CN101562332B - 含逆变型分布式电源配电网自适应电流速断保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于配电网继电保护技术领域，涉及一种含逆变型分布式电源配电网保护方法，在已有的自适应电流速断保护基础之上，提出含IIDG配电系统的自适应电流速断保护改进方案，在保护背侧接有IIDG时，仍然按照已有的没有考虑IIDG接入情况下的自适应整定值表达式的形式来对保护进行在线整定，在两相短路情况下，利用负序分量来求保护背侧的实际等值阻抗，并用当前故障状态下的等值电势来对保护进行整定；在三相短路情况下，仍然采用IIDG没有接入情况下的计算方法来求当前故障状态下的等值阻抗，并根据该等值阻抗得到相应的等值电势，用此等值电势对保护进行整定。本发明通过对传统的电流保护配置进行了改进，保证了含逆变型DG配电系统故障的可靠切除。

Description

含逆变型分布式电源配电网自适应电流速断保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统配电网继电保护领域，提出了一种适用于含逆变型分布式电源(IIDG)配电网的自适应电流速断保护方案。

背景技术

分布式电源(DG)的种类很多，按照运行方式的不同一般可以将其分为传统旋转机型DG和逆变型DG(IIDG)。传统旋转机型DG与传统发电机的特性一样，可以等效为电势源与阻抗的串联；而IIDG则与它们有很大不同。在大量分布式电源尤其是逆变型分布式电源接入到配电网以后，传统的配电网保护不可避免地会受到影响。对于像风力发电、太阳能发电等，它们的出力随自然条件变化随机波动比较大，系统的运行方式也更加多变，这就使得传统电流保护的定值很难整定，保护之间的配合也很难协调。

发明内容

本发明的目的在于针对IIDG接入配电网后保护定值整定困难的问题，结合含IIDG配电系统故障时的特点，在已有的没有考虑IIDG接入情况下的自适应电流速断保护基础之上，给出含IIDG配电系统的自适应电流速断保护方案。

为此，本发明采用如下的技术方案：

一种含逆变型分布式电源配电网自适应电流速断保护方法，在已有的自适应电流速断保护基础之上，提出含IIDG配电系统的自适应电流速断保护改进方案，在保护背侧接有IIDG时，仍然按照已有的没有考虑IIDG接入情况下的自适应整定值表达式的形式来对保护进行在线整定，但其中参数的意义发生变化，并根据故障类型的不同，采用不同的整定方法：两相短路情况下，利用负序分量来求保护背侧的实际等值阻抗，并用当前故障状态下的等值电势来对保护进行整定；三相短路情况下，仍然采用IIDG没有接入情况下的计算方法来求当前故障状态下的等值阻抗，并根据该等值阻抗得到相应的等值电势，用此等值电势对保护进行整定。

作为优选实施方式，本发明的自适应电流速断保护方法，考虑含IIDG配电网的故障特征，并按照 ${\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{ZDZ}}=\frac{K_k{K}_d{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_{\mathrm{FDG}}}{Z_{1\mathrm{DG}}+Z_L}$ 计算保护整定值，在两相短路情况或三相短路情况下，若故障点K位于αZ_L处，且 $\mathrm{\&alpha;}<\mathrm{\&beta;}=\frac{Z_L-(K_k-1)Z_{1\mathrm{DG}}}{K_k{Z}_L}$ 时，保护正确动作，否则，保护不动作，其中，α为比例系数，Z_L为被保护线路阻抗，Z_1DG为DG背侧的等值阻抗，K_d为故障类型系数，K_k为可靠系数， ${\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{FDG}}={\stackrel{.}{U}}_d+{\stackrel{.}{I}}_d{Z}_{1\mathrm{DG}},$

分别为故障后保护安装处的相电压和相电流。

本发明与现有技术相比，提出了一种适用于含逆变型分布式电源配电网的自适应电流速断保护方案，该方法所能产生的积极效果是：首先，本发明考虑了含IIDG配电网与传统配电网故障特性的不同，能够适用于含IIDG配电网的情况；其次，本发明能够自适应IIDG出力随机变化的情况，解决了含IIDG配电系统保护定值整定难的问题，使其保护性能得到大大改善；最后，本发明基于的是本地量信息，不需要借助复杂的通讯网络，可行性强。

