CN106501667A - 一种含分布式电源配电网单相断线故障选线方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含分布式电源配电网单相断线故障选线方法，包括：应用对称分量法计算出各馈线的负序电流；对各馈线的负序电流进行EMD分解，得到各阶本征模态分量IMF；对各阶本征模态分量IMF分别进行Hilbert变换，得到其相应的瞬时幅值波形；以故障发生时刻为基准，分别计算各馈线设定阶数的本征模态分量IMF在故障前与故障后设定周期以后各m个周波的瞬时幅值之和以及所述瞬时幅值之和的变化量；根据变化量的大小判断出断线故障线路。本发明通过分析考虑分布式电源的配电线路发生单相断线故障后保护安装处各电气量的变化特征，提出断线保护判据，放大故障发生后的特征量，达到可靠检测故障的目的。
Description
技术领域
本发明涉及配电网故障选线技术领域，尤其涉及一种传统配电网单相断线故障选线方法。
背景技术
中小容量的分布式电源越来越广泛地被应用于配电网中，一方面增加了电网的经济性和灵活性，同时也给电网的供电可靠性、继电保护等带来新的问题。分布式电源接入配电网后，将会对线路两端的电压和电流的大小产生影响。当发生故障后，更是影响保护安装处的电压和电流大小，可能导致原有的保护判据和故障判定方法不再适用。因此对含分布式电源的配电线路发生故障后系统的变化特性进行分析以及提出相应的保护判据显得很有必要。
为了解决此问题，高校和科研院所从不同方面提出了各种应对措施。天津大学从理论上推导了分布式电源接入配电网后发生故障时相应的短路电流表达式，以及其对保护和重合闸的影响，并在已有的自适应电流速断保护基础上，对含分布式电源的配电系统的自适应电流速断电流保护进行重新整定；华南理工大学提出计及DG控制特性的配电网故障分析方法，建立对称故障条件下以及不对称故障条件下分布式电源模型，仿真结果验证了对称故障与非对称故障电流计算方法；北京交通大学理论上推导了故障电流与DG容量、DG接入点位置以及故障位置的关系，定量分析并验证了DG对配电网电流保护和重合闸的影响，并提出适用于多DG接入的配电网保护方案；西南交通大学分析了常见的几种分布式电源类型和等值模型，推导出三相短路电流值表达式，得出分布式电源对原有保护配置的影响。
然而，上述研究大都集中在基于短路条件下分布式电源对保护的影响分析，而分布式电源接入后对单相断线故障的影响，尚未有人论及。为了适应智能配电网建设的发展要求，提高供电可靠性，最大限度地发挥分布式电源接入电网的经济性，对含分布式电源的配电线路单相断线故障应进行深入研究。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述难题，提供了一种含分布式电源配电网单相断线故障选线方法，该方法通过分析含分布式电源的配电线路发生单相断线故障后保护安装处各电气量的变化特征，提出断线保护判据，通过对判据进行处理，放大故障发生后的特征量，达到可靠检测故障的目的。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种含分布式电源配电网单相断线故障选线方法，包括：
(1)假设变电站母线共带有n条馈线，采集各馈线出口处的三相相电流，计算出各馈线的负序电流；
(2)将计算得到的各馈线的负序电流的幅值与负序整定值进行比较，当负序电流的幅值大于负序整定值时启动步骤(3)；否则，返回步骤(1)；
(3)对各馈线的负序电流进行EMD分解，得到各阶本征模态分量IMF；并计算各阶本征模态分量IMF对应的瞬时幅值波形；
(4)以故障发生时刻为基准，分别计算各馈线设定阶数的本征模态分量IMF在故障前与故障后设定周期以后各m个周波的瞬时幅值之和以及所述瞬时幅值之和的变化量；
