CN102709890A - 一种考虑光伏电站随机性的配电网保护方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑光伏电站随机性的配电网保护方法，主要解决传统配电网保护设备在接入分布式电源后保护范围、选择性、灵敏性和可靠性受到严重影响的问题，它包括以下过程：将配电网划分区域，并对各个区域的输出电流进行实时监测；建立分布式电源的动态戴维南等效参数模型；配电网故障检测；故障区域定位；故障区域隔离；重合闸恢复送电。本发明不受光伏电站等分布式电源的接入数量、容量和位置影响，能够快速可靠地实现故障检测、故障区域定位隔离和重合闸恢复供电，不仅能够适应未来DG注入容量大的要求，在大容量DG接入情况下也能可靠动作，而且能够适应分布式电源出力随机变化比较大的情况，具有切除瞬间性故障时间比较短的特点。

Description

一种考虑光伏电站随机性的配电网保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统配电网保护技术领域，具体地说是一种考虑光伏电站随机性的配电网保护方法。

背景技术

随着分布式电源的大量接入，配电网的网络结构将由辐射性单电源转变为双电源，甚至是多电源和负荷共存的复杂拓扑结构，因此，原有的馈线保护的保护范围、选择性、灵敏性、可靠性将受到严重影响，从而使保护装置误动、拒动，严重影响配电网安全稳定运行，大大降低了供电可靠性。

针对包含分布式电源的配电网保护方案这一热点问题，国内外学者作了大量的工作。然而大多数像光伏发电、风力发电等分布式电源的运行特性与常规电源有显著的区别，其输出功率、等值阻抗等运行参数受自然条件如光照强度、环境温度和风速等多种不可控因素的综合影响，具有随机性。因此将分布式电源作为恒功率电源进行配电网保护方案的相关研究具有一定的局限性。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供了一种考虑光伏电站随机性的配电网保护方法，其不仅不受分布式电源的接入数量、容量和位置影响，而且能快速可靠地实现故障检测、故障区域定位隔离和重合闸恢复供电。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种考虑光伏电站随机性的配电网保护方法，其特征是，包括以下过程：

将配电网划分区域，并对各个区域的输出电流进行实时监测；

建立分布式电源的动态戴维南等效参数模型；

配电网故障检测；

故障区域定位；

故障区域隔离；

重合闸恢复送电。

上述配电网保护方法中，所述配电网的各个区域之间连接有可接收并快速响应外部控制信号的断路器，所述各个区域之间断路器具有检同期合闸功能。

上述配电网保护方法中，所述对各个区域的输出电流进行实时监测的过程是：首先为主电源和各分布式电源分别配置一套可接收全球定位系统时钟信号的高精度同步相量测量装置，并在配电网与主电网连接处配置一套基于高速处理器的测控保护智能装置；然后同步相量测量装置进行实时采集主电源和各分布式电源的电流信息发送给测控保护智能装置；其次测控保护智能装置对实时采集的电流信息进行处理，判断是分布式电源发生故障还是配电网发生故障，如果是分布式电源发生故障则跳开相应分布式电源的并网断路器实现故障隔离；如果是配电网发生故障则计算出的各相差流并根据不同故障类型的边界条件和故障特点进行故障相别和故障类型的辨识。

上述配电网保护方法中，所述分布式电源通过逆变器进行并网，其斩波电路采用选用的Boost型斩波电路，逆变器采用三个单相全桥正弦脉宽调制逆变电路。

上述配电网保护方法中，所述建立分布式电源的动态戴维南等效参数模型的过程为：

将分布式电源系统等值阻抗定义为：

$Z_{\mathrm{eq}}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ocsys}}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{scsys}}}---\left(1\right)$

式中，

为系统末端开路电压，

为系统末端短路电流；逆变器出口开路电压为：

$U_{\mathrm{acopen}}=\frac{m{U}_{\mathrm{ocarray}}}{\sqrt{2}}---\left(2\right)$

式中，m为调制深度，为正弦调制波与三角载波幅值之比，U_ocarray光伏方阵的开路电压；

逆变器输出电流均为I_scclose：

$I_{\mathrm{scclose}}=\frac{R_{\mathrm{VT}}}{3R_{\mathrm{VT}}+R_{\mathrm{VD}}}{I}_{\mathrm{scarray}}---\left(3\right)$

