利用储能电容的线路相间短路故障性质识别方法及系统

1.本发明属于配电网继电保护技术领域，具体涉及一种利用储能电容放电方式的配电线路相间短路故障性质识别方法及系统。


背景技术：

2.电网作为连接电力生产和电力消费的核心平台，是电力能源可持续发展的关键环节。而其中的配电网则是国民经济和社会发展的重要公共基础设施，随着城市用电负荷的不断增加，人们对其可靠性、稳定性和安全性提出了更高要求。近年来，随着我国配电网逐渐升级改造，架空和电缆相混合的线路大量涌现，电缆线路故障率极低，但一旦发生故障往往是永久性故障，因此当线路发生故障后，传统重合闸成功率便逐渐下降。传统重合闸装置是通过设定一个固定的延时时限，延时结束发出重合闸信号，断路器重新闭合，该方式并不预判故障性质而盲目重合，如若重合于永久性故障，则会对配电系统和电力设备带来二次冲击，极大影响配电网安全稳定运行。因此，研究重合前预先判断故障性质的自适应重合闸技术具有深刻意义。
3.目前，针对输电线路的自适应重合闸技术研究较多，根据研究对象不同可分为单相自适应重合闸技术研究和三相自适应重合闸技术研究。对于单相而言，主要思路是通过分析故障线路跳闸后仍残留的电磁能量释放过程中所体现出的电气特性(如恢复电压特性、电弧特性)进行故障判别；对于三相而言，则主要基于带并联电抗器的输电线路，通过对系统电感电容参数及电流特征进行模式识别来判别故障性质。但中低压配电线路因相间故障三相跳闸后残余电气能量会迅速衰减，以往输电线路的自适应重合闸研究方法不再适用。
4.现有对配电网自适应重合闸研究相对较少，已有文献的方法可分为被动方法和主动方法。被动方法中，典型的包括：
①
采用附加电路直接将系统上游电源短时间加到故障配电线路，借此产生电气量，通过对其特性进行分析从而判别故障性质，该方法在一定程度上会对上游系统和停电线路造成冲击；
②
基于故障线路上高压电容器对故障线路高频振荡放电产生行波，对该行波特性进行识别来判别故障性质。以上被动方法均需测量分析线路自身短时电气量进行故障性质识别，会受到配电线路自身结构和线路参数等限制，且所获信息可信度需深入探讨。主动方法是利用电力电子装置产生探测信号向故障线路注入，通过分析线路响应特性判别故障性质，典型如：采用在配电线路低压侧接入由晶闸管控制的逆变电源，向故障线路施加高压脉冲激励，通过分析故障线路谐波阻抗随频率变化的特性来进行故障识别。但是采用施加脉冲激励方式形成的响应信号的频率随机性较大，特征频带不固定，在检测分析上难度较大，并且在响应信号频率较高时，线路谐波阻抗特性也将偏离预想模型，有可能导致故障性质识别结果错误。另外谐波阻抗特征识别要求在注入点同时量测三相电压和电流信号，对互感器配置要求较高，在实际现场中应用受到限制。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种利用储能电容放电方式的配电线路相间短路故障性质识别方法及系统，以解决配电线路故障性质识别难题，本发明通过利用储能电容放电方式的配电线路相间短路故障性质识别装置与线路保护装置配合，利用储能电容放电方式的配电线路相间短路故障性质识别装置在接收到线路保护装置的保护动作信息以后，向配电线路注入试探信号，并检测储能电容端电压变化特征，实现故障性质识别。
6.为达到上述目的，本发明具体采用以下技术方案。
7.一种利用电容储能的线路相间短路故障性质识别方法，其特征在于，所述故障性质识别方法包括以下内容：
8.在线路开关的上游侧设置取电tv，并依次通过取电回路开关、整流电路、储能电容、逆变电路、放电回路开关和升压变压器连接至线路开关的下游侧；
9.线路正常运行时，线路开关cb处于闭合状态，放电回路开关处于断开状态，实时检测储能电容电压，当储能电容电压低于设定值时，控制取电回路开关闭合对储能电容充电；
10.当线路发生故障后，保护装置动作跳开线路开关cb，延时设定时间后，闭合放电回路开关，储能电容经逆变电路向开关下游侧线路注入三相对称交流信号；
