一種適用于多端電源交流系統(tǒng)的故障方向判斷方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適用于多端電源交流系統(tǒng)的故障方向判斷方法：實(shí)時(shí)采集流過保護(hù)裝置的電流，并分離出負(fù)序電流；若三相電流對稱，則通過控制三相中的一相濾波數(shù)據(jù)窗延遲而人為產(chǎn)生不平衡電流，并分離出負(fù)序電流；實(shí)時(shí)采集同一母線上無源支路的正序電流；計(jì)算采集到的負(fù)序電流和正序電流間的相位關(guān)系；若相位差大于90°且小于270°，則判定為正方向故障；若相位差大于?90°且小于90°，則判定為反方向故障；若判定為正方向故障，則開放保護(hù)裝置；若判定為反方向故障，則閉鎖保護(hù)裝置。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)正方向故障時(shí)開放保護(hù)裝置，反方向故障時(shí)閉鎖保護(hù)裝置，從而保證保護(hù)裝置的選擇性和可靠性，避免保護(hù)拒動(dòng)、誤動(dòng)。
【專利說明】
一種適用于多端電源交流系統(tǒng)的故障方向判斷方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于流過保護(hù)的負(fù)序電流和同 一母線上無源支路正序電流間相位關(guān)系的故障方向判據(jù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)IOkV中壓配電網(wǎng)受短路電流限制通常采用環(huán)網(wǎng)建設(shè)輻射運(yùn)行方式。隨著大城 市負(fù)荷密度的不斷增加，配電網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，輻射狀網(wǎng)絡(luò)可靠性低的缺陷愈發(fā)突出。與 此同時(shí)，客戶對供電可靠性、電能質(zhì)量的要求卻在不斷提高，對于計(jì)算機(jī)、工廠調(diào)速裝置、精 密儀器等敏感負(fù)荷，即使短時(shí)的供電中斷也會(huì)帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的社會(huì) 影響。為了提高配電網(wǎng)的供電能力和運(yùn)行可靠性，需要改進(jìn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
[0003] 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)研究的深入，基于電壓源換流器的柔性直流技術(shù) 在城市配電網(wǎng)的增容改造、交流系統(tǒng)互聯(lián)、大規(guī)模分布式電源并網(wǎng)等方面具有較強(qiáng)的技術(shù) 優(yōu)勢，除能夠提供動(dòng)態(tài)無功支持等優(yōu)點(diǎn)外，在遇到設(shè)備過載或故障檢修時(shí)，柔直裝置能夠經(jīng) 濟(jì)、安全地實(shí)現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移，大幅減少轉(zhuǎn)移過程的供電中斷。同時(shí)柔直裝置可靈活控制系統(tǒng)潮 流，實(shí)現(xiàn)多饋線間的負(fù)荷均衡，優(yōu)化電網(wǎng)的供電能力，顯著提高配電網(wǎng)的可靠性和設(shè)備利用 率。
[0004] 分布式電源以及柔直裝置的接入使得原有配電網(wǎng)由傳統(tǒng)的單電源供電的輻射狀 網(wǎng)絡(luò)變?yōu)槎喽穗娫垂╇姷木W(wǎng)絡(luò)，功率不再單一方向流動(dòng)。同時(shí)柔直裝置的故障特征與控制 特性有關(guān)，不同于傳統(tǒng)交流系統(tǒng)，因此傳統(tǒng)配電網(wǎng)中應(yīng)用的三段式電流保護(hù)受柔直裝置接 入的影響，會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)、拒動(dòng)等問題。為了既保留應(yīng)用三段式電流保護(hù)又保證配電網(wǎng)保護(hù)動(dòng) 作可靠性，很多文獻(xiàn)提出為原有三段式電流保護(hù)加裝方向元件。
