一种基于电容边界的配电线路单端全线速动保护方法与流程

本发明属于电力系统继电保护技术领域，特别涉及一种配电线路单端全线速动保护方法。

背景技术：

配电网保护是配电网安全可靠运行的保证，准确快速的发现并隔离故障对提高供电可靠性、改善用户用电质量有重要的意义。我国配电网多呈单电源的辐射状，网架薄弱，保护配置简单，以三段式电流保护为主保护。电流保护基于工频电流，整定原则虽简单易行，但需逐级配合，无法保护线路全长，保护范围受系统运行方式影响较大；当线路较短时，支线故障导致出线越级跳闸事故时有发生。

大量分布式电源(dg)接入传统配电网，也给配电网的保护带来了更加严峻的挑战。分布式风能、光伏故障电流的注入，改变了原拓扑的短路电流分布，造成电流保护灵敏度降低、保护误动和拒动的问题。单端暂态电气量保护不依赖通信，正确区分区内、外故障，保护馈线全长，将有利于解决越级跳闸和含dg的新型配电网保护问题。

单端全线速动保护在高压直流和交流系统中有广泛的研究，分别利用直流线路中的滤波器支路与交流线路中的阻波器和母线杂散电容对故障波的高低频不同阻碍作用，采用小波变换等方法放大暂态信号特征，实现区内、外故障的区分，实现线路的全线速动保护。配电网线路短、分支多、电压低，无明显的故障边界，区内外故障特征与高压系统有较大区别；并且现有的配电线路全线速动保护研究主要基于通信手段，利用纵联原理实现全线速动功能，因此不依赖通信的配电线路单端全线速动保护有待深入研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于电容边界的配电线路单端全线速动保护方法，其可靠性高、动作速度快，能准确区分配电线路区内、外相间故障，能够为交流配电线路提供继电保护。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种基于电容边界的配电线路单端全线速动保护方法，在配电线路各母线处并联电容作为稳态分布补偿、暂态故障识别的边界元件，利用电容对故障行波的反射使区内、外故障时首端检测的电气量的不同来实现区内外故障的识别，具体步骤包括以下：

步骤一，根据保护安装处检测的电压变化率作为启动判据，启动保护；

步骤二，保护启动后记录此刻的电流i0，记录启动2ms内的电压，并记录结束时刻电流in；

步骤三，对记录的电压波用小波分析，计算特定层数的电压系数e；

步骤四，当电压系数e<eset时，直接判定为区外故障；否则进入步骤五；eset为电压暂态系数整定值；

步骤五，当e≥eset时，比较|in|和ki|i0|，当|in|<ki|i0|时判定为区外故障，否则判定为区内故障；其中，ki为可靠系数。

进一步的，步骤一的启动判据满足式(1)：

u(n)、u(n-1)为采样点电压，tc为采样步长；判断电压的变化率是否大于正常电压变化率最大值ρumax的ku倍，满足(1)式时保护启动；可靠系数ku＝1.3。

进一步的，步骤二的电流采样率为1khz，电压采样率为200khz。

进一步的，步骤三所采用的小波基为db4小波，进行2层分解，并计算分解结果中d1+d2层系数和。

进一步的，步骤三的电压系数e为式(2)：

d1(ntc)为各采样点电压d1层小波系数，d2(ntc)为各采样点电压d2层小波系数；m为采样总数。

进一步的，步骤四的eset的整定原则为：躲过正向区外故障首端最严重故障引起的最大电压暂态系数emax，如式(3)所示：

eset＝keemax(3)

式中可靠系数可靠系数ke取1.9，emax为正向区外首端发生最严重的故障时本线路监测到的暂态电压系数，通过仿真获得。

进一步的，步骤五的电流方向判断，满足式(4)为区内故障：

|in|≥ki|io|(4)

