CN114285009B - 基于中性点注入电流的有源电压消弧方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于中性点注入电流的有源电压消弧方法，通过有源逆变器向配电网的中性点注入电流，所述方法包括以下步骤：通过注入信号的谐振获取配电网的对地参数；通过对三相电压与三相电流信息的采集与处理，判别出故障相；根据所述对地参数和所述故障相的相电压计算出补偿电流；依据所述补偿电流对所述有源逆变器进行控制，向所述配电网注入所述补偿电流，以消除故障。本发明能够通过向中性点注入可控的电流来抑制零序电压，将故障相恢复电压降低到不能使电弧重燃的水平，从而实现电压消弧，提高消弧效果，保障配电网的安全性和稳定性。

Description

基于中性点注入电流的有源电压消弧方法

技术领域

本发明涉及电力系统配电网接地技术领域，具体涉及一种基于中性点注入电流的有源电压消弧方法。

背景技术

配电网深入用户终端，结构复杂，特别容易发生故障，这些故障大都是随机的，最常见的是瞬时性的接地故障。我国配电网一般采用中性点不接地、经消弧线圈接地、经电阻接地等中性点非有效接地运行方式。随着社会的发展，城市配电网容量日益扩大和电缆线路的大量使用，配电网的结构越来越复杂，当配电网发生接地故障时，接地故障的瞬时电流增大，瞬时性接地故障消弧能力减弱，故障点的电弧难以自行熄灭，易产生故障过电压，进而引发电力事故，甚至造成大面积停电，危害电网运行安全，对社会稳定造成影响。

传统的针对单相接地故障消弧的方法为电流消弧法，属于无源消弧技术。消弧线圈对于接地故障点残流的补偿并不完整，大多只能补偿其基波无功分量，不能对其中所含有的有功分量与谐波分量进行补偿，部分配电网接地故障电流经消弧线圈补偿后仍高达几十安培，足以维持电弧燃烧，不符合电网规程运行的要求。另外传统的消弧线圈对绝缘故障引起的间歇性弧光接地故障抑制效果有限，且容易产生弧光过电压，导致高压电器设备烧毁，甚至引发火灾。这些问题都显示出电流消弧具有局限性。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种基于中性点注入电流的有源电压消弧方法，能够通过向中性点注入可控的电流来抑制零序电压，将故障相恢复电压降低到不能使电弧重燃的水平，从而实现电压消弧，提高消弧效果，保障配电网的安全性和稳定性。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于中性点注入电流的有源电压消弧方法，通过有源逆变器向配电网的中性点注入电流，所述方法包括以下步骤：通过注入信号的谐振获取配电网的对地参数；通过对三相电压与三相电流信息的采集与处理，判别出故障相；根据所述对地参数和所述故障相的相电压计算出补偿电流；依据所述补偿电流对所述有源逆变器进行控制，向所述配电网注入所述补偿电流，以消除故障。

所述对地参数包括对地总电容和对地总电导。

利用基于小波变换模极大值算法判别出故障相。

根据以下公式计算所述补偿电流：

其中，为所述补偿电流，/>为故障相X的相电压，Z₀为配电网中性点接地阻抗，R₀为配电网单相对地泄漏电阻，C₀为配电网单相对地电容，ω为配电网的电源角频率。

依据所述补偿电流对所述有源逆变器进行控制，具体包括：以所述补偿电流为参考值，通过一个带有PI控制的电流闭环来固定有源逆变器的输出值，再通过一个升压变压器向中性点注入电流。

所述有源逆变器为PWM有源逆变器。

本发明的有益效果：

本发明能够通过向中性点注入可控的电流来抑制零序电压，将故障相恢复电压降低到不能使电弧重燃的水平，从而实现电压消弧，提高消弧效果，保障配电网的安全性和稳定性。

附图说明

图1为本发明一个实施例的C相故障时有源电压消弧方法的原理图；

图2为本发明实施例的基于中性点注入电流的有源电压消弧方法的流程图；

图3为本发明一个实施例的注入信号谐振测量原理图；

图4为本发明一个实施例的注入信号谐振测量的等效电路图；

图5为本发明一个具体实施例的基于小波变换模极大值故障识别算法的流程图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例通过有源逆变器(例如PWM有源逆变器)向配电网的中性点注入电流。以C相发生单相接地故障为例，故障状态下的10kV配电网系统如图1所示，图1中U₀为中性点位移电压，I_i为通过PWM有源逆变器注入的大小、方向可控的电流，Z₀为传统配电网中性点接地阻抗，C₀为配电网单相对地电容，R₀为配电网单相对地泄漏电阻，R_d为接地故障过渡电阻。有源逆变器的直流电压源DC可以通过从配电网整流得到。为确保进行故障消除时注入电流的电压高于中性点的电压，可在有源逆变器的下一级设置一个升压变压器。

如图2所示，本发明实施例的基于中性点注入电流的有源电压消弧方法包括以下步骤：

S1，通过注入信号的谐振获取配电网的对地参数。

对地参数包括对地总电容和对地总电导，可通过注入信号谐振的方式获取。如图3所示，升压变压器等效的谐振电感L可与A、B、C相的单相对地泄漏电阻R_A、R_B、R_C及单相对地电容C_A、C_B、C_C构成谐振电路，其等效电路如图4所示。通过改变I_i的频率，测量返回的电压信号U_i与I_i的大小、相位及关系，寻找谐振角频率ω₀。然后，可根据G_Σ＝I_i/n²U_i这两个式子计算出配电网对地总电容和总电导，其中，C_Σ＝C_A+C_B+C_C、/>n为升压变压器的变比。

