基于電流相角差的主動(dòng)配電網(wǎng)故障定位方法研究

楊海柱，劉向陽(yáng)，郭一鳴

（河南理工大學(xué)，焦作 454000）

0 引言

隨著化石能源的過(guò)度開(kāi)采，現(xiàn)在越來(lái)越多的清潔能源被利用起來(lái)。伴隨著國(guó)家提倡的走可持續(xù)發(fā)展道路，目前風(fēng)能和太陽(yáng)能被利用的較為廣泛這樣就促使分布式發(fā)電技術(shù)在最近幾年里快速發(fā)展。研究表明配電網(wǎng)中廣泛采用分布式電源（distributed generation，DG）可以在產(chǎn)生清潔能源的過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，具有巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[1]。分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，一方面能夠充分利用資源，可以把過(guò)剩的電能通過(guò)并入大電網(wǎng)供應(yīng)其它用戶使用這樣就可以提高利用效率創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益；但是，另一方面由于DG的接入改變了電網(wǎng)原來(lái)的潮流特性使得原有的配電網(wǎng)繼電保護(hù)和故障定位不再適用。快速的故障定位可以提高主動(dòng)配電網(wǎng)的可靠運(yùn)行能力，文中通過(guò)研究了主動(dòng)配電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)提出了一種基于電流相量的故障定位方法。

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)多使用的是重合閘過(guò)流保護(hù)，在線路發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)配電自動(dòng)化信息確定故障線段[2]，實(shí)現(xiàn)故障定位。由于傳統(tǒng)的電網(wǎng)是單電源網(wǎng)絡(luò)，其保護(hù)和定位都是基于單相潮流特性，但是隨著DG的大量接入改變了原來(lái)配電網(wǎng)的潮流特性，使得現(xiàn)在的配電網(wǎng)變成了一個(gè)復(fù)雜多變的有源網(wǎng)絡(luò)[3,4]。這使現(xiàn)有的繼電保護(hù)可能會(huì)發(fā)生誤判或者拒動(dòng)，因此不再適用。目前可用于主動(dòng)配電網(wǎng)的故障定位方法有基于配電自動(dòng)化信息[5]和基于廣域信息。基于廣域信息又被分為基于獨(dú)立信息[6,7]和基于聯(lián)合信息[8,9]，文中提出的方法就是基于廣域聯(lián)合信息[10]的電流相角差值故障定位方法。該方法在電流相位差動(dòng)保護(hù)的基礎(chǔ)上[11]，分析了主動(dòng)配電網(wǎng)的電流相角在故障時(shí)的變化特征，提出了基于電流相角差的故障區(qū)間定位方法，在該方法的基礎(chǔ)上精確了判定閾值的設(shè)定公式。使其能夠更加準(zhǔn)確的進(jìn)行故障定位，而不再發(fā)生誤動(dòng)和拒動(dòng)的情況。

1 電流相角差值變化分析

我們對(duì)區(qū)段里的電路相角變換進(jìn)行分析。我們?cè)诜治銎涔收咸匦缘臅r(shí)候把主動(dòng)配電網(wǎng)分成簡(jiǎn)單的雙端無(wú)分支區(qū)間。如圖1所示，就是其中一個(gè)區(qū)段兩端的節(jié)點(diǎn)分別是m和n。初始負(fù)荷功率是從m流向n，我們定義電流的參考方向和功率的流動(dòng)方向一致，則該區(qū)段內(nèi)的電流正方向就是m節(jié)點(diǎn)指向n節(jié)點(diǎn)。其節(jié)點(diǎn)電流Im和In處的相位角分別是θm和θn，則定義該區(qū)段的電流相角差Δθ的表達(dá)式為 θ=θm-θn。

1.1 故障前電流相角差值分析

分析主動(dòng)配電網(wǎng)時(shí)可以采用集中參數(shù)π型線路模型，對(duì)分開(kāi)的各個(gè)區(qū)段進(jìn)行等效分析。考慮到主動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)里大多使用的是電纜線路含有分布式電容并且系統(tǒng)里的DG工作導(dǎo)致負(fù)荷電流降低，使對(duì)地電容電流與負(fù)荷電流的比值增大，造成區(qū)段兩端的節(jié)點(diǎn)電流相角有一定的差值。所以，分析時(shí)要考慮分布式電容對(duì)電流相角的影響。配電網(wǎng)一般為Y型直接接地，文中對(duì)研究區(qū)段里的其中一相進(jìn)行故障前后的等效分析操作如下。

