CN113466625B - 一种接地故障查找复用系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接地故障查找复用系统及方法，通过在配电线路和接地变副边之间接入AC/DC/AC背靠背PWM变流器，变流器前级AC/DC对故障定位模式扰动电压、消弧运行模式支撑电压、融冰运行模式融冰电流进行控制，实现接地故障定位、直流融冰等功能；后级DC/AC对AC输出电压进行控制，通过在中性点自适应注入消弧电压，实现消弧功能。方法提高了接地故障查找效率，实现了接地故障处理系统的功能集成，尤其适用于覆冰地区配电网接地故障处理，利于工程应用。

Description

一种接地故障查找复用系统及方法

技术领域

本发明涉及配电网系统安全运行控制技术领域，更具体的，涉及一种接地故障查找复用系统及方法。

背景技术

配电网系统中，单相接地故障是最常见的故障形式，尤其是对于山区架空线路来说，单相接地故障除了能破坏系统对称运行、降低供电安全、可靠性之外，还极易引发人身触电事故及重大火灾。

为了解决单相接地故障常发的问题，现有技术中采用了多种单相接地故障有源补偿装置来用于消除接地电流，可以达到基本完全熄灭接地电弧的效果。例如专利号CN201811123691.9一种基于可控电压源的接地故障灭弧方法及装置、专利号CN201910089291.9一种接地电流补偿方法以及接地电流补偿装置、专利号CN201910089274.5一种接地电流补偿方法以及接地电流补偿装置以及专利号CN201910247111.5一种接地电流全补偿装置及方法，均公开了单相接地故障有源补偿装置。

然而，现有技术公开的上述装置中，均存在无法精确有效定位接地点、且功能单一等问题。尤其是当线路覆冰时，无法有效地开展线路融冰，导致一旦母线发生接地故障不能第一时间确定故障位置，严重影响了系统运行及人身财产安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种接地故障查找复用系统及方法，用于解决现有设备无法兼顾接地故障定位和线路融冰的问题。

第一方面，本申请提供了一种接地故障查找复用系统，包括：

背靠背PWM变流器，由变流器前级AC/DC和变流器后级DC/AC相连构成；其中，所述变流器前级AC/DC的输入端接母线或配电支路分断开关进线端；所述变流器后级DC/AC的AC输出端接在接地变副边，并通过消弧线圈接地；所述变流器后级的DC输出端接在配电支路分断开关出线端。

在一些实施例中，所述变流器前级AC/DC为带AC/DC滤波电路的三相PWM整流器；所述变流器后级DC/AC为带DC/AC滤波电路的单相逆变器。

在一些实施例中，所述三相PWM整流器采用直流电压、交流电流双闭环控制系统对DC输出的电压电流进行控制；

所述直流电压、交流电流双闭环控制系统被配置为：

基于dq旋转坐标系，建立三相静止坐标系到dq旋转坐标系的转换矩阵：

建立dq旋转坐标系下的直流电压、交流电流双闭环控制模型：

其中，θ为电网电压相位，v_d为变流器调制波d轴分量，v_q为调制波q轴分量，U_dc为直流电压指令，u_dc为直流电压实时值，i_d为变流器桥臂电流d轴分量，H_PI1为直流电压环PI控制器，H_PI2为电流内环PI控制器。

在一些实施例中，所述单相逆变器采用交流电压、交流电流双闭环控制系统对后级AC输出电压进行控制；

所述交流电压、交流电流双闭环控制系统被配置为：

基于PR控制器，建立控制模型：

v＝[(U-u)H_PR1-i]H_PR2

式中，U为交流电压指令，u为交流电压实时值，H_PR1为交流电压环PR控制器，H_PR2为交流电流环PR控制器。

第二方面，本申请还提供了一种第一方面所述系统的接地故障查找方法，包括：

检测零序电压、零序电流，基于接地故障特征分析的暂态法选线方法，确定接地相；

变流器前级AC/DC控制建立消弧运行模式支撑电压；

变流器后级DC/AC检测接地相电势，自适应输出与接地相电势相位相反的电压，将故障点对地电压及对地电流均控制在安全值以下；

线路分断后，变流器后级DC/AC停止输出电压，变流器前级AC/DC切换为故障定位模式，以叠加低频扰动的直流电压为控制指令，闭合直流开关中的接地极和故障线路极，在接地相输出扰动电压u₀，通过比较输出电流i₀以及线路各监测点的电流i_k大小，确定接地点位置；

