
对线路故障进行判断；
假设保护的动作门槛为
Figure FDA0003631521120000029
当
Figure FDA00036315211200000210
且
Figure FDA00036315211200000211
时，说明本开关站与左侧相邻开关站之间线路发生故障；当
Figure FDA00036315211200000212
且
Figure FDA00036315211200000213
Figure FDA00036315211200000214
时，说明本开关站与右侧相邻开关站之间线路发生故障；
步骤6：根据故障线路判定结果，广域保护控制终端向相应线路断路器发送跳闸信号，实现对于双花瓣型配电网故障联络线路的隔离。
2.根据权利要求1所述的一种基于预测电压幅值的花瓣型配电网联络线路保护方法，其特征在于，广域保护控制终端获取双花瓣型配电网开关站间的线路参数和联络线路断路器状态；其次，各个开关站通过电压电流采集装置采集母线电压向量和两侧线路流过的电流向量；然后，各个开关站利用其采集得到的电压电流向量预测两侧开关站的母线电压向量，计算相邻变电站的母线电压幅值，并将计算结果传输至广域保护控制终端；之后，广域保护控制终端计算每个开关站母线的电压幅值预测误差，根据电压幅值预测误差判断出故障发生线路；最后，广域保护控制终端通过开关站采集计算装置向故障线路断路器发送跳闸信号，以达到隔离故障保证双花瓣型配电网安全稳定运行的目的。
3.根据权利要求1所述的一种基于预测电压幅值的花瓣型配电网联络线路保护方法，其特征在于，步骤3中的
Figure FDA0003631521120000031
和本开关站电压相量幅值
Figure FDA0003631521120000032
利用5G通信技术传输至广域保护控制终端进行处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于预测电压幅值的花瓣型配电网联络线路保护方法，其特征在于，所述步骤2的相序分别为A相、B相、C相和零序。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于预测电压幅值的花瓣型配电网联络线路保护方法，其特征在于，所述方法适用于双花瓣型配电网联络线发生单相故障、两相故障和三相故障故障类型。
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