CN115622015A - 基于故障后配电网对地参数测量的有源消弧方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于故障后配电网对地参数测量的有源消弧方法，包括以下步骤：检测系统三相电压和零序电压，判断是否发生单相接地故障；向配电网注入非工频电流信号，实现配电网对地等效参数测量；依据对地参数计算注入补偿电流的参考值，实现接地故障电流全补偿；判断接地故障是否已消失，若故障消失，则有源消弧装置退出本次故障处理工作。本发明方法通过有源逆变器向中性点注入非工频小电流信号，分别实现配电网对地参数的精确测量及故障支路电流的全补偿；本发明方法能够反映配电网结构和对地支路参数的实时变化，进而实现可靠熄弧的目的，不受网架结构、参数、过渡电阻的影响，灵敏度高。

Description

基于故障后配电网对地参数测量的有源消弧方法

技术领域

本发明属于配电网接地故障消弧方法技术领域，具体涉及一种基于故障后配电网对地参数测量的有源消弧方法。

背景技术

随着我国配电网规模的进一步扩大，对其安全稳定的运行和可靠的供电要求越来越高，单相接地故障约占配电网各类故障的80％以上，为限制接地短路电流，我国一般采用中性点非有效接地运行方式。但随着配电网中电力电缆的大量使用，接地电流增大，故障点电弧难以自行熄灭，容易产生故障过电压，造成大面积停电等重大事故，危及电网安全。

现在配电网单相接地故障的对地参数测量及故障消弧研究中存在以下问题：

1、对地参数的精确测量对于故障检测、有源消弧、过电压防护等技术的发展有重要作用。现有方法大部分是在配电网正常运行情况下进行对地电容的测算，主要存在两个弊端，一方面不能同时有效的测量线路对地等效电阻，另一方面，配电网单相接地故障一般为非金属性故障，由于过渡电阻的存在，故障线路对地等效参数发生改变，正常运行时的测量值不能反映网络结构和故障对地支路参数的实时变化，不利于进一步实现可靠消弧；

2、小电流接地系统发生单相接地故障，由于故障点存在虚拟零序电源的激励，工频下的零序电流、电压不能直接反映故障点电流和过渡电阻，即不能直接计算求得对地等效参数；

3、配电网一般采用中性点经消弧线圈接地运行方式，消弧线圈产生的感性电流可以补偿接地故障电流中的容性无功分量，但对有功分量无能为力，因此，一般采用有源消弧方法，而传统有源消弧中未考虑故障过渡电阻部分引起的有功电流分量，不能实现接地故障电流完全补偿。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术存在的不能可靠熄弧、不能直接计算求得对地等效参数和不能实现接地故障电流完全补偿的不足，提供一种基于故障后配电网对地参数测量的有源消弧方法。

为了达到本发明的目的，本发明采用以下技术方案：一种基于故障后配电网对地参数测量的有源消弧方法，包括以下步骤：

1)检测三相电源电压和中性点电压，判断是否发生单相接地故障；

2)通过有源消弧装置向配电网注入一个非工频的小电流信号，实现配电网对地等效参数的精确测量；

3)故障选相，以步骤2)测得对地等效参数作为向中性点注入电流参考值的依据，补偿配电网对地等效参数在零序电压作用下产生的无功及有功电流，实现故障支路电流全补偿；

4)判断接地故障是否已消失，若接地故障存在，再根据用户的设置，若不需要隔离故障馈线，同时有源消弧装置投入运行时间没到用户设定的运行时间，则跳转到步骤3，其他情况则跳转到步骤5；

5)故障消失后，退出有源消弧装置，配电网恢复正常运行。

进一步的，上述步骤4)中，检测单相接地故障并未消失，需要继续进行电流注入消弧。

进一步的，上述步骤2)、3)中，有源消弧装置包括直流电源、有源逆变器、注入变压器和消弧线圈，有源逆变器通过隔离变压器与中性点的消弧线圈并联。

进一步的，上述步骤2)中，从中性点向配电网注入非工频的小电流信号I_m，结合消弧线圈内置电压互感器测量的该注入信号中性点返回的零序电压信号e_m，通过构建该频率下求取对地参数的零序等效回路，得到配电网线路对地导纳具体为：

上式中，I_m∠α代表注入非工频电流信号，e_m∠β为消弧线圈内置电压互感器二次侧测得零序电压，n₁为电压互感器变比，L_P为中性点消弧线圈电感值，w₁为注入非工频电流信号对应的角频率，R_f代表故障过渡电阻。