11.采集向线路注入三相对称交流信号期间储能电容端电压的交流脉动量δu
dc
和平均值u
dc
，计算储能电容端端电压波动率：λ＝δu
dc
/u
dc
；
12.若计算得到储能电容端电压波动率λ高于动作阈值λ
t
，则判定配电线路发生的是永久性故障，向保护装置发出闭锁重合闸信号；否则，不向保护装置发出闭锁重合闸信号。
13.本发明进一步包括以下优选方案。
14.储能电容的规格选为0.12f/400v。
15.逆变器输出三相相电压有效值控制参考值为100v，逆变器额定容量为10kw。
16.储能电容的电压设定值是指0.98倍额定电压值，当储能电容电压低于设定值时，控制取电回路开关闭合，通过取电tv二次侧取电后经整流电路对储能电容充电，直到储能电容电压达到额定值后断开取电回路开关。
17.跳开线路开关cb后的延时设定时间为0.5s～1s。
18.通过逆电路将向线路注入的三相对称交流信号即注入特征信号的频率控制在n与n+1次谐波之间。
19.注入特征信号的频率fh选择为230hz。
20.注入特征信号的最大容量sn为：
21.sn＝100v*50a*1.732＝8.66kw。
22.注入特征信号时间维持180-220ms。
23.在计算储能电容端电压的交流脉动量和平均值时，优选滤除注入三相对称交流信号期间所产生的暂态过程波形。
24.所述动作阈值λ
t
整定值为0.45。
25.本技术还同时公开了一种基于前述识别方法的线路相间短路故障性质识别系统，包括瞬时和永久故障识别装置、检测单元、控制单元；其特征在于：
26.所述瞬时和永久故障识别装置包括取电tv、整流电路、储能电容、逆变电路、升压变压器、取电回路开关和放电回路开关，所述取电tv设置在线路开关上游侧，取电tv二次侧
通过取电回路开关连接至整流电路输入端，整流电路输出端通过储能电容后与逆变电路的输入端相连，逆变电路输出端通过放电回路开关连接至升压变压输入端，升压变压器输出端连接至线路开关下游侧的线路上；
27.所述检测单元用于检测储能电容两端电压；
28.所述控制单元包括取电回路开关控制模块、放电回路开关控制模块、逆变器驱动控制模块、储能电容端电压波动率计算模块、线路故障性质判断模块，当储能电容需要充电时，通过取电回路开关控制模块控制取电回路开关闭合对储能电容进行充电；当线路开关发生相间故障跳闸并延时设定时间后，通过逆变器驱动控制模块实现对逆变回路的调制产生三相对称交流信号；通过放电回路开关控制模块控制放电回路开关闭合，将逆变电路产生的三相对称交流信号经升压变压器后注入线路；所述储能电容端电压波动率计算模块接收检测单元所检测的储能电容两端电压，计算信号注入期间储能电容端电压波动率；所述线路故障性质判断模块根据储能电容端电压波动率与设定动作阈值相比较判断线路相间故障是永久性故障还是瞬时性故障。
29.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
30.本发明通过利用储能电容放电方式向配电系统注入信号，故障特征稳定，结合储能电容端电压变化特征的故障性质识别判据，判断结果准确度高，无需配置高压电压、电流传感器，实现简单，经济性好。
附图说明
31.说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
32.图1是本发明利用电容储能放电的瞬时和永久故障识别装置结构示意图；
33.图2是本发明利用电容储能线路相间短路故障性质识别方法流程示意图；
34.图3是本发明短路故障性质识别方法应用于10kv配网仿真模型；图4(a)-4(c)是三相平衡负载瞬时性故障状态下的仿真结果图，其中，4(a)为逆变电路输出正负序电流图，4(b)为逆变电路输出的瞬时正负序功率图，4(c)为储能电容电压图；
35.图5(a)-5(c)是三相不平衡负载瞬时性故障状态下的仿真结果，其中，5(a)为逆变电路输出正负序电流图，5(b)为逆变电路输出的瞬时正负序功率图，5(c)为储能电容电压图；
