【精选100秒】华北电力大学 郑涛,沈文韬,吕文轩,等:基于智能软开关的柔性互联配网相间短路故障定位方法

文摘   2024-09-09 08:00   芬兰  

《电网技术》,值得信赖的电力学术期刊


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基于智能软开关的柔性互联配网相间短路故障定位方法/郑涛沈文韬文轩杨毅,薛玉石

DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2023.2151



01

研究背景




不同于传统闭环设计、开环运行的交流配电网,柔性互联智能配电网通过将传统联络开关用智能软开关(soft open point,SOP)代替,实现配电网的柔性闭环运行,通过采用合适的控制策略,能够实现灵活控制输出功率,均衡馈线间的负载,改善电能质量,以及实现系统故障下的快速供电恢复等。然而柔性互联配电网的闭环运行和灵活运行方式给配电系统带来了继电保护方面的挑战,SOP与配电网继电保护相协调的方案亟待研究。


02

研究内容




1)含SOP的柔性互联配电网。

图1 含SOP的配电网典型结构
SOP典型的实现方式为背靠背电压源型换流器(back to back voltage source converter,B2B VSC),两侧换流器为对称形式,通常一侧采用恒直流电压与无功(VdcQ)控制,另一侧采用恒功率(PQ)控制。含双端SOP的配电网典型馈线结构如图1所示。馈线始端为断路器,其他节点处装设有分段开关,每个开关处均装设FTU以上传故障信息,SOP代替传统联络开关以实现馈线间的柔性互联,能够支撑馈线负载平衡和实现分布式电源高效消纳等。
2)SOP接入对原配电网故障定位方案的影响。

图2 SOP接入馈线的配电网
以SOP接入前配电网的潮流方向为正方向,规定靠近系统电源侧为上游,远离系统电源侧为下游。根据故障点、分段开关、SOP三者的相对位置分析SOP接入对原配电网故障定位方案的影响。以图2所示为例进行分析,其中S1为馈线首端配备的断路器,A,B,C均为分段开关,并配备FTU以上传故障信息。
对于主干线的分段开关,如A、B,在上游发生故障时会流过反向短路电流,可能造成故障信息的误报,因此需要对其故障定位方法进行改进。而对于分支线的分段开关,如C,无论在何处发生故障,都不会流经反向短路电流,因此仍可适用原配电网故障定位方案。
3)基于SOP主动控制的故障定位方法。
①基于抑制负序的两相短路故障定位方法。
SOP抑制负序电流的控制框图如图3所示。通过将负序dq坐标系下的指令电流参考值设为0,可实现输出的负序电流为0。

图3 SOP的抑制负序电流控制框图
分析易知,受SOP抑制负序的控制策略影响,故障点下游的负序电流分量为0,而上游的负序电流则由负序电压故障分量提供,幅值较大,能够通过设定合理定值可靠分辨。然而当过渡电阻较大时,负序电流幅值都将会减小,此时依靠负序电流定值不能可靠区分二者,因此定义电流不平衡度,同时引入电流不平衡度定值:

式中:Ip为正序电流幅值;In为负序电流幅值;Iunb可取为4%(据我国标准规定,电力系统公共连接点正常电压不平衡度不得超过4%);Krel为可靠系数,可取1.25~1.3。当过渡电阻较大时,电源侧正序故障电流幅值将会减小,此时电流不平衡度更能凸显其故障特征。
②基于主动注入的三相短路故障定位方法。
由于发生的故障为三相对称故障,无法采用2.1节中的负序电流来判别,而SOP的控制系统通常包含Vf控制方式以进行供电恢复,因此可利用SOP的Vf控制产生一个特征电压参考,再通过PWM调制产生该特征电压信号来进行故障定位。

图4 SOP的附加特征电压控制框图
综合考虑VSC载波频率、换流器出口处滤波器的谐振频率、换流器的耐流能力等素,选取特征信号频率为300Hz,幅值为2%额定电压。
对于故障点至SOP端口侧之间的线路,流经其的工频故障电流幅值通常为SOP所允许输出的最大电流,而流经其的特征电流幅值受过渡电阻的影响较小(上游线路阻抗与过渡电阻为并联关系),因此特征电流幅值与工频电流幅值之比相对稳定。
对于线路首端至故障点之间的线路,流经其的工频故障电流由系统电源提供,通常幅值较大,相应的特征电流幅值与工频电流幅值之比较小,能够一定程度上提高该定位方法对过渡电阻的耐受能力。
引入工频故障电流幅值后,选取特征电流信号定值为