当接地故障特征显示线路覆冰时，变流器前级AC/DC切换为融冰模式，以恒定限流控制输出融冰电流。

在一些实施例中，所述暂态法选线方法为残留增量法、零序电流基波比幅法、小波包变换法、电流注入法、能量法中的一种。

在一些实施例中，所述消弧运行模式支撑电压大于逆变输出线电压的

倍。

在一些实施例中，所述比较输出电流i₀以及线路各监测点的电流i_k大小，确定接地点位置的步骤包括：

查找接地点前后的电流拐点，前级监测点电流i_k满足：

式中，i_r为直流分量，i_c为交流分量；

分别提取i_r和i_c进行比较，当两个监测点的电流大小发生明显的向下拐点时，确定接地点位置位于这两个检测点之间。

在一些实施例中，所述以恒定限流控制输出融冰电流的步骤包括：

根据AC/DC容量对内环电流指令I_d进行限幅：

I_d≤I_lim

其中I_lim为变流器工作的允许运行电流范围；

在接入的变电站确定后，系统总容量的确定方式为：

其中，U为额定相电压，C₀为相对地电容，cosθ为额定功率因数；P_m为所有线路最大融冰电流，可根据下式计算：

P_m＝max(max(P₁₁，P₁₂，P₁₃ L P_1n)，max(P₂₁，P₂₂，P₂₃ L P_2n)L max(P_j1，P_j2，P_j3 LP_jn))

其中，P_jn为该站第j条线路最大融冰容量。

由上述技术方案可知，本申请通过在配电线路和接地变副边之间接入AC/DC/AC背靠背PWM变流器，可实现接地故障选线定位、柔性消弧、直流融冰等功能。

本发明的直流扰动注入法结合线路监测，实现了接地故障的快速查找，节省了直流试送仪等故障查找设备的投入，提高了故障查找效率，降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例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而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种接地故障查找复用系统的电路连接图；

图2为本申请一种接地故障查找复用系统的变流器拓扑图；

图3为本申请一种接地故障查找复用系统的接地故障示意图；

图4为本申请一种接地故障查找方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本申请提供了一种接地故障查找复用系统，包括：

背靠背PWM变流器，由变流器前级AC/DC和变流器后级DC/AC相连构成；其中，所述变流器前级AC/DC的输入端接母线或配电支路分断开关进线端；所述变流器后级DC/AC的AC输出端接在接地变副边，并通过消弧线圈接地；所述变流器后级的DC输出端接在配电支路分断开关出线端，分断开关用于在故障查找或融冰时选线接入电路，以达到不同输出模式的目的。

进一步的，由图2示出的拓扑图可知，所述变流器前级AC/DC为带AC/DC滤波电路的三相PWM整流器；所述变流器后级DC/AC为带DC/AC滤波电路的单相逆变器。

其中，所述三相PWM整流器采用直流电压、交流电流双闭环控制系统对DC输出的电压电流进行控制，其指令不限于包括故障定位模式扰动电压、消弧运行模式支撑电压、融冰运行模式融冰电流等，可分别实现接地故障定位、直流融冰等功能；

所述直流电压、交流电流双闭环控制系统被配置为：

基于dq旋转坐标系，建立三相静止坐标系到dq旋转坐标系的转换矩阵：

建立dq旋转坐标系下的直流电压、交流电流双闭环控制模型：

其中，θ为电网电压相位，v_d为变流器调制波d轴分量，v_q为调制波q轴分量，U_dc为直流电压指令，u_dc为直流电压实时值，i_d为变流器桥臂电流d轴分量，H_PI1为直流电压环PI控制器，H_PI2为电流内环PI控制器。

典型PI控制器传递函数为：

式中，k_p为比例系数，k_i为积分系数。

所述单相逆变器采用交流电压、交流电流双闭环控制系统对后级AC输出电压进行控制，通过在中性点自适应注入消弧电压，以实现消弧功能；

所述交流电压、交流电流双闭环控制系统被配置为：

基于PR控制器，建立控制模型：

v＝[(U-u)H_PR1-i]H_PR2式中，U为交流电压指令，u为交流电压实时值，H_PR1为交流电压环PR控制器，H_PR2为交流电流环PR控制器。典型PR控制器传递函数为：

式中，k_p为比例系数，k_r为谐振系数，ω为角频率。

当发生接地故障时由图3所示，在监测点k和k+1之间发生接地，图3中，u₀为变流器输出定位扰动电压，i₀为u₀加在故障线路产生的电流，i_g为故障点电流，i_k和i_k+1为故障点前后的监测电流，R+jX为故障点前级线路阻抗，R_g和C_g为接地点接地电阻和对地电容。

