CN114563659A - 基于注入信号的三相短路故障性质识别方法 - Google Patents

基于注入信号的三相短路故障性质识别方法 Download PDF

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Abstract

一种基于注入信号的三相短路故障性质识别方法，配电线路发生短路故障时，线路保护装置完成故障切除和故障选相，并将保护动作信息和选相信号发送至分布式电源；分布式电源在接收到线路保护装置的信号以后，向配电线路注入试探信号；持续检测并网变压器高压侧三相电压和三相电流；计算三相等效电阻平均值，当等效电阻平均值大于设置值时则判定短路故障为瞬时性故障，否则为永久性故障。本发明不需要增加额外的附加注入装置，经济性更优，判据准确性高，实用性更好。

Description

基于注入信号的三相短路故障性质识别方法
技术领域
本发明属于配电网短路故障针对技术领域，具体涉及一种利用分布式电源注入信号的配电线路三相短路故障性质的识别方法。
背景技术
随着我国国民经济的不断发展以及人们物质生活水平的不断提高，现阶段社会发展中，对于电力能源的需求量逐年上升，与此同时，我国配电网运行可靠性还有待进一步提高。在三相交流配电网中，我国配网中性点接地方式多为中性点不接地，或中性点经高阻接地，或者经消弧线圈接地。在配电网中，故障方式最多的为短路故障，短路故障根据性质分为瞬时短路故障和永久性短路故障。传统的自动重合闸装置为保证电力系统安全供电和稳定运行，通常都是在故障发生后断路器跳闸，再经过设定时间断路器尝试重合。如果不能准确判断故障是属于瞬时性故障还是永久性故障的缺陷，当其重合于永久性故障时，往往会对电力系统及电气设备造成更大的危害。因此，如果能在断路器跳闸后先对线路故障的类别进行正确区分，以决定断路器是否重新动作，则对保证供电连续性、缩小电力系统的事故影响范围、减少故障损失具有重大意义。
现有配电线路故障性质识别技术主要分为有源检测和无源检测。如中国专利申请CN202111240161.4公开了一种配电线路接地故障性质识别及恢复方法，发生配电线路接地故障后，配电线路送电前重合某一相；采集重合相的电压和电流波形并滤波；计算电压和电流的导数；构建最小二乘法辨识电容模型，求解最小二乘意义下的电容；计算电容模型的模型误差E(k)；构建最小二乘法辨识阻感模型，求解最小二乘意义下的电阻和电感；计算阻感模型的模型误差E(k)；当满足E(k)＜kE(k)时为永久性接地故障，否则为瞬时性接地故障。该方案主要利用配电线路跳闸以后的自身电气量特征，不需要附加设备向配电线路注入信号，但其可利用的电气量特征维持时间极短且不稳定，因此在电气量特征量变化不明显的情况下，监测判断效果通常不佳。再如中国专利申请CN201420484526.7公开了一种配电线路相间短路故障性质辨识装置，安装于配电线路各开关处，向开关两侧的线路段注入恒频小信号；检测三相电路故障后全电压、电流信号，DSP对注入信号检测电路所采集的信号进行处理与计算，ARM辨识相间短路故障性质，控制恒频信号注入电源的输出，完成与线路开关控制器的通信。但是该方案存在如下问题：注入产生较高的电压会威胁到人身安全，同时负载大小未知无法稳定输出电压，再者还需要储能设备为系统提供能量，成本较高。
发明内容
为解决现有技术存在的以上问题，准确判断配电线路三相短路故障性质，防止断路器重合于永久故障造成电气设备故障，从而引发较大范围停电，本发明公开了一种基于注入信号的三相短路故障性质识别方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于注入信号的三相短路故障性质识别方法，其特征在于，所述三相短路故障性质识别方法包括以下步骤：
(1)配电线路发生三相短路故障时，线路保护装置完成故障切除和故障选相，并将保护动作信息和选相信号发送至分布式电源控制器；
