配电网单相接地故障柔性消弧退出方法

1.本发明属于电网单相接地故障消弧的技术领域，尤其涉及一种配电网单相接地故障柔性消弧退出方法。


背景技术：

2.随着现代电网建设的不断推进，可再生能源、分布式电源、电力电子元件的使用频率逐渐上升，交直流混联配电网的应用场景也逐渐增加，导致单相接地故障电流中的阻性分量和高频谐波分量提高，进而致使单相接地故障电弧难以自行熄灭，对人身和设备带来安全隐患。另一方面，单相高阻接地故障易引发火灾和间歇性弧光接地故障，产生弧光过电压，可能导致线路绝缘被破坏，使得故障进一步发展成为相间短路故障，增加了故障的危害程度和影响范围。因此，单相接地故障有源柔性消弧装置的研究具有重要意义。
3.现有的柔性消弧装置在故障发生后能够有效地补偿故障电流，但针对消弧装置的退出方法，尚未形成完整的应用策略。与此同时，配电网单相接地瞬时性故障占总故障的70％以上，若柔性消弧装置无法随单相接地故障消失而可靠退出，则消弧装置在配电网正常运行时仍会注入用于故障消弧的补偿电流，对系统的稳定运行及高质量电能的供应带来一定的影响，甚至可能因馈入大量电流而造成线路损坏。因此，柔性消弧装置的退出方法被作为其研究重点之一。
4.目前，有关柔性消弧装置退出方法的研究较少，特别是电压和电流融合消弧装置的退出方法仍尚未有相关研究和报告。一般的消弧装置退出方法采用改变调控系数法。
5.已有柔性消弧退出方法主要问题有：消弧装置退出效果方面，已有方法的退出判据单一，难以适应复杂的单相接地故障。方法适用性方面，已有方法仅适用于单独采用电压消弧法或者单独使用电流消弧法的装置，采用电压电流融合消弧法的柔性消弧装置具有两个控制目标，且均形成闭环，故通过现有方法将电压电流融合消弧法的消弧装置退出的难度较大。另外，防止柔性消弧装置误退出和拒退出的相关识别判据，在现有技术中还未得到重视和研究。


技术实现要素：

6.为了弥补现有技术的空白和不足，本发明提出一种配电网单相接地故障柔性消弧退出方法，并提出了防止柔性消弧装置误退出的故障消失识别判据。通过闭环反馈调节，主动改变控制系统相应参考值，缓慢减小柔性消弧装置的注入电流。另外，将柔性消弧装置的有功功率方向、系统对地导纳变化量和变化趋势以及零序电压阈值作为退出方法的综合判据，有效避免了因消弧装置误退出和拒退出引发的危害。本发明的柔性消弧装置的退出方法在装置退出过程中，同时进行故障消失判断，提高了消弧装置的适用性和经济性，为配电网柔性消弧装置的推广应用和经济运行提供了有力保障。
7.本发明方案在配电网单相接地故障柔性消弧装置退出期间，逐渐减小柔性消弧装置的控制系统参考值，构建其与控制对象实测值的电压或电流偏差，实现柔性消弧装置的
软退出。同时，提出了基于柔性消弧装置输出有功功率方向、对地导纳阈值和变化趋势以及电压闭环控制器参考值阈值的综合判据，有效防止柔性消弧装置的误退出和拒退出。本发明不仅适用于电压消弧法、电流消弧法和电压电流融合消弧法的柔性消弧装置，还能够应用于单相接入式、两相接入式、三相接入式以及中性点接入式的柔性消弧装置，使用范围广，适用性和灵活性强，为消弧装置的推广应用和经济运行提供有力保障。
8.本发明具体采用以下技术方案：
9.一种配电网单相接地故障柔性消弧退出方法，其特征在于：通过柔性消弧装置注入可控补偿电流；消弧装置退出过程中，逐渐减小柔性消弧装置控制系统的输入参考值，构建其与装置控制对象实测值的偏差，实现柔性消弧装置注入电流的缓慢减小，继而退出消弧装置。
