CN105182176A - 基于序空间矢量特性阻抗实部极性的电压暂降源的方向判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于序空间矢量特性阻抗实部极性的电压暂降源的方向判断方法，首先在监测点“确定”一个有功电流参考方向，再应用线性有源单端口网络理论，通过测量有源单端口网络的序空间矢量特性阻抗的实部极性来准确判断电压暂降发生源的方向；序空间矢量特性阻抗的实部极性为正时，扰动源在监测点的上游；序空间矢量特性阻抗的实部极性为负时，扰动源在监测点的下游；本发明提出的电压暂降源方向判断方法能确定性地判断由各种电网故障引起的电压暂降的发生源，适用于任何网架结构电网、中性点有效接地和非有效接地电网，也适用于扰动源的定位。

Description

基于序空间矢量特性阻抗实部极性的电压暂降源的方向判断方法

技术领域

本发明涉及一种影响电网供电电能质量污染源的自动监测和定位的方法，特别是一种电网电压暂降源定位的自动监测定位方法。

背景技术

电压暂降，是指供电电压均方根值在短时间突然下降至额定电压幅值的90%~10%，其典型持续时间为10ms~1min的一种现象。一些高度自动化设备很容易受到电压暂降的影响，几个周期的电压暂降都会对工业生产造成巨大经济损失，据国外调查，电能质量问题中电压暂降已成为主要的投诉原因，甚至占到投诉比重的80%。然而，电能是一种由电力部门向电力用户提供，并由供、用电双方共同保证质量的特殊产品。在导致电能质量下降的责任上，供用电双方往往因为缺少对电能质量下降原因的判断而存在分歧甚至陷入经济纠纷。对电压暂降源诊断、定位，界定供用电双方责任，为制定缓和策略提供参考和依据，为此，近年来电压暂降源定位引起了国内外研究者的关注。

电压暂降源定位，就是确定引起电压暂降的扰动源位于监测装置的哪一侧。现有电压暂降源定位方法主要来自国外的研究者，国内的研究大多是对国外研究的定位方法的分析比较和综述或是已有定位方法的综合，鲜见有新定位方法的提出。从定位原理来分大致分为以下两类。文献[1]提出了利用扰动能量和扰动功率初始峰值定位方法，文献[2，3]将此法改进推广到注入***能量的扰动源定位，文献[4,5]引入扰动无功功率和无功能量，使该方法得到了扩展。此类方法当扰动能量和扰动功率不吻合时，可信度大大减小，且对接地性故障定位不可靠。第二类可归纳为基于阻抗的方法，判定***轨迹斜率^[6]和电流实部极性的方法^[7,8]，较适用于对称故障定位。等效阻抗实部极性^[9]的方法受故障周期选择的影响较大。距离阻抗继电器法^[10]适用于双侧电源供电***。这些定位方法对对称性故障引起的电压暂降定位准确率比较高，而对非对称故障引起的电压暂降定位的准确率较低，并且，只适用于单回路放射式电网。

参考文献：

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[9]ThavatchaiTayjasanant，ChunLi，WilsunXu.Aresistancesign-basedmethodforvoltagesagsourcedetection.IEEETransactionsonPowerDelivery.2005，20(4)：2544-2551.

[10]AshokKumar，AurobindaRoutray.Applyingdistancerelayforvoltagesagsourcedetection.IEEETransactionsonPowerDelivery.2005，20(1)：529-531。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于序空间矢量特性阻抗实部极性的电压暂降源的方向判断方法，实现对电网电压暂降源的自动监测定位，应用于各种电网电能质量污染源的分析仪器和自动监测装置。

本发明的目的是这样实现的：首先在监测点“确定”一个有功电流参考方向，这种“确定”的有功电流参考方向是由监测点监测装置的电流和电压互感器的极性（同名端）“确定”的，一般“规定”一次负荷消耗有功功率为有功电流的正参考方向，与监测点的实际一次有功电流的流向无关；再应用线性有源单端口网络理论，通过测量有源单端口网络的序空间矢量特性阻抗的实部极性来准确判断电压暂降发生源的方向；序空间矢量特性阻抗的实部极性为正时，扰动源在监测点的上游；序空间矢量特性阻抗的实部极性为负时，扰动源在监测点的下游。

