考虑不可测负荷分支的有源配电网单相断线故障保护方法.pdf
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1、第 50 卷第 4 期2023 年 7 月华 北 电 力 大 学 学 报Journal of North China Electric Power UniversityVol.50,No.4Jul.,2023doi:10.3969/j.ISSN.1007-2691.2023.04.04考虑不可测负荷分支的有源配电网单相断线故障保护方法徐 岩1,邹 南1,马天祥2,段 昕2(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学),河北 保定 071003;2.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021)摘要:有源配电网断线故障造成过电压、人身伤亡及电机损毁等事故时有发生,针对这一
2、问题,首先分析了有源配电网断线故障后各节点负序阻抗以及断口两侧零序电压差。借鉴电流差动保护的思想,定义了负序差动阻抗,基于区内外故障时负序差动阻抗的特征差异,提出了一种基于负序差动阻抗的保护方法。该方法利用负序差动阻抗幅值作为动作量,利用其相位构造具有自适应性的制动阈值。其次,针对重载保护失效的情况,提出了将零序电压幅值差作为辅助判据。最后,分析了不可测负荷分支对上述保护判据的影响,并提出了通过比较负序电流幅值进行故障定位的方法。仿真结果表明,所述方法可以可靠定位,具有不受中性点接地方式、过渡电阻、负荷以及分布式电源影响的特点。关键词:有源配电网;断线故障;负序差动阻抗;零序电压差;不可测负荷
3、分支中图分类号:TM773 文献标识码:A 文章编号:1007-2691(2023)04-0030-11Single-phase Disconnection Fault Protection Method of Active Distribution Network Considering Unmeasurable Load BranchXU Yan1,ZOU Nan1,MA Tianxiang 2,DUAN Xin2(1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Source
4、s(North China Electric Power University),Baoding 071003,China;2.State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)Abstract:The active distribution network disconnection fault causes accidents such as overvoltage,personal injury and death,and motor damage.To solve this prob
5、lem,we first analyzed the negative sequence impedance of each node after the active distribution network disconnection fault and the zero sequence voltage difference on both sides of the fracture.With the idea of current differential protection for reference,the negative sequence differential impeda
6、nce was defined.Based on the characteristic difference of the negative sequence differential impedance when the fault occurs inside and outside the area,a protection method based on the negative sequence differential impedance was proposed.This method uses the amplitude of the negative sequence diff