10.进一步地，所述柔性消弧装置采用单相接入式、两相接入式、三相接入式以及中性点接入式方法中的一种接入配电网。
11.进一步地，装置输出的有功功率方向、系统对地导纳变化量阈值与趋势以及系统零序电压控制器的参考电压阈值作为柔性消弧装置退出的综合判据，构成“且”的逻辑关系，在功率方向未变化、对地导纳阈值及趋势不满足条件且零序电压控制器的参考电压阈值低于设定值时，柔性消弧装置退出运行。
12.进一步地，选择单相接入式柔性消弧装置时，拓扑采用单相h桥变流器；变流器一端接于配电线路或升压变压器低压侧的相线，另一端接于大地；所述单相h桥变流器为两电平单相半桥、三电平单相半桥、多电平单相半桥、单相级联式h桥中的一种；
13.选择两相接入式柔性消弧装置时，拓扑采用两相h桥变流器公共点经消弧线圈接地或两相h桥变流器公共点经单相h桥变流器接地；两相变流器一端接于配电线路或升压变压器低压侧的相线，另一端接于公共点，所述两相h桥变流器直接接于或经升压变压器接于配电线路的任意两相；所述两相h桥变流器由两个单相h桥变流器组成；
14.选择三相接入式柔性消弧装置时，拓扑采用四桥臂h桥变流器，其中三桥臂为三相h桥变流器，接地桥臂为单相h桥变流器；所述三相h桥变流器直接挂接或经升压变接于配电线路的三相，其公共点经单相h桥变流器即接地桥臂接地；所述三相h桥变流器为两电平三相半桥、三电平三相半桥、多电平三相半桥或三相级联式h桥中的一种；
15.选择中性点接入式柔性消弧装置时，拓扑采用单相h桥变流器经z型变压器接入配电网。
16.因控制对象不同，柔性消弧装置的控制方法可分为电压消弧法、电流消弧法和电压电流融合消弧法，对该三种柔性消弧装置地控制方法，所提的退出方法均适用。
17.进一步地，当配电网柔性消弧装置采用电压消弧法时，采用以下退出方法：
18.故障期间，将零序电压作为系统控制对象，通过柔性消弧装置控制零序电压为故障相电源电压的相反数，将故障点电压钳位为零，实现可靠消弧；
19.装置退出过程中，将实时检测的当前时刻的系统零序电压减去递减量作为下一时刻系统零序电压控制参考值，并将实时检测的零序电压作为反馈，构造电压偏差作为控制系统的输入值，逐渐减小参考值以控制系统零序电压的减小；所述递减量由实时检测的系统零序电压值与设置时间内的采样点数值的比值求得。
20.进一步地，当配电网柔性消弧装置采用电流消弧法时，采用以下退出方法：
21.故障期间，将柔性消弧装置的注入电流作为系统的控制对象，通过柔性消弧装置注入全补偿电流，并将故障点电压抑制为零，实现可靠消弧；
22.装置退出过程中，将当前时刻的接地故障全补偿电流参考值减去递减量作为下一时刻接地故障电流控制参考值，并将实时检测的柔性消弧装置注入电流作为反馈，构造电流偏差作为控制系统的输入值，逐渐减小参考值以控制注入电流的减小；所述递减量由接地故障全补偿电流计算值与设置时间内的采样点数值的比值求得。
23.进一步地，当配电网柔性消弧装置采用电压电流融合消弧法时，采用以下退出方法：
24.故障期间，电压电流融合消弧法将电压、电流并行控制；
25.装置退出的期间，类似于电压、电流消弧法，同时改变电压电流融合消弧法中对应的电压和电流参考值，构造电压和电流偏差作为电压和电流控制系统的输入值。因并行的电压和电流控制控制器的目标一致，能够实现系统零序电压和装置注入电流的同时逐渐减小。
26.进一步地，将装置输出有功功率方向作为故障未消失的识别判据，以防止柔性消弧装置误退出。
27.低阻单相接地故障情况下，若接地故障消失，柔性消弧装置的注入电流逐渐减小，注入有功电流的流向不会变化，故有功功率方向不变。