进一步的，上述步骤3)中有源消弧装置的输出电流为：

上式中，U₀是未投入有源消弧装置时的中性点电压；E_C为故障相电源电压；C_∑、G_∑分别是配电网对地等效电容和对地泄漏电导；R_f代表故障过渡电阻；ω为配电网工频角频率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在故障后主动注入非工频特征电流信号，构建该特征频率信号下的零序等效网络，能够实时、准确测量出配电网的对地等效参数，反映单相接地故障后配电网结构的动态变化，且不影响配电网的保护装置和消弧装置的正常运行。

2、基于故障后注入的参数测量结果，能够准确计算故障点的残流大小，进而可实现故障点电流的无功、有功分量的全补偿消弧。

综上所述，本发明方法利用有源消弧装置注入两次电流，即可实现对地参数测量和故障消弧，不仅实时反映了配电网发生单相接地故障后的结构变化，且测量精度高、不受系统运行方式的影响，原理清晰、操作简单，只需在低压侧操作，具有更好的安全性和经济性。

附图说明

图1(a)为本发明实施例所述配电网有源消弧装置原理图图；

图1(b)为本发明实施例所述有源逆变器拓扑结构及控制示意图；

图2为本发明实施例所述故障后配电网对地参数测量等效电路图；

图3为本发明实施例所述有源消弧零序等效电路图；

图4为本发明实施例所述故障消弧流程图；

图5为故障过渡电阻为1000Ω时经本发明方法补偿后的故障点电流波形图；

图6为故障过渡电阻为1000Ω时经本发明方法补偿后的三相电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做详细说明。

参见图4，本发明提出一种基于故障后配电网对地参数测量的有源消弧方法，包括以下步骤：

1)实时检测配电网三相电源电压和中性点电压，判断是否发生单相接地故障；

检测三相电源电压和中性点电压，当中性点电压偏移超过15％的相电压判断为单相接地故障发生。参见图1(a)，本发明实施例所采用的一种配电网单相接地故障有源消弧装置，包括有源逆变器VSC、注入变压器ZRB、消弧线圈Lp和直流电源S，单相逆变器VSC直流侧由直流电源S供电，并经注入变压器ZRB与消弧线圈Lp并联。参见图1(a)，本实施例中根据选相算法判定配电网发生C相接地故障，该方法中，非有效接地配电网的故障选线技术在目前已非常成熟，发明不再予以赘述。E_A、E_B、E_C分别为配电网三相电源电压；U_N为中性点电压；C_∑是配电网对地总电容，即C_∑＝C_A+C_B+C_C；G_∑为配电网对地总电导，即G_∑＝G_A+G_B+G_C+G_f；故障点过渡电阻为R_f＝1/G_f；L_P是消弧线圈电感值。

所述有源消弧装置中包括直流电源和有源逆变器，其能够输出频率、幅值可调的小电流信号，实现注入参数检测功能。

2)发生单相接地故障后，投入有源消弧装置，向配电网注入一个非工频的小电流信号，实现配电网对地等效参数的精确测量。

参见图1(b)，本发明通过有源逆变器VSC实现注入功能，其中L₀、C₀为逆变器输出滤波电感、电容。有源逆变器通过直流电源S供电。

参见图2，从中性点注入非工频小电流信号I_m，本实施例中I_m为注入的75Hz电流信号，通过消弧线圈内置电压互感器测量该频率下的返回电压e_m，提取注入频率下的各电压电流分量，构建75Hz下的零序等效回路，得到配电网线路对地导纳具体为：

上式中，I_m∠α代表注入非工频电流信号，e_m∠β为消弧线圈内置电压互感器电压，n₁为电压互感器变比，L_P为消弧线圈电感值，w₁为注入非工频电流信号对应的角频率，R_f为故障过渡电阻。其中，对于谐振接地系统，消弧线圈参数L_P为已知参数。

根据上式进而可得配电网对地总电容和对地总电导为：

对地总电容：

对地总电导：

其中：C_∑、G_∑分别是配电网对地等效总电容和对地总电导。

参见图3，配电网发生单相接地故障后，故障零序电流通过系统对地等效参数形成回路，在中性点未接入有源消弧装置之前，系统接地电流包括在零序电压作用下对地等效电容产生的容性无功分量、对地泄漏电阻和故障过渡电阻产生的阻性有功分量以及消弧线圈电感引起的感性无功分量。

