CN114094563A - 一种主从式消弧线圈、消弧线圈柔性补偿控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种主从式消弧线圈、消弧线圈柔性补偿控制方法及系统，主从式消弧线圈，包括串联连接的主消弧线圈和从消弧线圈，以及控制从消弧线圈投入和切除的投切装置。一种消弧线圈柔性补偿控制方法，采用上述一种主从式消弧线圈，将主从式消弧线圈接入配电网的中性点对地支路，当配电网正常运行时，控制消弧线圈为过补偿运行状态；当配电网发生接地故障时，控制消弧线圈为全补偿运行状态。本公开基于信号注入法进行柔性补偿，能够实现配电网对地电容的精确测量和单相接地电容电流中基波分量的精准补偿，不依赖于系统的不对称性，响应快速，故障瞬间熄弧能力较强。

Description

一种主从式消弧线圈、消弧线圈柔性补偿控制方法及系统

技术领域

本公开涉及配电网消弧线圈的柔性补偿相关技术领域，具体的说，是涉及一种主从式消弧线圈、消弧线圈柔性补偿控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

配电网关联输电网和终端用户，其故障处理水平的高低对电网的供电可靠性产生严重影响。由于配电网拓扑复杂，运行方式多变，故障概率较高。当前，我国中压配电网大多采用中性点不接地或经消弧线圈接地(谐振接地)的方式。通过消弧线圈的电感电流补偿流入接地点的对地电容电流，可大幅降低对地残余电流的大小，促使电弧熄灭并防止事故扩大，在理论上可以有效解决中压配电网中频发的单相接地故障。然而，随着配电网规模不断扩大、电缆线路逐渐增多、运行方式多变，传统的中性点消弧线圈固定补偿方式不能保证补偿后的接地电流满足要求。自动跟踪补偿消弧线圈应运而生，并逐渐代替了人工调谐消弧线圈，而要实现消弧线圈的柔性补偿，首先就必须实现系统对地电容的精确测量，其次，消弧线圈的类型及其控制方式也直接影响到补偿效果。

发明人发现，现有的消弧线圈柔性补偿技术中存在的问题为：对地电容测量操作复杂、测量结果不精确，消弧线圈控制复杂，补偿效果和促进电弧熄灭的能力有限等。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种主从式消弧线圈、消弧线圈柔性补偿控制方法及系统，基于信号注入法进行柔性补偿，能够实现配电网对地电容的精确测量和单相接地电容电流中基波分量的精准补偿，不依赖于系统的不对称性，响应快速，故障瞬间熄弧能力较强。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了一种主从式消弧线圈，包括串联连接的主消弧线圈和从消弧线圈，以及控制从消弧线圈投入和切除的投切装置。

一个或多个实施例提供了一种消弧线圈柔性补偿控制方法，采用上述的一种主从式消弧线圈，将主从式消弧线圈接入配电网的中性点对地支路，当配电网正常运行时，控制消弧线圈为过补偿运行状态；当配电网发生接地故障时，控制消弧线圈为全补偿运行状态。

一个或多个实施例提供了一种消弧线圈柔性补偿控制系统，其特征是，包括：采集装置和服务器；

所述采集装置用于采集线路的运行数据；

服务器被配置为执行：当配电网正常运行时，控制消弧线圈为过补偿运行状态；当配电网发生接地故障时，控制消弧线圈为全补偿运行状态。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)本公开中配电网正常运行时消弧线圈处于过补偿状态，相比于预调式控制，无需设置阻尼电阻，避免了故障时阻尼电阻切除过慢不利于电弧熄灭的问题；相比于随调式控制，在故障瞬间能够实现零时差响应，有利于电弧的熄灭；

(2)与现有主从式消弧线圈相比，本公开中主消弧线圈与从消弧线圈电感值均可自主调节，双向晶闸管仅用于投切从消弧线圈，其通断发生于电流过零点，控制简单，开关损耗较小，不会引入谐波成分，对接地电流的补偿效果更好。

