CN207730865U - 一种基于对称分量法的含光伏电站并网系统故障定位装置 - Google Patents

Abstract

一种基于对称分量法的含光伏电站并网系统故障定位装置，其包括依次连接的电流电压监测与采集系统、模拟低通滤波电路、采样保持电路、模拟量多路转换开关与逐位比较A/D转换器与中央处理器。其针对的是光伏电站并网且中性点经电阻接地系统，利用35kV系统侧接地变压器中性线上的电流互感器测得零序电流，35kV系统侧线路上电流互感器测得三相电流，35kV母线上的电压互感器测得三相电压，光伏发电单元高压侧单相电流互感器测得光伏电站内部电流，计算输电线路上故障点与系统侧35kV母线之间的距离，判断故障地点。线路发生故障时，及时确定故障地点、并发出故障报警以缩短故障地点查找时间，具有很好的定位精度和稳定的运行性能。

Description

一种基于对称分量法的含光伏电站并网系统故障定位装置

技术领域

本实用新型涉及电力系统技术、故障定位技术等领域，具体的说，是一种基于对称分量法的含光伏电站并网系统故障定位装置。

背景技术

随着电力系统规模日益扩大和大型光伏电站的不断并入电网，输电网络结构也愈加复杂，电力系统故障发生率不可避免地增大，于是传统故障定位方法和装置不再适用，含大型光伏电站的故障定位成为发展光伏发电技术的重要环节。

目前，传统输电网故障定位方法从原理主要可分为：行波法、阻抗法。行波法是利用测量线路故障时故障点发出的近似光速的高频暂态行波到达两端母线的时间来计算故障距离。阻抗法根据获取单侧还是双侧母线信号的不同，可细分为单端法和双端法。单端法用于传统输电网时，一般无法消除过渡电阻的影响，造成测距精度不高。因此，在传统输电网的故障测距中一般采用双端法。

在含光伏电站的集电网络中，光伏电站采用正序控制策略，且光伏逆变器所接变压器为 Y/d/d接线，因此故障时光伏电源的输出电流仅含正序分量，含光伏并网的集电网络发生单相接地故障时的零序电流只来自系统侧。

本专利申请对含光伏电站的集电网络发生单相接地故障时的故障测距进行详细的研究和分析，设计出一种基于对称分量法的含光伏电站并网系统故障定位装置。

实用新型内容

针对包含光伏电站并网的电力系统的实际需要，本实用新型的目的在于提供一种快速、准确、可靠的基于对称分量法的含光伏电站并网系统故障定位装置。使用该装置，当线路发生故障时，该装置可以及时确定故障地点、并发出故障报警，大大缩短了查找故障地点的时间，为快速排除故障、恢复正常供电，提供了有力保障。

本实用新型通过下述技术方案实现：一种基于对称分量法的含光伏电站并网系统故障定位装置，其特征在于：其包括依次连接的电流电压监测与采集系统、模拟低通滤波电路、采样保持电路、模拟量多路转换开关(MPX)与逐位比较A/D转换器与中央处理器(CPU)；中央处理器(CPU)连接有电源。

本实用新型各部件的结构与主要作用如下：

1.电流电压监测与采集系统，包含系统侧互感器装置和光伏站内集电线路互感器装置；具体的，采集系统侧零序电流所用互感器安装在35kV系统侧接地变压器中性线上，采集三相电流所用互感器安装在35/110kV升压变压器低压侧出口线路上，采集电压所用互感器安装于35/110kV升压变压器低压侧母线上；还需要在光伏发电单元的箱式变压器高压侧A、B、 C三相任选一相安装电流互感器，用于采集光伏发电单元内部的电流(已转换为电压信号，可利用欧姆定律：I＝U/R转换为电流信号，R值已知)，再通过网络传输给采集系统用于故障定位计算。其中交流电流的变换一般采用电流变换器，并在其二次侧并联电阻以取得所需的电压，只要铁芯不饱和，其二次电流及并联电阻上的电压的波形就可以基本保持与一次电流波形相同且同相。除了起电量变换的作用，还起到隔离作用，它使计算机与强电系统隔离，从而在较大强度上减弱了来自高压系统的干扰。

2.模拟低通滤波电路，包括第一电阻R₁与第二电阻R₂串联，同时，第一电阻R₁与第一电容C₁构成反“Γ”型连接，第二电阻R₂与第二电容C₂构成反“Γ”型连接。用于限制输入信号的最高频率，在采样前使用模拟低通滤波器，用于将1/2采样频率以上的信号频率分量滤掉。当采样频率大于被采样信号所含最高频率成分的两倍时，可以避免频率混叠。

