CN102818972A - 一种微电网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统微电网保护与控制领域，涉及一种微电网故障定位方法，该方法在公共耦合点处装设静态开关，在含分布式电源的线路并网处设置有继电保护装置，包括：（1）利用线路保护装置对电流进行实时数据采样；（2）当第一次检测到某一相出现电流突变且突变量绝对值大于设定阈值时，转入步骤（3），否则，返回步骤（1）；（3）继续对电流进行实时数据采样，并检测时间段t内是否再一次检测到某一相电流突变量绝对值大于设定阈值，若是，则转入步骤（4），否则，判定未发生故障或故障发生在本线路保护区域以外，将保护闭锁，返回步骤（1）；（4）判定故障发生在本线路保护区域内，开放保护。本发明可准确判断故障发生区域。

Description

一种微电网故障定位方法

所属技术领域

本发明涉及电力系统微电网保护与控制领域，提出了一种适用于低压微电网内部相间故障的定位方法。

背景技术

传统配电网发生相间短路时，短路电流比正常时的负荷电流大得多，因此主要采用电流速断和过电流保护两种保护方式。与传统配电网相比，分布式电源（DG）的接入使得微电网成为多端电源网络，网络拓扑结构复杂，潮流方向多变；此外，DG通常为逆变型分布式电源，由于受到控制环节限流措施的约束，当故障发生后DG所提供的故障电流会被限制在2倍额定电流以内。故传统的保护方案、故障检测和故障区域定位方法在微电网中均不再适用。结合微电网自身特点，国内外学者在传统保护原理基础上开展了大量研究工作。例如，故障后逆变型分布式电源输出电压特征明显，有学者提出对DG出口电压进行dq0变换，通过比较变换值与给定值来确定故障类型，并结合相邻区域DG出口电压变换值最终确定故障位置，然而一般情况下低压微电网覆盖的区域较小，故障发生后整个网络电压均会跌落且差异不明显，故该方法存在一定局限性。

发明内容

本发明的目的克服现有技术的上述不足，提供一种适用于微电网内部相间故障，可准确判断故障发生区域的定位方法。本发明通过利用微电网内部发生故障和静态开关断开两次动作过程中流过故障线路与非故障线路的电流变化存在明显差异的特征，而避免了采用电压量及功率方向元件，即可准确判断故障发生区域。本发明的技术方案如下：

一种微电网故障定位方法，该方法在公共耦合点（PCC）处装设静态开关（SS），在含分布式电源的线路并网处设置有继电保护装置，包括：

（1）利用线路保护装置对电流进行实时数据采样；

（2）当第一次检测到某一相出现电流突变且突变量绝对值大于设定阈值K时，转入步骤（3），否则，返回步骤（1）；

（3）继续对电流进行实时数据采样，并检测时间段t内是否再一次检测到某一相电流突变量绝对值大于设定阈值K，若是，则转入步骤（4），否则，判定未发生故障或故障发生在本线路保护区域以外，将保护闭锁，返回步骤（1）；

（4）判定故障发生在本线路保护区域内，开放保护。

作为优选实施方式，上述的微电网故障定位方法中，时间段t的取值大于静态开关的动作时间；K的取值按过电流保护起动电流整定原则进行整定，即

其中，K_k为可靠系数，取值范围：1.15~1.25；K_zq为自起动系数，取值大于1；K_h为电流继电器返回系数，取值范围：0.85~0.95；I_fmax为本线路最大负荷电流。

本发明与现有技术相比，提出了一种适用于微电网内部相间故障的故障定位方法，该方法所能产生的积极效果是：首先，本发明以微电网内部发生故障时静态开关首先快速动作为前提，这样避免了故障后两个网络之间的相互影响，便于及时调整控制保护策略，减轻了配电网侧提供的大故障电流对故障线路的影响；其次，本发明仅采用了电流量，原理简单，避免了传统配电网中功率方向元件的使用以及电压测量在出口故障情况下存在死区等问题，可行性强。