(5)根据各馈线在故障前、故障后设定周期以后各m个周波的瞬时幅值之和的变化量的大小判断出断线故障线路。
进一步地，所述步骤(2)中，负序整定值根据躲过其他馈线单相断线故障时本馈线上产生的负序电流进行整定。
进一步地，所述负序整定值I2.set＝kk|i2|；其中，kk为可靠系数。
进一步地，所述步骤(3)中对各阶本征模态分量IMF分别进行Hilbert变换，得到其相应的瞬时幅值波形。
进一步地，所述步骤(4)中，分别计算各馈线二阶本征模态分量IMF2在故障前和故障后的瞬时幅值之和。
进一步地，所述步骤(4)中，设定周期为6个周期或者7个周期。
进一步地，所述步骤(5)中，将各馈线在故障前、故障后设定周期以后各m个周波的瞬时幅值之和的变化量由大到小进行排序，选取前三条馈线作为疑似断线故障线路。
进一步地，所述步骤(5)中，将各馈线在故障前、故障后设定周期以后各m个周波的瞬时幅值之和的变化量由大到小进行排序，选取变化量最大者为断线故障线路。
本发明的有益效果：
在含分布式电源的配电线路单相断线故障选线中，以负序电流和负序电流希尔伯特-黄变换的二阶本征模态分量结合构成选线判据，有以下应用效果：
(1)分布式电源模型计及了控制策略的影响，相对于恒定电势源的等效方法，更能正确模拟分布式电源故障前后的实际输出特性，是一种准确的等效方式。
(2)仅仅利用故障后保护安装处的电流信号就能检测出故障，不需要电压信号，也不需要其他位置的电流信号，方法简单方便，减少了电压互感器和电流互感器的装设要求；与基于多点信息量保护相比，不需要额外的通信系统，具有明显的经济性。
(3)采用希尔伯特-黄变换算法处理后判据特征量在故障前后变化量增大，且能与非故障线路可靠区分，灵敏度高。而且调整m的数值，可以调整灵敏度。m值越大，灵敏度越高。
(4)该保护判据和检测算法能适用于含分布式电源的配电线路，灵活性好，且不受中性点运行方式的影响。
附图说明
图1为简化的考虑分布式电源的10kV配电系统结构图；
图2为分布式电源输出功率；
图3为本发明断线故障选线流程图；
图4为含分布式电源的10kV配电网仿真模型；
图5(a)为故障线路L1负序电流波形；
图5(b)非故障线路L2负序电流波形；
图6(a)为负序电流IMF2的瞬时幅值；
图6(b)为故障前和故障后负序电流的SIMF。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
含分布式电源的10kV配电线路单相断线故障可用附图1的简化系统表示。SDG为分布式等效电源，因逆变型分布式电源(IIDG)应用最为广泛，IIDG在并网运行时一般采用电流型PQ控制方式，SDG可等效成一个受控电流源，并通过馈线接入到线路中。
以故障相作为分析对象，利用边界条件，得出发生单相断线故障后的复合序网，可看作断线前的负荷状态和断线后的故障附加状态的叠加；根据基尔霍夫电压电流定律，列出故障附加状态下保护安装处各序电压和各序电流方程，将其与故障前保护安装处各序电压电流进行叠加即可计算出故障发生后的序电压 和序电流由序电压和序电流，可算出保护安装处的相电压 与相电流
由理论推导结果可得，线路发生单相断线故障后，保护安装处的负序电流和正序电流都产生了变化，且大小相等，方向相反。故障后的负序电流和正序电流由两部分组成，主电源提供的序电流以及分布式电源在故障后输出的故障序电流。前者与负荷性质有关，后者与分布式电源的容量大小、控制策略以及接入位置有关。故障相相电流变为零，两非故障相的相大小相等，方向相反。保护安装处各序电压和各相电压大小方向不变。
配电网在实际运行时一般带综合性负荷，因此在分布式电源的容量大小以及接入位置确定的情况下，分布式电源的输出电流主要与控制策略有关。本发明针对PQ控制方式，单相断线故障后，并网点电压将出现负序分量。系统变为三相不对称系统，而由于负序分量的存在，分布式电源输出的有功功率和无功功率将产生二倍频波动，导致双闭环控制中电压环输出的d轴电流指令以两倍工频振荡，PI控制器无法对正弦量进行无误差跟踪，在故障发生后无法达到稳态，如附图2所示。
