CN103560494B - 配电网保护整定的短路电流获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网保护整定的短路电流获取方法，它包括步骤1，通过计算三相线路参数和变压器T形等效变换建立配电网三相网络等值模型；步骤2，根据三相网络等值模型求取配电网的额定负荷电流；步骤3，利用三相网络等值模型中故障点至根节点等效阻抗的方式求取配电网的故障电流；步骤4，通过将各支路的额定负荷电流和故障电流向量相加的方法求取各支路短路电流值。它具有如下优点：计算方法简单、实用、计算速度快，计算结果可靠，对于开环和弱环网络均适用，无需特殊处理，避免三相参数不平衡和三相负荷不对称问题。

Description

配电网保护整定的短路电流获取方法

技术领域

本发明涉及一种配电网保护整定的短路电流获取方法。

背景技术

配电网继电保护的准确配置对配电网继电保护装置高效、快速、准确地对故障区域隔离起到了至关重要的作用。而短路电流阈值配置是继电保护配置的一个重要组成部分。配电网具有以下特点：网络拓扑一般呈辐射状，R/X比值较大，支路数和节点数较多，三相不平衡等。配电网保护整定短路电流的获取方法多种多样，然而高压求取法对于R/X比值较大的配电网线路，其短路电流难以计算准确；对称分量法需要三相***的三相参数平衡，而配电网的负荷和线路参数通常处于不平衡的状态；基于故障补偿方法与实际相序表示方法、解耦分量法等，这些方法虽然可以适用配电网的短路电流获取，但方法较复杂、计算效率较低。

发明内容

本发明提供了一种配电网保护整定的短路电流获取方法，其克服了背景技术中不适用于线路中R/X比值较大、三相参数不平衡***的保护整定短路电流求取，计算复杂、效率较低的缺点。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：

配电网保护整定的短路电流获取方法，它包括步骤1，获取三相线路参数和变压器T形等效变换，并依此建立配电网三相网络等值模型；步骤2，根据三相网络等值模型求取配电网的额定负荷电流；步骤3，利用三相网络等值模型中故障点至根节点等效阻抗的方式求取配电网的故障电流；步骤4，通过将各支路的额定负荷电流和故障电流向量相加的方法求取各支路短路电流值。

所述步骤2中，利用三相网络等值模型求取配电网各相的额定负荷电流步骤包括：

步骤21，从根节点开始，根据广度优先搜索法对网络节点进行节点编号，同时从上往下将支路分层；

步骤22，设置根节点三相电压初值；

步骤23，根据配电网线路及变压器等效模型计算各支路额定条件下的三相阻抗和变压器归算到高压侧的等效阻抗和导纳；

步骤24，利用配网潮流的前推回代方法求取各支路的额定负荷电流。

一实施例之中，通过步骤1获取如下参数：r为线路的单位电阻、x为线路的单位电抗、l为支路长度、R_g为大地电阻、X_SM为两相互阻抗；

所述三相线路任意一条支路的阻抗矩阵Z_L表示为：

$Z_L=\left(\begin{array}{ccc}{Z}_{AA}& Z_{AB}& Z_{AC}\\ Z_{BA}& Z_{BB}& Z_{BC}\\ Z_{CA}& Z_{CB}& Z_{CC}\end{array}\right)$

该Z_AA、Z_BB、Z_CC为自阻抗，该线路自阻抗为：Z_SS＝rl+jxl；

该Z_AB、Z_BC、Z_CA为互阻抗，该线路互阻抗为：Z_SM＝R_g+jX_SM，R_g＝π²×10^{-4 f}，

其中，f取50Hz，D_g为线路中电流等效深度；D_SM为线路两相之间的距离。

一实施例之中：通过步骤1还获取如下参数：ΔP_k为变压器的额定负荷损耗；U_N为变压器的额定电压；S_N为变压器的额定容量；U_k％为变压器阻抗电压的百分数；ΔP₀为变压器的额定空载损耗；I₀％为变压器额定空载电流的百分数；