附图说明

图1为一个简单微电网拓扑图；

图2a为故障后SS动作前系统等效电路图；

图2b为故障后SS动作后系统等效电路图；

图3为DG2处于恒功率态时等效电路图；

图4为一个算例微电网拓扑图；

图5为同一馈线故障定位策略框图。

具体实施方式

本发明针对微电网相比传统配电网故障后所出现的上述新情况，提出一种适用于微电网内部发生相间故障时的故障定位方法。本发明提供的微电网故障定位方法，以当微电网内部发生故障时，静态开关首先断开为前提，考虑了微电网内部发生短路故障后DG的故障输出特性与传统配电网故障分析结果的不同之处，同时也考虑了采用不同控制模式的DG故障输出特性的差异，以满足故障位置的准确识别以进一步开放保护快速动作的要求。该方法需要在公共耦合点（PCC）处装设静态开关（SS）。当配电网或微电网发生故障时，为了避免故障后两个网络的相互影响，便于及时调整控制保护策略，保证用户供电可靠性和电能质量，有效发挥微电网的作用，要求静态开关在极短时间内动作，实现故障隔离。即在微电网内部发生相间故障后，配电网向故障点提供很大的故障电流，当SS作用于大故障电流而快速断开后，经故障线路流向故障点的电流减小为相邻线路DG提供的故障电流。在此过程中，流经故障线路的电流经历了先增大后减小的两次突变过程；而流经非故障线路的电流虽然也会随着故障发生和SS断开而出现变化，但电流会从负荷电流变化为DG提供的故障电流，变化幅度相比于故障线路有限。因此可将此差异作为判别故障区域的依据。即在指定时间内检测到电流出现两次突变过程，且每次突变量绝对值均大于设定阈值，便认为故障发生在保护区域内部；否则，若不符合该条件，认为故障发生在保护区域以外，则将保护闭锁。

下面将结合实施例及参照附图对该发明的技术方案进行详细说明。

1.微电网故障电流特征分析

以图1所示的简单微电网为例，考察在微电网内部发生故障和断开静态开关两个过程中流过各线路电流的变化特征。如图1所示，配电网通过静态开关与微电网相连。两条馈线上均接有负荷与DG。DG为逆变型分布式电源，通常采用恒功率(PQ)控制和恒压恒频(V/f)控制两种控制策略。其中，PQ控制策略以输出恒定的有功和无功功率为控制目标，不参与频率调节和电压调节，不具备维持恒定频率和电压的能力，故需要外界系统提供频率与电压支撑，不能与负荷独立运行；而V/f控制策略主要为微电网的孤岛运行提供电压和频率支撑，其输出功率具有较大的变化范围，具有一定的负荷功率跟随特性。DG无论采用PQ控制模式还是V/f控制模式，只有在系统正常运行或故障点距离分布式电源较远时才能保证控制目标的实现，否则逆变型分布式电源受到其控制环节限流措施的约束，将呈现恒流源特性。

以PQ控制模式的DG为例分析发生故障和静态开关断开两个过程中流过各线路电流的变化特征。

如图1所示，微电网正常运行情况时，静态开关处于闭合状态，微电网与配电网并网运行。假设DG1和DG2均采用PQ控制模式，设定输出功率分别为S_DG1、S_DG2，两个负载分别以额定功率S_Load1、S_Load2运行。若忽略线路损耗的影响，正常运行时流过SS、保护1和保护2的电流如公式（1）~（3）所示。

$I_{\mathrm{SS}}=\frac{\underset{i=\mathrm{1,2}}{\mathrm{\Σ}}{S}_{\mathrm{Loadi}}-\underset{i=\mathrm{1,2}}{\mathrm{\Σ}}{S}_{\mathrm{DGi}}}{\sqrt{3}U}---\left(1\right)$

$I_1=\frac{S_{\mathrm{Load}1}-S_{\mathrm{DG}1}}{\sqrt{3}U}---\left(2\right)$

$I_2=\frac{S_{\mathrm{Load}2}-S_{\mathrm{DG}2}}{\sqrt{3}U}---\left(3\right)$

假设在线路1的f处发生三相对称故障，考虑到DG在不同运行条件下输出特性的差异，做以下分类讨论：

（1）若母线电压和非故障线路DG出口电压出现很大跌落，即故障发生在近母线处时，DG2不能维持恒功率态而转入恒流态运行。设DG2输出电流恒为IDG2。在故障发生瞬间，微电网仍处于并网状态，如图2（a）简化电路图所示。由叠加原理可以得到SS断开前流过SS、保护1和保护2的电流，如式（4）~（6）所示。

$I_{\mathrm{SS}.f^{\′}}=\frac{E_S}{Z_S+Z_{f1}//(Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}2})}-I_{\mathrm{DG}2}\frac{Z_{\mathrm{Load}2}}{Z_{\mathrm{Load}2}+Z_{L2}+Z_S//Z_{f1}}\·\frac{Z_{f1}}{Z_S+Z_{f1}}---\left(4\right)$