36.图6(a)-6(c)是永久性性故障状态下的仿真结果，其中，6(a)为逆变电路输出正负序电流图，6(b)为逆变电路输出的瞬时正负序功率图，6(c)为储能电容电压图。
具体实施方式
37.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
38.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第
二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
39.如图1所示，本发明一种利用储能电容放电方式的配电线路相间短路故障性质识别装置，包括取电tv、整流电路、储能电容、逆变电路、升压变压器、取电回路开关和放电回路开关，所述取电tv设置在线路开关上游侧，取电tv二次侧通过取电回路开关连接至整流电路输入端，整流电路输出端通过储能电容后与逆变电路的输入端相连，逆变电路输出端通过放电回路开关连接至升压变压输入端，升压变压器输出端连接至线路开关下游侧的线路上。线路正常运行时，线路开关cb处于闭合状态，利用电容储能放电的瞬时和永久故障识别装置若检测到电容电压低于设定值，则控制闭合取电回路开关s1，整流电路从取电tv二次侧(220v)取电，并经整流后向储能电容c充电，充电完成后将取电回路开关s1断开。当配电线路发生故障，保护装置动作跳开线路开关cb以后，延时一定时间，闭合放电回路开关s2，逆变电路投入工作，储能电容向配电线路放电。
40.如图2所示，利用电容储能线路相间短路故障性质识别方法具体包括以下内容：
41.在线路开关的上游侧设置取电tv，并依次通过取电回路开关、整流电路、储能电容、逆变电路、放电回路开关和升压变压器连接至线路开关的下游侧。
42.典型的储能电容的规格选为0.12f/400v。
43.逆变电路即逆变器选择采用恒压限流控制策略，设定逆变器输出三相相电压有效值控制参考值为100v，同时为了防止在装置接入点近端短路故障时，逆变器输出电流过大，在逆变器控制策略中加入限流策略，限定逆变器输出电流有效值最大不超过50a，则可以确定注入信号的最大容量为：
44.sn＝100v*50a*1.732＝8.66kw
45.考虑一定裕度，可以取逆变器额定容量为10kw。
46.线路正常运行时，线路开关cb处于闭合状态，放电回路开关处于断开状态，实时检测储能电容电压，当储能电容电压低于设定值时，控制取电回路开关闭合对储能电容充电；
47.当线路发生故障后，保护装置动作跳开线路开关cb，延时设定时间后，闭合放电回路开关，储能电容经逆变电路向开关下游侧线路注入三相对称交流信号；储能电容c所储存的直流电能由逆变器转换为三相对称交流信号注入配电线路，首先需解决注入信号的频率选取问题，主要考虑两个方面的因素：(1)为了避免与配电系统中固有的传导干扰或者耦合干扰信号相混淆，注入特征信号的频率需选择在介于n与n+1次谐波之间。(2)若注入特征信号频率过高，一方面配电线路对地容抗会显著降低，有可能对故障性质识别带来不利影响，另一方面，则会加大对信号采集和处理的速率要求。综合上述两个方面的考虑，注入特征信号的频率fh选择为230hz。
48.在本发明的优选实施例中，当接收到保护装置发送的线路保护动作信息以后，延时一定时间(通常为0.5s～1s)，闭合s2，同时控制逆变回路投入工作，向配电线路注入频率为fh的信号，注入信号过程维持200ms。采集向线路注入三相对称交流信号期间储能电容端
电压的交流脉动量δu
dc
和平均值u
dc
，计算储能电容端端电压波动率：λ＝δu
dc
/u
dc
；本发明在计算储能电容端电压的交流脉动量和平均值时，优选滤除注入三相对称交流信号期间所产生的暂态过程波形。
49.若计算得到储能电容端电压波动率λ高于动作阈值λ
t
，则判定配电线路发生的是永久性故障，向保护装置发出闭锁重合闸信号；否则，不向保护装置发出闭锁重合闸信号。其中，所述动作阈值λ