所述变压器经T型等效变换后各相参数可表示为：

其中：R_T为变压器高低压绕组的总电阻；X_T为变压器高低压绕组的总阻抗；G_T为变压器的电导；B_T为变压器的电纳。

一实施例之中：所述步骤3中，三相网络等值模型中故障点至根节点等效阻抗的方式求取配电网故障电流的步骤包括：

步骤31，根据配电网线路及变压器等效模型计算各支路在发生短路故障条件下的三相阻抗；

步骤32，计算故障点处发生短路故障后的三相电压并计算故障点至根节点各支路的故障电流。

一实施例之中：所述各支路短路电流是各支路额定负荷电流和故障电流向量的叠加。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1、通过首先获取三相线路参数和变压器T形等效变换，并依此建立配电网三相网络等值模型；然后根据三相网络等值模型求取配电网的额定负荷电流；再利用三相网络等值模型中故障点至根节点等效阻抗的方式求取配电网的故障电流；最后，通过将各支路的额定负荷电流和故障电流向量相加的方法求取各支路短路电流值的配电网保护整定短路电流获取方法，可以适用于线路参数不对称、线路R/X比值较大的配网***，同时适用于开环和弱环配电网络的配网保护整定短路电流的获取，该方法求取步骤少，方法简单、适用性广。

2、所述各支路短路电流是各支路额定负荷电流和故障电流向量的叠加，即短路故障前的额定负荷电流和故障后的故障电流分别独立处理，能够适应工程计算需要，适用于大规模配电网继电保护的短路电流获取。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1绘示了配电网保护整定短路电流获取流程图。

图2绘示了经分层编号后的馈线节点连接关系和分层关系图。

图3绘示了配电网额定负荷电流获取流程图。

图4绘示了MATLAB的PSB工具箱搭建该馈线的仿真模型图。

图5绘示了各支路三相短路电流的求取值与标准值的误差曲线图。

图6绘示了各支路AB两相短路，A相短路电流求取值与标准值的误差曲线。

具体实施方式

请查阅图1至图6，配电网保护整定的短路电流获取方法，它包括步骤1，获取三相线路参数和变压器T形等效变换，并依此建立配电网三相网络等值模型；步骤2，根据三相网络等值模型求取配电网的额定负荷电流；步骤3，利用三相网络等值模型中故障点至根节点等效阻抗的方式求取配电网的故障电流；步骤4，通过将各支路的额定负荷电流和故障电流向量相加的方法求取各支路短路电流值。

(1)如步骤1中所述的建立配电网三相网络等值模型，首先要获取如下参数：r为线路的单位电阻、x为线路的单位电抗、l为支路长度、R_g为大地电阻、X_SM为两相互阻抗；

所述三相线路任意一条支路的阻抗矩阵Z_L表示为：

$Z_L=\left(\begin{array}{ccc}{Z}_{AA}& Z_{AB}& Z_{AC}\\ Z_{BA}& Z_{BB}& Z_{BC}\\ Z_{CA}& Z_{CB}& Z_{CC}\end{array}\right)$

该Z_AA、Z_BB、Z_CC为自阻抗，该线路自阻抗为：Z_SS＝rl+jxl；

该^Z _AB、Z_BC、Z_CA为互阻抗，该线路互阻抗为：Z_SM＝Rg+jX_SM，R_g＝π²×10^{-4 f}，

其中，f取50Hz，D_g为线路中电流等效深度；D_SM为线路两相之间的距离。

再者，要获取如下参数：ΔP_k为变压器的额定负荷损耗；U_N为变压器的额定电压；S_N为变压器的额定容量；U_k％为变压器阻抗电压的百分数；ΔP₀为变压器的额定空载损耗；I₀％为变压器额定空载电流的百分数；

将配电网中的变压器经T型等效变换后各相参数可表示为：

其中：R_T为变压器高低压绕组的总电阻；X_T为变压器高低压绕组的总阻抗；G_T为变压器的电导；B_T为变压器的电纳。

(2)如步骤2所述，利用三相网络等值模型求取配电网各相的额定负荷电流步骤包括：

步骤21，从根节点开始，根据广度优先搜索法对网络节点进行节点编号，同时从上往下将支路分层；

步骤22，令根节点三相电压初值分别为： 其中U为根节点线电压的量测有效值。

步骤23，根据配电网线路及变压器等效模型计算各支路额定条件下的三相阻抗和变压器归算到高压侧的等效阻抗和导纳，具体各参数计算如下；

1)变压器电阻损耗(kW)为：其中：φ表示三相的各相，U_φ为变压器T形等效电路负荷端的电压值，其初值和根节点电压相同，P_φ为变压器T形等效电路负荷端的有功功率，Q_φ为变压器的无功功率；