圖1 研究區(qū)段等效示意圖

對(duì)圖1一個(gè)長(zhǎng)為L(zhǎng)的單相雙端無(wú)分支區(qū)段，其等效模型如圖2所示，其中節(jié)點(diǎn)m和n處的電壓分別為Um和Un，電流分別為Im和In，Zmn為線路的串聯(lián)阻抗，Y是線路的并聯(lián)導(dǎo)納。由于有并聯(lián)導(dǎo)納的影響，導(dǎo)致對(duì)地電容電流對(duì)線路里的電路產(chǎn)生影響，所以Im和In之間的幅值和相位不一樣，如圖3所示，I=Im-In。通過(guò)分可知兩端電流在電網(wǎng)正常運(yùn)行的情況下相角會(huì)有一個(gè)夾角θ，在正常運(yùn)行時(shí)該角較小（θ≤5°）。Im的幅值略大于In的幅值，| I|略大于0，在此情況下有：

在區(qū)段里對(duì)地電容電流與線路電流的比值小于10%的情況下，可以根據(jù)式(1)對(duì)夾角θ進(jìn)行估算得：

圖2 研究區(qū)段電路等效模型

圖3 電流相量圖

1.2 故障后電流相角差值分析

當(dāng)區(qū)段內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，其等效模型如圖4所示，Lm和Ln分別為m和n點(diǎn)據(jù)故障點(diǎn)F的距離。Umf和Unf為故障后兩端節(jié)點(diǎn)處的電壓，Imf和Inf分別為故障后兩端的節(jié)點(diǎn)電流，Zmf和Znf分別為兩端點(diǎn)到故障點(diǎn)的串聯(lián)阻抗，Uf為故障處的等效電壓，Zf為故障點(diǎn)處的等效阻抗，Ym和Yn為線路的并聯(lián)導(dǎo)納。此時(shí)電路兩端節(jié)點(diǎn)處電流Imf和Inf的相量圖如圖5所示。

圖5 故障時(shí)電流相量圖

當(dāng)發(fā)生的為相間短路時(shí)，Zf等效為相間短路過(guò)渡阻抗，Uf等效為其他相對(duì)該故障相的影響；當(dāng)發(fā)生的為接地短路故障時(shí)Uf為零，Zf為短路過(guò)渡阻抗對(duì)線路進(jìn)行等效。推導(dǎo)出故障時(shí)故障電流Imf和Inf的通用公式：

式(3)、式(4)里的參數(shù)分別為：

當(dāng)區(qū)段內(nèi)發(fā)生故障后由式(3)、式(4)分析得如果區(qū)段兩端都有電源時(shí)，Imf和Inf之間相角差θf(wàn)變大，成為一個(gè)鈍角，此時(shí)θf(wàn)>θ；如果該段線路僅有一端有電源，則在故障點(diǎn)處的等效電壓Uf和等效阻抗Zf的共同作用下使故障區(qū)段的并聯(lián)導(dǎo)納增大，同樣導(dǎo)致夾角θf(wàn)增大θf(wàn)>θ。

經(jīng)過(guò)上述的分析可知，當(dāng)主動(dòng)配電網(wǎng)線路正常工作時(shí)由于線路里面并聯(lián)導(dǎo)納的影響Imf和Inf之間有一個(gè)小的夾角θ這個(gè)時(shí)候由于電路里面沒(méi)發(fā)生故障不需要電路里的保護(hù)元件進(jìn)行動(dòng)作；當(dāng)電路里發(fā)生故障時(shí)造成夾角變大，這時(shí)候需要電路保護(hù)進(jìn)行動(dòng)作，我們就需要快速準(zhǔn)確的定位出故障區(qū)間。我們需要考慮由于正常工作時(shí)的電流相角度差值發(fā)生誤判的動(dòng)作，在文中里采取了設(shè)定閉鎖角的方法來(lái)避免這個(gè)情況[12,13]。