本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1为本公开实施例1的配电网对地参数测量原理示意图；

图2为本公开实施例1的电压互感器等效电路图；

图3为本公开实施例1的零序等效测量电路图；

图4为本公开实施例1的简化后的等效测量电路图；

图5为本公开实施例2的主从式消弧线圈结构示意图；

图6为本公开实施例3的柔性补偿控制方法的整体流程图；

图7为本公开实施例3的谐振接地配电网仿真模型示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

实施例1

要实现消弧线圈的柔性补偿，首先就必须实现系统对地电容的精确测量，本实施例中首先对参数测量方法进行说明。

参照附图1-4，本实施例提供一种基于中性点直接注入信号的配电网对地参数测量方法，包括以下步骤：

步骤1、通过配电网中性点处注入非工频整数倍频率的正弦电流信号；

可选的，可以通过接于谐振接地配电网中性点的信号源向系统直接注入非工频、非工频整数倍频率的正弦电流信号

步骤2、测量中性点处的零序电压互感器二次侧的返回电压信号

其中，所述电流信号

与电压信号

频率相同；

步骤3、利用电流信号

与电压信号

计算得到配电网对地电容和泄漏电导；

式中，k为电压互感器的变比，ω₀为注入电流信号

的角频率，L为系统当前投入的消弧线圈电感值，Im[]和Re[]分别表示求取复数的虚部和实部。

其中，对地参数测量的原理为：

忽略线路阻抗，配电网对地参数测量原理如图1所示。其中，

分别为配电网三相电源电动势，C_A、C_B、C_C分别为三相对地电容，g_A、g_B、g_C分别为三相对地泄漏电导，L为消弧线圈电感值，Q表示接于系统中性点的信号源，用于向配电网注入非工频正弦电流信号

P表示中性点处的零序电压互感器，通过其二次侧测量注入电流信号的返回电压

由于实际配电网电源侧及负荷侧采用三角形连接方式，中性点由母线处的接地变压器引出，因此注入电流信号仅流过由信号源、配电网三相对地支路、消弧线圈支路及大地构成的零序回路，通过构建零序等效电路，利用注入电流信号

及测量的返回电压

等参数即可计算得到配电网对地电容和泄漏电导。

电压互感器P的等效电路如图2所示。其中，R₁、L₁分别表示电压互感器一次侧的漏电阻和漏电感，R₂、L₂分别表示二次侧的漏电阻和漏电感折算到一次侧的值，R_m、L_m分别为励磁电阻和励磁电感，R₀为一次侧消谐电阻，

为二次侧测量电压

折算到一次侧的值。在工频下电压互感器的励磁阻抗为兆欧级，远大于其漏阻抗及配电网对地支路阻抗值，由于注入信号频率与工频相差不大，因此可以忽略励磁电流，将励磁支路等效为开路，进而得到零序等效测量电路如图3所示，其中C_Σ＝C_A+C_B+C_C，g_Σ＝g_A+g_B+g_C，

即为注入电流信号在系统中性点处的返回电压。

将图3做进一步简化可以得到图4所示的等效测量电路图。注入角频率为ω₀的电流信号

后，由电压互感器二次侧测得对应频率的返回电压

设电压互感器变比为k，则有

根据电路理论可以得到：

由式(1)得到配电网对地电容及泄漏电导分别为：

在具体实施中，为了避免注入信号对配电网正常运行造成干扰，其频率应当为非工频、非工频整数倍频率，同时为了减小实际线路串联阻抗引起的测量误差、保证电压互感器对信号的可靠传变，可选的，注入信号频率大小可以设定为20～100Hz，并且50Hz、100Hz除外。

此外，为了避免注入信号引起电网保护装置误动作，同时能够保证电压互感器能够可靠检测到返回信号，可选的，注入信号的幅值大小可以设定为0.1～0.5A。

根据上述可知，本实施例所述测量方法的测量过程不依赖于系统自身的不对称性；相比于常用的电压互感器信号注入法，由中性点直接注入信号可以从原理上消除电压互感器漏阻抗、励磁阻抗和消谐电阻对注入电流信号的影响；测量返回电压信号的电压互感器空载运行，可以消除电压互感器漏阻抗和消谐电阻对返回电压测量的影响，在测量时不需要将消谐电阻退出运行；只需要注入单一频率信号即可计算得到系统对地参数，操作简单，易于工程实现。