中:Itz/50,min为线路首端发生三相金属性短路时,SOP侧的特征电流幅值与工频电流幅值之比;Ksen为灵敏度系数,可取1.25~1.3。
4)故障定位处理流程。
SOP主动控制流程与故障定位流程如图5和图6所示。

图5 SOP主动控制流程图

图6 故障定位流程图
SOP根据检测端口电压判断配电网发生的故障类型,并执行相应的控制策略;FTU检测到过电流,待SOP控制稳定后,根据预设判据进行判断,并上传对应故障信息;主站汇集并进行分析处理后定位故障区段。


03

研究结论




本文针对SOP接入配电网后故障电流双向流动导致的原配电网故障定位方案失效问题,提出了一种基于SOP主动控制的配电网相间短路故障定位方法,并通过仿真验证了其可行性,主要结论如下:

1)配电网发生相间短路故障后,针对两相短路故障,SOP采用抑制负序的控制策略,FTU根据故障点两侧电流不平衡度差异构造判据,实现两相短路故障的准确定位。

2)针对三相短路故障,由于不存在负序分量,SOP采用注入特征信号的控制策略,FTU根据故障点两侧特征电流差异构造判据,实现三相短路故障的准确定位。

3)所提方法可以解决因SOP所提供的反向故障电流导致的配电网故障信息误报问题,兼容现有集中控制型馈线自动化系统,FTU仅需本地电流信息就能准确上传故障信息,不需要额外配置方向元件,节省了配电网改造成本,提高了配电网故障定位的可靠性。


04

后续研究方向或讨论话题




本文所提出的故障定位方案主要针对于配电网中发生的相间短路故障,而配电网的单相接地故障特征受接地方式影响较大,在小电流接地系统中故障特征不明显,还需开展进一步的研究。



参 文 格 式


郑涛, 沈文韬, 吕文轩, 等. 基于智能软开关的柔性互联配网相间短路故障定位方法[J/OL]. 电网技术,1-12[2024-08-12].https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2023.2151.

ZHENG Tao, SHEN Wentao, LYU Wenxuan, et al. Fault location method for phase-to-phase short circuit in flexible interconnected distribution network based on SOP[J/OL].Power System Technology,1-12[2024-08-12].https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2023.2151(in Chinese).



相关文献扩展阅读

郑涛,马龙,李博文基于馈线终端装置信息畸变校正的有源配电网故障区段定位[J]电网技术,2021,45(10):3926-3935


郑涛,贾仕龙,潘玉美,等基于配电网原故障定位方案的分布式电源准入容量研究[J]电网技术,2014,38(8):2257-2262.





团队介绍

电力系统保护与控制研究所是新能源电力系统全国重点实验室所属研究团队之一,主要开展电力系统保护与控制相关研究工作。电力系统保护与控制研究所先后主持了国家自然科学基金重大科研仪器研制项目1项、“973”、“863”课题及科技部重点研发计划课题7项、国家自然科学基金重点项目2项、面上/青年项目8项,并参与建设了“大电网保护与安全防御”、“111”引智基地,先后获得国家科技进步二等奖3项及省部级科技进步奖20余项。




作者简介


郑涛(1975),男,通信作者,华北电力大学电气与电子工程学院教授,博导。主要从事新能源电力系统故障机理和保护新算法研究、交直流输电故障耦合机理研究等。获中国电力科学技术进步一等奖、二等奖、三等奖各1项;主持国家自然科学基金项目2项,参与国家重点研发计划专项课题1项;发表EI、SCI收录论文100余篇;出版学术专著1部。E-mail:zhengtao_sf@126.com。




沈文韬(2001),男,硕士研究生,研究方向为新能源电力系统保护与控制。E-mail:674114885@qq.com。



任编辑:李健一

审核:李兰欣

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