式中，假设斩波电路与逆变电路中三极管具有相同导通电阻值。R_VT为三极管导通电阻值，R_VD为二极管的导通电阻值；

当斩波电路中三极管关断时，由于二极管的导通电阻值很小，可以忽略，得到逆变器输出电流为I_scopen：

I_scopen＝I_scarray    （4）

因此，分布式电源逆变器出口短路电流平均值为：

$I_{\mathrm{acclose}}=D\×I_{\mathrm{scclose}}+(1-D)\×I_{\mathrm{scopen}}=(D\×\frac{R_{\mathrm{VT}}}{3R_{\mathrm{VT}}+R_{\mathrm{VD}}}{I}_{\mathrm{scclose}}+(1-D))\×I_{\mathrm{scarray}}---\left(5\right)$

式中，D为斩波电路中占空比；

分布式电源逆变器出口处的等效阻抗为：

$Z_{\mathrm{eqconver}}=\frac{U_{\mathrm{acopen}}}{I_{\mathrm{acclose}}}=\frac{m{U}_{\mathrm{ocarray}}}{\sqrt{2}(D\×\frac{R_{\mathrm{VT}}}{3R_{\mathrm{VT}}+R_{\mathrm{VD}}}+(1-D))\×I_{\mathrm{scarray}}}---\left(6\right)$

式中，光伏方阵的开路电压U_ocarray、短路电流I_scarray可根据逆变器的当前控制策略和实时光照强度和环境温度的光伏电池输出特性I-U曲线得到；

根据电路理论得出分布式电源并网点处的开路电压和等值阻抗分别为：

$U_{\mathrm{sopen}}=U_{\mathrm{acopen}}=\frac{m{U}_{\mathrm{ocarray}}}{\sqrt{2}}---\left(7\right)$

Z_eqs＝(Z_eqconver+R)+jX  （8）

式中，R与X分别为逆变器与并网点间的等值电阻与电抗。

上述配电网保护方法中，所述配电网故障检测的过程就是根据已经确定的故障相别和故障类型，并获取配电网网络拓扑参数和配电网中所有分布式电源的戴维南等效参数，计算每条母线发生该类型故障时主电源和各分布式电源的故障电流分布。

上述配电网保护方法中，所述故障区域定位的过程就是将各个区域的电流相量与故障电流分布进行比较，从而确定出故障区域。

上述配电网保护方法中，所述故障区域隔离的过程就是确定故障区域后，测控保护智能装置向相应的断路器发送跳闸命令进行故障区域和区域内所含分布式电源的隔离。

上述配电网保护方法中，所述重合闸恢复送电过程就是在故障区域隔离后，经过预定时延路器后测控保护智能装置向事先指定的断路器发重合闸命令，将故障区域与主电源相连接；在重合闸过程中，如果断路器合闸后故障依然存在，则立即跳开该断路器，等待检修人员故障抢修完后手动合闸恢复运行；如果合闸后故障消失，则连接到该区域其他断路器依次检同期合闸，进行分布式电源并网工作。

本发明的有益效果是：本发明有效解决了分布式电源接入配电网后造成原有保护设备的保护范围、选择性、灵敏性和可靠性受到严重影响的问题，并且根据分布式电源的随机性，从多分布式电源接入配电网后的配电网结构和各电源故障电流分布特点出发，在着重考虑分布式电源运行特性的基础上提出了一种适合含分布式电源的配电网保护方案。本发明不受分布式电源的接入数量、容量和位置影响，能快速可靠地实现故障检测、故障区域定位隔离和重合闸恢复供电，不仅能够适应未来DG注入容量越来越大的要求，在大容量DG接入情况下也能可靠动作，而且能够适应一些比如风力发电机、光伏电池等分布式电源出力随机变化比较大的情况，具有切除瞬间性故障时间比较短的特点。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1为本发明所述配电网的区域划分示意图；