2 故障判斷與閉鎖角整定

在主動(dòng)配電網(wǎng)的單相區(qū)段里可根據(jù)電流相角差值來(lái)判斷是否發(fā)生故障，即當(dāng)相角差的絕對(duì)值|θf(wàn)|在多個(gè)采樣點(diǎn)都有|θf(wàn)|＞δ，則表明該段有故障發(fā)生，如果不是則沒(méi)有故障。實(shí)際采樣時(shí)，采樣點(diǎn)N的值需要適當(dāng)?shù)倪x取，以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的定位故障。N值較小時(shí)，定位就會(huì)快速、靈敏，但是可靠性型就會(huì)降低。δ是判定閥值[14]，其取值由由多種因素決定具體分析如下：

考慮到電流互感器根據(jù)10%的誤差曲線選取，其角度誤差≤7°，一般取互感器的相位誤差角為7°；高頻電流從線路的一端相另一端傳送所需延時(shí)相角差α，一般取值，其中l(wèi)為高頻通道長(zhǎng)度，km；考慮到未計(jì)及誤差等因素，取一個(gè)裕度角一般取值為15°。由此可得δ的整定公式為：

δ的取值一般整定為30°。以Im的方向?yàn)閰⒖挤较颍鬘端電流In落在δ的范圍內(nèi)，則不發(fā)出故障指示；如果落在δ的范圍外則會(huì)發(fā)出故障指示，如圖6所示。此時(shí)，我們就能準(zhǔn)確定位出故障區(qū)段。

圖6 閉鎖角與故障動(dòng)作范圍

主動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)里面含有單相、兩相和三相線路。其中單相和兩相線路一般用于負(fù)載供電的分支線路，可等效為對(duì)應(yīng)的單相負(fù)荷；重要的供電線路為三相的并且含有DG。我們可根據(jù)這把主動(dòng)配電網(wǎng)等效為三相系統(tǒng)。把單相故障判定方式用到三相線路區(qū)段的每一相，可根據(jù)判斷各相線路是否發(fā)生故障進(jìn)而完成故障定位，不受三相電流不平衡的影響。

3 故障區(qū)間定位

3.1 定位方法的原理

為了在快速的定位出主動(dòng)配電網(wǎng)的故障區(qū)間，文中里面提出的一種基于電流相角差的定位方法。其原理結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 定位原理圖

文中提出的主動(dòng)配電網(wǎng)故障定位方式只需要對(duì)電流信息進(jìn)行測(cè)量，為了保證可以準(zhǔn)確定位，要求測(cè)量時(shí)同步測(cè)量。通過(guò)各區(qū)段線路里安裝的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)區(qū)段內(nèi)的故障判斷，控制中心綜合各區(qū)段的信息進(jìn)行故障定位。通過(guò)快速傅里葉變換來(lái)獲取區(qū)段兩端點(diǎn)的電流相角，根據(jù)采集到實(shí)時(shí)相角來(lái)進(jìn)行故障定位。

3.2 實(shí)用性分析

文中提出的方法把主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)中的電路分成多條雙端無(wú)分支的區(qū)段，如果區(qū)段內(nèi)存在分支，同樣對(duì)其進(jìn)行分割。該方法適用于含多種DG的主動(dòng)配電網(wǎng)中，同時(shí)也適用于DG滲透率高的系統(tǒng)。該方法要求采樣頻率不低于5kHz，同步誤差小于0.2ms[15]。信號(hào)采集可以使用全球定位系統(tǒng)（global position system，GPS）或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)同步測(cè)量[16]。使用GPS同步測(cè)量時(shí)誤差在0.1us以內(nèi)[17]。目前用于配電網(wǎng)里的同步采樣頻率也超過(guò)了25kHz，所以該方式要求的采樣頻率目前的技術(shù)可以滿足。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證所提出的方法在主動(dòng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)對(duì)故障定位的準(zhǔn)確性，利用PSCAD/EMTDC軟件建立了系統(tǒng)仿真模型對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 案例分析