3.采样保持电路，包括子模拟开关AS、阻抗变换器I和阻抗变换器II串联，电容C₃与阻抗变换器II构成“Γ”型连接。逻辑输入装置与电子模拟开关AS连接。采样保持电路能在极短的时间内测量输入量在该时刻的瞬时值，并在A/D进行转换期间保持其输出不变。电子模拟开关AS受逻辑输入装置中的逻辑输入端电平控制，AS打开时，电容C上保持住AS 打开瞬间的电压，电路处于保持状态。为了提高保持能力，电路中应用了另一个阻抗变换器II，它对C呈现高阻抗，而输出阻抗很低，以增强带负荷的能力。

4.逐位比较A/D转换器，设置有控制电路、数码寄存器、电子开关、R-2R网络、比较器，数码寄存器与控制电路相连接，电子开关与数码寄存器相连接，R-2R D/A网络连接电子开关， R-2R网络连接比较器，比较器与控制电路连接，形成闭环结构。借助R-2R转换网络，将待转换的模拟电压与一组呈二进制关系的标准电压一位一位地进行比较，将模拟电压转换成二进制数。比较器用来比较D/A转换网络的输出电压与待转换的直流模拟电压的大小；控制电路实现对数码寄存器的状态进行置“1”和清“0”的功能。

5.中央处理器(CPU)是电子计算机的主要设备之一。CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件，运算器和控制部件等，其主要功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。电子计算机中所有操作都由CPU负责读取指令，对指令译码并执行指令。

本实用新型针对的是光伏电站并网且中性点经电阻接地系统，利用35kV系统侧接地变压器中性线上的电流互感器测得零序电流，35kV系统侧线路上电流互感器测得35kV线路三相电流，35kV母线上的电压互感器测得三相电压，以及光伏发电单元高压侧单相电流互感器测得光伏电站内部的电流。

应用本实用新型，当线路发生故障时，可以及时确定故障地点、并发出故障报警以缩短查找故障地点的时间，具有很好的定位精度和很稳定的运行性能，有广泛的应用前景。

在本实用新型中仅以光伏电站正序控制为例，光伏站正序控制时，需要采集的数据包括： 35kV系统侧接地变压器中性线上的零序电流，35/110kV升压变压器低压侧出口线路上的电压电流，还需要采集各个光伏发电单元的电流。本实用新型与现有技术相比，具有以下主要优点与有益效果：

(1)本实用新型基于对称分量法进行分析，由光伏逆变器会通过控制只输出正序分量的特点，且光伏逆变器所接变压器为Y/d/d接线，因此故障时光伏逆变器的输出电流仅含正序分量，故障定位计算所需的零序电流只来自系统侧。故零序电流数据可仅从35kV系统侧接地变压器中性线上安装的零序电流互感器TA₀采集。

(2)本实用新型在线路两端都设置有电流电压采集装置，但在判断故障的不同阶段，会选择性的使用这些采集到的数据，具体来说，分为站内故障和站外故障：CPU会首先假设故障地点在光伏电站外部即线路MN上，运用故障点在光伏电站外部的算法对故障地点进行判断，因为光伏站只输出正序电流且都流向电力系统侧，所以此时只需要提取系统侧零序电流互感器TA₀、系统侧三相电流互感器TA和三相电压互感器TV所采集的数据，即利用系统侧单端数据就可实现含光伏电站的集电网络精确故障测距；如果经过以上计算，故障地点超出了系统线路MN，需利用故障在光伏电站内部时的算法重新计算故障地点。因为故障地点在光伏电站内部时，光伏发电单元的输出电流将流向光伏站内部故障点，所以相比站外故障，站内故障还需要用到光伏发电单元的输出电流，利用光伏发电单元的各个电流互感器TA₁， TA₂，TA₃，……采集的各个光伏发电单元的输出电流，即利用线路两端的测量数据实现精确故障测距。

(3)由于光伏站正序控制时，光伏发电单元输出的三相电流大小相等，相位互差120°，所以只需要在光伏发电单元的任意一相安装电流采集装置，再结合系统侧的电流电压采集装置即可实现精确故障定位。

