王晨清(1987), 男, 博士, 高级工程师, 从事电力系统继电保护与控制工作(E-mail:
陈实(1990), 男, 博士, 高级工程师, 从事电力系统继电保护与控制工作
齐贝贝(1993), 女, 硕士, 工程师, 从事电力系统继电保护与控制工作
采用小电流接地方式的直流配电网发生单极接地故障时故障特征较弱,为准确可靠选出故障线路,文中提出基于注入信号波形相关性的接地故障选线方法。所提方法首先将预先设计的附加控制策略施加于直流配电网的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)上,实现探测信号注入。然后结合零模网络,得出故障特征为:各条健全馈线首端计算的特定频率零模电流流向相同、而其与故障馈线首端计算的零模电流流向相反。最后,基于该故障特征设计选线判据,引入皮尔森相关性系数比较各条馈线的归一化零模电流和总归一化零模电流的相关性,根据健全馈线相关性系数接近于1、故障馈线相关性系数接近于-1的特征完成故障选线。仿真结果表明,所提方法在高阻接地故障下能可靠识别发生在母线或各条馈线任意位置的单极接地故障。
The fault characteristics of direct current (DC) distribution network with small current grounding mode are inconspicuous when single-pole grounding fault occurs. In order to accurately and reliably select the fault line, a grounding fault selection method based on the injected signal waveform correlation is proposed. Firstly, a predesigned additional control strategy is applied to the modular multilevel converter (MMC) of the DC distribution network to achieve the detection signal injection. Then, in combination with the zero-mode network, the fault characteristics are as follows. The specific frequency zero-mode current flow at the beginning of each sound feeder are same, which are opposite to zero-mode current flow at the beginning of the faulty feeder. Finally, based on this fault characteristic, the fault selection criterion is designed, and the Pearson correlation coefficient is introduced to compare the correlation between the normalized zero-mode current of each feeder and the total normalized zero-mode current. The fault selection is completed based on the characteristics that the correlation coefficient of the sound feeder is close to 1 and the correlation coefficient of the faulty feeder is close to -1. The simulation results show that the proposed method can reliably identify single-pole grounding fault occurring at any location on the bus or each feeder under high-resistance grounding fault.
相比于传统交流配电技术,直流配电技术凭借易于接纳新能源设备、控制灵活迅速、电能质量高等优势受到广泛关注[
基于MMC的柔性直流配电系统广泛采用大电阻接地方式,无论是交流侧接地还是直流侧接地,在发生单极接地故障时,允许系统带故障工作一段时间。然而,这一方式也带来了单极接地故障后故障电流小、故障特征不明显的问题,为故障选线带来了挑战[
第2类方法是在故障后利用电力电子设备等装置向配电网注入某类特征信号,基于该信号及其响应识别故障[