$I_{1f^{\′}}=\frac{E_S}{Z_S+Z_{f1}//(Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}2})}\·\frac{Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}2}}{Z_{f1}+Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}2}}+I_{\mathrm{DG}2}\frac{Z_{\mathrm{Load}2}}{Z_{\mathrm{Load}2}+Z_{L2}+Z_S//Z_{f1}}\·\frac{Z_S}{Z_S+Z_{f1}}---\left(5\right)$

$I_{2f^{\′}}=\frac{E_S}{Z_S+Z_{f1}//(Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}2})}\·\frac{Z_{f1}}{Z_{f1}+Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}2}}+I_{\mathrm{DG}2}\frac{Z_{\mathrm{Load}2}}{Z_{\mathrm{Load}2}+Z_{L2}+Z_S//Z_{f1}}---\left(6\right)$

对比式（1）和式（4）可知，由于Z_f1远远小于Z_L2和Z_Load2，式（4）首项数值很大，即微电网内部故障时，由配电网经SS流过很大的故障电流，因此应在SS处配置保护以快速切断微电网与配电系统的电气连接。

当SS断开以后，给故障点提供故障电流的只有已处于恒流态的分布式电源DG2。根据图2（b）所示的简化电路图，可计算出流过保护1和保护2的电流，如式（7）所示。

$I_{1f}=I_{2f}=I_{\mathrm{DG}2}\frac{Z_{\mathrm{Load}2}}{Z_{\mathrm{Load}2}+Z_{L2}+Z_{f1}}---\left(7\right)$

（2）若微电网内部故障时，母线电压和非故障线路DG出口电压由于大电网的钳制作用维持在额定电压附近，即故障发生地点远离母线，DG2仍处于恒功率运行状态。设DG2输出功率恒为S_DG2。简化电路如图3所示。

在SS断开以前，由叠加原理可以求得流过SS、保护1和保护2的电流，如式（8）~（10）所示。

$I_{\mathrm{SS}.f^{\′}}=\frac{E_S}{Z_S+Z_{f1}//(Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}2})}-\frac{\sqrt{S_{\mathrm{DG}}[Z_{\mathrm{Load}2}//(Z_{L2}+Z_S//Z_{f1})]}}{Z_{L2}+Z_S//Z_{f1}}\·\frac{Z_{f1}}{Z_S+Z_{f1}}---\left(8\right)$

$I_{1f^{\′}}=\frac{E_S}{Z_S+Z_{f1}//(Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}2})}\·\frac{Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}2}}{Z_{f1}+Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}2}}+\frac{\sqrt{S_{\mathrm{DG}}[Z_{\mathrm{Load}2}//(Z_{L2}+Z_S//Z_{f1})}}{Z_{L2}+Z_S//Z_{f1}}\·\frac{Z_S}{Z_S+Z_{f1}}---\left(9\right)$

$I_{2f^{\′}}=-\frac{E_S}{Z_S+Z_{f1}//(Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}2})}\·\frac{Z_{f1}}{Z_{f1}+Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}2}}+\frac{\sqrt{S_{\mathrm{DG}}[Z_{\mathrm{Load}2}//(Z_{L2}+Z_S//Z_{f1})}}{Z_{L2}+Z_S//Z_{f1}}---\left(10\right)$

当微电网内部发生故障时，SS会快速关断。由于失去了大电网的电压支撑，整个微电网的电压会跌落，因此DG2不能继续维持恒功率态，转而进入恒流模式。SS断开后流过SS和各保护的电流同式（7）所示。

同样的，在DG采用V/f控制模式的情况下，根据故障发生后DG所处的不同工作状态，也可以得到同上述类似的电流表达式。

通过分析可知，由于配电网大电源的存在和DG输出电流的限幅作用，微电网内部发生故障后而SS断开以前，流过故障线路保护的电流会明显增大，而随着SS断开此电流会减少到DG输出限定电流大小的水平；而流过非故障线路保护的电流随着故障的发生和SS的动作，虽然也存在两次突变过程，但其突变量数值与故障线路相比会小很多，因此可将此差异作为判别故障区域的依据。

2.基于电流突变量的微电网故障定位方法

故障位置判定方法可按照如下步骤进行：（1）线路保护装置对电流进行实时数据采样；（2）当第一次检测到某一相出现电流突变且突变量绝对值大于设定阈值K时，转入步骤（3），否则返回步骤（1）；（3）继续对电流进行实时数据采样，并检测t时间内是否再一次检测到某一相电流突变量绝对值大于设定阈值K，若是则转入步骤（4），否则，判定未发生故障或故障发生在本线路保护区域以外，将保护闭锁，返回步骤（1）；