发生故障后，分布式电源输出有功功率和无功功率的振荡将导致保护安装处的相电流和序电流也发生振荡，且比故障前的幅值增大许多。由于相电流和正序电流在故障前已存在一定数值，而负序电流在故障前基本为零，变化量更大，因此可以选取负序电流作为单相断线保护判据。
直接比较故障发生前后的负序电流来识别故障线路，灵敏度有时不够高。因此本发明采用数字处理方法间接放大故障特征量，提高断线选线的可靠性和灵敏性。
希尔伯特-黄变换对于处理非基频暂态信号非常有效。经过大量的实验研究证明，与传统配电网相比，故障发生后，含分布式电源控制回路经过6-7个周期的暂态过程才能使输出达到振荡稳态。振荡稳态比暂态过程的负序电流具有更大的幅值，因此本发明对保护安装处故障前后的负序电流进行希尔伯特-黄变换，以故障发生时刻作为基准点，选取7个周波后负序电流m个周波的瞬时幅值之和与故障前负序电流m个周波的瞬时幅值之和的变化量作为判据，实现高灵敏度的含分布式电源的配电网单相断线故障选线。
为实现上述目的，本发明提出的含分布式电源的配电线路单相断线故障选线流程如附图3所示。设变电站母线共带有n条馈线，选线过程具体描述如下：
(1)采集各馈线出口处的三相相电流，应用对称分量法计算出各馈线的负序电流i2k(k＝1,2,...n)；
(2)各馈线的负序电流的幅值|i2k|与负序整定值I2.set比较，大于定值时启动步骤(3)，并将此时刻作为故障发生时刻；否则，回到步骤(1)。该整定值按躲过其他馈线单相断线故障时本馈线上产生的负序电流i2进行整定，即I2.set＝kk|i2|，其中kk为可靠系数。
(3)对各馈线的负序电流i2k进行EMD分解，得到各阶本征模态分量IMF。
(4)取各阶IMF进行Hilbert变换，得其相应的瞬时幅值波形。经验证发现，二阶本征模态分量IMF2的瞬时幅值在故障前和故障后变化最为显著；
(5)以故障发生时刻为基准，分别计算各馈线IMF2.k在故障前与故障后7个周期后各m个周波的瞬时幅值之和，计算公式如下：
其中：为第k条馈线故障前m个周波的IMF2瞬时幅值之和；为第k条馈线故障后7个周期后m个周波的IMF2瞬时幅值之和；N为一个周波内的采样点数。由于本文中配电系统工作频率为50Hz，采样频率设为1000Hz，因此j＝20。本实施例中选择馈线故障后7个周期后m个周波的IMF2瞬时幅值之和，本领域技术人员根据实际需要选择馈线故障后6个周期后(或者故障后设定数量个周期后m个周波的IMF2瞬时幅值之和)。
(6)计算各馈线故障前m个周波和故障后7个周期后m个周波的IMF2瞬时幅值之和的变化量ΔIMF2.k。
可有两种方式判断断线故障线路：第一种，ΔIMF2.k最大者为断线故障线路；第二种，各馈线的变化量ΔIMF2.k按从大到小顺序排序，前三个对应疑似断线故障线路。
为了验证上述故障检测方法，基于PSCAD/EMTDC建立了如附图4所示的含分布式电源的10kV配电网仿真模型，以MATLAB作为数字信号处理工具。其中，L1代表故障线路，L2代表非故障线路；分布式电源类型为光伏电源，采用PQ控制策略；系统所带负荷为恒功率负载2.5MW+0.2Mvar；t＝0.4s时A相发生单相断线故障。
故障线路L1与非故障线路L2的负序电流如附图5(a)、附图5(b)所示。由图可见，发生故障后，故障线路L2上的负序电流产生突变，且经过6-7个周波暂态过程后增量稳定，数值上比非故障线路上L2上的负序电流大得多，可与非故障线路明显区分。