图2为本发明所述分布式电源的等效电路图

图3为图2所示分布式电源的输出功率特性P-U曲线图；

图4为本发明所述分布式电源并网结构示意图；

图5（a）为图4所示斩波电路的电路图；

图5（b）为图4所示逆变电路的电路图；

图6为本发明故障相别、故障类型、各电源在线故障电流分布的流程图；

图7为发生故障时一实施例的结构示意图；

图8为本发明故障区域定位、故障隔离及自动重合闸的流程图；

图9为一配电网的网络单线图；

图10（a）为主电源的的故障电压曲线图；

图10（b）为主电源的的故障电压曲线图；

图11（a）为光伏阵列PV2的故障电压曲线图；

图11（b）为光伏阵列PV2的故障电流曲线图；

图12为图9所示配电网的区域划分示意图。

具体实施方式

本发明的一种考虑光伏电站随机性的配电网保护方法，包括以下过程：

一、将配电网划分区域，并对各个区域的输出电流进行实时监测的过程。所述配电网的各个区域之间连接有可接收并快速响应外部控制信号的断路器，所述各个区域之间断路器具有检同期合闸功能；所述对各个区域的输出电流进行实时监测的过程为首先为主电源和各分布式电源分别配置一套可接收全球定位系统时钟信号的高精度同步相量测量装置，并在配电网与主电网连接处配置一套基于高速处理器的测控保护智能装置；然后同步相量测量装置进行实时采集主电源和各分布式电源的电流信息发送给测控保护智能装置；其次测控保护智能装置对实时采集的电流信息进行处理，判断是分布式电源发生故障还是配电网发生故障，如果是分布式电源发生故障则跳开相应分布式电源的并网断路器实现故障隔离；如果是配电网发生故障则计算出的各相差流并根据不同故障类型的边界条件和故障特点进行故障相别和故障类型的辨识。

二、建立分布式电源的动态戴维南等效参数模型的过程。该配电网保护方法中所述的分布式电源通过逆变器进行并网，其斩波电路采用选用的Boost型斩波电路，逆变器采用三个单相全桥正弦脉宽调制逆变电路。所述建立分布式电源的动态戴维南等效参数模型的过程如下：

将分布式电源系统等值阻抗定义为：

$Z_{\mathrm{eq}}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ocsys}}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{scsys}}}---\left(1\right)$

式中，

为系统末端开路电压，

为系统末端短路电流；逆变器出口开路电压为：

$U_{\mathrm{acopen}}=\frac{m{U}_{\mathrm{ocarray}}}{\sqrt{2}}---\left(2\right)$

式中，m为调制深度，为正弦调制波与三角载波幅值之比，U_ocarray光伏方阵的开路电压；

逆变器输出电流均为I_scclose：

$I_{\mathrm{scclose}}=\frac{R_{\mathrm{VT}}}{3R_{\mathrm{VT}}+R_{\mathrm{VD}}}{I}_{\mathrm{scarray}}---\left(3\right)$

式中，假设斩波电路与逆变电路中三极管具有相同导通电阻值。R_VT为三极管导通电阻值，R_VD为二极管的导通电阻值；

当斩波电路中三极管关断时，由于二极管的导通电阻值很小，可以忽略，得到逆变器输出电流为I_scopen：

I_scopen＝I_scarray    （4）

因此，分布式电源逆变器出口短路电流平均值为：

$I_{\mathrm{acclose}}=D\×I_{\mathrm{scclose}}+(1-D)\×I_{\mathrm{scopen}}=(D\×\frac{R_{\mathrm{VT}}}{3R_{\mathrm{VT}}+R_{\mathrm{VD}}}{I}_{\mathrm{scclose}}+(1-D))\×I_{\mathrm{scarray}}---\left(5\right)$

式中，D为斩波电路中占空比；

分布式电源逆变器出口处的等效阻抗为：

$Z_{\mathrm{eqconver}}=\frac{U_{\mathrm{acopen}}}{I_{\mathrm{acclose}}}=\frac{m{U}_{\mathrm{ocarray}}}{\sqrt{2}(D\×\frac{R_{\mathrm{VT}}}{3R_{\mathrm{VT}}+R_{\mathrm{VD}}}+(1-D))\×I_{\mathrm{scarray}}}---\left(6\right)$