(4)当线路发生故障时，该系统可以及时确定故障地点、并发出故障报警，大大缩短了查找故障地点的时间，为快速排除故障、恢复正常供电，提供了有力保障。

(5)接地故障判断准确率高，使用安全性高，能够在线监测线路运行参数，计算故障距离，定位故障地点，最终达到故障及时隔离、及时发现、及时处理的目的。在正常运行时，可为电网运行方式的优化提供支撑。

附图说明

图1为本实用新型电力系统网络光伏站外F点故障总体结构示意图；

图2为本实用新型电力系统网络光伏站内E点故障总体结构示意图；

图3为本实用新型电力系统线路故障定位装置结构示意图。

图中：1—电流电压监测与采集系统，2—模拟低通滤波电路，3—采样保持电路，4—模拟量多路转换开关(MPX)，5—逐位比较A/D转换器，501—控制电路，502—数码寄存器， 503—电子开关，504—R-2R网络，505—比较器，6—中央处理器(CPU)，7—电源，SP—系统电源，TA₀—系统零序电流互感器，TA—系统侧三相电流互感器，TA₁～TA_n—第1至第n 光伏发电单元电流互感器，TV—电压互感器，TA_p—光伏发电单元电流互感器，M—35/110kV升压变压器低压侧母线，N—光伏电站汇集线路侧母线，l_mn—母线M与母线N之间的距离，l—各光伏发电单元之间的距离，C₁—第一电容，C₂—第二电容，C₃—第三电容，I—第一阻抗变换器，II—第二阻抗变换器，R₁—第一电阻，R₂—第二电阻，R_g—中性点接地阻抗，L—逻辑输入装置，T₁—35/110kV升压变压器，T₂—接地变压器，Z_L351—故障点F与母线M之间的线路阻抗，Z_L352—故障点F与母线N之间的线路阻抗，Z_L35—母线M与N之间的线路阻抗，F—光伏站外接地故障发生点，E—光伏站内接地故障发生点。

具体实施方式

如图3所示：一种基于对称分量法的含光伏电站并网系统故障定位装置；其特征在于：其包括依次连接的电流电压监测与采集系统1、模拟低通滤波电路2、采样保持电路3、模拟量多路转换开关4、逐位比较A/D转换器5、中央处理器6；中央处理器6连接有电源7。

电流电压监测与采集系统1包括系统零序电流互感器TA₀、系统侧三相电流互感器TA、电压互感器TV与光伏发电单元电流互感器TA_p，p＝1～n(n为光伏集电线路上发电单元的数量)；参见图1与图2：

具体的，系统电源SP在110kV侧，系统零序电流互感器TA₀安装在35kV母线M上的接地变压器中性线上，用于采集系统侧零序电流；系统侧三相电流互感器TA安装在35/110kV升压变压器T₁的低压侧出口线路上，用于采集系统侧三相电流；电压互感器TV安装在 35/110kV升压变压器低压侧母线M上用于采集电压；光伏发电单元的箱式变压器高压侧A、 B、C三相任选一相安装光伏发电单元电流互感器TA_p，用于采集监测光伏发电单元内部的电流(已转换为电压信号，可利用欧姆定律：I＝U/R转换为电流信号，R值已知)，光伏发电单元电流互感器TA_p的具体数量为光伏集电线路上发电单元的数量，第1至第n光伏发电单元电流互感器TA₁～TA_n相应安装在第1至第n光伏发电单元的箱式变压器高压侧A、B、C三相任选一相。待采集信号为电流信号时，电流电压监测与采集系统1可通过采集该电流流过阻值已知的电阻两端的电压信号实现该电流信号的采集，即电流信号转换成电压信号。

模拟低通滤波电路2包括第一电阻R₁、第二电阻R₂、第一电容C₁与第二电容C₂，第一电阻R₁与第二电阻R2串联，第一电阻R_,1与第一电容C₁构成反“Γ”型连接，第二电阻R₂与第二电容C₂构成反“Γ”型连接；用于限制输入信号的最高频率。在采样前使用模拟低通滤波器，用于将1/2采样频率以上的信号频率分量滤掉。当采样频率大于被采样信号所含最高频率成分的两倍时，可以避免频率混叠。