(2)分布式电源控制器在接收到线路保护装置发送的保护动作信息和选相信号以后，延时Δt1时间改变并网变压器工作模式，通过并网逆变器向配电线路注入频率为非工频及非工频整数倍的交流试探信号；
(3)在分布式电源进入注入交流试探信号以后，持续检测并网变压器高压侧三相电压UA(ωf)、UB(ωf)、UC(ωf)和三相电流IA(ωf)、IB(ωf)、IC(ωf)；
(4)在并网变压器高高压侧三相电压UA(ωf)、UB(ωf)、UC(ωf)和三相电流IA(ωf)、IB(ωf)、IC(ωf)进入稳定阶段，即幅值相对于中心线的波动小于预设波动阈值以后，持续进行各相等效阻抗Z(ωf)计算。
对于A相：
Figure BDA0003527087060000031
对于B相：
Figure BDA0003527087060000032
对于C相：
Figure BDA0003527087060000033
(5)在各相等效阻抗Z(ωf)值进入稳定阶段即幅值相对于中心线的波动小于预设波动阈值以后，对计算得到的各相等效阻抗Z(ωf)取其实部Re(Z(ωf))得到各相等效电阻Ra、Rb、Rc，并计算平均值
Figure BDA0003527087060000034
如果Req＞Rset则判定配电线路上发生的是瞬时性故障；如果Req＜Rset则判定配电线路上发生的是永久性故障。
(6)分布式电源控制器将故障性质识别结果传输给线路保护装置，当判断故障性质为瞬时性故障时，启动断路器在达到设定的重合闸时间后进行重合闸，当判断故障性质为永久性故障时，闭锁断路器重合闸指令。
本发明进一步包括以下优选方案：
在步骤(2)中，所述延时Δt1取值范围为(0.5～1s)；
注入试探信号的频率ωf选择在100Hz～500Hz范围内。
在步骤(2)中，所述注入信号持续时间控制在50ms～100ms。
在步骤(5)中，预设波动阈值选取为3％。
在步骤(5)中，所述故障性质判别电阻设定值Rset按配电线路单位长度电阻乘以线路长度计算得到。
本发明具有以下有益的技术效果：
本发明充分利用了分布式电源逆变器控制灵活和响应速度快的特点，能够在不增加额外电力电子设备的，解决注入信号的来源问题；其次对于三相短路故障，本发明的判据计算简单，容易实现且精确度高。
附图说明
图1是本发明利用已有分布式电源实现三相短路故障识别的结构框图。
图2是本发明基于注入信号的三相短路故障性质识别方法流程示意图。
图3是10kV配网仿真模型图。
图4是架空线路末端三相短路永久性故障等效电阻识别计算结果。
图5是架空线路末端三相短路瞬时性故障等效电阻识别计算结果。
图6是电缆线路末端三相短路永久性故障等效电阻识别计算结果。
图7是电缆线路末端三相短路瞬时性故障等效电阻识别计算结果。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
随着我国大力开展“分布式光伏整县推进”计划，分布式光伏电源在配电网中的高度渗透接入将对传统的配电网保护和故障处理模式提出挑战。
配电线路的故障性质识别长期以来一直是配电网保护领域的一大难题，在分布式电源高渗透接入的配电线路上实现故障性质的有效识别对于提升重合闸的安全性，确保设备安全、供电可靠具有重要意义。与此同时，随着分布式电源在配网中的广泛接入，利用已有分布式电源为实现三相短路故障识别提供了可能性。
如附图1所示，所述分布式电源通过升压变压器连接至配线线路，在本发明中，升压变压器、逆变升压变压器、并网变压器具有相同的含义。分布式电源控制器在本发明中也成为逆变器控制器，用于控制升压变压器、分布式电源的工作模式，调整分布式电源输出电压、功率信号。
如图2所示，本发明一种利用分布式电源注入信号的配电线路故障性质识别方法，本发明包括以下步骤：
(1)配电线路发生短路故障时，线路保护装置完成故障切除和故障选相，并将保护动作信息和选相信号通过5G网络发送至分布式电源。