式中，光伏方阵的开路电压U_ocarray、短路电流I_scarray可根据逆变器的当前控制策略和实时光照强度和环境温度的光伏电池输出特性I-U曲线得到；

根据电路理论得出分布式电源并网点处的开路电压和等值阻抗分别为：

$U_{\mathrm{sopen}}=U_{\mathrm{acopen}}=\frac{m{U}_{\mathrm{ocarray}}}{\sqrt{2}}---\left(7\right)$

Z_eqs＝(Z_eqconver+R)+jX    （8）

式中，R与X分别为逆变器与并网点间的等值电阻与电抗。

三、配电网故障检测的过程。所述配电网故障检测的过程就是根据已经确定的故障相别和故障类型，并获取配电网网络拓扑参数和配电网中所有分布式电源的戴维南等效参数，计算每条母线发生该类型故障时主电源和各分布式电源的故障电流分布。

四、故障区域定位的过程。所述故障区域定位的过程就是将各个区域的电流相量与故障电流分布进行比较，从而确定出故障区域。

五、故障区域隔离的过程。所述故障区域隔离的过程就是确定故障区域后，测控保护智能装置向相应的断路器发送跳闸命令进行故障区域和区域内所含分布式电源的隔离。

六、重合闸恢复送电的过程。所述重合闸恢复送电过程就是在故障区域隔离后，经过预定时延路器后测控保护智能装置向事先指定的断路器发重合闸命令，将故障区域与主电源相连接；在重合闸过程中，如果断路器合闸后故障依然存在，则立即跳开该断路器，等待检修人员故障抢修完后手动合闸恢复运行；如果合闸后故障消失，则连接到该区域其他断路器依次检同期合闸，进行分布式电源并网工作。

下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述。

本发明首先通过区域划分法对配电网进行区域划分。如图1所示，将配电网可分为若干个区域，区域的划分原则是：各区域之间通过可接收并快速响应外部控制信号的断路器相连接，并且连接个区域的断路器配置有检同期合闸功能。然后为主电源和各分布式电源分别配置一套可接收全球定位系统(GPS)时钟信号的高精度同步相量测量装置(PMU)，并且在配电网与主电网连接处配置一套基于高速处理器的测控保护智能装置，所述测控保护智能装置主要用以实现保护方案所需大量数据的运算、储存及与其他智能装置(如区域间的断路器、重合器等)的通讯。一旦发生故障时，测控保护智能装置根据各PMU采集数据和网络拓扑参数快速进行故障辨识、故障区域定位，并根据判断结果跳开相应断路器进行故障隔离、检同期/检无压重合闸、合闸后加速等一系列保护动作。

在本发明所述方法中考虑光伏电站随机性的戴维南等效参数。图2为光伏电池等效电路图，图3为光伏电池的输出功率特性P-U曲线图。如图2所示，光伏电站出力具有随机性。如图3所示，光伏电站的能源主要来自光伏阵列的光电能量转换，光伏阵列具有强非线性伏安特性。

光伏电站戴维南等效参数的推理如下：

光伏电站供电系统等值阻抗定义为：

$Z_{\mathrm{eq}}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ocsys}}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{scsys}}}---\left(1\right)$

式中，

为系统末端开路电压，

为系统末端短路电流。

如图4所示，目前大多光伏电站都是通过逆变器进行并网，逆变器比较常用的两种控制方式为最大功率追踪控制方式（MPPT）和定功率控制方式。无论并网逆变器采用何种控制方式，大多数光伏电站为了最大限度利用太阳能，一般都运行在功率因数为1的方式下，使得光伏电站等值阻抗具有电阻性质。光伏电站的等值阻抗均可等效为逆变器出口处的等值阻抗和逆变器出口处与并网点间的等值阻抗的串联。下面推导逆变器出口及光伏电站并网点处的等值阻抗精确表达式。

图5（a）和图5（b）分别为图4所示斩波电路的电路图。如图5所示，在图4所示并网结构图中光伏电站的斩波电路采用选用的Boost型斩波电路，逆变器采用三个单相全桥正弦脉宽调制(SPWM)逆变电路。