其中，该电压暂降源的判断方法步骤如下：

步骤a：设锁相环，电网正常运行时，即电压暂降发生前，在监测点对三相电压和电流分别以每基波周期同步采样N个点得：、、和、、；对中性点有效接地电网，由式（1）计算各相对地电压的均方根值；对中性点非有效接地电网，由式（2）计算各相对电网中性点电压的均方根值；当任何一相电压的均方根值小于90%的额定相电压时，电压暂降扰动发生；

（1）

（2）

这里，，，分别是监测点mi测得的三相电压、、的均方根值，是电网的零序电压；三相对地电压（中性点有效接地电网）或三相对中性点电压（中性点非有效接地电网），，中任何一相小于90%的额定相电压为电压暂降；

步骤b：电压暂降发生后，向前推K N个采样点，取电压暂降扰动前三相电压电流采样值：、、和、、，并继续采样扰动期间的三相电压、电流得：、、和、、，求得扰动电压和电流：

（3）

(4)

这里，为扰动电压，为扰动电流；n是采样点的编号，是序数，n=0,1,；N是基波一个周期的采样点数，N要取3的倍数；K取一正整数，K=1或2，或3，是扰动期间采样点滞后扰动前采样点的基波周期数；下标p表示电压暂降发生前（即电网正常运行时）；下标d表示扰动期间；下标mi为第i个监测点，i为序数，i=1，2，…；下标a、b、c分别表示a、b、c三相。下标顺序：相（a、b或c）-扰动前p或期间d-监测点mi；

再按照，，的值判断是对称扰动还是不对称扰动，若是对称扰动进行步骤c，若是不对称扰动进行步骤d；

步骤c：由式（5）求得正序空间矢量特性阻抗的实部：

（5）

这里，是正序空间矢量瞬时有功功率，它等于正序扰动电压空间矢量和正序扰动电流空间矢量的点积；是正序扰动电压空间矢量的模长；和分别为正序扰动电压空间矢量和正序扰动电流空间矢量；

步骤d：从、、和、、中由式（7）和式（8）分别提取各相电压和电流的负序分量；

（7）

（8）

计算mi监测点的负序空间矢量特性阻抗的实部：

(9)

这里上角“-”表示负序，式（9）中，分别为mi监测点的负序电压空间矢量和负序电流空间矢量；

步骤e：依据监测点mi的有源单端口网络的序空间矢量特性阻抗实部(n)（对称电压暂降）或（非对称电压暂降）的极性判断电压暂降发生源的方向；任意定义一个参考方向，这个定义是由电压和电流互感器的同名端决定的，一般定义一次负荷消耗有功功率为“正”；当监测点mi的有源单端口网络的序空间矢量特性阻抗实部(n)（对称电压暂降）或（非对称电压暂降）为正时，电压暂降发生源在参考方向的相反方向，也称上游；当监测点mi的有源单端口网络的序空间矢量特性阻抗实部(n)（对称电压暂降）或（非对称电压暂降）为负时，电压暂降发生源在参考方向的相同方向，也称下游。

本发明的有益效果：

1、由于采用了上述方案，电压暂降源定位，就是确定引起电压暂降的扰动源位于监测装置的哪一侧；依据有源单端口网络理论，任何电网从扰动点向两侧监测点观察，都可以等效为1个有源线性单端口网络；在mi监测点“确定”一个有功电流参考方向，这种“确定”的有功电流参考方向是由mi监测点监测装置的电流和电压互感器的极性即同名端“确定”的，一般规定负荷消耗有功功率为正参考方向；那么，在这规定的正参考方向条件下，当监测点mi测得有源单端口网络的序空间矢量特性阻抗的实部为正时，电压暂降源，即扰动源在参考方向的相反方向，也称上游；当监测点mi测得有源单端口网络的序空间矢量特性阻抗的实部为负时，电压暂降源在参考方向的相同方向，也称下游；通过同一电力网模型的仿真试验证明，它能确定性地定位电压暂降源，即定位正确率100%，而现有方法定位正确率一般只有80%左右，对不对称电压暂降扰动源的判断正确率更低，或不能判断；因此，是一种很有实用价值的电压暂降源定位方法。