t
整定值为0.45。
50.本技术还同时公开了一种基于前述识别方法的线路相间短路故障性质识别系统，包括瞬时和永久故障识别装置、检测单元、控制单元。
51.如前所述，瞬时和永久故障识别装置包括取电tv、整流电路、储能电容、逆变电路、升压变压器、取电回路开关和放电回路开关，所述取电tv设置在线路开关上游侧，取电tv二次侧通过取电回路开关连接至整流电路输入端，整流电路输出端通过储能电容后与逆变电路的输入端相连，逆变电路输出端通过放电回路开关连接至升压变压输入端，升压变压器输出端连接至线路开关下游侧的线路上；
52.所述检测单元用于检测储能电容两端电压；
53.所述控制单元包括取电回路开关控制模块、放电回路开关控制模块、逆变器驱动控制模块、储能电容端电压波动率计算模块、线路故障性质判断模块，当储能电容需要充电时，通过取电回路开关控制模块控制取电回路开关闭合对储能电容进行充电；当线路开关发生相间故障跳闸并延时设定时间后，通过逆变器驱动控制模块实现对逆变回路的调制产生三相对称交流信号；通过放电回路开关控制模块控制放电回路开关闭合，将逆变电路产生的三相对称交流信号经升压变压器后注入线路；所述储能电容端电压波动率计算模块接收检测单元所检测的储能电容两端电压，计算信号注入期间储能电容端电压波动率；所述线路故障性质判断模块根据储能电容端电压波动率与设定动作阈值相比较判断线路相间故障是永久性故障还是瞬时性故障。图3所示为10kv配网仿真模型，配电网系统参数如表1所示。
54.表1配电网系统参数
[0055][0056]
仿真中，配电线路在0.01s时刻故障，线路保护动作将故障线路切除，在0.06s时刻利用储能电容放电方式的配电线路相间短路故障性质识别进入注入信号模式。
[0057]
示例1瞬时故障：三相平衡负载
[0058]
配电线路80％负荷，l1架空线路总长10km，线路尾端发生瞬时故障，投入故障性质识别装置，检测特征信号注入持续时间内逆变器输出的正负序电流、瞬时正负序功率、直流母线电容电压的变化特征，如图4(a)-图4(c)所示，信号稳定以后，逆变器输出的正序电流约为30a左右，负序电流接近为0，逆变器输出的瞬时正序功率约为100w，瞬时负序功率接近为0，直流母线电压波形脉动量较小，稳定后趋于0。
[0059]
示例2瞬时故障：三相不平衡负载
[0060]
根据国家对不平衡度标准，a、b相负荷阻抗保持不变，c相负荷阻抗变为4.033ω/6.217mh，设置l1架空线路尾端发生瞬时故障。检测逆变器输出的正负序电流、瞬时正负序功率、直流母线电容电压的变化特征，如图5(a)-图5(c)所示，信号稳定以后，逆变器输出的正序电流约为20a左右，负序电流约为10a左右，逆变器输出的瞬时正序功率约为400w，瞬时负序功率在-1500w～+1500w之间按照正弦波规律周期性波动，直流母线电压波形存在一定的脉动量，储能电容端端电压波动率约为0.35％。
[0061]
示例3永久相间故障
[0062]
设置l1 10km架空线路尾端发生永久相间故障，检测特征信号注入持续时间内逆变器输出的正负序电流、瞬时正负序功率、直流母线电容电压的变化特征，如图6(a)-图6(c)所示，信号稳定以后，逆变器输出的正序电流约为40a左右，负序电流约为10a左右，逆变器输出的瞬时正序功率在100w以内，瞬时负序功率在-2000w～+2000w之间按照正弦波规律周期性波动，直流母线电压波形存在一定的脉动量，储能电容端端电压波动率约为0.55％。
[0063]
根据上述三种情形的综合对比，线路l1尾端发生永久相间故障下，直流母线电容电压波动率为0.55％，而瞬时故障下即使三相负载不平衡程度剧烈，直流电压波动率为0.35％，故给出储能电容端端电压波动率阈值0.45％作为故障性质判据。
[0064]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。