当逆变器出口开路时，经过足够长的一段时间，斩波电路的电容电压达到恒定值，且等于光伏方阵的开路电压U_ocarray，从而逆变器出口开路电压为：

$U_{\mathrm{acopen}}=\frac{m{U}_{\mathrm{ocarray}}}{\sqrt{2}}---\left(2\right)$

式中，m为调制深度，为正弦调制波与三角载波幅值之比，U_ocarray为光伏方阵的开路电压。

在逆变器出口短路情形下，当斩波电路中三极管导通时，考虑斩波电路三极管与逆变电路H桥的两个三极管并联产生的分流作用，无论逆变电路的控制策略如何，逆变器输出电流均为I_scclose：

$I_{\mathrm{scclose}}=\frac{R_{\mathrm{VT}}}{3R_{\mathrm{VT}}+R_{\mathrm{VD}}}{I}_{\mathrm{scarray}}---\left(3\right)$

式中，假设斩波电路与逆变电路中三极管具有相同导通电阻值。R_VT为三极管导通电阻值，R_VD为二极管的导通电阻值。

当斩波电路中三极管关断时，由于二极管的导通电阻值很小，可以忽略，得到逆变器输出电流为I_scopen：

I_scopen＝I_scarray    （4）

因此，光伏电站逆变器出口短路电流平均值为：

$I_{\mathrm{acclose}}=D\×I_{\mathrm{scclose}}+(1-D)\×I_{\mathrm{scopen}}=(D\×\frac{R_{\mathrm{VT}}}{3R_{\mathrm{VT}}+R_{\mathrm{VD}}}{I}_{\mathrm{scclose}}+(1-D))\×I_{\mathrm{scarray}}---\left(5\right)$

式中，D为斩波电路中占空比。

光伏电站逆变器出口处的等效阻抗为：

$Z_{\mathrm{eqconver}}=\frac{U_{\mathrm{acopen}}}{I_{\mathrm{acclose}}}=\frac{m{U}_{\mathrm{ocarray}}}{\sqrt{2}(D\×\frac{R_{\mathrm{VT}}}{3R_{\mathrm{VT}}+R_{\mathrm{VD}}}+(1-D))\×I_{\mathrm{scarray}}}---\left(6\right)$

式中，光伏方阵的开路电压U_ocarray、短路电流I_scarray可根据逆变器的当前控制策略和实时光照强度和环境温度的光伏电池输出特性I-U曲线得到。

由电路理论可知，光伏电站并网点处的开路电压和等值阻抗分别为：

$U_{\mathrm{sopen}}=U_{\mathrm{acopen}}=\frac{m{U}_{\mathrm{ocarray}}}{\sqrt{2}}---\left(7\right)$

Z_eqs＝(Z_eqconver+R)+jX    （8）

式中，R与X分别为逆变器与并网点间的等值电阻与电抗。从理论分析可知，光伏电站的等值阻抗随着光照强度的增大、温度的升高而减小。

图6为本发明故障相别、故障类型、各电源在线故障电流分布的计算流程图。如图6所示，对配电网进行故障检测，并进行故障相别和故障类型辨识过程如下：

由PMU装置对主电源和所有分布式电源输出电流的在线监视，可以很容易辨识配电网的运行状态。在正常运行状态时，所有电源输出电流之和等于所有负荷电流，当系统任意一点（包括配电网所有电源和输电网络）发生故障时，所有电源输出电流之和会远远大于所有负荷电流之和。

根据继电保护差动原理，把配电网(不包括主电源和各分布式电源)作为保护区域，由测控保护智能装置的故障计算程序对各电源实时采集传输的数据进行在线处理，若

则说明故障点在区域外，即DG发生故障，则跳开相应DG的并网断路器实现故障隔离；若

则说明故障点在区域内，即配电网发生故障。

一旦确定为配电网故障，根据各PMU实时采集数据计算出的各相差流以及不同故障类型的边界条件和故障特点，故障相别和故障类型就可辨识。

当故障相别和故障类型确定后，在线读取配电网网络拓扑参数并获得配电网中所有分布式电源的戴维南等效参数，进行计算每条母线发生该类型故障时主电源和各分布式电源的故障电流分布。