（4）判定故障发生在本线路保护区域内，开放保护进而做进一步判定。

步骤（2）中的电流突变过程，是由于微电网内部出现了故障，配电网提供了较大故障电流；而步骤（3）的电流突变是由静态开关处保护反应于微网内部故障而快速动作，配电系统提供的故障电流消失而引起的，此时流过故障线路的电流由微电网内部分布式电源提供。在上述故障位置判定方法中，t的取值要大于静态开关的动作时间，而K的取值要躲开分布式电源和负荷的正常投退所造成的电流波动，在实施过程中可按过电流保护起动电流整定原则进行整定，即

其中K_k为可靠系数，一般采用1.15~1.25；K_zq为自起动系数，数值大于1，由网络具体接线和负荷性质确定；K_h为电流继电器返回系数，一般采用0.85~0.95；I_fmax为本线最大负荷电流。

事实上，无论微电网内部出现对称故障还是两相相间故障，配电网侧均会提供很大的故障电流，且因保护策略要求静态开关先于线路保护动作，使得流过故障线路的电流均会出现上述两次突变过程，因此对于微电网内部出现的对称故障与两相相间故障，该故障定位方法均适用。

以图4为例的微电网来说明该方案的适用性。微电网系统的电压等级为380V，采用T-N接线方式，整个网络呈放射状分布，微电网通过静态开关SS经10/0.38kV变压器与配电系统相连。系统中含有4条线路，线路1、2上连接有重要负荷，当系统出现故障或电能质量问题时可以与DG1和DG3构成局部微网持续运行；线路3、4上的负荷为可中断负荷；DG1和DG2采用PQ控制策略，DG3采用V/f控制策略。另外，除线路1两端均装设保护装置以外，每条线路都只在首端装设保护装置。设定门槛值K取值为3倍流过线路的最大负荷电流

当故障发生在f1处时，随着SS的动作，流过故障点所在线路保护1的电流会出现两次明显的变化过程，且电流突变量绝对值达到定值，而流过保护2、3、4的两次电流突变量相比保护1要小很多。其中流过保护3电流升高为DG2输出的极限电流，而流过保护2、4的电流随着电压的跌落而下降。根据以上提出的判断方法很容易确定故障发生在线路1上。当故障发生在f3、f4时，该方案同样可以准确判断出故障区域。

当故障发生在f2处时，随着SS的动作，流过故障点所在馈线保护1、2的电流均会出现两次明显的变化过程，且两次电流突变量绝对值均达到定值，而流过保护3、4的两次电流突变量相比保护1、2要小很多。根据上述的判断方法可确定故障发生在线路1和线路2所在的保护区域内，而进一步确定故障位置需要参照相邻保护的信息进行综合判定，可采用如图5所示的故障定位策略。

由上述方法实施过程可以看出，微电网内部发生相间故障后，该方案均可以快速有效的判断出故障位置，进而开放保护原理以切除故障点，原理简单，具有很强的实用性。

以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的系统及方法的限制，本发明的保护范围以权利要求为准。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种微电网故障定位方法，该方法在公共耦合点（PCC）处装设静态开关（SS），在含分布式电源的线路并网处设置有继电保护装置，包括：

（1）利用线路保护装置对电流进行实时数据采样；

（2）当第一次检测到某一相出现电流突变且突变量绝对值大于设定阈值K时，转入步骤（3），否则，返回步骤（1）；

（3）继续对电流进行实时数据采样，并检测时间段t内是否再一次检测到某一相电流突变量绝对值大于设定阈值K，若是，则转入步骤（4），否则，判定未发生故障或故障发生在本线路保护区域以外，将保护闭锁，返回步骤（1）；

（4）判定故障发生在本线路保护区域内，开放保护。

2.根据权利要求1所述的微电网故障定位方法，其特征在于，时间段t的取值大于静态开关的动作时间。

3.根据权利要求1所述的微电网故障定位方法，其特征在于，K的取值按过电流保护起动电流整定原则进行整定，即 

其中，K_k为可靠系数，取值范围：1.15~1.25；K_zq为自起动系数，取值大于1；K_h为电流继电器返回系数，取值范围：0.85~0.95；I_fmax为本线路最大负荷电流。 

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