式中，可靠系数ki＝1.3。

本方法具有以下有益效果：

1、本方法采用单端电气量作为故障判据，利用电压特定层数的系数和电流即可判定区内外相间故障，与利用双端电气量的保护相比，不受通信通道的影响，可靠性高、动作速度快；

2、本方法改善了目前配电网以阶段式电流保护为主保护，无法保护线路全长，保护范围受运行方式影响较大，易出现越级跳闸的现状，增强配电网保护配置的一个重要方案，对保证配电网安全可靠运行有重大意义；

3、本方法为含分布式能源(dg)的配电系统提供的新的保护方案，将更利于分布式电源接入配电网，进而提高供电可靠性，提高用户用电质量。

本发明在配电线路各母线处并联电容作为稳态分布补偿、暂态故障识别的边界元件；电容对阶跃故障行波的反射作用，将故障暂态电压特性限制在故障线中；通过小波分析提取区内外故障时电压时域暂态能量差异，并综合故障前后电流幅值特点，实现全线速动保护方案配置。本发明能够快速可靠的识别配电线路区内外相间故障，并具有较高的耐过渡电阻能力；本发明有利于改善目前配电网薄弱保护配置，为含大量分布式电源的配电系统提供保护基础。

附图说明

图1为母线并联电容的配电网结构示意图；

图2为区内f2相间故障时在电容边界作用下的行波特性；

图3为区外f3相间故障时在电容边界作用下的行波特性；

图4为区内外故障判别流程图；

图5为f1、f2故障保护启动2ms内线路3的a相电压及db4小波分解结果；

图6为f3、f4、f5故障保护启动2ms内线路3的a相电压及db4小波分解结果。

具体实施方式

图1为母线处并联电容作为边界元件的配电网结构简图。图中f1、f2、f3、f4、f5为故障点，分别发生相间故障。对线路3的保护来说，f1发生在正向近端3km，f2发生在正向远端9.9km，f3发生在正向区外l5首端0.1km，f4发生在反向区外近端0.1km，f5发生在同级线路l2首端0.1km。

对线路3的保护3来说，现有的电流保护能有效区分反向故障f4，同级其余线路故障f5。而区内末端故障f2和区外首端故障f3则需要电容边界元件的作用，使其得到有效的区分。

忽略分支线影响，区内末端故障f2和区外首端故障f3时，故障点到电源侧行波主要传播特征如图2和图3所示。

当线路3发生相间故障f2时，故障网络中在f2点产生向两边传播的行波。母线1处的边界元件能量不突变，电压行波在边界点处发生负反射，阶跃的行波便在母线1的边界元件和故障点之间来回反射，保护处3监测到在频域上体现的高频谐波。而当线路5发生相间故障f3时，母线2处的边界元件将阶跃的行波反射回线路5中，边界电容和线路电感能量平衡的过程中使边界点电压呈正弦状，如图3所示。和区内故障f2对比，区外故障时相当于从f2点的入射波从阶跃的行波变为了平滑的行波，保护3处监测到的高频暂态电压能量比区内故障时小很多。因此，可以利用上述区内外故障时保护安装处监测的电压暂态谐波差异，实现配电线路区内外相间故障判别。

如图1所示，在pscad/emtdc软件中搭建基于分布参数线路模型的配电网系统，以线路3保护安装处为电气量监测点。电压采样频率为200khz，电流采样频率为1khz，t＝0.405s发生ab相间故障，故障相角为90°。f1发生在正向近端3km，f2发生在正向远端9.9km，f3发生在正向区外l5首端0.1km，f4发生在反向区外近端0.1km，f5发生在同级线路l2首端0.1km，边界电容c＝0.5μf。

三相线路各相之间存在电磁耦合，但故障相行波开始传播的前20km内未有缺损，相行波仍能较好的反映线模主导特征，因此本发明用相行波来进行故障判别。本发明设置保护启动值设置为3500(电压单位kv)。根据电压启动判据的整定原则，将线路3门槛值eset设置为0.307。电流判据可靠系数ki＝1.3。