[0005] 傳統(tǒng)方向性電流保護(hù)的方向元件是采用90°接線方式的功率方向元件，而采用功 率方向元件一方面需要增設(shè)電壓互感器，會(huì)增加設(shè)備投資和二次系統(tǒng)接線復(fù)雜性;另一方 面柔直裝置的工作特征受控制策略影響，應(yīng)用于交直流互聯(lián)系統(tǒng)中的柔直裝置應(yīng)具備故障 穿越能力，在不對稱故障時(shí)其輸出故障電流與出口母線電壓的夾角取決于相應(yīng)的控制策 略，而不等于線路阻抗角。這些特性使得柔直裝置接入后的交流系統(tǒng)故障特征和故障分析 方法要更加復(fù)雜。而且柔直裝置具有四象限運(yùn)行特性，與分布式電源單一象限運(yùn)行特性有 所不同。目前已有的研究成果主要是針對于分布式電源接入配電網(wǎng)的情況，其中典型的有 基于故障前后正序電流相位比較的方向判據(jù)、基于正序故障電流和故障前電壓相位信息的 方向判據(jù)、基于母線處各出線電流故障分量幅值比較的方向判據(jù)等，這些原理有的受潮流 方向、母線出線數(shù)量、過渡電阻影響大，有的需要額外裝設(shè)電壓互感器，均不適合柔直裝置 接入交流配電系統(tǒng)的情況。為此需要研究發(fā)明更加全面可靠適應(yīng)范圍更廣的故障方向判 據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對母線含有無源支路的多端電源供電的交流系統(tǒng)，提出了一種基于流過 保護(hù)的負(fù)序電流和同一母線上的無源支路正序電流間相位關(guān)系的新型故障方向判據(jù)。實(shí)現(xiàn) 正方向故障時(shí)開放保護(hù)裝置，反方向故障時(shí)閉鎖保護(hù)裝置，從而保證保護(hù)裝置的選擇性和 可靠性，避免保護(hù)拒動(dòng)、誤動(dòng)。本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0007] -種適用于多端電源交流系統(tǒng)的故障方向判斷方法，執(zhí)行以下步驟：
[0008] (1)實(shí)時(shí)采集流過保護(hù)裝置的電流，并分離出負(fù)序電流;若三相電流對稱，則通過 控制三相中的一相濾波數(shù)據(jù)窗延遲而人為產(chǎn)生不平衡電流，并分離出負(fù)序電流；
[0009] (2)實(shí)時(shí)采集同一母線上無源支路的正序電流；
[0010] (3)計(jì)算采集到的負(fù)序電流和正序電流間的相位關(guān)系；
[0011] (4)若相位差大于90°且小于270°，則判定為正方向故障；若相位差大于-90°且小 于90°，則判定為反方向故障；
[0012] (5)若判定為正方向故障，則開放保護(hù)裝置;若判定為反方向故障，則閉鎖保護(hù)裝 置。
[0013] 本發(fā)明解決了現(xiàn)有故障方向判據(jù)在多端電源供電的交流系統(tǒng)中不適用的缺陷，實(shí) 現(xiàn)了故障方向的可靠識別。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方法適用于傳統(tǒng)正弦交流電源等不產(chǎn)生負(fù) 序電壓的電壓源或逆變型分布式電源等不產(chǎn)生負(fù)序電流的電流源接入的多端電源網(wǎng)絡(luò)中 母線含有無源支路的情形，不受具體故障穿越策略的影響，抗過渡電阻能力強(qiáng)，受母線出線 數(shù)量的影響小，并且解決了傳統(tǒng)方向元件出口三相故障的死區(qū)問題，無需裝設(shè)電壓互感器。
【附圖說明】
[0014] 圖1為典型的背靠背柔直裝置接入交流系統(tǒng)的計(jì)算模型。
[0015] 圖2為F2點(diǎn)發(fā)生BC相間短路時(shí)的復(fù)合序網(wǎng)。
[0016] 圖3為F3點(diǎn)發(fā)生BC相間短路時(shí)的復(fù)合序網(wǎng)。
[0017]圖4為F4點(diǎn)發(fā)生BC相間短路時(shí)的復(fù)合序網(wǎng)。
[0018]最佳實(shí)施方式
[0019] 本發(fā)明通過對流過保護(hù)的負(fù)序電流和同一母線上的無源支路的正序電流進(jìn)行求 取并比較其相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)正方向故障時(shí)開放保護(hù)裝置，反方向故障時(shí)閉鎖保護(hù)裝置，從而 保證保護(hù)裝置的選擇性和可靠性，避免保護(hù)拒動(dòng)、誤動(dòng)。其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:第一步，實(shí)時(shí) 采集流過保護(hù)裝置的負(fù)序電流和同一母線上無源支路的正序電流;第二步，計(jì)算兩者間相 位關(guān)系；第三步，判斷故障方向。若相位差大于90°小于270°，則判定為正方向故障，開放保 護(hù)裝置;若相位差大于-90°小于90°，則判定為反方向故障，閉鎖保護(hù)裝置。
[0020] 本發(fā)明的方向判據(jù)給出如下：