图8为本发明故障区域定位、故障隔离及自动重合闸的流程图。

由戴维南定理可知，对于配电网内任一故障点而言，主电源和各分布式电源都可等效为戴维南模型，即电压源和对故障点的等值阻抗串联。主电源视为无穷大系统，电压恒定，内阻抗可近似为零，等值阻抗仅有网络结构决定；而各并网分布式电源开口电压和内阻抗可由a）所述方法在线求得，等值阻抗由内阻抗和网络结构共同决定。

图7为发生故障时一实施例的结构示意图。如图7所示，对任一假定的故障类型，假设故障点从母线i向母线j移动，在自然条件变化不大的情况下任一电源（包括主电源和分布式电源）对故障点的等值阻抗会持续增大（Z_eqmin→Z_eqmax）或减小（Z_eqmax→Z_eqmin），从而该电源短路分布电流会一直减小（I_sourceimax→I_sourceimin）或增大(I_sourceimin→I_sourceimax)。

因此系统发生故障时，根据本发明所述方法辨识出故障类型后，将各电源的短路电流分布值逐一与图1所示的短路电流计算结果相比较，首先确定出此次故障对于每个电源的疑似故障母线，所有电源的疑似故障母线的交集就是故障母线，然后参照配电网拓扑和事先进行的区域划分，即可确定出故障区域。显而易见，采用此方法进行配电网故障区域定位，并网分布式电源数量越多，故障定位准确度越高，有效性也更加明显。

当故障区域确定后，测控保护装置立即发跳闸命令跳开相应的断路器实现故障区域和区域内所含DG的隔离。例如，图7中，跳开断路器CB1、CB2、CB4、CB6隔离区域Z2，跳开断路器CB2、CB3、CB5、CB7隔离区域Z5等。

据统计，配电网中非全电缆线路瞬时性故障占所有故障的80~90%，为了提高供电可靠性，通常采用重合闸恢复送电。将故障区域隔离后，经预定时延后（一般1.0秒左右），测控保护智能装置向事先指定的断路器（如Z1区域的CB4、Z2区域的CB1、Z5区域的CB2等）发重合闸命令，断路器合闸后，该故障区域即与主电源相连接。若断路器合闸后，测控保护智能装置如果检测故障依然存在，则立即跳开刚才所合的断路器不再重合，直到检修人员故障抢修完后手动合闸恢复运行；如果合闸后故障已消失，则连接到该区域其他断路器依次检同期合闸，最后DG并网，系统恢复正常运行状态。

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明，下面结合一个实际算例对本发明的技术方案进行验证。

图9为一具体配电网的网络单线图。如图9所示，为某地区含分布式电源总容量为1.6MW的实际配电网，本发明在MATLAB/Simulink平台上建立系统仿真模型并进行仿真计算和分析。配电网通过电压等级为10kV的B1母线与主电网相连，假设主电网的电源容量足够大，本发明仿真时将B1母线节点作为Vθ节点，因大多数分布式电源均具有与光伏电站类似的随机性，为便于分析，本配电网中三个分布式电源均为光伏电站。

配电网中所含分布式电源的总容量为1.6MW，其中分布式电源PV1、PV2、PV3额定功率分别为136kWp、963kWp、500kWp，分别接于配电网中额定电压均为0.4kV的母线B11、B19、B14处，配电网中线路、变压器和负荷参数详见附录A。

由图2可知，并网逆变器控制方式影响光伏阵列的输出功率。为更好的分析光伏电站接入对配电网短路电流分布的影响，PV1、PV2、PV3均在最大功率跟踪控制方式(MPPT)下运行，对配电网B5母线处0.02s时发生三相短路故障，10ms后故障消失进行仿真计算，限于篇幅，本发明仅给出主电源和容量最大的光伏阵列PV2(0.964 MWp)的故障电压、故障电流曲线图，如图10和图11所示。

由于光伏电站的输出功率、等值阻抗等参数都随环境因素（如光照强度、环境温度等）变化而变化，因此，配电网发生故障时，各电源的故障电流分布具有明显的随机性，表1、表2为不同时段（环境参数）配电网中主要母线处发生三相短路故障时各电源的故障电流分布值。