.采样保持电路3包括电子模拟开关AS、第一阻抗变换器I、第二阻抗变换器II、第三电容C₃与逻辑输入装置L；电子模拟开关AS、第一阻抗变换器I和第二阻抗变换器II串联，第三电容C₃与阻抗变换器II构成“Γ”型连接；逻辑输入装置与电子模拟开关AS连接。采样保持电路能在极短的时间内测量输入量在该时刻的瞬时值，并在逐位比较A/D转换器进行转换期间保持其输出不变。电子模拟开关AS受逻辑输入装置中的逻辑输入端电平控制，AS打开时，电容C上保持住AS打开瞬间的电压，电路处于保持状态。为了提高保持能力，电路中应用了另一个阻抗变换器II，它对C呈现高阻抗，而输出阻抗很低，以增强带负荷的能力。

逐位比较A/D转换器5设置有控制电路501、数码寄存器502、电子开关503、R-2R网络504及比较器505，控制电路501与数码寄存器502相连接，数码寄存器502与电子开关 503相连接，电子开关503与R-2R网络504连接，R-2R网络504与比较器505连接，比较器505与控制电路501连接，形成闭环结构。借助R-2R转换网络，将待转换的模拟电压与一组呈二进制关系的标准电压一位一位地进行比较，将模拟电压转换成二进制数。比较器用来比较D/A转换网络的输出电压与待转换的直流模拟电压的大小；控制电路实现对数码寄存器的状态进行置“1”和清“0”的功能。

本实用新型涉及光伏电站并网，光伏发电采用变流器接口接入电网，电网中发生接地故障时将出现正序、负序和零序分量，本实用新型中光伏电站采用正序控制，且光伏逆变器所接变压器为Y/d/d接线，因此故障时光伏逆变器的输出电流仅含正序分量，故障定位计算所需的零序电流只来自系统侧。由于35kV线路系统侧接地变压器中性线只存在零序电流，所以将采集零序电流的互感器安装在接地变压器中性线，采集得到的零序电流较传统方式将更加精确，电流经处理送入中央处理器进行计算，得到的结果也将更加准确；值得注意的是，本实用新型在线路两端都设置有电流电压采集装置，但在判断故障的不同阶段，会选择性的使用这些采集到的数据，具体来说，分为站内故障和站外故障两种情况：首先假设故障地点 F在光伏电站外部即线路MN上，故障点F与母线M间的线路阻抗为Z_L351，故障点F与母线N间的线路阻抗为Z_L352。运用故障点在光伏电站外部的算法对故障地点进行判断，因为光伏站只输出正序电流且都流向电力系统侧，所以此时只需要提取系统侧的零序互感器TA₀，三相电流互感器TA和三相电压互感器TV所采集的数据，即利用系统侧单端数据实现含光伏电站的集电网络精确故障测距；如果经过以上计算，故障地点超出了系统线路MN，则需用故障在光伏电站内部时的算法重新计算故障地点。因为故障地点在光伏电站内部时，母线 MN之间的线路阻抗为Z_L35，光伏发电单元的输出电流将流向光伏站内部故障点，所以相比站外故障，站内故障定位还要用到光伏发电单元电流互感器TA₁，TA₂，TA₃…TA_n，采集的各个光伏发电单元的输出电流，即利用线路两端的测量数据实现精确故障测距。值得注意的是，由于光伏站正序控制，光伏发电单元输出的三相电流大小相等，相位互差120°，所以只需要在光伏发电单元的A、B、C三相任一相安装电流采集装置，再结合系统侧的电流电压采集装置即可实现故障定位。

本实用新型在实施时不可避免的会涉及到软件程序等，但在现有的各类软件程序(具有进行数据采集分析、对比、整合等功能)即可满足本实用新型的使用。

接地故障点各分量分析：在三相电力系统中，对于任意不对称的三相相量可分解为三组对称分量，分别为正序分量、负序分量、零序分量。设三相相量分别为F_a、F_b、F_c，角标1、 2、0分别代表正序分量、负序分量、零序分量，即

F_a＝F_a1+F_a2+F_a0

F_b＝F_b1+F_b2+F_b0

F_c＝F_c1+F_c2+F_c0

在电网正常运行时，系统中只存在正序分量，但是当电网发生接地故障时，系统中则存在正序分量(F_a1,F_b1,F_c1)、负序分量(F_a2,F_b2,F_c2)、零序分量(F_a0,F_b0,F_c0)；其中，负序分量和零序分量会对电力系统和电力设备产生不良影响；当输电网发生接地故障时，正序分量表现为三相对称、大小相等、相位为a相超前b相120°，b相超前c相120°；负序分量则呈现三相对称、大小相等、相序与正序相反；而零序分量幅值和相位均相同且只有发生接地故障时才存在。