实施例2

本实施例提出一种主从式消弧线圈，如图5所示，包括串联连接的主消弧线圈和从消弧线圈，以及控制从消弧线圈投入和切除的投切装置。

其中，投切装置可以为可控电力电子器件。

可选的，投切装置可以为双向晶闸管，或/和主消弧线圈和从消弧线圈为无可调电抗器。

可选的一种实现方式，主从式消弧线圈包括双向晶闸管和至少两个串联的可调电抗器，双向晶闸管并联在其中一个可调电抗器的两端。

可选的，可调电抗器为无级可调电抗器。

如图5所示，本实施例设置了两个无极可调电抗器分别作为主消弧线圈A和从消弧线圈B，主消弧线圈A与从消弧线圈B相串联，从消弧线圈B与双向晶闸管VT相并联，双向晶闸管VT用于投切从消弧线圈B。

与现有主从式消弧线圈相比，本实施例中主消弧线圈与从消弧线圈电感值均可自主调节，双向晶闸管仅用于投切从消弧线圈，其通断发生于电流过零点，控制简单，开关损耗较小，不会引入谐波成分，对接地电流的补偿效果更好。

本实施例的主从式消弧线圈，通过对主消弧线圈和从消弧线圈电感值的调整以及对从消弧线圈的投切来实现预随调式控制。当配电网正常运行时，控制消弧线圈为过补偿运行状态；当配电网发生接地故障时，控制消弧线圈为全补偿运行状态。

预调式控制在发生故障后切除阻尼电阻的过程中，接地电容电流不能被有效补偿，而且阻尼电阻的存在还增大了接地电流中的有功分量，阻碍了电弧的熄灭，预随调式为预调和随调相结合的补偿方式，预随调式控制不需要设置阻尼电阻即可将中性点位移电压限制在允许范围内，避免了阻尼电阻引起的上述问题。

随调式控制在系统正常运行期间远离谐振点运行，故障发生时再调整至全补偿点，对于故障瞬间的接地电流不能够有效补偿，预随调式控制在故障瞬间能够实现零时差响应，有利于电弧的熄灭。

现有的主从式消弧线圈多为主消弧线圈固定、从消弧线圈可调或主消弧线圈可粗调、从消弧线圈可细调的形式，通常主消弧线圈与从消弧线圈一直投入运行，从消弧线圈电感值的调整多依赖于电力电子开关，开关器件频繁通断、控制复杂，本实施例中主消弧线圈与从消弧线圈均可自主无级调节，分工明确，双向晶闸管仅用于投切从消弧线圈，其通断可以发生于电流过零点，控制简单，开关损耗较小，不会向接地电流中引入谐波成分，对接地电流的补偿效果更好，更利于电弧的熄灭。

实施例3

基于实施例1和2，本实施例还提供了一种消弧线圈柔性补偿控制方法，如图6所示，具体的：采用实施例2所述的主从式消弧线圈，将主从式消弧线圈接入配电网的中性点对地支路，当配电网正常运行时，控制消弧线圈为过补偿运行状态；当配电网发生接地故障时，控制消弧线圈为全补偿运行状态。

本实施例中，当配电网正常运行时，分别调节主消弧线圈A和从消弧线圈B的电感值，通过控制双向晶闸管VT导通，将从消弧线圈B短接，使其不投入运行，仅由主消弧线圈A接入中性点对地支路，消弧线圈处于过补偿运行状态，避免串联谐振，将中性点位移电压限制在允许范围内。

本实施例中，当配电网发生单相接地故障时，通过控制双向晶闸管VT关断，将从消弧线圈B投入运行，此时主消弧线圈A和从消弧线圈B串联接入中性点对地支路，投入的消弧线圈总电感迅速增大，使消弧线圈达到全补偿运行状态，将接地电容电流中的基波分量完全补偿，促使电弧熄灭。