7、erential impedance as the amount of action,and uses its phase to con-struct an adaptive braking threshold.Secondly,in view of the failure of the overload protection,we proposed the zero se-quence voltage amplitude difference as an auxiliary criterion.Finally,we analyzed the influence of the unmeasur
8、able load branch on the above protection criterion,and proposed a method for fault location by comparing the magnitude of the neg-ative sequence current.The simulation results show that the method can reliably locate fault and has the characteristics of not being affected by the neutral grounding me
9、thod,transition resistance,load,and distributed power sources.Key words:active distribution network;disconnection fault;negative sequence differential impedance;zero sequence voltage difference;unmeasurable load branch收稿日期:2021-12-17.基金项目:河北省省级科技计划资助项目(20314301D);国家电网公司科技项目(kj2020-064).第 4 期徐 岩,等:考虑
10、不可测负荷分支的有源配电网单相断线故障保护方法0 引 言 近几年,随着配电网中绝缘导线的应用逐渐增多,断线故障发生概率增加,断开的导线掉落到大地上形成断线接地复故障1,2。由于配电网发生断线故障或断线接地复故障后无明显过流,使得断线故障检测及故障定位比较困难,长时间接地的导线会对人的生命安全造成威胁;其次,单相断线故障会造成电动机缺相运行,从而发热甚至烧毁,因此有必要对配电网断线故障特性进行研究并以此提出相应的保护原理。随着传统化石能源的短缺和环境问题的日益加剧,采用清洁能源的分布式发电及就地并网技术受到广泛的关注。因此,具有能耗低、投资少、灵活可靠等优点的有源配电网必然是未来的发展方向3-5
11、。然而分布式电源的接入使得传统单电源辐射状网络变为多电源多端供电、配网潮流及故障电流均发生改变的复杂网络,因此针对有源配电网断线保护原理的研究也刻不容缓。目前针对有源配电网短路故障特性分析及保护原理的研究较多,主要基于以电流为基础的差动保护,有相电流、序电流以及故障分量的幅值比或相位差动6-11。然而,配网断线之后无明显过流,故障两侧电流相同,上述方法无法应用到断线故障中。为此,一些专家学者针对配网断线故障提出了相应的保护方法,文献12利用在绝大多数情形下中压馈线电压以及配电变压器低压侧电压特征,提出了一种基于电压稳态信息的断线故障定位方法。该方法可以满足绝大多数情形下的配电网断线保护,但针对
12、分布式电源的影响还有待进一步分析;文献13利用故障支路负序电流与系统电源支路负序电流之比大于 1,而非故障支路负序电流与系统电源支路负序电流之比小于 1 构成保护判据,但该方法受负荷影响,在非故障支路重载时可能会失效;文献14利用相电流特征构成保护判据,同样受到负荷的影响;文献15利用故障前后分布式电源输出电流的变化特征,建立了基于分布式电源电流变化率的辐射状配电网单相断线故障保护判据,但该方法无法进行故障区段定位;文献16-17提出了配网断线故障诊断方法,无法进行故障定位。综上所述,目前大量的研究主要针对含逆变类分布式电源(Inverter Interfaced Distributed Ge