(2)分布式电源在接收到线路保护装置的信号以后，延时Δt1(0.5～1s)，之后改变逆变器工作模式，向配电线路注入试探信号，注入试探信号的频率ωf选择在100Hz～500Hz范围内，且不为电力系统工频50Hz的整数倍，注入信号持续时间控制在50ms～100ms。
(3)在分布式电源进入注入试探信号模式以后，持续检测并网变压器高压侧三相电压UA(ωf)、UB(ωf)、UC(ωf)和三相电流IA(ωf)、IB(ωf)、IC(ωf)。
(4)在并网变压器高高压侧三相电压UA(ωf)、UB(ωf)、UC(ωf)和三相电流IA(ωf)、IB(ωf)、IC(ωf)进入稳定阶段，即幅值相对于中心线的波动小于预设波动阈值以后，持续进行各相等效阻抗Z(ωf)计算。
对于A相：
Figure BDA0003527087060000061
对于B相：
Figure BDA0003527087060000062
对于C相：
Figure BDA0003527087060000063
本发明不适用于两相短路或者单相接地接地故障。
(5)在各相等效阻抗Z(ωf)值进入稳定阶段即幅值相对于中心线的波动小于预设波动阈值以后，对计算得到的各相等效阻抗Z(ωf)取其实部Re(Z(ωf))得到各相等效电阻Ra、Rb、Rc，并计算平均值
Figure BDA0003527087060000064
如果Req＞Rset则判定配电线路上发生的是瞬时性故障；如果Req＜Rset则判定配电线路上发生的是永久性故障。Rset按配电线路单位长度电阻(根据线路截面积和导线类型确定，可以查表得到)乘以线路长度计算得到。在本发明的优选实施方案中，预设波动阈值是指Z(ωf)波动小于3％。
(6)分布式电源将故障性质识别结果通过5G网络返回线路保护装置，线路保护装置根据故障性质识别结果执行重合闸或闭锁重合闸动作。
为了确保本发明的实施效果，对于实施注入信号的分布式光伏电源的选择，需选择容量在500kW以上，通过逆变升压变压器直接并网的分布式光伏电源，而不应采用接入低压配电线路的分布式屋顶光伏(注：分布式屋顶光伏安装位置通常位于低压配电线路末梢，与10kV配电线路电气距离较远，低压线路阻抗和低压负荷的分流效应会对注入信号的有效性带来不利影响)，以避免低压负荷和线路阻抗对故障性质识别的不利影响。
图3所示为10kV配网仿真模型，配电网系统参数如表1所示。
表1配电网系统参数
Figure BDA0003527087060000071
表1中，Pk表示短路损耗，Uk表示短路电压，Po表示空载损耗，Io表示空载电压，Dyn11表示配电变压器的接线方式。
系统在0s时刻发生三相短路故障，故障点在线路末端，线路保护动作将故障线路切除，假设实施注入信号的分布式光伏电源安装在线路首端，在0.06s时刻分布式电源进入注入信号模式，0.08s稳定输出峰值100V频率为230Hz的三相对称电压信号。
图4给出了架空线路L1在永久性故障时等效电阻参数识别的结果。在经过短暂的暂态过程以后注入电压电流信号很快稳定，稳态下，故障识别装置输出的三相电压UA、UB、UC的有效值约为21.61V，三相故障相电流IA、IB、IC的有效值约为1.47A，稳定后识别的A、B、C三相的正序电阻值的平均值Req为2.382Ω。同时由实际配电线路参数折算到三相短路故障条件下的正序电阻值应为线路阻抗0.138*10与故障过渡电阻Rf一半之和为2.380Ω。可见计算值与实际值之间的误差为0.002Ω，误差百分比为0.084％。
图5给出了架空线路L1在瞬时性故障时电阻参数识别的结果。在稳态时，故障识别装置输出的三相电压UA、UB、UC的有效值约为811.88V，三相电流IA、IB、IC的有效值约为0.83A。稳定后识别的A、B、C三相的正序电阻值的平均值Req为69.18Ω。由实际配电线路参数折算到正序电阻值应为线路电阻(0.138*10)Ω与负载电阻0.1053*(10/0.4)2Ω以及配电变压器等效电阻2.7563Ω之和为69.7Ω。可见计算值与实际值之间的误差为0.52Ω，误差百分比为0.75％。