进一步地，当配电网发生永久性接地故障时启动选线及区段定位，查找故障并排除故障。

其中，过补偿运行状态，具体为：主消弧线圈接入中性点对地支路，从消弧线圈被短路，并按照设定的过补偿度，根据测量的配电网对地参数调整主消弧线圈的电感值。

消弧线圈的过补偿度，定义为补偿导纳超过配电线路对地导纳的数值与线路对地导纳的比值，如下：

式中，L为系统当前投入的消弧线圈电感值，ω为工频角频率，C_Σ为系统对地电容。

全补偿运行状态，具体为：主消弧线圈和从消弧线圈都接入中性点对地支路，设置过补偿度为零，并根据测量的配电网对地参数调整主消弧线圈和从消弧线圈的电感值。

其中，配电网对地参数的测量采用实施例1所述的对地参数的测量方法。

按照设定的过补偿度，根据测量的配电网对地参数调整主消弧线圈的电感值，具体计算公式如下：

本实施例中设定的过补偿度可以为10％，即P＝10％。

式中，L₁为主消弧线圈电感值，L₂为从消弧线圈电感值。

由式5可解得：

可选的，一种消弧线圈柔性补偿控制方法，具体的，可以包括如下步骤：

步骤a.测量配电网母线零序电压，根据参考电压值判断电网是否有单相接地故障，如果有，执行步骤c，否则，执行步骤b；

具体的，判断其是否超过参考电压值，若没有超过参考电压值，则说明电网正常运行，执行步骤b；

若超过参考电压值，则说明电网发生单相接地故障，执行步骤c；

步骤b.设定主消弧线圈和从消弧线圈的电感值，使得当主消弧线圈和从消弧线圈同时投入时为全补偿运行状态，当主消弧线圈单独投入时为过补偿运行状态；

本实施例中，过补偿度为10％，根据所述基于中性点直接注入信号的配电网对地参数测量方法得到系统对地电容值C_Σ，将主消弧线圈电感值调整为

将从消弧线圈电感值调整为

此时从消弧线圈未投入运行，消弧线圈过补偿度为10％，返回步骤a；

步骤c.控制双向晶闸管关断，将从消弧线圈投入运行，此时消弧线圈为全补偿状态，间隔一定时间后重新测量配电网母线零序电压，判断其是否超过参考电压值，若超过参考电压值，则说明故障持续存在，执行步骤d；

若没有超过参考电压值，则说明故障已消失，电网恢复正常运行，转入步骤e进行；

步骤d.消弧线圈继续进行全补偿，同时启动选线及区段定位；

步骤e.控制双向晶闸管导通，将从消弧线圈退出运行，并返回步骤a。

为了说明本实施例的一种消弧线圈柔性补偿控制方法的效果，进行了仿真验证，利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC搭建10kV谐振接地配电网模型，对本实施例提供的柔性补偿控制策略进行验证。

1)仿真模型

仿真模型结构如图7所示。该模型共有5条馈线，包含架空线路、电缆线路和混合线路，图中馈线部分的粗实线和虚线分别表示架空线路和电缆线路，线路参数如表1所示。

表1线路参数

2)仿真验证

测量配电网对地电容的注入电流信号选为

频率为65Hz，测量返回电压信号的电压互感器变比k＝100。改变配电网运行方式，并在不同位置设置单相金属性接地故障，分别进行仿真，得到系统对地电容测量结果和补偿前后稳态接地电流大小如表2所示。