13、n-eration,IIDG)配电网短路故障,针对有源配电网断线故障保护原理的研究较少,尤其是不可测负荷分支的研究。因此,本文在前人研究的基础上,提出了一种基于负序差动阻抗的保护方法,该方法利用负序差动阻抗幅值作为动作量,利用其相位构造具有自适应性的制动阈值,针对重载保护失效的情况,提出了将零序电压幅值差作为辅助判据。最后,分析了不可测负荷分支对保护判据的影响,并提出了通过比较负序电流幅值进行故障定位的方法。仿真结果表明,所述方法可以可靠定位,具有不受中性点接地方式、过渡电阻、负荷以及分布式电源影响的特点。1 IIDG 在配电网故障下的等效模型 逆变类分布式电源经逆变器并入电网,其输出特性取决
14、于逆变器的控制。目前,IIDG 多采用PQ 控制方式,其控制方程可表示为Pout=UdIdQout=UdIq(1)式中:Pout、Qout分别为有功功率和无功功率的实际输出值;Ud为 IIDG 并网点的正序电压;Id、Iq分别为 IIDG 有功电流和无功电流的实际输出值。通过控制 Id、Iq分别跟踪电流参考值 Id_ref、Iq_ref即可输出有功参考功率 Pref、无功参考功率 Qref。正常运行时,IIDG 仅输出有功参考功率,无功参考功率为 0。根据分布式电源并网技术要求(GB/T 33593-2017)规定,通过 10 kV 直接接入公共电网的分布式电源应具有一定的低电压穿越能力。配电
15、网发生断线故障后,根据 IIDG 接入的位置不同,其输出特性不同。当 IIDG 位于故障点上游时,受系统电源电压的钳制,其并网点正序电压接近系统电源电压,此时无需低电压穿越;而当 IIDG位于故障点下游时,其并网点正序电压受 IIDG 本身额定容量、负荷阻抗的影响,变化十分复杂,有可能大于系统电源电压,也有可能小于系统电源电压。故障情况下 IIDG 等值模型为Id.f=minPref/Ud,Imax2-Iq.f2Iq.f=01.5(0.9-)IN 0.90.9 0.2IIIDG.f=Id.f2+Iq.f2arctan(Iq.f/Id.f)(2)式中:Id.f、Iq.f分别为故障后 IIDG 有
16、功电流和无功13华 北 电 力 大 学 学 报2023 年电流的实际输出值;IN为 IIDG 输出额定电流;IIIDG.f为故障后 IIDG 输出电流;为 IIDG 并网点电压跌落系数,数值上等于并网点正序电压和系统额定电压的比值;Imax为 IIDG 最大输出故障电流,取正常运行时额定电流的两倍。2 单相断线故障序分量特征分析 由于负序分量不受中性点接地方式以及 IIDG的影响,因此,本文故障定位判据考虑采用负序分量构造。采用文献18的系统模型对故障分量进行分析,如图 1 所示,QF1 QF10为断路器;M、N、H、E 为母线节点;R0为中性点接地电阻;Lg为消弧线圈;k1、k2分别代表不同
17、系统接地方式的转换开关,当仅 k1闭合时,为小电阻接地系统;当仅 k2闭合时,为消弧线圈接地系统,当二者都断开时,为不接地系统;IIDG1、IIDG2 为两个逆变型分布式电源;PCC1、PCC2 分别为两个 IIDG 接入点;L1、L2、L3分别为三条支路所带负荷;Lb1、Lb2、Lb3、Lb4分别为四条不可测负荷分支所带负荷;f1、f2为两个故障点。图 1 有源配电网Fig.1 Active distribution network2.1 负序阻抗分布特征 已知断线不接地故障和断线且接地复故障分析结果相同19。因此,下文以断线不接地故障为例进行分析,当 f1处发生单相断线不接地故障时,得到负
18、序网络如图 2 所示。其中,Z1=ZL2/(ZNE+ZL3);ZS、ZMH、ZMN、ZNE分别为电源等值阻抗、线路 MH 等值阻抗、线路MN 等值阻抗以及线路 NE 等值阻抗;ZL1、ZL2、ZL3为三条支路负荷等值阻抗;x 为故障点到母线 M的距离与线路 MN 长度的比值。根据图 2 所示负序网络可计算出非故障区段 MH 以及故障区段图 2 有源配电网负序网络Fig.2 Negative sequence network of active distribution net-workMN 两侧负序阻抗如下:ZQF1=ZMH+ZL1ZQF2=ZL1ZQF5=-(ZS(ZMH+ZL1)ZQF6=
19、ZL2(ZNE+ZL3)(3)式中:ZQF1、ZQF2、ZQF5、ZQF6分别为线路 MN 发生单相断线不接地故障时,断路器 QF1、QF2、QF5、QF6处计算得到的负序阻抗。当 f2处发生单相断线不接地故障时,可计算出非故障区段 MH 以及故障区段 NE 两侧负序阻抗如下:ZQF1=ZMH+ZL1ZQF2=ZL1ZQF8=-(ZL2(ZMN+ZS(ZMH+ZL1)ZQF9=ZL3(4)式中:ZQF1、ZQF2、ZQF8、ZQF9分别为线路 NE 发生单相断线不接地故障时,断路器 QF1、QF2、QF8、QF9 处计算得到的负序阻抗。2.2 IIDG 上游发生单相断线故障零序电压分布特征 由
