信号注入法在有源配电网保护与控制中的综合应用

论文摘要

有源配电网能充分利用分布式发电技术的优点,发挥其对配电网的积极作用,节省电力系统的整体投资,满足用户对电能日益增长的需要,是未来配电网发展的方向。在有源配电网中,分布式电源并网运行会带来一系列问题,孤岛(Islanding)就是其中之一。孤岛运行时,供电电压和频率得不到保障,线路继续带电会影响故障电弧的熄灭、重合闸动作,危害事故处理人员的人身安全等,所以有源配电网中必须配备孤岛保护,以在系统出现孤岛运行后将分布式电源从电网中切除。在有源配电网中,消弧线圈自动跟踪补偿,即跟踪实际电网电容电流的大小,实时调整消弧线圈的电感,使系统在发生单相接地故障后,消弧线圈产生的感性电流能够完全补偿系统对地电容产生的容性电流,使接地点电流减小,利于接地点电弧的自行熄灭,降低故障的危害程度,是保证电网可靠运行的一种重要技术措施。单相接地故障选线,即在系统发生单相接地故障后,尽快找出故障线路,在进行必要的负荷转移后,人为地将接地设备从系统中切除,能防止故障引起的过电压危害系统绝缘,引发更为严重的短路故障,是减少故障损失,提高配电网供电可靠性和用户满意度的一种主要技术措施。目前,己提出多种孤岛保护方法,其中的载波孤岛保护方法,易于实现,对分布式电源输出电能质量影响较小,且适用于分布式电源高度渗透的有源配电网,有很好的应用前景,但保护可靠性较差,存在误动和拒动的可能,离实用化还有一定距离,因此,研究出一种检测盲区小、实用性能高的基于注入信号的孤岛保护方法,对有源配电网的发展有着重要的意义。传统配电网中的系统对地电容检测方法均可适用于有源配电网,其中的信号注入法应用较为广泛,但实用效果却不太理想,存在测量精度较差和操作较复杂的缺点,有待进一步研究。传统配电网中的单相接地故障选线方法,除了基于负序分量的方法外,均适用于有源配电网,其中信号注入法的应用最为广泛,但从实用的情况来看,选线准确率还比较低,因此,研究出一种新的方法,提高选线准确率是有待进一步研究的课题。另一方面,采用信号注入法实现孤岛保护、系统对地电容检测和单相接地选线,都需要从系统母线侧向系统注入信号,这使得将孤岛保护、消弧线圈跟踪补偿和单相接地故障选线装置一体化综合设计成为可能,这样不仅可以减少硬件设备、节约成本,还可以避免注入信号相互干扰、优化各自的工作性能,而注入信号类型与频率的选择、注入与检测方式、综合利用算法则是需要深入研究的问题。本文探讨利用信号注入法实现孤岛保护、系统对地电容检测与单相接地选线,提高孤岛保护、接地选线可靠性与系统对地电容检测的精确度；研究信号注入方法的综合利用,以简化系统构成,减少成本。具体的研究工作主要有：(1)提出将孤岛保护、消弧线圈自动跟踪补偿和单相接地故障选线装置一体化综合设计,不仅可以减少硬件设备、简化装置接线,而且便于不同技术、功能之间的相互配合,从而获得优化的工作性能。(2)提出了载波闭锁式孤岛保护方案。在过/欠压保护和过/欠频保护的基础上增加载波闭锁措施,提高保护灵敏度和可靠性,减小检测盲区,并针对母线孤岛时保护拒动的情况,提出检测母线孤岛并停发载波信号的措施。该保护方案灵敏度高、检测速度快、简单方便、易于实现、对电网电能质量负面影响小,而且适用于不同并网形式的分布式发电系统。(3)提出了一种注入恒流信号的系统对地电容检测、计算方法。利用消弧线圈内置电压互感器向系统注入一恒流恒频信号,通过检测中性点信号电压,直接计算出系统对地电容,为实现消弧线圈自动跟踪补偿奠定了基础。该方法不需要对消弧线圈本身进行操作、不需要对信号源进行任何调节,操作方便、计算准确、响应速度快、不会对系统的正常运行产生不利影响。利用上述方法计算系统对地电容的同时,还可以计算出系统的对地绝缘电阻,求出系统自身的阻尼率,进而用于系统在线绝缘监视。(4)提出了一种注入方波信号的谐振接地系统单相接地故障选线方法。通过从故障相TV向系统注入一特定频率的恒流方波信号,探测各支路零序电流,并分析其基波与三次谐波电流幅值之间的关系来选择故障线路。该方法具有较强的排除系统对地电容影响的能力,大大提高了检测精度,在系统发生高阻接地故障时,仍有较高的选线准确率,而且只需检测各线路自身的零序电流即可判断是否为故障线路,具有“自具”特点。(5)提出了方波信号的频率选取方法,这是利用注入方波信号法实现故障选线的关键和前提。