2、该电压暂降源定位方法能确定性地定位由各种电网故障引起的电压暂降，适用于辐射式、环式、单端电源、多端电源和复杂网格的网架结构电网，适用于中性点有效接地电网和非有效接地电网，也适用于电容投切、变压器投切、大电机启动扰动引起的电压暂降源定位。

附图说明

图1为本发明故障前后同步采样示意图。

图2为本发明电力网等值电路图。

图3为本发明有源单端口网络外部伏安特性图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术解决方案，这些实施例不能理解为是对技术方案的限制。

实施例1：首先在监测点“确定”一个有功电流参考方向，这种“确定”的有功电流参考方向是由监测点监测装置的电流和电压互感器的极性（同名端）“确定”的，一般“规定”一次负荷消耗有功功率为有功电流的正参考方向，与监测点的实际一次有功电流的流向无关；再依据线性有源单端口网络理论，通过测量有源单端口网络的序空间矢量特性阻抗的实部极性来准确判断电压暂降发生源的方向；序空间矢量特性阻抗的实部极性为正时，扰动源在监测点的上游；序空间矢量特性阻抗的实部极性为负时，扰动源在监测点的下游；具体步骤如下：

步骤a：设锁相环，电网正常运行时，即电压暂降发生前，在监测点对三相电压和电流分别以每基波周期同步采样N个点得：、、和、、；对中性点有效接地电网，由式（1）计算各相对地电压的均方根值；对中性点非有效接地电网，由式（2）计算各相对电网中性点电压的均方根值；当任何一相电压的均方根值小于90%的额定相电压时，电压暂降扰动发生；

（1）

（2）

这里，，，分别是监测点mi测得的三相电压、、的均方根值，是电网的零序电压；三相对地电压（中性点有效接地电网）或三相对中性点电压（中性点非有效接地电网），，中任何一相小于90%的额定相电压为电压暂降；

步骤b：电压暂降发生后，向前推K N个采样点，见图1，取电压暂降扰动前三相电压电流采样值：、、和、、，并继续采样扰动期间的三相电压、电流得：、、和、、，求得扰动电压和电流：

（3）

(4)

这里，为扰动电压，为扰动电流；n是采样点的编号，是序数，n=0,1,；N是基波一个周期的采样点数，N要取3的倍数；K取一正整数，K=1或2，或3，是扰动期间采样点滞后扰动前采样点的基波周期数；下标p表示电压暂降发生前（即电网正常运行时）；下标d表示扰动期间；下标mi为第i个监测点，i为序数，i=1，2，…；下标a、b、c分别表示a、b、c三相。下标顺序：相（a、b或c）-扰动前p或期间d-监测点mi；

在监测点mi监测到的扰动电压和电流分别为：

,

由于扰动发生前mi监测点电压、、、、，m也是采样点的编号，是序数，m=0,1,；和扰动期间mi监测点电压、、、电流、、是2个不同时刻的采样值，为求得扰动电压和电流量，我们需设锁相环，对电压和电流各周期同步采样，如图1所示，由此可求得监测点mi的扰动电压和扰动电流：

（3）

(4)

这里，为扰动电压，为扰动电流；n是采样点的编号，是序数，n=0,1,；N是基波一个周期的采样点数；m=n-KN；K取一正整数，K=1或2，或3，是扰动期间采样点滞后扰动前采样点的基波周期数；下标p表示电压暂降发生前（即电网正常运行时）；下标d表示扰动期间；下标mi为第i个监测点，i为序数，i=1，2，…；下标a、b、c分别表示a、b、c三相；下标顺序：相（a、b或c）-扰动前p或期间d-监测点mi；这样，分别得到扰动电压和扰动电流的空间矢量为：

再按照，，的值判断是对称扰动还是不对称扰动，若是对称扰动进行步骤c.，若是不对称扰动进行步骤d.；

步骤c：由式（5）求得正序空间矢量特性阻抗的实部：

（5）

这里，是正序空间矢量瞬时扰动有功功率，她等于正序扰动电压空间矢量和正序扰动电流空间矢量的点积；是正序扰动电压空间矢量的模长；和分别为正序扰动电压空间矢量和正序扰动电流空间矢量；