综上所述,文中提出一种基于注入信号波形相关性的直流配电系统小电流接地选线方案。通过借助附加控制,在保护启动后主动注入特定频率的探测信号,增强故障特征。依据各条健全馈线首端计算的特定频率零模电流流向相同,而其与故障馈线首端计算零模电流流向相反的特征,引入皮尔森相关性系数进行选线。仿真结果表明,线路经高阻接地时,所提方案仍能准确选线,具备一定的灵敏度,且注入信号持续时间可控,利于降低对测量和保护装置的采样率要求。
为简化分析,在建立故障等效电路时,首先对配电线路做两步简化。(1) 考虑到直流配电网广泛采用带屏蔽层的单芯电缆,因此可忽略线路之间的互阻抗参数;(2) 考虑到配电线路长度一般不超过20 km,将线路模型简化为集中参数等效的Γ模型。据此,建立直流配电网某回馈线发生正极接地故障时,在注入频率下的等效网络,如
直流配电网在注入频率下的故障等效电路
Fault equivalent circuit of DC distribution network at injection frequency
正常运行时,系统正负极电路对称,两极参数在数值上相等,因而正负极对地电压数值相等,相位相反,系统零模电压为0。系统发生单极接地故障时,故障极增加了一条包含过渡电阻的故障支路,系统正负极的对称性被破坏,相应地产生了零模电压,即:
式中:
注入特定频率的零模电压,实质上是通过注入极间电压,再通过接地故障下电路的不对称特征耦合实现的。注入极间电压激励的方法如
含信号注入的附加控制框图
Additional control block diagram with signal injection
在稳态情况下,MMC的直流侧电压为:
其中,MMC控制器的附加控制函数为:
式中:
探测信号频率的选择主要考虑设备控制能力的约束,并最大化响应特征的差异,提高检测的灵敏度。
一方面,换流器的运行和控制能力,限制了注入信号的能力,文献[
式中:
在式(5)的约束下,根据±10 kV柔性直流配电网及MMC典型参数,估算换流器产生的控制信号频率一般不应超过300 Hz。另一方面,随着信号频率升高,线路对信号的衰减作用加强,因此为保证良好的注入特性,频率的设置不应过高。综上所述,探测信号频率设置在100~200 Hz较为合适,文中频率设置为120 Hz。
探测信号幅值的选择主要考虑互感器测量精度以及探测信号注入对电网的冲击两方面。
一方面,直流配电网中互感器的精度为0.5%,探测信号的幅值应大于该限值。另一方面,根据国家标准的要求,系统运行时的电压波动偏差范围应在5%以内[
注入探测信号的时长选择一方面要满足探测信号的注入能被有效识别和提取,另一方面要减小注入时长,以降低其对电网正常运行的影响。文中选择注入探测信号时长
同时,为保证探测信号稳定注入,需要延时Δ
借助凯伦鲍尔极模变换对极电路进行解耦,得到
故障零模等效电路
Fault zero-mode equivalent circuit
由
对于健全馈线,有:
对于故障馈线,有:
由式(6)可知,以母线零模电压
据此,根据各条健全馈线首端计算零模电流相位相同,而其与故障馈线首端计算零模电流相位相反的特征,完成接地故障选线。
从对响应信号的分析可得,单极接地故障支路破坏了原直流配电网络的对称性,使得从健全馈线首端测得的零模电流方向与从故障馈线首端测得的零模电流方向相反。即零模故障电流从各条健全馈线流出,并流入故障馈线,因此可根据这一差异识别故障馈线。
首先对各条馈线的电流进行归一化处理。采集第
式中:
再对各馈线零模电流进行归一化处理,以便后续识别故障馈线。
式中:
考虑到识别电流方向需要首先规定正方向,因此根据各馈线归一化零模电流,进一步计算馈线零模电流参考值。即利用各馈线归一化零模电流相加后,再进行归一化处理。
式中:
随后,引入皮尔森相关性系数[
式中:
在发生单极接地故障时,电路受到故障支路的影响,故障极对地电压跌落至0,健全极对地电压绝对值上升至极间额定电压,正负极对地电压出现明显不平衡[
式中:
基于皮尔森相关性系数分辨各条馈线零模电流的波形,分别计算归一化后的各馈线零模电流值与馈线零模电流参考值的皮尔森波形相关性系数。基于选线原理可知,健全馈线的相关性系数接近于1,故障馈线的相关性系数接近于-1。在实际选线过程中,受电网电容、电感影响,注入的探测信号中可能叠加有直流量、谐波、噪声、衰减直流分量等干扰项。虽然皮尔森相关性系数在应用时并不能完全消除以上所有干扰项的影响,但仍能保证计算结果的稳定性。
考虑检测和计算裕度,若计算得到的两电流呈正强相关,则选线结果为非故障,若呈负强相关,则选线结果为故障。若所有馈线计算结果均为正强相关,则进一步凭借电压不平衡判据判断是否为母线故障。具体选线识别判据为:
式中:
基于注入信号及其响应信号相关性的直流配电网接地故障选线流程如
直流配电网接地故障选线流程
Grounding fault line selection process of DC distribution network
当检测到直流侧电压不平衡度越限后,启动故障选线策略,并将含信号注入的控制策略附加于MMC,实现探测信号注入。
探测信号注入后,等待20 ms以过渡到注入信号稳定后再进行识别。检测并计算各馈线归一化零模电流值与馈线零模电流参考值,进一步得到其皮尔森波形相关性系数。若第
在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建±10 kV直流配电网模型[