考虑配电网的要求,设计了信号发生装置,产生恒流基波和三次谐波信号,且做到和配电网互不影响,使所提出选线方法的实际应用成为可能；提出了能够方便消除工频及各次谐波干扰而灵敏、精确地检测出注入信号的信号处理方法,为进行准确的故障选线打下了基础。(6)综合考虑所提出的载波闭锁式孤岛保护、注入恒流信号的系统对地电容检测方法和注入方波信号的单相接地故障选线方法,提出了信号注入法综合应用方案,通过选择可共用的注入信号方式、类型和频率,同时满足三种功能的需要,达到信号注入法综合应用的目的。这样,可避免注入信号相互干扰,影响各自的工作性能,且能降低成本,减少对配电网计量、检测等的影响。(7)论证了利用消弧线圈内置电压互感器注入信号,实现孤岛保护和单相接地故障选线的可行性,以及注入方波信号的可共用性,确定了共用信号方式、类型和频率；设计了一体化装置,孤岛保护所用的注入信号源,选线功能所采用的注入信号源、检测主机等和计算对地电容所用的信号源、检测主机均为同一装置,在该装置内几种功能配合完成,并在分布式电源并网处安装有孤岛保护检测及控制主机,且对装置各组成部分的功能进行了介绍；最后,对装置各部分的工作流程进行了说明。本文提出的载波闭锁式孤岛保护、注入恒流信号的系统对地电容检测方法和注入方波信号的谐振接地系统单相接地故障选线方法,能够很好地解决现有技术存在的问题,而对信号注入法的综合应用,则可进一步节约成本,优化不同技术的性能。本文的研究成果对于推进有源配电网保护与监控技术的发展、提高供电可靠性具有十分重要的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 孤岛保护、消弧线圈跟踪补偿和故障选线技术综述
• 1.2.1 孤岛保护技术现状
• 1.2.2 消弧线圈自动跟踪补偿技术现状
• 1.2.3 单相接地故障选线技术现状
• 1.2.4 信号注入法综合应用技术现状
• 1.3 论文的主要工作及创新点
• 第二章 载波闭锁式孤岛保护
• 2.1 引言
• 2.2 孤岛前后电气量变化分析
• 2.2.1 同步发电机系统电气量变化情况
• 2.2.2 并网逆变器系统电气量变化情况
• 2.3 载波闭锁式孤岛保护方案
• 2.3.1 基本工作原理
• 2.3.2 保护的整定
• 2.3.3 存在的问题及解决措施
• 2.4 载波闭锁式孤岛保护的动作行为分析
• 2.4.1 信号发生装置故障
• 2.4.2 母线其他线路故障
• 2.4.3 DG并网线路故障或停电
• 2.4.4 母线故障或停电
• 2.4.5 变压器上游主网故障或停电
• 2.5 对载波闭锁式孤岛保护的评价
• 2.5.1 有效性评估
• 2.5.2 抗干扰性分析
• 2.5.3 灵敏度分析
• 2.6 仿真验证
• 2.7 本章小结
• 第三章 注入恒流信号的消弧线圈自动跟踪补偿技术
• 3.1 引言
• 3.2 谐振接地系统等效电路
• 3.2.1 消弧线圈串联阻尼电阻接地方式
• 3.2.2 消弧线圈并联阻尼电阻接地方式
• 3.3 注入恒流信号的系统对地电容检测方法
• 3.3.1 消弧线圈串联阻尼电阻接地方式
• 3.3.2 消弧线圈并联阻尼电阻接地方式
• 3.4 自动调谐过程的分析
• 3.5 静模试验
• 3.6 本章小结
• 第四章 注入方波信号的谐振接地系统单相接地故障选线技术
• 4.1 引言
• 4.2 注入方波信号的故障选线原理
• 4.2.1 方波信号分析
• 4.2.2 故障检测原理
• 4.2.3 保护启动判据
• 4.2.4 故障选线判据
• 4.2.5 保护的整定
• 4.3 信号注入装置的设计
• 4.4 信号的选取与检测
• 4.4.1 信号频率
• 4.4.2 信号功率
• 4.4.3 信号检测
• 4.5 静模试验
• 4.6 本章小结
• 第五章 信号注入法综合应用及其实现方案
• 5.1 概述
• 5.2 共用信号及其注入方式的选取
• 5.2.1 信号的选取
• 5.2.2 信号注入方式的选取
• 5.3 一体化装置的设计
• 5.4 装置的工作过程
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间的科研情况
• 英文论文
• 学位论文评阅及答辩情况表