CN102882197B - 一种含dg的配电网分布式保护与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含DG的配电网分布式保护与控制方法，针对高渗透率的分布式电源接入配电网使传统的配网保护与控制面临极大的困难，提出了一种基于高级馈线终端单元（AFTU）的保护与控制技术方法，本发明根据分布式发电（DG）容量和负荷大小，预先将含DG的配电网络划分为若干能孤岛运行的区域。在馈线出口、DG接入位置以及区域边界处装设断路器和AFTU，AFTU之间通过光纤网络互联。各AFTU实时检测本地电气量信息，并与其它AFTU进行信息交互。本发明根据本地及相邻的电气量信息，快速定位故障区段，实现故障的隔离及孤岛运行。利用相关AFTU的信息，设计了重合闸和孤岛再并网控制策略。

Description

一种含DG的配电网分布式保护与控制方法

技术领域：

本发明涉及一种配电网分布式保护与控制方法，尤其涉及一种含DG（Distributed Generation, 渗透率的分布式电源）的配电网分布式保护与控制方法。

背景技术：

传统的配电网络一般是辐射状的，由单电源供给下游一条或若干条配电线路，传统的配网保护也是按照单一的潮流方向进行整定设计。为满足不断增长的负荷需求，并有效应对化石能源危机，将DG就地直接接入配电网络成为首先。DG的接入可改善电能质量、提高供电可靠性并降低线路损耗，但同时也为配网的保护控制带来了一系列的问题。随着DG规模、容量的增大，为最大限度地发挥DG的发电能力，IEEE（电气和电子工程师协会Institute of Electrical and Electronics Engineers ）发布了解决孤岛问题的新标准。新标准不再禁止有意识的孤岛存在，而是鼓励电网运营商和用户尽可能通过技术手段实现分布式电源的孤岛运行，此举对DG发电商、电网公司和用户均有利，但对配网的保护控制提出了更高的要求。为此，必须研究满足含DG配电网的新型保护控制方法。

针对含DG的配网保护问题，近年来国内外学者开展了相关研究，并相继提出了一些解决措施。1.配电自动化系统实现含DG的配电网保护，由安装于变电站中的主保护完成的方法。该方法通过预先划分网络区段，并离线计算各种故障情形下的运行数据，然后根据在线测量结果，分析确定并隔离故障区域。该方法能够解决含DG的配网保护问题，但需要整个保护区域内大量的同步电流数据，因此计算量大，动作速度慢。2.含分布式发电的配电网自适应过电流保护方法，通过上下游方向保护的时限配合以及实时检测网络状态实现保护功能。该保护方法仅仅适应三相短路故障，而且要预先判断是并网状态还是孤岛状态。3.含分布式电源的配电网快速电流保护方法，为每个保护配置反映两侧电流的方向元件以及反映对端保护动作信息的加速模块，通过上下游保护的时限配合实现故障的隔离。对于短的馈线，保护具有良好的动作性能。但对于安装多开关的长馈线，保护的速动性将受到影响。4.基于故障相关区域自适应划分的分布式保护新原理，通过搜索算法，借助通信手段，定位故障区段并切除故障区域，该方法的动作性能受配网节点的数量和通信速率的影响。5.考虑分布式电源随机性的配电网保护方案，可不受DG的容量、接入位置和数量的影响，其故障算法是基于PMU采样值的故障在线计算，需要大量实时信息的测量、处理和传输，因此对通信系统的要求较高。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种可快速定位故障区域，实现故障的隔离的含DG的配电网分布式保护与控制方法。

本发明的目的可以通过如下措施来达到：一种含DG的配电网分布式保护与控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1 将配电网划分为若干区域，进行计划孤岛的划分；

步骤2 区域间配置智能开关和AFTU，各AFTU通过光纤网络进行信息交互；在系统内两个相邻区域的边界处安装AFTU和智能开关IB；

步骤3 根据本地和相邻的电气量信息，快速定位故障区域，实现故障的隔离；

步骤4 利用有关AFTU之间的信息交互，自动确定重合闸、孤岛运行与孤岛再并网控制策略。

规定由电源端指向负荷的方向为电流的正方向，靠近系统电源端的开关为上游开关，而远离系统端的开关为下游开关。

步骤1所述配电网区域划分的前提为：一是故障时具有将故障区域与系统分开的能力，确保非故障网络的安全稳定运行；二是满足孤岛内电源与负荷的匹配关系。本文建立了由下游DG接入的区域进行孤岛运行的网络分区计划，且最大程度的发挥DG的发电能力。即分区时从DG接入的母线开始向该分支的下游延伸，直到满足区域内预计平均负荷与DG容量相匹配为止。当到达分支末端而DG的容量仍大于区域内预计负荷时，网络划分就向上游延伸，直至DG容量与区域负荷匹配。同时在分区时，考虑就近原则，孤岛内包含若干个DG，以发挥各DG的协同发电效应。由此，配网被分成两种类型区域：其一，包含DG的区域，区域内要满足功率平衡方程：

                      （1）

式中，P _DGi 是区域内第i个DG的发电容量；P _Lr 是区域内第r个预计负荷容量。对于该类区域，应至少配置一台具有频率和电压调整能力的DG，以满足孤岛运行时调频和调压的要求；其二，位于孤岛运行区域之间的不含DG的区域，该区域内的负荷由主电源或相邻区域的电源供电。