附图说明

图1a为接有IIDG配电系统故障状态电路示意图；

图1b为接有IIDG配电系统故障状态下的戴维南等值电路；

图2a为接有IIDG配电系统的正常运行状态示意图；

图2b为接有IIDG配电系统的故障附加状态示意图；

图3为接有IIDG配电系统的故障附加状态等值电路示意图

图4a为接有IIDG配电系统的正序故障分量网络示意图；

图4b为接有IIDG配电系统的负序分量网络示意图；

图5为一个传统的辐射型配电网示意图。

具体实施方式

本发明提供的含逆变型分布式电源配电网自适应电流速断保护方案，结合含IIDG配电系统故障时的特点，在已有的自适应电流速断保护基础之上，对含IIDG配电系统的自适应电流速断保护进行了研究：当保护背侧没有接IIDG时，此时保护将不会受IIDG接入的影响，因此仍然可以采用已有的按照躲开被保护线路末端短路时的短路电流值的方法来对保护进行在线整定(即可以采用已有的方法在保护的软件部分增加自适应功能，以解决含IIDG配电系统保护定值整定困难的问题)；当保护背侧接有IIDG时，可以仍然按照已有的没有考虑IIDG接入情况下的自适应整定值表达式的形式来对保护进行在线整定，但其中参数的意义发生变化。另外，根据故障类型的不同，所采用的具体整定方法也有所区别：两相短路情况下，利用负序分量来求保护背侧的实际等值阻抗，并用当前故障状态下的等值电势来对保护进行整定；三相短路情况下，仍然采用IIDG没有接入情况下的计算方法来求当前故障状态下的等值阻抗，并根据该等值阻抗得到相应的等值电势，用此等值电势来对保护进行整定。因此，对于保护背侧接有IIDG的情况，按照这种方法对保护的软件进行改进之后，也能使保护自适应系统运行方式和IIDG出力情况的变化，从而提高了含IIDG配电系统保护的性能。

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。

本发明主要针对含IIDG配电网故障时的特点，在已有的自适应电流速断保护基础之上，提出了含IIDG配电网的自适应电流速断保护方法。

1.含IIDG配电系统的故障特性分析

IIDG通过电力电子装置与电网并联，它是目前DG并网的主要形式，即使是对于风力发电机、微型燃气轮机等，很多情况下也是先整流再经逆变控制装置连接到电网的，这样可以改善传统电机直接并网带来的一系列问题。与传统发电机可以用电压源和阻抗串联来进行等效不同，IIDG有其自身的一些特点。

IIDG在并网运行时一般采用电流型PQ控制方式，即通过对输出电流进行控制来使IIDG输出的有功和无功功率达到给定的参考值。对于采用这种控制方式的IIDG，它供出的电流是三相平衡的，可以将其看作一个电流源来进行分析。图1(a)所示为一个在母线B处接有IIDG的简单配电系统，当K点发生故障时，在故障后的瞬间会有一个暂态过程，在暂态过程中IIDG输出的功率将变大。但是这个过程持续的时间一般很短，很快IIDG输出的P和Q又会回到给定的参考值。因此故障发生后，由于IIDG接入点的电压降低，其供出的电流

与故障前相比要变大。利用戴维南定理可以将图1(a)所示故障状态下保护2背侧的电路等值为电势源

与阻抗Z_DG的串联，如图1(b)所示。

通过分析图1所示的电路可知，如果维持IIDG的出力即PQ的设定值不变，当故障发生的位置距离IIDG越近时，IIDG输出的电流

就越大，相应该状态下的戴维南等值电势

也越大；如果改变IIDG的出力情况，则对于同一故障位置，IIDG出力越大，其输出的电流

也越大，相应的等值电势

也越大。因此IIDG等值的电压源在不同故障状态下是可变的，这是含IIDG配电网区别于传统配电网的一个特点。

2.含IIDG配电系统的自适应电流速断保护

2.1已有的自适应电流速断保护存在的问题

以图1(a)所示的简单配电系统为例来进行分析。按照已有的自适应电流速断保护的思想，可以将此故障状态分解为正常运行状态和故障附加状态的叠加，如图2中(a)和(b)所示。其中，

和Zs为系统侧的等值电势和阻抗；

为故障前K点的电压；

为故障前IIDG输出的电流。由于故障后IIDG的输出电流发生了变化，所以在图2(b)所示的故障附加状态中IIDG处出现了值为

的电流源，其中 $\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{DG}}={\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{FDG}}-{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{DG}}$ 即为故障后IIDG输出电流的增加量。为了方便分析，可以将图2(b)中保护2的背侧电路用戴维南定理等值为电势源和阻抗的串联，如图3所示。由于图2(b)与图1(a)所示的两个电路中保护2背侧的电路结构都一样，仅电流源的值不同，所以经戴维南等值之后它们的阻抗相同，都是Z_DG，其值即为保护2背侧的实际等值阻抗。