3)判断故障相，并计算消弧所需要注入电流的参考值。

消弧所需注入电流参考值为：

其中，U₀为有源逆变器未接入前的中性点电压，E_C为故障相电源电压，C_∑、G_∑分别是配电网对地等效总电容和对地总电导，R_f为故障过渡电阻，w为配电网工频角频率，L_P为消弧线圈电感值。

为实现可靠消弧，控制有源逆变器向中性点注入与系统接地电流大小相等、方向相反的补偿电流I_in，参见图1(b)，通过电流闭环控制可跟踪电流控制目标I_in输出幅值、频率可调的电流。补偿配电网对地等效参数在零序电压作用下产生的无功及有功电流，实现故障支路电流全补偿。

通过步骤2和3,注入两次电流，完成故障后配电网对地参数的精确测量和故障电流全补偿。

4)判断接地故障是否消失，若接地故障存在，再根据用户的相关设置，若不需要隔离故障馈线，同时有源消弧装置投入运行时间没到用户设定的运行时间，则有源消弧装置继续注入补偿。

5)故障消失后，退出有源消弧装置，配电网恢复正常运行。

为了验证本发明所描述的基于故障后配电网对地参数测量的有源消弧方法的有效性，基于PSCAD/EMTDC建立了配电网仿真模型，其仿真结果如图5图6所示，模拟系统C相经1000Ω过渡电阻接地，系统仿真时间为0.45s，0.1s系统C相发生单相接地故障，0.15s投入有源消弧装置，从图5可以看出，投入有源消弧装置后，接地电流被快速抑制到0，由图6可知单相接地故障发生时，故障相C相电压下降，非故障相电压升高，在投入消弧装置后，故障相C相电压被快速抑制到0，实现故障点彻底熄弧。

综上，本发明所述一种基于故障后配电网对地参数测量的有源消弧方法，通过有源逆变器向中性点依次注入非工频电流和补偿电流，分别进行对地等效参数的测量和故障接地电流的全补偿。实时反映了配电网结构的动态变化，且适应于不同运行方式、不同过渡电阻，具有较高精度和安全性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于故障后对地参数测量的配电网有源消弧方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)检测三相电源电压和中性点电压，判断是否发生单相接地故障；

2)通过有源消弧装置向配电网注入一个非工频的小电流信号，实现配电网对地等效参数的精确测量；

3)故障选相，以步骤2)测得对地等效参数作为向中性点注入电流参考值的依据，补偿配电网对地等效参数在零序电压作用下产生的无功及有功电流，实现故障支路电流全补偿；

4)判断接地故障是否已消失，若接地故障存在，再根据用户的设置，若不需要隔离故障馈线，同时有源消弧装置投入运行时间没到用户设定的运行时间，则跳转到步骤3)，其他情况则跳转到步骤5)；

5)故障消失后，退出有源消弧装置，配电网恢复正常运行。

2.根据权利要求1所述的基于故障后配电网对地等效参数测量的有源消弧方法，其特征在于，所述步骤4)中，检测单相接地故障并未消失，需要继续进行电流注入消弧。

3.根据权利要求1或2所述的基于故障后配电网对地等效参数测量的有源消弧方法，其特征在于，所述步骤2)、3)中，有源消弧装置包括直流电源、有源逆变器、注入变压器和消弧线圈，有源逆变器通过隔离变压器与中性点的消弧线圈并联。

4.根据权利要求3所述的基于故障后配电网对地等效参数测量的有源消弧方法，配电网发生单相接地故障后，测量对地等效参数的方法，其特征在于，所述步骤2)中，从中性点向配电网注入非工频的小电流信号I_m，结合消弧线圈内置电压互感器测量的该注入信号中性点返回的零序电压信号e_m，通过构建该频率下求取对地参数的零序等效回路，得到配电网线路对地导纳具体为：

上式中，I_m∠α代表注入非工频电流信号，e_m∠β为消弧线圈内置电压互感器二次侧测得零序电压，n₁为电压互感器变比，L_P为中性点消弧线圈电感值，w₁为注入非工频电流信号对应的角频率，R_f代表故障过渡电阻。

5.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障有源消弧方法，其特征在于，步骤3)中有源消弧装置的输出电流为：

上式中，U₀是未投入有源消弧装置时的中性点电压；E_C为故障相电源电压；C_∑、G_∑分别是配电网对地等效电容和对地泄漏电导；R_f代表故障过渡电阻；ω为配电网工频角频率。

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