一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法及系统 |
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| 申请号 | CN202311755318.6 | 申请日 | 2023-12-20 | 公开(公告)号 | CN117977506A | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 广西电网有限责任公司电力科学研究院; 湖南大学; | 发明人 | 金庆忍; 周柯; 卓浩泽; 荣飞; 彭也伦; 陈燕东; 田君杨; 王佳琳; 李菱; 马伏军; 伍文华; 谢志为; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于谐波 电流 注入的配 电网 差频保护方法及系统，涉及配电网故障保护技术领域，包括考虑谐波电流限制因素，选取合适的谐波电流 频率 和参考IBDG；采用滑窗 迭代 离散 傅立叶变换 提取线路两端每一相的 故障电流 谐波分量；设计线路发生接地 短路 故障时的故障判据，获取逻辑值 信号 SL1；设计线路发生相间短路故障时的故障判据，获取逻辑值信号SL2；根据接地和相间短路的保护判据，将得到的逻辑值信号SL1和SL2通入或运算逻辑运算符，判断当前区域是否为故障区域，获取跳闸信号SL3。仅传输逻辑值信号，减小了配电网的通讯压 力 ，仅需一个注入谐波频率的IBDG就足以完成故障检测和隔离，对 硬件 要求低，有很强的实用性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法，其特征在于：包括， |
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| 说明书全文 | 一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法及系统技术领域[0001] 本发明涉及配电网故障保护技术领域，特别是一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法及系统。 背景技术[0002] 与传统同步发电机不同，逆变型分布式电源(Inverter‑Based Distributed Generator，IBDG)由于其独特的故障特性，对常规的配电网保护带来了新的挑战。造成这些保护难题的主要的原因有两点：一是当IBDG接入配电网后，故障区间变为双端网络，这会使得基于过电流的传统保护协调方案可能失效，从而发生漏判和误判。二是故障电流的故障特性可能会受到IBDG控制模式的影响和限制，导致常规幅值和相位保护保护阈值难以整定。 [0003] 现阶段，学者们提出了一系列保护方法，这些方法不依赖故障电流的大小，而是从故障电流中提取其他特征来检测配电网故障。例如，有学者提出一种电流瞬态监测方法，它依赖于监测逆变器电流的瞬态响应，以检测配电网系统内的故障。还有人提取故障电流小波系数，并将其用于开发用于检测故障的决策树。另外有学者提出了一种使用正序和负序叠加电流的自适应过电流保护方案等。然而，对于上述方法，故障保护的动作阈值都难以整定。 [0004] 传统保护方案都是依赖于监测特定的系统参数或特征，并设置故障检测和隔离的特定阈值，但伴随着高比例IBDG接入配电网，这些常规保护方案的局限性日益显现，因此，亟需一种高比例IBDG接入下的新型保护方案，实现故障的快速清除，提高供电可靠性。 发明内容[0005] 鉴于上述存在的问题，提出了本发明。 [0006] 因此，本发明所要解决的问题是：如何解决配电网差频保护的问题。 [0007] 为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法，包括，考虑谐波电流限制因素，选取合适的谐波电流频率和参考IBDG；采用滑窗迭代离散傅立叶变换提取线路两端每一相的故障电流谐波分量；设计线路发生接地短路故障时的故障判据，获取逻辑值信号SL1；设计线路发生相间短路故障时的故障判据，获取逻辑值信号SL2；根据接地和相间短路的保护判据，将得到的逻辑值信号SL1和SL2通入或运算逻辑运算符，判断当前区域是否为故障区域，获取跳闸信号SL3。 [0008] 作为本发明所述一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法的一种优选方案，其中：所述考虑谐波电流限制因素包括考虑滤波器截至频率的影响及考虑继电器的影响；所述考虑滤波器截至频率的影响包括，IBDG由于自身输出的随机性和不确定性，在逆变器出口处需安装滤波器，滤波器会使IBDG输出的开关频率降低，截止频率设置为线路频率的 10倍以上，注入的谐波电流频率值的上限比截止频率小20％；所述考虑继电器的影响包括，IBDG的故障电流被限制为额定电流的1.2倍，通过滤波器抑制截止频率以上的所有频率，防止在标准频率上混叠更高的频率。 [0009] 作为本发明所述一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法的一种优选方案，其中：所述选取合适的谐波电流频率和参考IBDG包括，选择一个明显大于谐波频率值的滤波器截止频率，滤波器截止频率设计为采样率的1/3，得到谐波电流频率的取值范围，表示为： [0010] [0011] 其中，fh为谐波电流频率，fc为滤波器截至频率，fs为系统采样率。 [0012] 作为本发明所述一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法的一种优选方案，其中：所述故障电流谐波分量包括，对于周期信号x(t)，若周期T，经抗混叠滤波后频带宽度为基波角频率到N，采样间隔为T0，x(t)的DFT表示为： [0013] [0014] [0015] [0016] 其中，N为一个电网周期的等间隔采样点数，n为第n个采样点，i为基波角频率，Ak、Bk为系数，Ncur为当前最新的采样点数据。 [0017] 作为本发明所述一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法的一种优选方案，其中：所述接地短路故障时的故障判据包括，分别提取线路两侧电流Im和In每一相与谐波频率f1相对应的谐波分量Imx和Inx(x∈a,b,c)，通过逻辑值判断模块将Imx和Inx的电流大小转换为逻辑值，以确定故障是否在保护区内，表示为： [0018] [0019] 其中， 为谐波分量Imx转化后的逻辑值信号， 为谐波分量Inx转化后的逻辑值信号，SL1为线路发生接地短路故障时的故障判据时的逻辑值信号；线路M侧某相发生故障，存在谐波分量Imx，而谐波分量Inx的值为0，得到逻辑值信号 若在非故障区域，得到逻辑值信号 [0020] [0021] 输入异或数学运算符，若所得结果SL1为1，则判断发生区内故障，若所得结果SL1为0，则判断发生区外故障。 [0022] 作为本发明所述一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法的一种优选方案，其中：所述相间短路故障时的故障判据包括，分别提取线路两侧电流每一相与谐波频率f1相对应的谐波分量Imx和Inx(x∈a,b,c)，分别获取Imx和Inx每一相的有效值，记录有效值最大的相，记为Imx_max和Inx_max，表示为： [0023] [0024] [0025] 其中，SL2为线路发生相间短路故障时的故障判据的逻辑值信号；采用FFT分析获取Imx_max和Inx_max的相位θmx_max和θnx_max，若θmx_max和θnx_max相同，则记录逻辑值SL2为0，此时发生区外故障；若θmx_max和θnx_max不同，则记录逻辑值SL2为1，此时发生区内故障。 [0026] 作为本发明所述一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法的一种优选方案，其中：所述获取跳闸信号SL3包括，根据接地和相间短路的保护判据，将得到的逻辑值信号SL1和SL2通入或运算逻辑运算符，判断当前区域是否为故障区域，获取跳闸信号SL3；有且仅当SL1＝0，SL2＝0时，则SL3＝0，保护正常不动作；在其他情况下，只要SL1和SL2任意一项值为1或皆为1，则SL3＝1，保护跳闸，切断故障线路。 [0027] 本发明的另外一个目的是提供一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法的系统，其能通过构建配电网差频保护系统，解决了一种基于谐波电流注入的配电网差频保护问题。 [0028] 为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于谐波电流注入的配电网差频保护系统，包括，数据采集模块、谐波电流注入控制模块、信号处理分析模块、故障判据逻辑判断模块及保护动作逻辑运算符模块；所述数据采集模块负责实时采集电网线路上的电流和电压数据，数据包括基波和谐波成分；所述谐波电流注入控制模块根据预设的策略，向电网注入谐波电流，同时考虑滤波器截止频率和继电器的影响；所述信号处理分析模块利用滑窗迭代离散傅立叶变换方法处理采集到的数据，提取故障电流的谐波分量；所述故障判据逻辑判断模块基于设计的故障判据，分别对接地短路故障和相间短路故障进行逻辑判定，生成逻辑值信号；所述保护动作逻辑运算符模块根据接地和相间短路的保护判据，综合逻辑值信号，执行逻辑运算，判断是否为故障区域并生成跳闸信号。 [0030] 一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法的步骤。 [0031] 本发明有益效果为：本发明提供的一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法仅传输逻辑值信号，大大减小了配电网的通讯压力，本发明仅需一个注入谐波频率的IBDG就足以完成故障检测和隔离，对硬件要求低，有很强的实用性。