28.若接地故障未消失，因故障点仍存在同原全补偿电流相等的故障电流，将柔性消弧装置的注入电流减小，会造成电流倒灌，进而改变有功功率方向。
29.进一步地，将系统对地导纳变化量的计算结果作为故障未消失识别判据，以防止柔性消弧装置误退出。
30.若接地故障消失，因配电网对地参数在正常情况下相对恒定，柔性消弧装置的注入电流和系统零序电压呈线性关系。
31.若接地故障未消失，因过渡电阻随机变化，柔性消弧装置的注入电流和系统零序电压呈非线性关系。
32.进一步地，将参考电压阈值作为防止柔性消弧装置拒退出的识别判据，其具体方式为：
33.将零序电压低于参考电压阈值作为柔性消弧装置逐渐减小注入值的终止条件，当满足该条件时，退出消弧装置。
34.与现有技术相比，本发明及其优选方案具有以下有益效果：
35.1、本发明提出的配电网单相接地故障柔性消弧装置退出方法适用于不同的消弧方法，包括了电压消弧法、电流消弧法以及融合消弧法。特别地，填补了采用融合消弧法的柔性消弧装置在退出方法上的技术空白。其次，本发明分别在单相接入式、两相接入式、三相接入式以及中性点接入式的柔性消弧装置的退出中均能有效作用。另一方面，本发明适用于不同接地方式的配电网，包含中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统。
36.2、本发明以有功功率方向和对地导纳变化量及变化趋势作为故障是否消失的综合判据，其具备以下优势：一是有效防止了电流倒灌回变流器而导致柔性消弧装置的直流侧电压升高，进而防止了柔性变流器的损坏；二是相较于对地导纳变化量识别方法，能够更快的识别故障是否消失；三是在过渡电阻随机变化的情况下，仍能够保证判断单相接地故
障是否消失的准确性。
37.3、本发明将零序电压低于参考电压阈值作为柔性消弧装置逐渐减小注入值的终止条件，相较于常规的定时作为终止条件，可更为快速退出柔性消弧装置，且可减小对地导纳变化量计算误差导致误判得概率。
附图说明
38.图1为本发明实施例配电网和单相接入式柔性消弧装置拓扑结构示意图；
39.图2为本发明实施例配电网和两相接入式柔性消弧装置拓扑结构示意图；
40.图3为本发明实施例配电网和三相接入式柔性消弧装置拓扑结构示意图；
41.图4为本发明实施例配电网和中性点接入式柔性消弧装置拓扑结构示意图；
42.图5为本发明实施例采用电流消弧法的柔性消弧装置退出方法控制框图；
43.图6为本发明实施例采用电压消弧法的柔性消弧装置退出方法控制框图；
44.图7为本发明实施例采用融合消弧法的柔性消弧装置退出方法的控制框图；
45.图8为本发明实施例仿真实例的仿真模型示意图；
46.图9为本发明实施例的消弧装置退出流程示意图；
47.图10为本发明实施例仿真实例单相接地故障消失后柔性消弧装置退出的示意图；
48.图11为本发明实施例仿真实例单相接地故障未消失柔性消弧装置未退出示意图；
49.图12为本发明实施例基本结构和原理示意图。
具体实施方式
50.为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
51.如图12所示，为本实施例提供的配电网单相接地故障柔性消弧退出方法所基于的配电网单相接地故障柔性消弧装置的拓扑拓补结构。其基本设计在于，在单相接地故障期间，柔性消弧装置通过电压、电流协同控制，实现接地故障电流的全补偿；在装置退出过程中，改变电压、电流的参考值，减小柔性消弧装置的注入值。