[0021]
(1)
[0022] 其中4為流過保護(hù)裝置的負(fù)序電流為同一母線上無源支路正序電流。滿足式 (1)所示判據(jù)時(shí)，判定為正方向故障;不滿足式(1)所示判據(jù)時(shí)，判定為反方向故障。
[0023] 下面首先說明本發(fā)明的故障方向判據(jù)提出的依據(jù)，再結(jié)合具體實(shí)施例更進(jìn)一步地 說明本發(fā)明的故障方向判據(jù)技術(shù)方案。
[0024](一)基于流過保護(hù)的負(fù)序電流和同一母線上無源支路正序電流的方向判據(jù)的提 出
[0025] 基于電壓源型變換器的柔直裝置在系統(tǒng)不平衡時(shí)的控制策略按控制目的不同可 分為兩種:一是抑制交流側(cè)負(fù)序電流，二是抑制直流側(cè)電壓二次諧波。抑制交流側(cè)負(fù)序電流 的控制方式只是使交流側(cè)負(fù)序電流為零，而負(fù)序電壓依然存在，這會(huì)使有功功率產(chǎn)生二次 諧波分量，引起直流側(cè)電壓波動(dòng);而抑制直流側(cè)電壓二次諧波的控制方式實(shí)際上是在交流 側(cè)加入一定的負(fù)序電流，這會(huì)使交流側(cè)系統(tǒng)不平衡情況更加嚴(yán)重。考慮到柔直裝置的應(yīng)用 場景，應(yīng)優(yōu)先保證交流側(cè)的控制情況，提高柔性直流輸電系統(tǒng)在發(fā)生交流側(cè)故障時(shí)的持續(xù) 運(yùn)行能力，因此柔直裝置采用抑制負(fù)序電流的控制策略，在交流系統(tǒng)對稱及不對稱條件下 均輸出三相對稱電流。
[0026] 由于柔直裝置在系統(tǒng)故障時(shí)只輸出正序分量，對于負(fù)序分量網(wǎng)絡(luò)，柔直裝置支路 相當(dāng)于開路，所以柔直裝置的接入不會(huì)改變相間故障時(shí)負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)交流電源 支路不產(chǎn)生負(fù)序電壓。因此，相間故障時(shí)故障點(diǎn)處負(fù)序電壓最高，負(fù)序電流由故障點(diǎn)流向兩 偵U，正方向故障時(shí)流過保護(hù)的負(fù)序電流為負(fù)（電流方向以母線流向線路為正），而反方向故 障時(shí)流過保護(hù)的負(fù)序電流為正，可見負(fù)序電流的流向反映了故障點(diǎn)的方向。
[0027]而無源支路不論是在正常運(yùn)行還是故障狀態(tài)下，其正序電流均由背后系統(tǒng)提供， 方向?yàn)橛赡妇€流向線路，特別是當(dāng)本支路故障時(shí)，無源支路上正序電流同樣是由母線流向 線路。即不論是在正常運(yùn)行還是故障狀態(tài)下，無源支路上正序電流的流動(dòng)方向都是一定的。
[0028]因此對于多端電源之間的線路，如果母線上含有無源支路，就可以利用被保護(hù)線 路負(fù)序電流和同一母線上無源支路正序電流的相位關(guān)系來判斷故障方向。
[0029]假設(shè)全系統(tǒng)阻抗角相等，正方向故障時(shí)：
[0030] (2)
[0031]
[0032] (_3):
[0033] 可以看出，上述分析中將傳統(tǒng)電源等效為正序電壓源，不產(chǎn)生負(fù)序電壓，而柔直裝 置等效為正序電流源，不產(chǎn)生負(fù)序電流。因此對于傳統(tǒng)正弦交流電源等不產(chǎn)生負(fù)序電壓的 電壓源或逆變型分布式電源等不產(chǎn)生負(fù)序電流的電流源，上述分析同樣適用。
[0034] (二)實(shí)施例
[0035] 下面以附圖1所示背靠背柔直裝置接入的交流系統(tǒng)中保護(hù)R2、R3為例，通過分析相 間故障的復(fù)合序網(wǎng)，給出方向判據(jù)在正反方向故障時(shí)的具體相位關(guān)系公式，得出方向判據(jù) 的動(dòng)作范圍。
[0036] 1.保護(hù)R2反方向故障
[0037] F2點(diǎn)發(fā)生BC相間故障時(shí)，根據(jù)邊界條件，得到復(fù)合序網(wǎng)如附圖2所示，其中R = Rf/ 2〇
[0038]由附圖2,根據(jù)電路定律分析可得流過保護(hù)R2的負(fù)序分量/R2同流過保護(hù)Rl的正序 電流A1的關(guān)系：
[0039]
[0040] 其中
[0041] Zi = Zac+Zcd+Zld2 (5)
[0042] Z2=(l-a)ZAB+ZLDi (6)
[0043] 考慮到配電網(wǎng)中負(fù)荷等效阻抗遠(yuǎn)大于系統(tǒng)等效阻抗，故可以作如下近似：
[0044] Zs//Zi^Zs,Z2^Zldi (7)
[0045] Ul丨丨忒斤化丨
[0046]
CS)