表1：DG额定功率时段各电源故障电流分布值

电源	B2	B5	B10	B8	B12	B15	B18
								Main	29000	16000	15600	19000	12700	1230	8100
PV1	52	150	95	50	170	255	239
								PV2	140	2200	89.5	90	85	1720	85
PV3	80	1200	47.5	50	840	950	1640

表2：DG50%额定功率时段各电源故障电流分布值

电源	B2	B5	B10	B8	B12	B15	B18
								Main	29000	16000	15600	19000	12700	1230	8100
PV1	35	140	93	39	145	149	236
								PV2	100	2200	65	70	60	1075	60
PV3	60	1200	35	37	840	555	978

按照保护整体方案中配电网区域划分原则，可将图9所示的配电网划分为Z1、Z2、Z3、Z4四个区域，如图12所示。其中区域Z2包含光伏电站PV3，区域Z3包含光伏电站PV1，区域Z4包含光伏电站PV2，系统发生故障时，可由测控保护智能装置进行故障区域定位并给相应的区域断路器发跳闸命令实现故障区域隔离。例如，跳开断路器CB_G-1、CB_1-2隔离区域Z1，跳开断路器CB_1-2、CB_2-3、CB_2-4隔离区域Z2等。

假设在各分布式电源额定功率时段配电网中线路L6距B8母线端50%处（即距B8母线端0.08km处）发生三相短路故障，测控保护智能装置应首先按照图7所示的流程进行故障相别、故障类型辨识和进行各电源在线短路电流分布计算，然后获取安装在各电源的PMU装置采集的电流值（Main：17000A、PV1：80A、PV2：90A、PV3：48A）由图8所示的流程即可进行故障区域定位（母线B8、B10之间故障，即区域Z2为故障区域），然后跳开断路器CB_1-2、CB_2-3、CB_2-4进行故障隔离，经实现整定的时限延时后重合闸动作合上断路器CB_1-2恢复供电，如断路器CB_1-2合闸后，故障依然存在则加速跳开断路器CB1-2并不再重合，直到检修人员抢修完后手动合闸恢复运行。如合闸后短路故障已消失，则依次将断路器CB2-3、CB2-4检同期合闸，最后分布式电源PV3并网，系统恢复正常运行状态。

通过上述算例验证了本发明所提出的含分布式电源配电网系统继电保护方案的可行性和有效性，并且本发明不受分布式电源的接入数量、容量和位置影响，能快速可靠地实现故障检测、故障区域定位隔离和重合闸恢复供电。

Claims (9)

1.一种考虑光伏电站随机性的配电网保护方法，其特征是，包括以下过程：

将配电网划分区域，并对各个区域的输出电流进行实时监测；

建立分布式电源的动态戴维南等效参数模型；

配电网故障检测；

故障区域定位；

故障区域隔离；

重合闸恢复送电。

2.根据权利要求1所述的一种考虑光伏电站随机性的配电网保护方法，其特征是，所述配电网的各个区域之间连接有可接收并快速响应外部控制信号的断路器，所述各个区域之间断路器具有检同期合闸功能。

3.根据权利要求1所述的一种考虑光伏电站随机性的配电网保护方法，其特征是，所述对各个区域的输出电流进行实时监测的过程是：首先为主电源和各分布式电源分别配置一套可接收全球定位系统时钟信号的高精度同步相量测量装置，并在配电网与主电网连接处配置一套基于高速处理器的测控保护智能装置；然后同步相量测量装置进行实时采集主电源和各分布式电源的电流信息发送给测控保护智能装置；其次测控保护智能装置对实时采集的电流信息进行处理，判断是分布式电源发生故障还是配电网发生故障，如果是分布式电源发生故障则跳开相应分布式电源的并网断路器实现故障隔离；如果是配电网发生故障则计算出的各相差流并根据不同故障类型的边界条件和故障特点进行故障相别和故障类型的辨识。

4.根据权利要求1所述的一种考虑光伏电站随机性的配电网保护方法，其特征是，所述分布式电源通过逆变器进行并网，其斩波电路采用选用的Boost型斩波电路，逆变器采用三个单相全桥正弦脉宽调制逆变电路。