表2仿真结果

由表2仿真结果可知，在不同的配电网运行方式下，本实施例提供的消弧线圈柔性补偿控制方法能够精确测量系统对地电容，并将单相接地电流补偿到允许范围内，补偿效果较好。

实施例4

基于上述实施例，本实施例一种消弧线圈柔性补偿控制系统，包括：采集装置和服务器；

所述采集装置用于采集线路的运行数据；线路的运行数据包括配电网母线零序电压。

服务器被配置为执行以下步骤：当配电网正常运行时，控制消弧线圈为过补偿运行状态；当配电网发生接地故障时，控制消弧线圈为全补偿运行状态。

线路的运行数据包括配电网母线零序电压。

进一步地，当配电网发生永久性接地故障时启动选线及区段定位，查找故障并排除故障。

进一步地，过补偿运行状态，具体为：主消弧线圈接入中性点对地支路，从消弧线圈被短路，并按照设定的过补偿度，根据测量的配电网对地参数调整主消弧线圈的电感值；

进一步地，全补偿运行状态，具体为：主消弧线圈和从消弧线圈都接入中性点对地支路，设置过补偿度为零，并根据测量的配电网对地参数调整主消弧线圈和从消弧线圈的电感值；

或者，消弧线圈的过补偿度定义为补偿导纳超过配电线路对地导纳的数值与线路对地导纳的比值。

进一步地，配电网对地参数的测量的方法，包括如下步骤：

通过配电网中性点处注入非工频整数倍频率的正弦电流信号；

测量中性点处的零序电压互感器二次侧的返回电压信号；

利用电流信号与电压信号计算得到配电网对地电容和泄漏电导。

进一步地，注入信号频率大小设定为20～100Hz(50Hz、100Hz除外)，注入信号的幅值大小可以设定为0.1～0.5A。

进一步地，当配电网正常运行时，控制消弧线圈为过补偿运行状态；当配电网发生接地故障时，控制消弧线圈为全补偿运行状态，其中控制方法，包括如下步骤：

步骤a.获取配电网母线零序电压，根据参考电压值判断电网是否有单相接地故障，如果有，执行步骤c，否则，执行步骤b；

步骤b.根据设定的过补偿度设定主消弧线圈和从消弧线圈的电感值，使得当主消弧线圈和从消弧线圈同时投入时为全补偿运行状态，当主消弧线圈单独投入时为过补偿运行状态；并切除从消弧线圈；

步骤c.主消弧线圈和从消弧线圈都投入，同时启动选线及区段定位，间隔设定的时间后执行步骤a。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种主从式消弧线圈，其特征是：包括串联连接的主消弧线圈和从消弧线圈，以及控制从消弧线圈投入和切除的投切装置。

2.如权利要求1所述的一种主从式消弧线圈，其特征是：投切装置为可控电力电子器件。

3.如权利要求1所述的一种主从式消弧线圈，其特征是：

投切装置为双向晶闸管，或/和主消弧线圈和从消弧线圈为无级可调电抗器；主从式消弧线圈包括双向晶闸管和至少两个串联的可调电抗器，双向晶闸管并联在其中一个无级可调电抗器的两端。

4.一种消弧线圈柔性补偿控制方法，其特征是：采用权利要求1-3任一项所述的一种主从式消弧线圈，将主从式消弧线圈接入配电网的中性点对地支路，当配电网正常运行时，控制消弧线圈为过补偿运行状态；当配电网发生接地故障时，控制消弧线圈为全补偿运行状态。

5.如权利要求4所述的一种消弧线圈柔性补偿控制方法，其特征是：当配电网发生接地故障时启动选线及区段定位，查找故障并排除故障。

6.如权利要求4所述的一种消弧线圈柔性补偿控制方法，其特征是，过补偿运行状态，具体为：主消弧线圈接入中性点对地支路，从消弧线圈被短路，并按照设定的过补偿度，根据测量的配电网对地参数调整主消弧线圈的电感值；

或者，全补偿运行状态，具体为：主消弧线圈和从消弧线圈都接入中性点对地支路，设置过补偿度为零，并根据测量的配电网对地参数调整主消弧线圈和从消弧线圈的电感值；

或者，消弧线圈的过补偿度定义为补偿导纳超过配电线路对地导纳的数值与线路对地导纳的比值。

7.如权利要求6所述的一种消弧线圈柔性补偿控制方法，其特征是：配电网对地参数的测量的方法，包括如下步骤：

通过配电网中性点处注入非工频整数倍频率的正弦电流信号；

测量中性点处的零序电压互感器二次侧的返回电压信号；

利用电流信号与电压信号计算得到配电网对地电容和泄漏电导。

8.如权利要求7所述的一种消弧线圈柔性补偿控制方法，其特征是：注入信号设定为频率大小为小于100Hz的非工频信号；或者，注入信号的幅值大小设定为0.1～0.5A。

9.如权利要求5所述的一种消弧线圈柔性补偿控制方法，其特征是：当配电网正常运行时，控制消弧线圈为过补偿运行状态；当配电网发生接地故障时，控制消弧线圈为全补偿运行状态，其中控制方法，包括如下步骤：

步骤a.获取配电网母线零序电压，根据参考电压值判断电网是否有单相接地故障，如果有，执行步骤c，否则，执行步骤b；

步骤b.根据设定的过补偿度设定主消弧线圈和从消弧线圈的电感值，使得当主消弧线圈和从消弧线圈同时投入时为全补偿运行状态，当主消弧线圈单独投入时为过补偿运行状态；并切除从消弧线圈；

步骤c.主消弧线圈和从消弧线圈都投入，同时启动选线及区段定位，间隔设定的时间后执行步骤a。

10.一种消弧线圈柔性补偿控制系统，其特征是，包括：采集装置和服务器；

所述采集装置用于采集线路的运行数据；

服务器被配置为执行：当配电网正常运行时，控制消弧线圈为过补偿运行状态；当配电网发生接地故障时，控制消弧线圈为全补偿运行状态。

Images