电压暂降源定位就是确定电压暂降源在监测装置的那一侧；电力***中，电压暂降是因为电网中扰动（如短路故障、大电机启动、电容的投切等）引起的；以最典型的电力***短路故障扰动为例，一般说来，在电力***中同时出现两个以上的短路故障的概率还是很低的，因此，这里只考虑电力***中只有一个短路故障，并且认为电力***中的元件是线性的；对任何电网从监测点向两边观察，都可以分别等效为2个在监测点级联的有源线性单端口网络；对于配电网，短路容量不是很大，近似认为2个端口网络中的电源为理想电源，即对外部电路而言，总可以用一个理想电压源空间矢量和一个线性阻抗相串联的有源支路来代替，如图1；假设左侧电路为供电侧，右侧电路为用电户侧，在mi点监测到的电压和电流矢量为：

其中：、、和、、分别为三相***的电压和电流；并规定mi监测点的有功电流参考方向为从左向右，如图2中mi下方的“→”（实际mi监测点的有功电流正方向可以任意由该点的监测装置的电压与电流的互感器的同名端决定）；对于一个已安装的电压暂降源定位监测装置，监测点的有功电流正方向已确定，她由该监测装置的电压与电流的互感器的同名端决定；若我们规定负荷消耗有功功率为有功电流的正参考方向，那么，在这规定的正参考方向条件下，从2个有源单端口网络中的任何一个端口网络的外部可测得特性阻抗：

式中，，；这里，，为故障扰动期间在mi点测得的电压和电流矢量，，为故障扰动前在mi点测得的电压和电流矢量；可见，空间矢量特性阻抗的实部为：

（5）

这里，是正序空间矢量瞬时有功功率，它等于正序扰动电压空间矢量和正序扰动电流空间矢量的点积；是正序扰动电压空间矢量的模长；是正序扰动电流空间矢量的模长；是扰动电压空间矢量与扰动电流空间矢量的夹角；

由于暂降源是由对称扰动引起的，和是正序三相对称的，式（5）中、和都是标量，并且是常代数量；

步骤d：从、、和、、中由式（7）和式（8）分别提取各相电压和电流的负序分量：

（7）

（8）

计算mi监测点的负序空间矢量特性阻抗的实部：

(9)

这里上角“-”表示负序，式（9）中，分别为mi监测点的负序电压空间矢量和负序电流空间矢量；

若电压暂降源是不对称扰动（如两相短路），和是不对称的，含有正序和负序分量，若是两相接地短路和单相接地短路，除正序和负序外还有零序分量；不对称电压暂降源的共同特点是和中有负序分量，而电网正常运行时没有负序分量，因此得：

即不对称电压暂降负序扰动电压和电流矢量就是电压暂降期间的负序电压和电流矢量；这里，上标“-”表示“负序”；按照对称分量理论，以下2式提取得到监测点的电压和电流信号的负序对称分量：

对监测点的电压和电流信号每基波周期采样N点，并且已经规定取N是3的整数倍，由得负序电压、电流采样值的离散表达式分别为：

（7）

（8）

由式（9）计算mi监测点的负序空间矢量特性阻抗的实部：

(9)

这里，虽然电压暂降源是由不对称扰动引起的，即、、和、、是三相不对称的，但负序电压空间矢量和负序电流空间矢量，是三相对称的，因此，式（9）中、和都是标量，并且是常代数量；

步骤e：依据监测点mi有源单端口网络的序空间矢量特性阻抗的实部(n)（对称电压暂降）或（非对称电压暂降）的极性判断电压暂降发生源的方向；任意定义一个参考方向，这个定义是由电压和电流互感器的同名端决定的，一般定义一次负荷消耗有功功率为“正”；当监测点mi的有源单端口网络的序空间矢量特性阻抗的实部(n)（对称电压暂降）或（非对称电压暂降）为正时，电压暂降发生源在参考方向的相反方向，也称上游；当监测点mi的有源单端口网络的序空间矢量特性阻抗的实部(n)（对称电压暂降）或（非对称电压暂降）为负时，电压暂降发生源在参考方向的相同方向，也称下游；