5.根据权利要求1所述的一种考虑光伏电站随机性的配电网保护方法，其特征是，所述建立分布式电源的动态戴维南等效参数模型的过程为：

将分布式电源系统等值阻抗定义为：

$Z_{\mathrm{eq}}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ocsys}}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{scsys}}}---\left(1\right)$

式中，

为系统末端开路电压，

为系统末端短路电流；

逆变器出口开路电压为：

$U_{\mathrm{acopen}}=\frac{m{U}_{\mathrm{ocarray}}}{\sqrt{2}}---\left(2\right)$

式中，m为调制深度，为正弦调制波与三角载波幅值之比，U_ocarray光伏方阵的开路电压；

逆变器输出电流均为I_scclose：

$I_{\mathrm{scclose}}=\frac{R_{\mathrm{VT}}}{3R_{\mathrm{VT}}+R_{\mathrm{VD}}}{I}_{\mathrm{scarray}}---\left(3\right)$

式中，假设斩波电路与逆变电路中三极管具有相同导通电阻值。R_VT为三极管导通电阻值，R_VD为二极管的导通电阻值；

当斩波电路中三极管关断时，由于二极管的导通电阻值很小，可以忽略，得到逆变器输出电流为I_scopen：

I_scopen＝I_scarray    （4）

因此，分布式电源逆变器出口短路电流平均值为：

$I_{\mathrm{acclose}}=D\×I_{\mathrm{scclose}}+(1-D)\×I_{\mathrm{scopen}}=(D\×\frac{R_{\mathrm{VT}}}{3R_{\mathrm{VT}}+R_{\mathrm{VD}}}{I}_{\mathrm{scclose}}+(1-D))\×I_{\mathrm{scarray}}---\left(5\right)$

式中，D为斩波电路中占空比；

分布式电源逆变器出口处的等效阻抗为：

$Z_{\mathrm{eqconver}}=\frac{U_{\mathrm{acopen}}}{I_{\mathrm{acclose}}}=\frac{m{U}_{\mathrm{ocarray}}}{\sqrt{2}(D\×\frac{R_{\mathrm{VT}}}{3R_{\mathrm{VT}}+R_{\mathrm{VD}}}+(1-D))\×I_{\mathrm{scarray}}}---\left(6\right)$

式中，光伏方阵的开路电压U_ocarray、短路电流I_scarray可根据逆变器的当前控制策略和实时光照强度和环境温度的光伏电池输出特性I-U曲线得到；

根据电路理论得出分布式电源并网点处的开路电压和等值阻抗分别为：

$U_{\mathrm{sopen}}=U_{\mathrm{acopen}}=\frac{m{U}_{\mathrm{ocarray}}}{\sqrt{2}}---\left(7\right)$

Z_eqs＝(Z_eqconver+R)+jX    （8）

式中，R与X分别为逆变器与并网点间的等值电阻与电抗。

6.根据权利要求1所述的一种考虑光伏电站随机性的配电网保护方法，其特征是，所述配电网故障检测的过程就是根据已经确定的故障相别和故障类型，并获取配电网网络拓扑参数和配电网中所有分布式电源的戴维南等效参数，计算每条母线发生该类型故障时主电源和各分布式电源的故障电流分布。

7.根据权利要求1所述的一种考虑光伏电站随机性的配电网保护方法，其特征是，所述故障区域定位的过程就是将各个区域的电流相量与故障电流分布进行比较，从而确定出故障区域。

8.根据权利要求1所述的一种考虑光伏电站随机性的配电网保护方法，其特征是，所述故障区域隔离的过程就是确定故障区域后，测控保护智能装置向相应的断路器发送跳闸命令进行故障区域和区域内所含分布式电源的隔离。

9.根据权利要求1所述的一种考虑光伏电站随机性的配电网保护方法，其特征是，所述重合闸恢复送电过程就是在故障区域隔离后，经过预定时延路器后测控保护智能装置向事先指定的断路器发重合闸命令，将故障区域与主电源相连接；在重合闸过程中，如果断路器合闸后故障依然存在，则立即跳开该断路器，等待检修人员故障抢修完后手动合闸恢复运行；如果合闸后故障消失，则连接到该区域其他断路器依次检同期合闸，进行分布式电源并网工作。

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