52.同时，提出了基于三种消弧方法的消弧装置退出策略，根据控制对象的不同可以分为电压消弧法、电流消弧法以及电压电流融合消弧法，并给出了以有功功率方向、对地导纳变化量阈值与趋势以及参考(零序)电压阈值作为柔性消弧装置退出的综合判据。
53.在本实施例中，单相接入式、两相接入式、三相接入式以及中性点接入式柔性消弧装置均可有效退出，四种消弧装置示意图分别如图1-图4所示。虽四种柔性消弧装置接入系统的方式不同，但其控制对象是相同的，均为注入电流、零序电压或者二者的融合控制目标。因此，仅讨论中性点接入式的柔性消弧装置，分别在采用电压消弧法、电流消弧法以及电压电流融合消弧法时，所提退出方法和综合判据的有效性和适用性。实施例中的单相接入式、两相接入式、三相接入式以及中性点接入式柔性消弧装置均可通过变压器直接挂接于6kv、10kv、35kv或者66kv电压等级的母线或线路上。
54.在采用电压消弧法的柔性消弧装置，在单相接地故障期间，通过柔性变流器将系统的零序电压钳位为故障相电源电压的相反数，进而保证了故障点电压为零，再经柔性消弧装置的注入值，有效地抑制了故障电流。在消弧装置退出过程中，通过改变控制系统的电压参考值，并与实时检测的零序电压反馈构成偏差，逐渐减小柔性消弧装置的注入值。同
时，对连接线路电流和零序电压进行监测，使其满足有功功率方向、对地导纳变化量阈值与趋势以及参考电压阈值的综合判据。
55.采用电流消弧法的柔性消弧装置，在单相接地故障期间，通过柔性变流器注入单相接地故障的全补偿电流，从而改变系统零序电压，并将故障点电压抑制为零，实现单相接地故障的消弧。在消弧装置退出过程中，通过改变控制系统的电流参考值，并与实时检测的消弧装置注入电流反馈构成电流偏差，逐渐减小柔性消弧装置的注入值。同时，对连接线路电流和零序电压进行监测，使其满足有功功率方向、对地导纳变化量阈值与趋势以及参考电压阈值的综合判据。
56.为提升消弧效果，现有技术提出了采用电压电流融合消弧法的柔性限流装置，在单相接地故障期间，柔性消弧装置的控制对象包括了注入电流和零序电压，因二者的控制目标一致，故能够通过电压电流融合消弧方法，控制消弧装置的注入值，实现单相接地故障的消弧。在消弧装置退出过程中，分别改变控制系统的电压、电流的参考值，并且同时实时检测装置注入电流和零序电压作为系统反馈值，分别构成电压偏差和电流偏差，逐渐减小了柔性消弧装置的注入值。同时，对连接线路电流和零序电压进行监测，使其满足有功功率方向、对地导纳变化量阈值与趋势以及参考电压阈值的综合判据。
57.以下对本实施例的技术方案从原理角度进行详细说明：
58.1.不同消弧方法的柔性消弧装置退出原理介绍
59.1.1电压消弧法的消弧装置退出原理
60.以中性点接入式的柔性消弧装置为例，假设某线路中a相发生单相接地故障，一般的电压消弧法不考虑电网分布参数的不平衡。因此，在单相接地故障期间，若故障电流被有效抑制，说明故障相电压被抑制为零，此时的系统零序电压可表示为
[0061][0062]
式中，为故障相的电源电压。由此可见，为保证消弧的可靠性，则需保证消弧期间，零序电压维持在故障相电源电压的相反数。故控制系统中的零序电压参考值和零序电压实测值存在如下关系：
[0063][0064]
式中，为零序电压参考值和实测值的偏差。在单相接地故障期间，零序电压参考值满足式(1)，进而维持了系统零序电压稳定；在柔性消弧装置退出过程中，在减小零序电压参考值瞬间，因零序电压无法瞬间变化，故参考值和实测值之间存在电压偏差a，其作为控制系统中pi控制器的输入，控制柔性消弧装置的注入电流逐渐减小；当消弧装置再次达到稳态，则系统的零序电压被调控为与参考电压相同的数值。综上，则完整描述了一次采用电压消弧法的柔性消弧装置注入电流的减小过程。其控制示意图如图5所示。