对于IIDG侧的保护2，根据已有的没有考虑IIDG接入情况下的方法由故障附加状态计算得到的背侧等值阻抗为 $Z_{\mathrm{DG}}^{\&prime;}=-\frac{{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{gDG}}}{{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{gDG}}},$ 而实际等值阻抗为 $Z_{\mathrm{DG}}=-\frac{{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{gDG}}-\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{DG}}}{{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{gDG}}}\&NotEqual;Z_{\mathrm{DG}}^{\&prime;},$ 所以计算得到的阻抗并不是实际阻抗。

另外，由1中的分析可知，当线路不同位置故障时，IIDG输出的电流不相等，导致保护2背侧的等值电势也不同，因此即使能够得到保护2背侧的实际等值阻抗，也无法像没有IIDG接入时那样根据当前故障点的信息在线求出被保护线路末端短路时的短路电流值，从而无法按照已有的方法那样通过躲开该电流值来对保护进行整定。对于系统侧保护1，由图3可以求出其背侧等值阻抗为 $Z_S^{\&prime;}=-\frac{{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{gS}}}{{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{gS}}}=Z_S,$ 即计算得到的阻抗与实际阻抗相等，而且其背侧的等值电势是系统电势

所以保护1不受IIDG接入的影响，仍然可以按照已有的方法那样通过躲开被保护线路末端短路时的短路电流值来对保护进行整定。

综合上述分析，可以得到以下结论：

(1)当保护的背侧接有IIDG时，由于受

的影响，依据已有的等值阻抗计算方法无法得到实际的阻抗，同时也无法根据当前故障点的信息来求出被保护线路末端短路时保护背侧的等值电势，所以不能再采用按照躲开被保护线路末端短路时的短路电流值的方法来对保护进行在线整定。

(2)当保护的背侧没有接IIDG时，由于仍然能够得到实际的等值阻抗，且系统电势一般保持不变，所以采用已有的整定方法不会存在问题。

2.2含IIDG配电系统的自适应电流速断保护方案

下面以图1所示的背侧接有IIDG的保护2为例，对不同故障类型下的自适应电流速断保护分别进行分析。

2.2.1两相短路时的情况

假定图1中K点发生的是两相短路故障，由于IIDG采用的是电流型控制，故此时图2(b)中

仍然是三相平衡量。将图2(b)所示的故障附加状态进行对称分量分解，可以得到正序故障分量和负序分量网络，分别如图4(a)和(b)所示。由图可知，由于负序分量网络不受的影响，且一般情况下Z_1DG＝Z_2DG，因此可以直接通过图4(b)计算出保护2背侧的实际等值阻抗 $Z_{1\mathrm{DG}}=-{\stackrel{.}{U}}_{2\mathrm{DG}}/{\stackrel{.}{I}}_{2\mathrm{DG}}.$

在得到实际的等值阻抗Z_1DG以后，仍然按照已有的没有考虑IIDG接入情况下的整定表达式的形式来对保护进行在线整定，如下式所示：

${\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{ZDZ}}=\frac{K_k{K}_d{\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{FDG}}}{Z_{1\mathrm{DG}}+Z_L}---\left(1\right)$

其中， ${\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{FDG}}={\stackrel{.}{U}}_d+{\stackrel{.}{I}}_d{Z}_{1\mathrm{DG}}.$ 与已有的方法不同的是，由此得到的

为当前K点故障状态下保护2背侧的等值电势值，而不再是被保护线路末端短路时的等值电势值，它将随故障点位置以及IIDG出力情况的变化而变化。

设故障点K位于αZ_L处，α为一比例系数，则当K点故障时，保护2处感受到的短路电流可以用下式表示：

$I_d=\left|\frac{K_d{\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{FDG}}}{Z_{1\mathrm{DG}}+\mathrm{\&alpha;}{Z}_L}\right|$

令I_d＝I_ZDZ，可以得到按式(1)整定后保护2的保护范围，用β表示，即有：

$\mathrm{\&beta;}=\frac{Z_L-(K_k-1)Z_{1\mathrm{DG}}}{K_k{Z}_L}<\frac{1}{K_k}<1---\left(2\right)$