由上述技术方案可知，本申请提供了一种接地故障查找复用系统，包括：背靠背PWM变流器，由变流器前级AC/DC和变流器后级DC/AC相连构成；其中，所述变流器前级AC/DC的输入端接母线或配电支路分断开关进线端；所述变流器后级DC/AC的AC输出端接在接地变副边，并通过消弧线圈接地；所述变流器后级的DC输出端接在配电支路分断开关出线端。本申请通过在配电线路和接地变副边之间接入AC/DC/AC背靠背PWM变流器，可实现接地故障选线定位、柔性消弧、直流融冰等功能。

本发明的直流扰动注入法结合线路监测，实现了接地故障的快速查找，节省了直流试送仪等故障查找设备的投入，提高了故障查找效率，降低了成本。

参见图4，为本申请提供的系统的接地故障查找方法，包括：

S1：检测零序电压、零序电流，基于接地故障特征分析的暂态法选线方法，确定接地相；其中，所述暂态法选线方法可以有多种，例如可以是残留增量法、零序电流基波比幅法、小波包变换法、电流注入法、能量法中的一种，这些方法均为现有技术，在此不予赘述。

S2：变流器前级AC/DC控制建立消弧运行模式支撑电压；其中，消弧运行模式支撑电压是指后级DC/AC逆变运行所需的直流电压，通常要求所述消弧运行模式支撑电压大于逆变输出线电压的

倍，此处设定DC/AC采用SVPWM调制，采用支撑电压大于输出线电压的一定倍数并叠加额定负载电流在输出阻抗上的电压损失。

S3：变流器后级DC/AC检测接地相电势，自适应输出与接地相电势相位相反的电压，将故障点对地电压及对地电流均控制在安全值以下；在本实施例中，安全值可根据实际需求认为设定，通常情况下，安全电压为36V，对地电流控制在10A以下。

其中，自适应输出与接地相电势相位相反的电压，具体是指：后级DC/AC交流电压指令为：

U＝-u_err

式中，u_err为接地相电势。

S4：线路分断后，变流器后级DC/AC停止输出电压，变流器前级AC/DC切换为故障定位模式，以叠加低频扰动的直流电压为控制指令，闭合直流开关中的接地极和故障线路极，在接地相输出扰动电压u₀，通过比较输出电流i₀以及线路各监测点的电流i_k大小，确定接地点位置；

具体的，所述比较输出电流i₀以及线路各监测点的电流i_k大小，确定接地点位置的步骤包括：

查找接地点前后的电流拐点，前级监测点电流i_k满足：

式中，i_r为直流分量，i_c为交流分量；

分别提取i_r和i_c进行比较，当两个监测点的电流大小发生明显的向下拐点时，确定接地点位置位于这两个检测点之间。

其中，以叠加低频扰动的直流电压为控制指令，具体是指：前级AC/DC直流电压指令为：

U_dc＝U_N+U_dis sinωt

式中，U_N为线路相电压额定值，U_dis为低频扰动分量幅值，优选为10％U_N，ω为低频扰动分量角频率，优选为200Hz。

S5：当接地故障特征显示线路覆冰时，变流器前级AC/DC切换为融冰模式，以恒定限流控制输出融冰电流。

具体的，所述以恒定限流控制输出融冰电流的步骤包括：

根据AC/DC容量对内环电流指令I_d进行限幅：

I_d≤I_lim

一般的，设定I_lim为额定电流1.1倍，其中I_lim是指保证变流器电力电子器件工作在允许运行电流范围[-I_lim，I_lim]；

在接入的变电站确定后，系统总容量的确定方式为：

其中，U为额定相电压，C₀为相对地电容，cosθ为额定功率因数；P_m为所有线路最大融冰电流，可根据下式计算：

P_m＝max(max(P₁₁，P₁₂，P₁₃ L P_1n)，max(P₂₁，P₂₂，P₂₃ L P_2n)L max(P_j1，P_j2，P_j3 LP_jn))

其中，P_jn为该站第j条线路最大融冰容量。

由上述技术方案可知，本申请提供了一种接地故障查找方法，包括：检测零序电压、零序电流，基于接地故障特征分析的暂态法选线方法，确定接地相；变流器前级AC/DC控制建立消弧运行模式支撑电压；变流器后级DC/AC检测接地相电势，自适应输出与接地相电势相位相反的电压，将故障点对地电压及对地电流均控制在安全值以下；线路分断后，变流器后级DC/AC停止输出电压，变流器前级AC/DC切换为故障定位模式，以叠加低频扰动的直流电压为控制指令，闭合直流开关中的接地极和故障线路极，在接地相输出扰动电压u₀，通过比较输出电流i₀以及线路各监测点的电流i_k大小，确定接地点位置；当接地故障特征显示线路覆冰时，变流器前级AC/DC切换为融冰模式，以恒定限流控制输出融冰电流所述方法实现了接地故障处理系统的功能拓展，尤其适用于覆冰地区接地故障处理，为研制配电网接地故障处理装置提供了一种经济、可靠、有效的方法。