系统采集数据时只能测得三相电流，转换成序分量需要进行如下计算：

1.当光伏电站外部，即35kV线路A相的F点发生接地故障时，如图1所示:由对称分量法可知，可通过三序(正、负、零序)电压、电流分量组合构造成M侧的电压，可得电压方程即：

U_mA＝I_m1Z₁l_x+I_m2Z₂l_x+I_m0Z₀l_x+3I_m0R_g (2)

式中，U_mA：A相相电压；I_m1、I_m2、I_m0:正、负、零序电流相量；Z₁、Z₂、Z₀：正、负、零序单位距离的阻抗；l_x：故障距离；R_g：中性点接地阻抗。

可令

式中I_mj：正负零序电流相量；a_j，b_j，r_j，x_j：常实数；

由于R_g为实数，则可分别取式(2)的实部、虚部相等，可解出故障距离l_x的解析式如下，其中故障距离l_x的解析表达式与R_g无关。

式中：Re(U_mA)为A相电压U_mA的实部；Im(U_mA)为A相电压U_mA的虚部。

2.当光伏电站内部第(k+1)(k＝1,…,n-1)段A相E点发生接地故障时，如图2所示，由对称分量法可知，可通过三序(正、负、零序)电压、电流分量组合构造成M侧的电压，即：

式中，U_mA：A相相电压；I_m1、I_m2、I_m0：正、负、零序电流相量；Z₁、Z₂、Z₀：正、负零序单位距离的阻抗；l_x：故障距离；l_mn：母线M与母线N之间的距离；l：各光伏发电单元之间的距离；R_g：中性点接地阻抗；I_TAk,1：表示第k个光伏逆变器输出电流相量。

可令

式中I_mj：正负零序电流相量；a_j，b_j，r_j，x_j，c_k，d_k：常实数；I_TAk,1：表示第k个光伏逆变器输出电流相量。

由于R_g为实数，则可分别取式(5)的实部、虚部相等，可解出故障距离l_x的解析式如下，其中故障距离l_x的解析表达式与R_g无关。

上式中，Re(U)为电压U的实部；Im(U)为电压U的虚部。电压相量U满足：

Claims (5)

1.一种基于对称分量法的含光伏电站并网系统故障定位装置；其特征在于：其包括依次连接的电流电压监测与采集系统(1)、模拟低通滤波电路(2)、采样保持电路(3)、模拟量多路转换开关(4)、逐位比较A/D转换器(5)、中央处理器(6)；中央处理器(6)连接有电源(7)。

2.根据权利要求1所述的一种基于对称分量法的含光伏电站并网系统故障定位装置；其特征在于：系统零序电流互感器(TA₀)安装在35kV系统侧接地变压器中性线上，系统侧三相电流互感器(TA)安装在35/110kV升压变压器(T₁)的低压侧出口线路上，电压互感器(TV)安装在35/110kV升压变压器低压侧母线(M)上用于采集电压；光伏发电单元的箱式变压器高压侧A、B、C三相任选一相安装光伏发电单元电流互感器(TA_p)。

3.根据权利要求2所述的一种基于对称分量法的含光伏电站并网系统故障定位装置；其特征在于：模拟低通滤波电路(2)包括第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)、第一电容(C₁)与第二电容(C₂)，第一电阻(R₁)与第二电阻(R₂)串联，第一电阻(R₁)与第一电容(C₁)构成反“Γ”型连接，第二电阻(R₂)与第二电容(C₂)构成反“Γ”型连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于对称分量法的含光伏电站并网系统故障定位装置；其特征在于：采样保持电路(3)包括电子模拟开关(AS)、第一阻抗变换器(I)、第二阻抗变换器(II)、第三电容(C₃)与逻辑输入装置(L)；电子模拟开关(AS)、第一阻抗变换器(I)和第二阻抗变换器(II)串联，第三电容(C₃)与阻抗变换器(II)构成“Γ”型连接；逻辑输入装置与电子模拟开关(AS)连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于对称分量法的含光伏电站并网系统故障定位装置；其特征在于：逐位比较(A/D)转换器(5)设置有控制电路(501)、数码寄存器(502)、电子开关(503)、R-2R网络(504)及比较器(505)，控制电路(501)与数码寄存器(502)相连接，数码寄存器(502)与电子开关(503)相连接，电子开关(503)与R-2R网络(504)连接，R-2R网络(504)与比较器(505)连接，比较器(505)与控制电路(501)连接，形成闭环结构。