识别配电线路区内外相间故障的单端全线速动保护方法，边界电容对阶跃故障行波的反射作用使区内外故障时监测点高频电压能量明显不同，综合电流幅值辅助判据实现保护方案的配置。

一种基于电容边界的配电线路单端全线速动保护方法，包括以下步骤：

1)从本端获取电压信号；根绝获得的电压信号计算电压变化率，大于动作门槛值时启动保护；

2)保护启动后记录此刻的电流i0，记录启动2ms内的电压，并记录结束时刻电流in；

3)对记录的电压波用db4小波分析，进行两层分解，计算特定d1+d2层的电压系数e；

4)当电压系数e<0.307时，直接判定为区外故障；否则进入下一步；

5)当e≥0.307时，比较|in|和1.3|i0|，当|in|<1.3|i0|时判定为区外故障，否则判定为区内故障。电流方向判据避免了电压暂态稳定过程中反向区外故障引起保护误动，同级线路故障引起同级非故障线误动。

图1配电网结构中保护3的区内相间故障结果如下：

(1)区内相间故障

区内f1、f2故障引起保护启动后，线路3监测点记录的2ms内a相电压及其小波分解结果如图5所示。区内故障时，电压存在因阶跃的行波在故障点和上级边界来回反射形成的高次谐波，存在时间约为5ms(图中为表示局部特只给出了保护启动后2ms的数据)。小波分析的a2层系数体现了故障时电压稳定过程电压变化的整体趋势和稳定时间，d1+d2系数提取了电压行波来回传播时的阶跃故障特征。

比较区内近端故障(f1)和区内远端故障(f2)知：故障距离越近，行波在故障点和边界处的传播时间周期越短，在单位时间内监测到的高频暂态能量e越大，暂态稳定的时间越短；反之，故障距离越远，传播时间周期越长，单位时间内高频暂态能量e越小，暂态稳定的时间越长。

(2)区外相间故障

区外f3～f5故障引起保护启动后，线路3监测点记录的2ms内a相电压及其小波分解结果如图6所示。

对反向区外故障(f4)和同级区外故障(f5)，主要体现的是行波来回反射使电容逐渐放电的过程，放电过程中有小部分的高频暂态能量。由于电容放电过程电压变化较为平缓，因此保护启动时电压值已经比故障前有一些下降。

比较图5中的f2和图6中的f3，电压稳定过程中的整体趋势(a2层)无明显差异，对f3由于边界元件将阶跃行波限制在故障线l5中，因此线路3监测到的高频暂态谐波(d1+d2层)非常小。

按照图4保护判定方法对各故障发生时的电流电压信息综合判断，区内外判定结果如表1所示。表1中区内近端故障f1测得的电压高频暂态能量e1(229.186)大于区内远端故障f2时的e2(86.126)。正向区外故障时，e3<eset，直接判定为区外故障。

当发生反向区外和同级区外严重故障(f4和f5)时，高频暂态能量大于门槛值eset，仅据此判定区内故障会引起保护误动。因此在电流的辅助判断下，最终判定为区外故障。

同时，由于电流采样率低，电压启动时刻电流可能没有实时数据，因本保护方案中电流大小的判定仅为辅助，故障启动后的临近2ms的数据仍能有效的判定区内外。表1中区内和区外电流io和in就是1khz采样率下的数据，仿真结果证明了该方案能正确判定区内外相间故障。

表1f1、f2、f3、f4、f5相间故障下区内外故障判定结果

表2不同故障情况下l3保护动作性能

由表2知，当电容c＝0.5μf时，故障相角为18°过渡电阻为100ω的相间短路测得的暂态电压能量e＝0.374>eset＝0.307，能可靠的判定为区内故障，耐过渡电阻能力大于100ω。通过大量仿真验证，本方法能够准确快速的识别配电线路区内外相间故障，并具有较高的耐过渡电阻能力。

综上所述，以上内容是结合具体的实例对本发明的进一步详细说明，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，早不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演和替换，均应包含在本发明的保护范围之内。