当故障点位置α＜β时，有：

$I_d=\left|\frac{K_d{\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{FDG}}}{Z_{1\mathrm{DG}}+\mathrm{\&alpha;}{Z}_L}\right|>\left|\frac{K_d{\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{FDG}}}{Z_{1\mathrm{DG}}+\mathrm{\&beta;}{Z}_L}\right|=\left|\frac{K_k{K}_d{\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{FDG}}}{Z_{1\mathrm{DG}}+Z_L}\right|=I_{\mathrm{ZDZ}}$

即当保护范围内发生故障时，保护将正确动作。

当α＞β时，有：

$I_d=\left|\frac{K_d{\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{FDG}}}{Z_{1\mathrm{DG}}+\mathrm{\&alpha;}{Z}_L}\right|<\left|\frac{K_d{\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{FDG}}}{Z_{1\mathrm{DG}}+\mathrm{\&beta;}{Z}_L}\right|=\left|\frac{K_k{K}_d{\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{FDG}}}{Z_{1\mathrm{DG}}+Z_L}\right|=I_{\mathrm{ZDZ}}$

即当保护范围外发生故障时，保护将可靠不动作。

假定被保护线路BA末端即A点短路时，相应该故障状态下的保护2背侧等值电势为

则按照已有的方法通过躲开被保护线路末端短路时的短路电流值的方法得到的整定值为：

${\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{ZDZ}}^{\&prime;}=\frac{K_k{K}_d{\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{FDG}}^{\&prime;}}{Z_{1\mathrm{DG}}+Z_L}$

令 $I_{\mathrm{ZDZ}}^{\&prime;}=\left|\frac{K_d{\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{FDG}}}{Z_{1\mathrm{DG}}+{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}{Z}_L}\right|,$ 其中这里的为相应β′Z_L处故障时保护2背侧的等值电势，由此可以得到该整定方法下的保护范围为：

${\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}=\frac{Z_L{E}_{\mathrm{FDG}}/E_{\mathrm{FDG}}^{\&prime;}-(K_k-E_{\mathrm{FDG}}/E_{\mathrm{FDG}}^{\&prime;})Z_{1\mathrm{DG}}}{K_k{Z}_L}---\left(3\right)$

由于β′＜1，即故障点位置与线路末端相比更靠近IIDG，所以有E_FDG＞E′_FDG，即E_FDG/E′_FDG＞1，比较式(2)和(3)可以得到β′＞β，即采用式(1)所示的实时整定值之后，保护范围将比采用已有方法得到的整定范围略有减小。

通过上面的分析可知，在两相短路情况下，由式(1)所确定的保护范围会有所减小，变得更保守，但是它仍然能够保证保护的正确动作，与传统的电流速断保护相比，仍然具有很大的优势。

2.2.2三相短路时的情况

如果K点发生的是三相短路，由于无法消除

的影响，因此也就无法得到实际的等值阻抗。本发明利用三相短路的固有特点，对该故障情况下的自适应电流速断保护进行研究。

首先，仍然采用没有IIDG接入情况下的方法来计算得到等值阻抗Z′_DG，并由 ${\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{FDG}}^{\&prime;}={\stackrel{.}{U}}_d+{\stackrel{.}{I}}_d{Z}_{\mathrm{DG}}^{\&prime;}$ 来求得相应的等值电势

这里的Z′_DG和均为根据当前故障情况下的信息得到的计算量，其值均会随故障点位置以及IIDG出力情况的变化而变化。对于三相短路，有 ${\stackrel{.}{U}}_d={\stackrel{.}{I}}_d{Z}_d,$ Z_d为故障点与保护之间的阻抗值。因此，短路电流可以用下式来表示：

${\stackrel{.}{I}}_d=\frac{{\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{FDG}}^{\&prime;}}{Z_{\mathrm{DG}}^{\&prime;}+Z_d}$

同两相短路时一样，仍然按照已有整定方法的表达式形式并用当前故障状态下得到的计算量来对保护进行整定，如下式所示：

${\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{ZDZ}}=\frac{K_k{\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{FDG}}^{\&prime;}}{Z_{\mathrm{DG}}^{\&prime;}+Z_L}---\left(4\right)$

同样，令I_d＝I_ZDZ可以得到相应的保护范围 $\mathrm{\&beta;}=\frac{Z_L-(K_k-1)Z_{\mathrm{DG}}^{\&prime;}}{K_k{Z}_L}<1.$