20、于配电网为小电流接地系统,当发生断线且接地复故障时,接地电流很小,而断口处的边界方程依旧满足式(5)。因此,断线接地情况下的断口两侧零序电压差和断线不接地下的结果基本相同,而文献20中也得出了相同的结论,同时,由文献20也可得出,断口两侧零序电压差不受系统中性点接地方式的影响。当配电网 f1处发生单相断线不接地故障时,可建立由对称分量表示的边界方程:IMN(1)+IMN(2)+IMN(0)=0UMN(1)=UMN(2)=UMN(0)(5)式中:UMN(1)、UMN(2)、UMN(0)分别为线路 MN 故障断口电压变化量的正序分量、负序分量和零序23第 4 期徐 岩,等:考虑不可测负荷分支的有源
21、配电网单相断线故障保护方法分量;IMN(1)、IMN(2)、IMN(0)分别为流过故障点的正序电流、负序电流和零序电流。已知小电流接地系统中,IMN(0)0,根据边界条件及序网络可得故障断口两侧零序电压差为UMN(0)=z1ES+z2IDG1.f+z3IDG2.f(6)式中:ES为系统电源电势;z1、z2、z3为和线路阻抗及负荷阻抗有关的系数;IDG1.f、IDG2.f分别为IIDG1、IIDG2 输出的正序电流,可知:z1=ZMH+ZL12(ZS+ZMH+ZL1)z2=ZSZL12(ZS+ZMH+ZL1)z3=-ZL2(ZNE+ZL3)2(7)已知负荷阻抗远远大于线路阻抗及电源阻抗,因此断口
22、两侧零序电压差可简化为UMN(0)=12ES+ZS2IDG1.f-ZL2 ZL32IDG2.f(8)当配电网中不含分布式电源时,即 IDG1.f=IDG2.f=0,根据式(8)可得:UMN(0)=12ES(9)当配电网中不含分布式电源时,故障断口两侧零序电压差为二分之一电源电压。当配电网中仅故障点下游含分布式电源时,即 IDG1.f=0,根据式(8)可得:UMN(0)=12ES-ZL2 ZL32IDG2.f(10)当故障点下游含 IIDG 时,由于其接入点正序电压可能会发生较大的降落,因此,IIDG 将输出无功电流支撑系统电压。下面对 IIDG 接入点正序电压进行分析,正序网络如图 3 所示。
23、图 3 有源配电网正序网络Fig.3Positive sequence network of active distribution net-work其中,UPCC.f1、UPCC.f2分别为故障后 IIDG1、IIDG2 接入点正序电压;忽略系统阻抗和线路阻抗,由图 3 可得 IIDG 接入点正序电压为UPCC.f1=ESUPCC.f2=ES-UMN(1)=12ES+ZL2 ZL32IDG2.f(11)IIDG1 接入点正序电压受系统电源电压的钳制,等于系统电源电压 ES;分析 IIDG2 接入点正序电压时,为方便起见,假设系统中分布式电源仅有 IIDG2,分布式电源 IIDG2 接入点正序
24、电压与负荷以及它本身的额定容量有关,根据低电压穿越要求,当 UPCC.f2的幅值大于 0.9ES时,IIDG2 只输出有功功率,其输出电流 IDG2.f的相位和 ES近似同相位,已知配电网功率因数一般接近 1,因此负荷ZL2 ZL3的阻抗角接近 0。此时,(ZL2 ZL3)/2IDG2.f相位与 ES近似同相位并且其幅值大于等于0.4ES。根据式(10)可知,IIDG2 的存在将使得故障断口两侧零序电压差减小,当(ZL2 ZL3)/2IDG2.f幅值等于 0.5ES时,其压差近似为 0。当配电网中仅非故障支路含分布式电源时,即 IDG2.f=0,根据式(8)可得:UMN(0)=12ES+ZS2
25、IDG1.f(12)位于相邻线路的 IIDG1 接入点正序电压近似等于系统电源电压,因此,其只输出有功电流,IDG1.f相位与 ES近似相同,根据式(12)可知,位于相邻线路的 IIDG1 会增大故障断口零序电压差。综上,当 IIDG 位于故障点下游时,可能会减小故障断口零序电压差,一定情况下会使以零序电压差幅值为动作判据的保护拒动;当 IIDG 位于故障线路相邻线路时,会增大故障断口零序电压差。2.3 IIDG 下游发生单相断线故障零序电压分布特征 当配电网 f2处发生单相断线不接地故障时,可建立由对称分量表示的边界方程:INE(1)+INE(2)+INE(0)=0UNE(1)=UNE(2)
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