[0047] 近似認(rèn)為系統(tǒng)阻抗角等于線路阻抗角為Θ，負(fù)荷阻抗角為爐，則可得心=〇時(shí)/&2與 的相位關(guān)系：
[0048]
(9)
[0049] Rf - 時(shí)/κ,與苽的相位關(guān)系：
[0050]
(10)
[0051 ] 2.保護(hù)R2正方向故障
[0052] F3處發(fā)生BC相間故障時(shí)，根據(jù)邊界條件，得到復(fù)合序網(wǎng)如附圖3所示。
[0053] 由附圖3,根據(jù)電路定律分析可得流過保護(hù)R2的負(fù)序分量iR2同流過保護(hù)Rl的正序
電流4的關(guān)系：
[0054]
[0055]
[0056]
[0057]
[0058]
[0059]
[0060]
[0061]
[0062] L〇〇73」4.保護(hù)R3反方向故障
[0074] F4點(diǎn)發(fā)生BC相間故障時(shí)，根據(jù)邊界條件，得到復(fù)合序網(wǎng)如附圖4所示。
[0075] 由附圖4,根據(jù)電路定律分析可得流過保護(hù)R3的負(fù)序分量&同流過保護(hù)R4的正序 電流}L的關(guān)系：
[0076]
<21)
[0077] 其中
[0078] Z5 = Zs// ( Zab+Zldi ) +Zac+AZcd (22)
[0079] Z6=(1-A)Zcd+Zld2 (23)
[0080] 式（21)近似為：
[0081]
[0082]
[0083]
[0084]
[0085]
[0086] 通過前述分析可以看出，利用流過被保護(hù)線路的負(fù)序電流與同一母線無源支路的 正序電流的角度，可構(gòu)成不需要電壓信息的方向元件。
[0087] 綜合上述分析結(jié)果，得到不同故障情況下序電流的相位關(guān)系如表1所示。
[0088] 表1不同故障情況下序電流相位關(guān)系
[0090] 其中#為負(fù)荷阻抗角，Θ為線路阻抗角。
[0091] 因此可設(shè)置方向元件的動(dòng)作方程為：
[0092]
(2.7)
[0093] 5.三相短路
[0094]上述分析均是基于BC相間故障，而針對三相短路不含負(fù)序分量的情況，可以通過 控制三相中的一相濾波數(shù)據(jù)窗延遲，另外兩相濾波數(shù)據(jù)窗正常，這樣在三相故障時(shí)就人為 制造出了不對稱。例如，令A(yù)相數(shù)據(jù)窗滯后幾個(gè)周期，B、C兩相數(shù)據(jù)窗正常，三相短路時(shí)的故 障特征就與BC兩相短路相同，可以分解出負(fù)序分量，能夠可靠反應(yīng)三相短路。因而上述原理 可以用作相間保護(hù)的方向判據(jù)。
[0095] 上述分析可推廣到各種多端電源配電網(wǎng)中需要方向元件的保護(hù)，電源類型既可以 是傳統(tǒng)正弦交流電源，也可以是基于電壓源型變流器的背靠背柔直裝置或逆變型分布式電 源。電源類型不同會(huì)影響故障時(shí)測得的序電流相角差，但是仍滿足式(27)所示的動(dòng)作方程。
[0096] 以上內(nèi)容僅為本發(fā)明的實(shí)施例，其目的并非用于對本發(fā)明所提出的系統(tǒng)及方法的 限制，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求為準(zhǔn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員在不偏離本發(fā)明的范圍和精神 的情況下，對其進(jìn)行的關(guān)于形式和細(xì)節(jié)的種種顯而易見的修改或變化均應(yīng)落在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種適用于多端電源交流系統(tǒng)的故障方向判斷方法，執(zhí)行以下步驟： (1) 實(shí)時(shí)采集流過保護(hù)裝置的電流，并分離出負(fù)序電流;若三相電流對稱，則通過控制 三相中的一相濾波數(shù)據(jù)窗延遲而人為產(chǎn)生不平衡電流，并分離出負(fù)序電流； (2) 實(shí)時(shí)采集同一母線上無源支路的正序電流； (3) 計(jì)算采集到的負(fù)序電流和正序電流間的相位關(guān)系； (4) 若相位差大于90°小于270°，貝lj判定為正方向故障；若相位差大于-90°小于90°，則 判定為反方向故障； (5) 若判定為正方向故障，則開放保護(hù)裝置;若判定為反方向故障，則閉鎖保護(hù)裝置。
【文檔編號】H02H7/26GK106058825SQ201610363030
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】薛士敏, 史哲, 楊靜悅
【申請人】天津大學(xué)