S2，通过对三相电压与三相电流信息的采集与处理，判别出故障相。

对于图1所示的10kV中性点经消弧线圈接地的配电网系统，通过采集A、B、C三相电压信息，若其中的两相电压升高且大小相等，另一相的电压下降，则可以判定为电压下降的那一相发生了单相接地故障。

在10kV中性点经消弧线圈接地的配电网系统中，发生低电阻接地故障的时候，中性点电压会出现很大的偏移，可以很容易判断出发生了单相接地故障。但是当接地电阻高达几千欧姆时，通过比较电压大小或者观察中性点电压偏移的方法来判断故障就显得力不从心，现实中配电网本身由于参数不平衡就在中性点处存在一定的不平衡电压。实际情况中，在10kV等级的配电网中，高阻接地故障的电阻一般不会大到几千欧姆，大多数情况下能够利用三相电压信号判断出故障相。

对于一般的接地故障，可以通过小波变换处理电流信号来进行故障选线。小波变换是分析非平稳信号，提取信号暂态特征的一种有效的信号处理方法。相关实验表明，利用基于小波变换模极大值故障识别算法可以很准确的判断出接地故障发生的区间、故障发生的时刻，无论接地电阻的大小。基于小波变换模极大值故障识别算法判断故障相的流程如图5所示。

将小波变换应用到小电流接地系统单相接地故障选线中，有利于发生接地故障后及时对接地故障做出应答，尽早发现故障点，避免永久性接地故障对电网造成损害。

S3，根据对地参数和故障相的相电压计算出补偿电流。

根据上述的配电网对地总电容和总电导，可得到配电网单相对地电容和单相对地泄漏电阻。进一步地，可根据以下公式计算补偿电流：

其中，为补偿电流，/>为故障相X的相电压，ω为配电网的电源角频率。

S4，依据补偿电流对有源逆变器进行控制，向配电网注入补偿电流，以消除故障。

在计算得到补偿电流后，可以补偿电流/>为参考值，通过一个带有PI控制的电流闭环来固定有源逆变器的输出值，再通过一个升压变压器向中性点注入电流。注意升压变压器的高压侧电压要适当高于单相的电源电压，因为计算所得/>的值是注入的电流值即高压侧的电流值，所以电流闭环的参考值应该是/>的n倍。

由上述补偿电流的计算公式可知，需要向中性点注入的补偿电流与接地故障过渡电阻R_d无关，与相电压、三相对地导纳和中性点对地导纳有关。并且补偿电流能够补偿故障电流的有功分量和无功分量，实现故障残流的全补偿，解决传统电流消弧技术存在的只能补偿无功电流的不足。因此，通过有源逆变器注入电流，能够有效地将故障电压控制到零，以实现单相接地故障的彻底消弧。

采用plecs软件对图1所示的10kV配电网模型进行仿真分析，配电网系统主要参数如下：

注入电流前后故障相电压电流对比如下：

	故障相电压最大幅值	故障相电流最大幅值	注入电流大小
				补偿前	950V	9.5A	0A
补偿后	90V	0.9A	9.65A

可见注入电流后，极大降低了故障点的电压和电流，使得电压电流的值小了一个数量级，具有很好的消弧效果。

根据本发明实施例的基于中性点注入电流的有源电压消弧方法，能够通过向中性点注入可控的电流来抑制零序电压，将故障相恢复电压降低到不能使电弧重燃的水平，从而实现电压消弧，提高消弧效果，保障配电网的安全性和稳定性。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种基于中性点注入电流的有源电压消弧方法，其特征在于，通过有源逆变器向配电网的中性点注入电流，所述方法包括以下步骤：

通过注入信号的谐振获取配电网的对地参数；

通过对三相电压与三相电流信息的采集与处理，判别出故障相，其中，利用基于小波变换模极大值算法判别出故障相；

根据所述对地参数和所述故障相的相电压计算出补偿电流；

依据所述补偿电流对所述有源逆变器进行控制，向所述配电网注入所述补偿电流，以消除故障，

其中，利用基于小波变换模极大值算法判别出故障相，具体包括以下步骤：利用小波算法对三相电流进行分解；利用模极大值法提取分解后的电流的波头；判断是否存在波头，若是，则判定发生故障。

2.根据权利要求1所述的基于中性点注入电流的有源电压消弧方法，其特征在于，所述对地参数包括对地总电容和对地总电导。

3.根据权利要求2所述的基于中性点注入电流的有源电压消弧方法，其特征在于，根据以下公式计算所述补偿电流：

其中，为所述补偿电流，/>为故障相X的相电压，Z₀为配电网中性点接地阻抗，R₀为配电网单相对地泄漏电阻，C₀为配电网单相对地电容，ω为配电网的电源角频率。

4.根据权利要求3所述的基于中性点注入电流的有源电压消弧方法，其特征在于，依据所述补偿电流对所述有源逆变器进行控制，具体包括：

以所述补偿电流为参考值，通过一个带有PI控制的电流闭环来固定有源逆变器的输出值，再通过一个升压变压器向中性点注入电流。

5.根据权利要求4所述的基于中性点注入电流的有源电压消弧方法，其特征在于，所述有源逆变器为PWM有源逆变器。