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摘要
配电网继电保护与故障定位是提高其运行的安全稳定性和供电的可靠性的重要举措。随着配电网规模日益庞大且网络结构复杂,复故障概率大大增加;同时,由于城市配电网地下电缆线路覆盖率的逐渐提高,我国大中型城市已广泛采用中性点经小电阻接地方式;而分布式电源(Distributed Generator,DG)的大量灵活接入,小电阻接地配电网将成为一个分散多源非线性耦合的复杂电力系统,其故障演变机理和故障特征发生深远变化,这给配电网继电保护原理带来了巨大挑战。另外,单相接地故障是配电网最常见的故障类型,其故障特征与接地方式关联紧密,其中,谐振接地配电网的单相高阻接地故障定位问题是电力企业的一大难题。因此,本文针对小电阻接地配电网复杂单相接地故障零序电流保护原理以及谐振接地配电网单相高阻接地故障定位方法开展研究,主要工作如下:(1)提出了一种基于理想变压器与多端口网络理论的含逆变型DG(inverter-interfaced distributed generator,IIDG)小电阻接地配电网复故障分析方法。首先,在计及PQ控制策略的IIDG故障等值建模基础上,基于理想变压器与多端口网络理论,从回路电流方程和故障边界条件出发,建立了含IIDG小电阻接地配电网通用复故障数学分析模型,该模型适用于任意类型复故障分析;其次,面向多IIDG间的分散非线性耦合难题,提出了IIDG故障电流迭代修正算法,计算了任意复故障下各节点电压和支路电流,为配电网的复故障分析与继电保护原理研究打下基础;最后,通过PSCAD/EMTDC仿真验证了所提故障分析方法的正确性。(2)提出了一种基于零序电流修正的含IIDG小电阻接地配电网馈线自适应零序电流保护。首先,在所提复故障分析方法的基础上,通过研究含IIDG小电阻接地配电网复杂单相接地故障的零序电流分布特性,提出了一种基于零序电流补偿系数的含IIDG小电阻接地配电网馈线零序电流计算方法,将多回线复杂单相接地故障的零序电流修正为单回线单相接地故障情况;在此基础上,利用远动通信IEC 61850的MMS服务建立了馈线自适应零序电流保护方案,自适应地整定保护门槛值以及修正馈线零序电流;最后仿真结果验证了保护方案的可靠性和灵敏性。(3)提出了一种基于零序电流暂态分量相位特征的谐振接地配电网单相高阻接地故障定位方法。首先,研究了谐振接地配电网发生单相高阻接地故障时的并联谐振过程,分析了欠阻尼状态下零序电流的分布规律;接着,构造了FTU零序电流暂态分量相对相位,总结了故障点上下游FTU零序电流暂态分量相对相位差的分布特征,基于故障点上游和下游相邻FTU的相对相位差较大的特征构建故障定位判据;进而,提出了一种过渡电阻估算方法,以确定定位判据门槛值;故障定位方案如下:各FTU基于扩展Prony法重构零序电压、电流的暂态分量并上传至配电网自动化主站,主站根据定位判据和相对相位差定位故障位置;最后通过RTDS和自主研发的FTU终端所组成的物理实验平台验证了所提故障定位方法的正确性以及实用性,测试结果表明该方法适应性强且耐受过渡电阻高。(4)提出了一种基于暂态零序导纳比值的含IIDG谐振接地配电网单相接地故障定位方法。首先,分析了IIDG的接入对传统谐振接地配电网故障定位方法的影响;接着,分别研究了单相高阻和低阻接地故障下的并联谐振过程,提出了FTU暂态零序导纳的概念,分析了FTU暂态零序导纳的共性分布特征:故障点上游FTU暂态零序导纳存在最大值,而故障点下游FTU暂态零序导纳趋近于零,故障点上游和下游相邻FTU暂态零序导纳最大值之间差异最大;根据此特征,构造了基于FTU暂态零序导纳比值的定位判据,配电自动化主站综合利用相邻FTU的暂态零序导纳的比值来定位故障位置;最后通过RTDS平台验证了故障特征的正确性以及所提故障定位方法的准确性,并讨论了不同故障位置、过渡电阻、电弧故障、故障初相角、系统不平衡、IIDG接入以及噪音干扰等因素对定位结果的影响。
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