因此，虽然Z′_DG并不是实际的等值阻抗，其值会随着故障点位置、DG出力情况的变化而变化，但是按式(4)进行整定之后，仍然能够保证保护的正确动作。

通过上面的分析可知，当系统中接有IIDG时，在两相和三相短路情况下，仍然可以通过计算得到相应的等值阻抗和电势，并在此基础上依据已有的没有考虑IIDG接入情况下的整定表达式的形式来对保护进行在线整定。通过这种方法所得到的整定值，虽然没有明确的物理意义，但是仍然能够保证保护的正确动作，而且能使传统电流保护的性能得到很大改善(即对于保护背侧接有IIDG的情况，按照上述方法对保护的软件进行改进之后，仍然能够增加自适应功能，从而解决了含IIDG配电系统保护定值整定困难的问题)。

考虑到传统的辐射型配电网中一般只在系统侧装设断路器，如图5所示，但是当IIDG上游的线路发生故障时，又希望保护能从两端将故障切除，从而不用将IIDG退出运行，使其继续维持对周围一些负荷的供电。如果在每条线路的IIDG侧一端均加装断路器，并配置相应的保护装置，那么投资将非常大，变得不切实际，所以有必要对IIDG上游的保护做进一步改进。以保护2为例，它必须既能反映线路AB上的故障，也能反映线路BC上的故障(即对IIDG上游的保护，需要对其软件在上述增加自适应功能的基础上做进一步改进)。所以当保护启动后，保护需要首先根据方向元件的判断结果来确定故障发生的位置。假定电流的正方向为母线流向线路，则当故障方向为正时，表明故障位于保护的下游，即在系统侧的正方向；如果故障方向为负，表明故障位于保护的上游，即在IIDG侧的正方向。对于IIDG侧正方向故障，如图5中的K1点故障，依据上面的分析，当发生两相短路时，保护2利用负序分量来求出实际等值阻抗，然后根据式(1)来在线整定定值；当发生三相短路时，仍然采用没有IIDG接入情况下的方法计算等值阻抗，然后按式(4)来在线整定定值，此时保护2背侧等值阻抗为 $Z_{\mathrm{DG}}={\stackrel{.}{U}}_g/{\stackrel{.}{I}}_g.$ 对于系统侧正方向故障，如K2点故障，则还需要根据保护背侧有没有接IIDG的情况采取不同的处理措施。如果保护背侧接有IIDG，则此时保护同IIDG侧正方向故障时处理方式一样，只不过在求等值阻抗时，计算公式变为 $Z_{\mathrm{DG}}=-{\stackrel{.}{U}}_g/{\stackrel{.}{I}}_g;$ 如果保护背侧没有接IIDG，通过2.1中的分析可知，此时保护将不会受到IIDG接入的影响，仍然可以按照已有的通过躲开被保护线路末端短路时的短路电流值的方法来整定定值，如这里K2点故障时，保护2就可以按此方法来处理。当然，当线路BC发生故障时，为了能从线路两端切除故障且不使IIDG退出运行，需要在IIDG接入点的上游位置加装一个断路器和保护装置4(即此时需要增加新的保护硬件装置)，这可以在安装IIDG的同时进行，实现比较方便。保护4与线路首端的保护1以及IIDG下游的保护3一样，其方向元件只需反映正方向故障。在IIDG上游的故障线路被切除以后，IIDG将与其周围的一些负荷形成孤岛，为了维持孤岛内功率的平衡以及电压频率的稳定，需要进行孤岛的划分。

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 (1)

1.一种含逆变型分布式电源配电网自适应电流速断保护方法，在已有的自适应电流速断保护基础之上，提出含逆变型分布式电源配电系统的自适应电流速断保护改进方案，在保护背侧接有逆变型分布式电源时，仍然按照没有考虑逆变型分布式电源接入情况下的自适应整定值表达式的形式来对保护进行在线整定，并根据故障类型的不同，采用不同的整定方法：两相短路情况下，利用负序分量来求保护背侧的实际等值阻抗，并用当前故障状态下的等值电势来对保护进行整定；三相短路情况下，仍然采用逆变型分布式电源没有接入情况下的计算方法来求当前故障状态下的等值阻抗，并根据该等值阻抗得到相应的等值电势，用此等值电势对保护进行整定；具体保护方法为：考虑含逆变型分布式电源配电网的故障特征，并按照

计算保护整定值，在两相短路情况或三相短路情况下，若故障点K位于αZ_L处，且

时，保护正确动作，否则，保护不动作，其中，α为比例系数，Z_L为被保护线路阻抗，Z_1DG为分布式电源背侧的等值阻抗，K_d为故障类型系数，K_k为可靠系数，

分别为故障后保护安装处的相电压和相电流。

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