[0065]
1.2电流消弧法的消弧装置退出原理
[0066]
在单相接地故障期间，采用电流消弧法的柔性消弧装置注入故障的全补偿电流，该注入电流可表示为：
[0067][0068]
式中，为注入电流造成偏移后的零序电压，g
∑
为系统总对地电导，c
∑
为系统总对地电容。在柔性消弧装置退出过程中，控制系统注入电流的参考值和实测值存在如下关系：
[0069][0070]
式中，为注入电流参考值和实测值的电流偏差。在单相接地故障期间，注入电流参考值满足式(3)，给故障系统注入全补偿电流，进而抑制故障点入地电流；在柔性消弧装置退出过程中，在减小注入电流参考值瞬间，因注入电流无法瞬间变化，故参考值和实测值之间存在电流偏差a，将其作为控制系统中pi控制器的输入，控制柔性消弧装置的注入电流逐渐减小；当消弧装置再次达到稳态，则系统的注入电流被调控为与参考电流相同的数值，电流偏差为零。综上，则完整描述了一次采用电流消弧法的柔性消弧装置注入电流的减小过程。其控制示意图如图6所示。
[0071]
1.3融合消弧法的消弧装置退出原理
[0072]
在单相接地故障期间，采用融合消弧法的柔性消弧装置能够灵活应对过渡电阻随机变化的情况，消弧效果较电流消弧法和电压消弧法好。同时，融合消弧法的受控对象包括了系统零序电压和柔性消弧装置的注入电流，其控制原理同电压消弧法和电流消弧法一致，本实施例不再赘述。
[0073]
在装置退出期间，须同时兼顾电压、电流参考值的变化，同时检测装置注入电流和系统零序电压的反馈，分别同参考值构成电压偏差和电流偏差，进而减小柔性消弧装置的注入电流，实现消弧装置的退出。其控制示意图如图7所示。
[0074]
2.柔性消弧装置退出综合判据原理
[0075]
为保证柔性消弧装置的可靠退出，本发明包含了防止柔性消弧装置误退出以及拒退出的识别判据。
[0076]
2.1防止柔性消弧装置误退出识别判据原理
[0077]
2.1.1对地导纳变化量及变化趋势判据
[0078]
系统零序电压和柔性消弧装置注入电流关系为：
[0079][0080]
可等效为：
[0081][0082]
式中，
[0083]
由式(6)可知：故障消失后，则b＝0，即柔性消弧装置注入电流和零序电压
的关系曲线经过零点，且二者呈线性关系。故障未消失时，则二者关系曲线未经过零点，且呈现非线性关系。对地导纳的表达式为：
[0084][0085]
由式(7)可知：故障消失后，对地导纳为一个固定值，即为系统对地导纳。故障点未消失时，则对地导纳和零序电压有关，随着零序电压的减小，对地导纳增大。据此可识别故障是否消失。
[0086]
2.1.2有功功率方向判据原理
[0087]
根据电流型变流器工作原理，柔性消弧装置向并网点注入给定电流值(含有功分量和无功分量)，必须保证变流器输出电压高于并网点电压而当接地过渡电阻rf很小且故障未消失时，并网点(中性点)电压接近于故障相电源电压负值若减小变流器控制目标值，将导致变流器输出电压低于并网点电压，变流器注入电流出现倒灌，即变流器从并网点吸收有功功率，给变流器直流侧电容充电，导致变流器直流侧电压上升。若故障消失后则并网点电压接近于零，变流器控制目标电压可降到非常低的值，仍不会出现电流倒灌。
[0088]
以控制目标首次由降到为例，代入式(5)可得
[0089][0090]