同样，在电缆线路L3上分别设置发生永久性和瞬时性故障，利用分布式电源注入的电压和电流数据对配电线路阻抗参数进行计算得到的正序电阻值如图6和图7所示。稳定后识别的A、B、C三相的正序电阻值的平均值Req分别为1.396Ω和6861Ω。由实际配电线路参数折算到的A、B、C三相短路故障条件下的正序电阻值应为线路阻抗(0.079*5)Ω与故障过渡电阻Rf一半之和为1.395Ω。可见计算值与实际值之间的误差为0.001Ω，误差百分比为0.072％。瞬时故障下的由实际配电线路参数折算到的回路正序电阻值应为(0.079*5)Ω，与负载电阻0.1053*(10/0.4)2Ω以及配电变压器等效电阻2.5Ω之和为68.71Ω。可见计算值与实际值之间的误差为0.1Ω，误差百分比为1.75％。
综合上述分析可以证明，基于分布式电源注入特征频率信号条件下，根据检测分布式电源输出的电压和电流信息能够准确获得配电线路三相短路故障状态下和非故障状态下的正序电阻值，进而判断故障类型，从而反映线路的运行状态。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于注入信号的三相短路故障性质识别方法，其特征在于，所述三相短路故障性质识别方法包括以下步骤：
(1)配电线路发生三相短路故障时，线路保护装置完成故障切除和故障选相，并将保护动作信息和选相信号发送至分布式电源控制器；
(2)分布式电源控制器在接收到线路保护装置发送的保护动作信息和选相信号以后，延时Δt1时间改变并网变压器工作模式，通过并网逆变器向配电线路注入频率为非工频及非工频整数倍的交流试探信号；
(3)在分布式电源进入注入交流试探信号以后，持续检测并网变压器高压侧三相电压UA(ωf)、UB(ωf)、UC(ωf)和三相电流IA(ωf)、IB(ωf)、IC(ωf)；
(4)在并网变压器高高压侧三相电压UA(ωf)、UB(ωf)、UC(ωf)和三相电流IA(ωf)、IB(ωf)、IC(ωf)进入稳定阶段，即幅值相对于中心线的波动小于预设波动阈值以后，持续进行各相等效阻抗Z(ωf)计算；
对于A相：
Figure FDA0003527087050000011
对于B相：
Figure FDA0003527087050000012
对于C相：
Figure FDA0003527087050000013
(5)在各相等效阻抗Z(ωf)值进入稳定阶段即幅值相对于中心线的波动小于预设波动阈值以后，对计算得到的各相等效阻抗Z(ωf)取其实部Re(Z(ωf))得到各相等效电阻Ra、Rb、Rc，并计算平均值
Figure FDA0003527087050000014
如果Req＞Rset则判定配电线路上发生的是瞬时性故障；如果Req＜Rset则判定配电线路上发生的是永久性故障；
(6)分布式电源控制器将故障性质识别结果传输给线路保护装置，当判断故障性质为瞬时性故障时，启动断路器在达到设定的重合闸时间后进行重合闸，当判断故障性质为永久性故障时，闭锁断路器重合闸指令。
2.根据权利要求1所述的基于注入信号的三相短路故障性质识别方法，其特征在于：
在步骤(2)中，所述延时Δt1取值范围为(0.5～1s)。
3.根据权利要求1所述的基于注入信号的三相短路故障性质识别方法，其特征在于：
注入试探信号的频率ωf选择在100Hz～500Hz范围内。
4.根据权利要求1或3所述的基于注入信号的三相短路故障性质识别方法，其特征在于：
在步骤(2)中，所述注入信号持续时间控制在50ms～100ms。
5.根据权利要求1所述的基于注入信号的三相短路故障性质识别方法，其特征在于：
在步骤(5)中，预设波动阈值选取为3％。
6.根据权利要求1或5所述的基于注入信号的三相短路故障性质识别方法，其特征在于：
在步骤(5)中，所述故障性质判别电阻设定值Rset按配电线路单位长度电阻乘以线路长度计算得到。
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