2)变压器电抗损耗(kvar)为：

3)变压器电压降落纵分量为：

电压降落横分量为：

变压器T形等效电路电源端的电压幅值为：

变压器T形等效电路电源端和负荷端电压间的相位为：

${\mathrm{\δ}}_{T\mathrm{\φ}}=\arctan \frac{{\mathrm{\δ\ΔU}}_{T\mathrm{\φ}}}{U_{\mathrm{\φ}}+{\mathrm{\ΔU}}_{T\mathrm{\φ}}};$

4)变压器电导损耗(kW)为：ΔP_yTφ＝G_T(U′_φ)²×10^-3；

5)变压器电纳损耗(kW)为：ΔQ_yTφ＝B_T(U′_φ)²×10^-3；

6)变压器总的注入功率为：

$S_{\mathrm{\φ}}^{\′}=S_{\mathrm{\φ}}+{\mathrm{\ΔS}}_{T\mathrm{\φ}}=(P_{\mathrm{\φ}}+{\mathrm{\ΔP}}_{zT\mathrm{\φ}}+{\mathrm{\ΔP}}_{yT\mathrm{\φ}})+j(Q_{\mathrm{\φ}}+{\mathrm{\ΔQ}}_{zT\mathrm{\φ}}+{\mathrm{\ΔQ}}_{yT\mathrm{\φ}});$

7)计算变压器T形等效电路电源端的电流，一实施例中，配电变压器为Dyn联结，由各相电源端电压幅值U′_φ和电压相角δ_Tφ获得高压侧D端的线电压(kV)为：

根据能量守恒，由变压器各相注入功率S′_φ，可得高压侧D端的线注入功率(kV·A)为：

则变压器高压侧D端的绕组电流为：

变压器高压侧D端的负荷相电流为：

步骤24，利用配网潮流的前推回代方法求取各支路的额定负荷电流，具体步骤包括；

1)前推过程

若该支路(j)的尾节点j为线路的末节点，则流过该支路的电流等于该节点的负荷电流，即：

若支路(j)的尾节点j不是线路的末节点，则根据基尔霍夫电流定律可知，支路电流应为该支路负荷电流和沿潮流方向其所有后接子支路的电流之和，即：

式中，h为节点j所有后接子支路的集合。

2)回代过程

根据基尔霍夫电压定律，支路(j)的首尾节点的电压关系为：

其中：为支路(j)首节点的电压。

3)收敛判定条件

当线路上每个节点前后相邻两次迭代计算出的电压相减等到的差值小于给定的误差ε时收敛，即：

式中：k为迭代次数。

当迭代收敛时，则第k次迭代所得的各支路负荷电流即为各支路的额定负荷电流。

(3)所述步骤3中，三相网络等值模型中故障点至根节点等效阻抗的方式求取配电网故障电流的步骤包括：

步骤31，根据配电网线路及变压器等效模型计算各支路在发生短路故障条件下的三相阻抗：

其中：L为故障点至根节点的所有支路的集合，Z_aa，Z_bb，Z_cc为从故障点到根节点所有支路的自阻抗之和，Z_ab，Z_cb，Z_ac，Z_bc，Z_ba，Z_ca为从故障点到根节点所有支路的互阻抗之和；

步骤32，计算故障点处发生短路故障后的三相电压并计算故障点至根节点各支路的故障电流：

其中：和为故障点处在发生故障前的三相电压，为故障点至根节点所有支路的三相故障电流向量。

(4)通过已获得各支路额定负荷电流和短路故障电流，获得各支路短路电流，所述各支路短路电流是各支路额定负荷电流和故障电流向量的叠加，即故障点至根节点所有支路的短路电流为：

其中，j∈L，L为故障点至根节点的所有支路的集合。

***的其他非故障支路的短路电流为：

其中L为故障点至根节点的所有支路的集合。

一具体实施例中，某变电站的一条馈线***，应用广度优先搜索分层编号算法对馈线节点进行编号，则编号后的节点连接关系和分层关系如图2所示，其中节点8、11、13、15、16、17、18、19、20、21、25、26和27为变压器节点。图2中各支路的线路长度、线路单位电阻和线路单位电抗如表1所示；图2中各变压器节点的编号、变压器参数如表2所示。