±10 kV辐射型柔性直流配电网模型
±10 kV radiating flexible DC distribution network model
对基于注入信号及其响应信号相关性的直流配电网接地故障选线效果进行验证,文中首先对注入效果进行验证,如
注入效果波形
Injection effect waveforms
由
设置馈线
馈线末端负极金属性接地故障仿真结果
Simulation results of negative metallic grounding fault at the end of feeder
由
设置馈线
馈线首端正极金属性接地故障仿真结果
Simulation results of positive metallic grounding fault at the head of feeder
由
设置直流母线发生正极金属性接地故障,仿真结果见
直流母线故障仿真结果
Simulation results of DC bus fault
其余不同位置发生单极接地故障时的判别结果见
馈线故障仿真结果
Simulation results of feeder fault
故障位置 | 故障极 | 皮尔森相关性系数 | 选线结果 | |||
正极 | -1.000 | 0.989 | 0.999 | 0.997 | ||
正极 | -0.999 | 0.998 | 0.999 | 0.997 | ||
负极 | -0.999 | 1.000 | 0.999 | 0.998 | ||
负极 | -0.998 | 1.000 | 0.997 | 1.000 | ||
负极 | 0.996 | -1.000 | 0.999 | 1.000 | ||
负极 | 0.997 | -0.998 | 0.999 | 0.988 | ||
正极 | 0.997 | -0.998 | 1.000 | 0.989 | ||
正极 | 0.998 | -0.999 | 1.000 | 1.000 | ||
正极 | 0.999 | 1.000 | -1.000 | 0.995 | ||
正极 | 0.988 | 0.999 | -1.000 | 0.995 | ||
负极 | 0.988 | 0.999 | -1.000 | 0.996 | ||
负极 | 1.000 | 1.000 | -0.997 | 1.000 | ||
负极 | 1.000 | 0.999 | 0.989 | -0.989 | ||
负极 | 0.998 | 0.999 | 1.000 | -0.997 | ||
正极 | 1.000 | 0.999 | 1.000 | -0.998 | ||
正极 | 0.999 | 1.000 | 1.000 | -1.000 |
由
由响应信号分析的式(6)、式(7)可知,所利用的故障特征和设计的选线判据理论上与过渡电阻无关。但随着过渡电阻增大,故障暂态过程变长,系统中的衰减直流分量影响保护判据的计算结果。
设置馈线
馈线末端经300 Ω过渡电阻接地故障仿真结果
Simulation results of feeder terminal grounding fault with transition resistance of 300 Ω
馈线末端经2 000 Ω过渡电阻接地故障仿真结果
Simulation results of feeder terminal grounding fault with transition resistance of 2 000 Ω
此外,馈线
Simulation results of
过渡电阻/Ω | 皮尔森相关性系数 | 选线结果 | |||
100 | -1.000 | 1.000 | 1.000 | 0.999 | |
150 | -0.989 | 0.998 | 1.000 | 1.000 | |
200 | -0.999 | 1.000 | 0.999 | 0.997 | |
250 | -0.999 | 0.997 | 0.999 | 0.997 | |
300 | -0.995 | 1.000 | 0.989 | 0.997 | |
1 000 | -0.990 | 1.000 | 0.984 | 0.990 | |
2 000 | -0.991 | 0.998 | 0.999 | 0.991 |
以线路
抗噪性能仿真结果
Simulation results of anti-interference performance
文中提出一种直流配电网单极接地故障选线方法,结论如下。
(1) 故障后利用MMC共模附加控制产生特定频率的极间电压,借助故障电路的不对称性,可以实现零模电压的间接注入。
(2) 电网存在如下故障特征:故障馈线零模电流由母线流入馈线,而健全馈线零模电流由馈线流出,可据此设计选线判据。
仿真结果验证了文中所提方法的有效性,该方法能够可靠识别发生在母线或各条馈线任意位置的单极接地故障,并具备一定的耐过渡电阻能力。
本文得到国网江苏省电力有限公司科技项目(J2021043)资助,谨此致谢!
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