本领域技术人员在考虑说明书和实施例公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。

Claims (6)

1.一种接地故障查找复用系统，其特征在于，所述系统包括：

背靠背PWM变流器，由变流器前级AC/DC和变流器后级DC/AC相连构成；其中，所述变流器前级AC/DC的输入端接母线或配电支路分断开关进线端；所述变流器前级AC/DC为带AC/DC滤波电路的三相PWM整流器；所述变流器后级DC/AC为带DC/AC滤波电路的单相逆变器；所述变流器前级AC/DC和变流器后级DC/AC的控制方式为双闭环控制方式；

所述三相PWM整流器采用直流电压、交流电流双闭环控制系统对DC输出的电压电流进行控制；

所述直流电压、交流电流双闭环控制系统被配置为：

基于dq旋转坐标系，建立三相静止坐标系到dq旋转坐标系的转换矩阵：

建立dq旋转坐标系下的直流电压、交流电流双闭环控制模型：

其中，θ为电网电压相位，v_d为变流器调制波d轴分量，v_q为调制波q轴分量，U_dc为直流电压指令，u_dc为直流电压实时值，i_d为变流器桥臂电流d轴分量，H_PI1为直流电压环PI控制器，H_PI2为电流内环PI控制器；

所述单相逆变器采用交流电压、交流电流双闭环控制系统对后级AC输出电压进行控制；

所述交流电压、交流电流双闭环控制系统被配置为：

基于PR控制器，建立控制模型：

v＝[(U-u)H_PR1-i]H_PR2

式中，U为交流电压指令，u为交流电压实时值，HPR1为交流电压环PR控制器，HPR2为交流电流环PR控制器；

所述变流器后级DC/AC的AC输出端接在接地变副边，并通过消弧线圈接地；所述变流器后级的DC输出端接在配电支路分断开关出线端。

2.一种采用权利要求1所述系统的接地故障查找方法，其特征在于，所述方法包括：

检测零序电压、零序电流，基于接地故障特征分析的暂态法选线方法，确定接地相；

变流器前级AC/DC控制建立消弧运行模式支撑电压；

变流器后级DC/AC检测接地相电势，自适应输出与接地相电势相位相反的电压，将故障点对地电压及对地电流均控制在安全值以下；

线路分断后，变流器后级DC/AC停止输出电压，变流器前级AC/DC切换为故障定位模式，以叠加低频扰动的直流电压为控制指令，闭合直流开关中的接地极和故障线路极，在接地相输出扰动电压u₀，通过比较输出电流i₀以及线路各监测点的电流i_k大小，确定接地点位置；

当接地故障特征显示线路覆冰时，变流器前级AC/DC切换为融冰模式，以恒定限流控制输出融冰电流。

3.根据权利要求2所述的接地故障查找方法，其特征在于，所述暂态法选线方法为残留增量法、零序电流基波比幅法、小波包变换法、电流注入法、能量法中的一种。

4.根据权利要求2所述的接地故障查找方法，其特征在于，所述消弧运行模式支撑电压大于逆变输出线电压的

倍。

5.根据权利要求2所述的接地故障查找方法，其特征在于，所述比较输出电流i₀以及线路各监测点的电流i_k大小，确定接地点位置的步骤包括：

查找接地点前后的电流拐点，前级监测点电流i_k满足：

式中，i_r为直流分量，i_c为交流分量，U_N为线路相电压额定值，U_dis为低频扰动分量幅值，ω为低频扰动分量角频率；

分别提取i_r和i_c进行比较，当两个监测点的电流大小发生明显的向下拐点时，确定接地点位置位于这两个检测点之间。

6.根据权利要求2所述的接地故障查找方法，其特征在于，所述以恒定限流控制输出融冰电流的步骤包括：

根据AC/DC容量对内环电流指令I_d进行限幅：

I_d≤I_lim

其中I_lim为变流器工作的允许运行电流范围；

在接入的变电站确定后，系统总容量的确定方式为：

其中，U为额定相电压，C₀为相对地电容，cosθ为额定功率因数；P_m为所有线路最大融冰电流，可根据下式计算：

P_m＝max(max(P₁₁，P₁₂，P₁₃ P_1n)，max(P₂₁，P₂₂，P₂₃ P_2n)，max(P_j1，P_j2，P_j3 P_jn))；

其中，P_jn为该站第j条线路最大融冰容量。

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