假定根节点0的三相电压初值分别为： 则按图3所示流程图可求出***的额定负荷电流，各支路的额定负荷电流如表3所示。进而通过故障点至根节点各支路阻抗的和来求取故障点的故障电流，最后通过各支路的额定负荷电流和故障电流向量相加的方法来求取***发生故障后各支路的电流，则各支路发生三相短路情况下各支路的短路电流如表4所示；各变压器低压侧发生三相短路情况下，流过高压侧的短路电流如表5所示。当线路AB相发生相间短路时，各支路的短路电流如表6所示；各变压器低压侧发生AB相相间短路时，流过故障点的短路电流如表7所示。

为验证该短路电流获取方法的有效性，利用MATLAB的PSB工具箱搭建该馈线的仿真模型，如图4所示。利用仿真模型仿真可得，在各支路发生三相短路情况下，各支路的三相短路电流如表8所示；在各变压器低压侧发生三相短路情况下，流过高压侧的短路电流如表9所示。在各支路AB相相间短路时，流过故障点的短路电流如表10所示；在变压器低压侧发生AB相相间短路时，流过故障点的短路电流如表11所示。

各支路仿真模型所得短路电流可作为该馈线短路电流的标准值，为说明应用额定负荷电流和故障电流相加的方法所求取短路电流的正确性，图5直观表示了各支路三相短路电流的获取值与标准值的误差；图6直观表示了各支路AB相相间短路，A相短路电流的求取值与标准值的误差。由图5和图6可知，应用额定负荷电流和故障电流相加的方法所求取短路电流的方法与标准值的误差在5％的误差范围内，可以应用于配电网保护整定中，该配网短路电流整定方法简单有效，可靠，且适用性广。

表1

表2

表3

表4

表5

表6

表7

表8

表9

表10

表11

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (5)

1.配电网保护整定的短路电流获取方法，其特征在于：包括

步骤1，获取三相线路参数和变压器T形等效变换，并依此建立配电网三相网络等值模型；

步骤2，根据三相网络等值模型求取配电网的额定负荷电流；包括：

步骤21，从根节点开始，根据广度优先搜索法对网络节点进行节点编号，同时从上往下将支路分层；

步骤22，设置根节点三相电压初值；

步骤23，根据配电网线路及变压器等效模型计算各支路额定条件下的三相阻抗和变压器归算到高压侧的等效阻抗和导纳；

步骤24，利用配网潮流的前推回代方法求取各支路的额定负荷电流;

步骤3，利用三相网络等值模型中故障点至根节点等效阻抗的方式求取配电网的故障电流；

步骤4，通过将各支路的额定负荷电流和故障电流向量相加的方法求取各支路短路电流值。

2.根据权利要求1所述的配电网保护整定的短路电流获取方法，其特征在于：所述步骤1中，获取如下参数：r为线路的单位电阻、x为线路的单位电抗、l为支路长度、R_g为大地电阻、X_SM为两相互阻抗；

所述三相线路任意一条支路的阻抗矩阵Z_L表示为：

该Z_AA、Z_BB、Z_CC为自阻抗，该线路自阻抗为：Z_ss＝rl+jxl；

该Z_AB、Z_BC、Z_CA为互阻抗，该线路互阻抗为：Z_SM＝R_g+jX_SM，R_g＝π²×10^-4f，

其中，f取50Hz，D_g为线路中电流等效深度；D_SM为线路两相之间的距离。

3.根据权利要求1所述的配电网保护整定的短路电流获取方法，其特征在于：所述步骤1中，获取如下参数：ΔP_k为变压器的额定负荷损耗；U_N为变压器的额定电压；S_N为变压器的额定容量；U_k％为变压器阻抗电压的百分数；ΔP₀为变压器的额定空载损耗；I₀％为变压器额定空载电流的百分数；

所述变压器经T型等效变换后各相参数可表示为：

，其中：R_T为变压器高低压绕组的总电阻；X_T为变压器高低压绕组的总阻抗；G_T为变压器的电导；B_T为变压器的电纳。

4.根据权利要求1所述的配电网保护整定的短路电流获取方法，其特征在于：所述步骤3，三相网络等值模型中故障点至根节点等效阻抗的方式求取配电网故障电流的步骤包括：

步骤31，根据配电网线路及变压器等效模型计算各支路在发生短路故障条件下的三相阻抗；

步骤32，计算故障点处发生短路故障后的三相电压并计算故障点至根节点各支路的故障电流。

5.根据权利要求1所述的配电网保护整定的短路电流获取方法，其特征在于：所述各支路短路电流是各支路额定负荷电流和故障电流向量的叠加。