附图说明 [0032] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。 [0033] 图1为本发明第一个实施例提供的一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法的整体流程图。 [0034] 图2为本发明第一个实施例提供的一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法的流程图。 [0035] 图3为本发明第一个实施例提供的一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法的发生接地短路故障时的保护示意图。 [0036] 图4为本发明第一个实施例提供的一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法的发生相间短路故障时的保护示意图。 [0037] 图5为本发明第二个实施例提供的一种基于谐波电流注入的配电网差频保护系统的结构图。 [0038] 图6为本发明第三个实施例提供的一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法的配电网仿真模型图。 具体实施方式[0040] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。 [0041] 实施例1 [0042] 参照图1～图4，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种基于谐波电流注入的配电网差频保护方法，包括：考虑谐波电流限制因素，选取合适的谐波电流频率和参考IBDG；采用滑窗迭代离散傅立叶变换提取线路两端每一相的故障电流谐波分量；设计线路发生接地短路故障时的故障判据，获取逻辑值信号SL1；设计线路发生相间短路故障时的故障判据，获取逻辑值信号SL2；根据接地和相间短路的保护判据，将得到的逻辑值信号SL1和SL2通入或运算逻辑运算符，判断当前区域是否为故障区域，获取跳闸信号SL3。 [0043] 如图2所示为本发明实施例提供的基于谐波电流注入的配电网差频保护方案流程示意图，包括： [0044] 步骤一、考虑谐波电流限制因素，选取合适的谐波电流频率和参考IBDG。 [0045] 考虑滤波器截至频率的影响：IBDG由于自身输出的随机性和不确定性，在逆变器出口处需安装滤波器，滤波器会使IBDG输出的开关频率显著降低，截止频率通常设置为线路频率的10倍以上。因此，注入的谐波电流频率值的上限应至少比截止频率小20％。 [0046] 考虑继电器的影响：通常来说，IBDG的故障电流被限制为额定电流的1.2倍。在数字继电器中，通过滤波器抑制截止频率以上的所有频率，防止在标准频率上混叠更高的频率。 [0047] 由于所提出的保护方案依赖于频率测量，因此选择一个明显大于谐波频率值的滤波器截止频率是很重要的。为了确保测量的精准性，滤波器截止频率应设计约为采样率的1/3。 [0048] 由此，可以得到谐波电流频率的取值范围，其中fh为谐波电流频率；fc为滤波器截至频率；fs为系统采样率，表示为： [0049] [0050] 选择一个IBDG被设置为参考IBDG，并通过其逆变器控制模式产生对应频率的谐波电流。根据故障位置的不同，同一保护区域内的谐波电流分量将不同，从而判别内部故障和保护装置跳闸。对于外部故障，同一保护区内的两个继电器的电流频率分量将相同，保护装置不动作。 [0051] 步骤二、采用滑窗迭代离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)提取线路两端每一相的故障电流谐波分量。 [0053] 对于周期信号x(t)，若其周期T，经抗混叠滤波后频带宽度为基波角频率到N，采样间隔为T0，根据数字信号处理理论，x(t)的DFT表达式为： [0054] [0055] [0056] 其中，N为一个电网周期的等间隔采样点数，n为第n个采样点，i为基波角频率，起始值为1，k＝0，1，2...，(N‑1)，Ak、Bk为系数。其中， [0057] [0058] 其中，Ncur为当前最新的采样点数据。 [0059] 步骤三、设计线路发生接地短路故障时的故障判据，获取逻辑值信号SL1。 [0060] 对于保护区内的线路接地短路故障，在线路两侧测量的故障电流的谐波频率分量不同。因此，可以通过比较与谐波电流的大小，检测出故障相。接地短路故障时的保护示意图如图3所示。 [0061] 首先，分别提取线路两侧电流Im和In每一相与谐波频率f1相对应的谐波分量Imx和Inx(x∈a，b，c)。通过逻辑值判断模块将Imx和Inx的电流大小转换为逻辑值，以确定故障是否在保护区内： [0062] [0063] 其中， 为谐波分量Imx转化后的逻辑值信号， 为谐波分量Inx转化后的逻辑值信号，SL1为线路发生接地短路故障时的故障判据时的逻辑值信号。 [0064] 假设线路M侧某相发生故障，此时存在谐波分量Imx，而谐波分量Inx的值为0，通过上式可以得到逻辑值信号 若在非故障区域，通过上式可以得到逻辑值信号 [0065] 将上述结果输入异或数学运算符，若所得结果SL1为1，则判断发生区内故障；若所得结果SL1为0，则判断发生区外故障。 [0066] [0067] 步骤四、设计线路发生相间短路故障时的故障判据，获取逻辑值信号SL2。 [0068] 当发生相间故障时，由于这些类型的故障为故障电流提供了低阻抗通路。这将使得到达线路另一端的谐波电流幅值减小，从而导致错误跳闸。因此，对于相间故障，需要采取不同的故障判据。相间短路故障时的保护示意图如图4所示。 [0069] 首先，分别提取线路两侧电流每一相与谐波频率f1相对应的谐波分量Imx和Inx(x∈a，b，c)，接着分别获取Imx和Inx每一相的有效值，记录有效值最大的相，记为Imx_max和Inx_max。 [0070] [0071] 采用FFT分析获取Imx_max和Inx_max的相位θmx_max和θnx_max，若θmx_max和θnx_max相同，则记录逻辑值SL2为0，此时发生区外故障；若不同，则记录逻辑值SL2为1，此时发生区内故障。 [0072] [0073] 其中，SL2为线路发生相间短路故障时的故障判据的逻辑值信号。 [0074] 步骤五、根据接地和相间短路的保护判据，将得到的逻辑值信号SL1和SL2通入或运算逻辑运算符，判断当前区域是否为故障区域，获取跳闸信号SL3。 [0075] 有且仅当SL1＝0，SL2＝0时，此时SL3＝0，保护正常不动作；在其他情况下，只要SL1和SL2任意一项值为1(或皆为1)，此时SL3＝1，保护跳闸，切断故障线路。 [0076] 综上所述，本发明所提保护方案能在极低的通讯需求下，有效区分故障区域和正常区域。 [0077] 实施例2 [0078] 参照图5，为本发明第二个实施例，其不同于前一个实施例的是，提供了一种基于谐波电流注入的配电网差频保护系统，包括：数据采集模块、谐波电流注入控制模块、信号处理分析模块、故障判据逻辑判断模块及保护动作逻辑运算符模块。 [0079] 数据采集模块负责实时采集电网线路上的电流和电压数据，数据包括基波和谐波成分。 [0080] 谐波电流注入控制模块根据预设的策略，向电网注入谐波电流，同时考虑滤波器截止频率和继电器的影响。 [0081] 信号处理分析模块利用滑窗迭代离散傅立叶变换方法处理采集到的数据，提取故障电流的谐波分量。 [0082] 故障判据逻辑判断模块基于设计的故障判据，分别对接地短路故障和相间短路故障进行逻辑判定，生成逻辑值信号。 [0083] 保护动作逻辑运算符模块根据接地和相间短路的保护判据，综合逻辑值信号，执行逻辑运算，判断是否为故障区域并生成跳闸信号。 [0084] 所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read‑OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。 [0085] 在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。 [0086] 计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)、便携式计算机盘盒(磁装置)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)、光纤装置以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。 [0087] 应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方其中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。 [0088] 实施例3 [0089] 参照图6，为本发明第三个实施例，其不同于前两个实施例的是：为对本发明中采用的技术效果加以验证说明，以验证本方法所具有的真实效果。 [0090] 搭建如图6所示的10kV配电网仿真模型，该模型中含有两条馈线，每条馈线接有8MVA负荷。所有DG通过10.5kV/380V变压器连接到馈线。该配电系统中接有四个DG，即DG1和DG2(容量5MVA)、DG3(容量4MVA)和DG4(容量2MVA)，I1‑I16为线路端口处的电流互感器。 [0091] 现分配DG4来注入60Hz的偏离标称频率，F1点发生单相接地故障，过渡电阻10Ω。 [0092] 表1线路两侧故障电流频率分量大小 [0093] [0094] 表1展示了在单相接地故障下，两个线路端的故障电流频率分量检测结果。观察表1可以发现，案例1中F1处发生单相接地故障时，I1和I9测量得到的故障电流大小分别为0和 90A。通过本发明所提出的保护方案逻辑，该电流被转换为逻辑值1和0，接着将结果输入异或数学运算符，所得结果为1，从而产生继电器跳闸信号，正确识别故障区间。 |
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