故障未消失时，假设对地泄漏电阻为9000ω，接地过渡电阻只要小于九分之一的对地泄漏电阻，即1000ω，则柔性消弧装置注入有功电流的方向即出现反向。若继续降低控制目标值至则接地过渡电阻只要小于1/4的对地泄漏电阻，即2250ω，则出现电流倒灌。随着控制电压的持续减小，接地故障出现倒灌的概率升高。接地过渡电阻越小，越容易出现电流倒灌。
[0091]
若故障消失，则：
[0092][0093]
柔性消弧装置注入电流的功率因素不会出现反向。
[0094]
故可据此识别出故障是否消失，且在低阻接地故障的情况下，识别速度相较于对地导纳变化法更为迅速。
[0095]
由第2.1.1节和2.1.2节的分析可知，柔性消弧装置退出期间，若是低阻接地故障，柔性消弧装置注入有功电流的方向在故障未消失时迅速发生变化，其变化速度远快于对地导纳变化量，因此将柔性消弧装置注入的有功电流方向作为故障未消失的优先识别条件，在其未满足条件的情况下，再继续识别对地导纳变化量判据是否满足条件。其具体退出流程如图9所示。
[0096]
其中，电压控制器和电流控制器的递减量的计算方式为：
[0097][0098]
式中，u
0ref
和i
ref
分别为电压控制器和电流控制器参考值，n为控制频率，t为退出持续时间。以控制频率为6000hz，退出持续时间为1s，系统对地电流为60a，系统为10kv为系统为例，则电压控制器参考值每次减小值为1.36v；电流控制器参考值每次减少值为14.14ma。
[0099]
2.2防止柔性消弧装置拒退出的判断原理
[0100]
防止装置拒退出的方式为设定零序电压的参考阈值。在装置输出电压已经减小至很小值时，柔性消弧装置的实时检测的反馈量容易受系统干扰信号影响，导致对地导纳变化量和有功功率方向出现较大的计算误差，因此在系统零序电压控制的参考电压低于阈值时不再进行故障未消失的判断，直接退出柔性消弧装置。
[0101]
利用matlab/simulink仿真软件搭建如图8所示含6条馈线的配电网络仿真模型。配电线路采用bergeron模型。对图4所示配电网络，假设故障出现在区段l
11
，且故障相为a相，仿真结果如图10和图11所示。
[0102]
由图10可知，假设单相接地故障发生时刻为0.02秒，消失时刻为0.3秒，可以看出单相接地故障期间，柔性消弧装置能够有效抑制故障电流，当故障消失，柔性消弧装置退出，系统正常运行。
[0103]
由图11可知，假设单相接地故障发生时刻为0.02秒，且为永久性接地故障，经一定延时后，对配电网单相接地故障性质进行判断，消弧装置未退出并持续抑制故障电流，验证了本发明能够有效防止柔性消弧装置的误退出。
[0104]
本实施提供一种配电网单相接地故障柔性消弧装置的退出方法，并提出了防止柔性消弧装置误退出的故障消失识别判据。通过闭环反馈调节，主动改变控制系统相应参考值，缓慢减小柔性消弧装置的注入电流。另外，将柔性消弧装置的有功功率方向、系统对地导纳变化量以及变化趋势作为单相接地故障消失的融合判据，有效避免了因消弧装置误退出引发的危害。本发明的柔性消弧装置的退出方法在装置退出过程中，同时进行故障消失判断，提高了消弧装置的适用性和经济性，减小了系统的能量损耗，为配电网柔性消弧装置的推广应用和经济运行提供了有力保障。
[0105]
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的配电网单相接地故障柔性消弧退出方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。