使用PSCAD軟件建立如圖1所示，帶有分布式電源的配電網(wǎng)仿真模型，接下來(lái)分析該配電網(wǎng)線路在發(fā)生短路故障時(shí)的電流相量角度變化，通過(guò)對(duì)故障時(shí)電流相量角度差和判斷閥值進(jìn)行比較來(lái)驗(yàn)證文中所提的方法的準(zhǔn)確性。故障發(fā)生時(shí)刻設(shè)置為0.1s，持續(xù)時(shí)間為0.01s。

當(dāng)發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，測(cè)得故障電流如圖8所示，經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換可得在故障時(shí)刻采集到的電流Im的相角為79.2°，In的相角為-85.9°相角差的絕對(duì)值為165.1°，大于整定值δ。

圖8 單相接地故障電流波形圖

當(dāng)發(fā)生兩相故障時(shí)有兩相短路故障和兩相接地故障兩種，此時(shí)可以通過(guò)測(cè)量線路的零序電流幅值來(lái)辨別。當(dāng)發(fā)生的是兩相短路故障時(shí)，線路端口的零序電流im=in=0；當(dāng)發(fā)生的是兩相接地故障時(shí)，im和in至少有一個(gè)不為零。發(fā)生兩相短路故障時(shí)故障電流波形如圖9所示，通過(guò)快速傅里葉變化得到電流Im的相角為-57.5°，In的相角為18.7°相角差的絕對(duì)值為76.2°，大于整定值δ，零序電流幅值如圖10所示。

圖9 兩相短路故障電流波形圖

圖10 兩相短路故障零序電流幅值

當(dāng)發(fā)生兩相接地故障時(shí)故障電流波形如圖11所示，通過(guò)快速傅里葉變化得到電流Im的相角為-45.4°，In的相角為20.8°相角差的絕對(duì)值為66.2°，大于整定值δ，零序電流幅值如圖12所示。

圖11 兩相接地故障電流波形圖

圖12 兩相短接地故障零序電流幅值

電路發(fā)生三相短路故障時(shí)故障電流波形如圖13所示，通過(guò)快速傅里葉變化得到電流Im的相角為-55.6°，In的相角為16.2°相角差的絕對(duì)值為71.8°，大于整定值δ。

圖13 三相短路故障電流波形圖

通過(guò)案例分析可知，當(dāng)仿真電路發(fā)生不同類型的故障時(shí)，故障電流的相角差都大于整定值δ，通過(guò)這可以準(zhǔn)確的判斷出故障的發(fā)生。

4.2 系統(tǒng)仿真

利用PSCAD軟件搭建如圖14所示的主動(dòng)配電網(wǎng)。系統(tǒng)變壓器選取的容量為500MVA，電壓為10.5kV。DG1、DG2和DG3分別是三個(gè)容量為2MVA的分布式電源，線路1、3、4是架空線路，參數(shù)為x1=0.347Ω/km、r1=0.27Ω/km；線路2、5是電纜線路，參數(shù)為x1=0.093 Ω/km、r1=0.259Ω/km。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處接有額定容量為1.5MVA，額定功率因數(shù)為0.85的負(fù)荷。

表1是當(dāng)線路發(fā)生不同類型故障時(shí)，保護(hù)裝置采集到的端口電流信息其中Im是線路左端口電流，In是線路右端口電流，Δθ是相角差。

圖14 系統(tǒng)仿真模型示意圖

表1 系統(tǒng)仿真結(jié)果

在發(fā)生單相接地故障時(shí)電流相角差為-232.4°超出規(guī)定范圍（-180°～+180°]，所以加上360°。通表1可以得出，當(dāng)仿真系統(tǒng)發(fā)生不同類型的故障時(shí),利用文中所提出的方法仍然可以對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

5 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)研究線路故障時(shí)兩端電流相角的變化特性，提出了采用電流相角差值進(jìn)行故障定位的方法。該方法不需要采集電壓信息，減少了同步信息采集的同時(shí)也減少了經(jīng)濟(jì)投資。通過(guò)仿真可以得到該方法可以準(zhǔn)確的用于主動(dòng)配電網(wǎng)的故障定位，在不同的故障類型下該方法都具有較高的準(zhǔn)確性和魯棒性。