希尔伯特-黄变换中前几阶本征模态分量IMF包含了主要的故障信息，这里选取前四阶进行分析。当线路发生单相断线故障后，对保护安装处的负序电流进行EMD分解，得到若干阶IMF。采样前四阶IMF在故障前与故障时刻起7个周波后的一个周期内瞬时幅值之和如附图6(b)所示。可以看出，在故障前后，二阶本征模态分量IMF2在一个周期内的瞬时幅值之和变化得最为明显，因此选用SIMF2的变化量作为判断单相断线故障的特征量。
负序电流二阶本征模态IMF2的瞬时幅值如附图6(a)。由图可知，发生故障后，IMF2瞬时幅值在6-7个周波后迅速增大。因此，可采样故障发生前与故障时刻起7个周期后m个周波的IMF2的瞬时幅值作为研究对象，其中m＝1，2，3，......，如附表2所示。表中共取了1至10个周波内瞬时幅值之和。由表可见，取的周期数越多，故障前后瞬时幅值之和的变化量越大，保护就越灵敏，且明显比非故障线路上的数值大。
发生故障后，各线路的负序电流的变化量如附表1所示。通过比较附表1与附表2的变化量(Δ)结果可知，如果直接对故障发生前后负序电流的变化量进行选线，灵敏度远不如采用IMF2瞬时幅值之和的变化量作为判据高。可见，选用负序电流二阶本征模态分量IMF2在故障前与故障时刻起7个周期后若干个周波的瞬时幅值之和的变化量作为判断，能够实现可靠地选出断线线路。
附表1负序电流|i2k|在故障前后的变化
附表2二阶本征模态分量IMF2的瞬时幅值在m个周期内采样值之和(其中，m＝1,2,...,10)
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种含分布式电源配电网单相断线故障选线方法，其特征是，包括：
(1)假设变电站母线共带有n条馈线，采集各馈线出口处的三相相电流，计算出各馈线的负序电流；
(2)将计算得到的各馈线的负序电流的幅值与负序整定值进行比较，当负序电流的幅值大于负序整定值时启动步骤(3)；否则，返回步骤(1)；
(3)对各馈线的负序电流进行EMD分解，得到各阶本征模态分量IMF；并计算各阶本征模态分量IMF对应的瞬时幅值波形；
(4)以故障发生时刻为基准，分别计算各馈线设定阶数的本征模态分量IMF在故障前与故障后设定周期以后各m个周波的瞬时幅值之和以及所述瞬时幅值之和的变化量；
(5)根据各馈线在故障前、故障后设定周期以后各m个周波的瞬时幅值之和的变化量的大小判断出断线故障线路。
2.如权利要求1所述的一种含分布式电源配电网单相断线故障选线方法，其特征是，所述步骤(2)中，负序整定值根据躲过其他馈线单相断线故障时本馈线上产生的负序电流进行整定。
3.如权利要求2所述的一种含分布式电源配电网单相断线故障选线方法，其特征是，所述负序整定值I2.set＝kk|i2|；其中，kk为可靠系数。
4.如权利要求1所述的一种含分布式电源配电网单相断线故障选线方法，其特征是，所述步骤(3)中对各阶本征模态分量IMF分别进行Hilbert变换，得到其相应的瞬时幅值波形。
5.如权利要求1所述的一种含分布式电源配电网单相断线故障选线方法，其特征是，所述步骤(4)中，分别计算各馈线二阶本征模态分量IMF2在故障前和故障后的瞬时幅值之和。
6.如权利要求1所述的一种含分布式电源配电网单相断线故障选线方法，其特征是，所述步骤(4)中，设定周期为6个周期或者7个周期。
7.如权利要求1所述的一种含分布式电源配电网单相断线故障选线方法，其特征是，所述步骤(5)中，将各馈线在故障前、故障后设定周期以后各m个周波的瞬时幅值之和的变化量由大到小进行排序，选取前三条馈线作为疑似断线故障线路。
8.如权利要求1所述的一种含分布式电源配电网单相断线故障选线方法，其特征是，所述步骤(5)中，将各馈线在故障前、故障后设定周期以后各m个周波的瞬时幅值之和的变化量由大到小进行排序，选取变化量最大者为断线故障线路。
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