依据有源单端口网络的特性，若电流由有源端口网络向外部电路流出，则有源单端口网络发出有功功率，等值阻抗的实部为负，阻抗特性如图3中第一象限；若电流由外部流入有源单端口网络，有源单端口网络消耗有功功率，则等值阻抗的实部为正，阻抗特性如图3中第二象限；按照本文对有功电流参考方向的“规定”：电阻消耗有功功率为有功电流的正参考方向；因此，在mi监测点监测到的计算值等于从电压暂降扰动源点向监测点mi观察，mi点等效端口网络的内部电阻值，符号决定于mi点的参考方向，当参考方向是从端口网络向外时，符号为“负”，如图2左侧m1点端口网络，故障扰动源在与监测点有功电流参考方向的相同方向，即下游；相反，参考方向是从外部指向端口网络内部时，符号为“正”，如图2右侧m2点端口网络，故障扰动源在与监测点有功电流参考方向的相反方向，即下游。即：

基于有源端口网络理论，任何网架结构都可以等效为图2等效网络模型，模型参数仅与电压暂降源扰动点在网架结构中的位置、电压暂降源监测装置的安装位置、网架结构和电网中各个元件的参数有关，因此，该方法适用于任何网架结构电网（辐射式、环式、单端电源、多端电源、复杂网格）的暂降源定位判断。

Claims (2)

1.基于序空间矢量特性阻抗实部极性的电压暂降发生源的方向判断方法，其特征是该判断方法步骤如下：

步骤a：设锁相环，电网正常运行时，即电压暂降发生前，在监测点对三相电压和电流分别以每基波周期同步采样N个点得：、、和、、；对中性点有效接地电网，由式（1）计算各相对地电压的均方根值；对中性点非有效接地电网，由式（2）计算各相对电网中性点电压的均方根值；当任何一相电压的均方根值小于90%的额定相电压时，电压暂降扰动发生；

（1）

（2）

这里，，，分别是监测点mi测得的三相电压、、的均方根值，是电网的零序电压，三相对地电压（中性点有效接地电网）或三相对中性点电压（中性点非有效接地电网），，中任何一相小于90%的额定相电压为电压暂降；

步骤b：电压暂降发生后，向前推K N个采样点，取电压暂降扰动前三相电压电流采样值：、、和、、，并继续采样扰动期间的三相电压、电流得：、、和、、，求得扰动电压和电流：

（3）

(4)

这里，为扰动电压，为扰动电流；n是采样点的编号，是序数，n=0,1,；N是基波一个周期的采样点数，N要取3的倍数；K取一正整数，K=1或2，或3，是扰动期间采样点滞后扰动前采样点的基波周期数；下标p表示电压暂降发生前（即电网正常运行时）；下标d表示扰动期间；下标mi为第i个监测点，i为序数，i=1，2，…；下标a、b、c分别表示a、b、c三相。

2.下标顺序：相（a、b或c）-扰动前p或期间d-监测点mi；

再按照，，的值判断是对称扰动还是不对称扰动，若是对称扰动进行步骤c，若是不对称扰动进行步骤d；

步骤c.：由式（5）求得正序空间矢量特性阻抗的实部：

（5）

这里，是正序空间矢量瞬时有功功率，它等于正序电压空间扰动矢量和正序电流空间扰动矢量的点积；是正序扰动电压空间矢量的模长；和分别为正序扰动电压空间矢量和正序扰动电流空间矢量；

步骤d：从、、和、、中由式（7）和式（8）分别提取各相电压和电流的负序分量：

（7）

（8）

计算mi监测点的负序空间矢量特性阻抗的实部：

(9)

这里上角“-”表示负序，式（9）中，分别为mi监测点的负序电压空间矢量和负序电流空间矢量；

步骤e：依据监测点mi的有源单端口网络的序空间矢量特性阻抗实部(n)（对称电压暂降）或（非对称电压暂降）的极性判断电压暂降发生源的方向；任意定义一个参考方向，这个定义是由电压和电流互感器的同名端决定的，一般定义一次负荷消耗有功功率为“正”；当监测点mi的有源单端口网络的序空间矢量特性阻抗实部(n)（对称电压暂降）或（非对称电压暂降）为正时，电压暂降发生源在参考方向的相反方向，也称上游；当监测点mi的有源单端口网络的序空间矢量特性阻抗实部(n)（对称电压暂降）或（非对称电压暂降）为负时，电压暂降发生源在参考方向的相同方向，也称下游。