步骤2所述将智能开关和AFTU配置在各馈线出口处、DG接入处及区域边界处等。各AFTU之间通过光纤网络互联。AFTU实时检测当地电气量信息和IB的位置信息，具备与其它AFTU进行信息交互、故障诊断、保护控制等功能。IB接收AFTU的指令，具有切断故障电流、重合闸以及检同期合闸等能力。

步骤3所述故障区域判别方法：

对于线路中间AFTU

（1）故障产生，各个AFTU均可以检测到故障电流，保护启动，判断电流是否越限。

（2）AFTU处故障电流没有越限，保护不动作；AFTU故障电流越限，则判断功率方向正负

（3）功率方向为正，则判断下游功率方向：下游功率方向为正则为非故障区域，保护不动作，返回；下游功率方向为负，则判断为故障区域立即跳闸。

（4）功率方向为负，则判断上游功率方向：上游功率方向为负则为非故障区域，保护不动作，返回；上游功率方向为正，则判断为故障区域立即跳闸。

对于系统电源侧的AFTU则只与下游的AFTU交换信息。

对于配网末端的AFTU，则只要满足过流条件，即可快速跳闸。

对于DG出口处的AFTU，其故障区域判别为：此AFTU与DG所在区域的上、下游边界开关的AFTU进行信息交互，边界AFTU负责识别故障区域，并将故障信息通知DG出口处的AFTU；若故障发生在DG所在区域内，AFTU立即命令DG的并网开关跳闸；若故障发生在相邻区域内，则闭锁跳闸。

步骤4所述利用有关AFTU之间的信息交互，自动确定重合闸与孤岛再并网控制策略。当相邻的两个AFTU判别出故障位于它们之间的区域后，二者立即发出跳闸命令，跳开各自侧的IB。如果能够进行重合闸操作，则由靠近上游的AFTU经延时后发出重合闸命令。若是永久性故障，则加速跳闸，故障区域被永久隔离，下游区域则根据预先设定的计划孤岛方案，进入孤岛运行模式。当故障处理完毕后，首先由系统侧的IB合闸，边界IB是否直接合闸则根据其下游区域是否为有电状态。若下游是孤岛运行区域或由其它电源供电，则边界IB要检同期合闸，实现区域间的再并网运行；若下游区域处于无电状态，则此IB可直接合闸。如果此故障是瞬时性的，上游IB重合成功。但下游IB是否直接合闸，控制策略与上述相同。

保护原理：

含高渗透率DG的配电网络进行合理分区后，进一步分析不同位置故障时的故障特征。规定由电源端指向负荷的方向为电流的正方向，靠近系统电源端的开关为上游开关，而远离系统端的开关为下游开关，分析不同故障位置时的故障特征。如图1所示，当F1点发生故障时，IB1流过由系统电源S提供的正方向的短路电流，短路功率的方向为正，而IB2流过由DG提供的反方向的短路电流，其短路功率的方向为负；当F2点发生故障时，IB1和IB2均流过由S提供的正向短路电流，短路功率的方向均为正，同时IB3流过由DG提供的正向短路电流。以边界开关为分界点，总结不同位置故障时的特征如下：

（1）当某边界开关的下游区域发生故障时，边界开关和上游开关流过方向相同、幅值增大的故障电流，短路功率方向均为正。

（2）当某边界开关的上游区域发生故障时，边界开关和上游开关均流过幅值增大的故障电流，但二者的短路功率方向相异。

当配网正常运行时，边界开关和上游开关仅流过正常的负荷电流。由此，AFTU通过实时检测所控开关流过的电气量信息，并与相邻AFTU进行信息交互，则可定位故障区域，实现快速的保护功能。

AFTU对故障的判别主要包括故障起动判别、过电流判别和功率方向比较，下面分别进行分析。

（1）故障起动判别。在配电网络中，负荷投切较为频繁，因此AFTU中的故障起动元件可采用故障分量算法。

            （2）

式中，是相电流的起动量，φ代表A相、B相或C相；是电流在时刻k的采样值；N为一个工频周期的采样点数。起动判据如式（3）所示

                           （3）

式中，为固定门槛，，为额定电流。

（2）故障区域判别。当某IB的下游线路或上游线路发生相间或三相故障时，流过该IB的故障电流的幅值都会增大，只是短路功率的方向相异。因此，通过判别本地电流是否越限以及与流过上、下游线路的功率方向进行比较，就可实现故障区域的快速判别，如图3所示判别流程。为提高保护的灵敏性，并兼顾上下游保护之间的关系，过电流的阈值可按照最大负荷电流进行整定，如式（4）所示

               （4）

式中，是相电流的有效值；为最大负荷电流。

当IB为系统电源侧开关时，系统侧的AFTU则只与下游的AFTU交换信息，其动作策略为：系统侧AFTU只与下游AFTU交换信息，满足过流条件即可快速跳闸。当IB为线路中间开关，其动作策略为：此AFTU与上、下游开关的AFTU交换信息。由功率方向判断上下游故障，确定故障区域，命令相应开关跳闸。当IB为DG出口处的开关，其动作策略为：此AFTU与DG所在区域的上、下游边界开关的AFTU进行信息交互，边界AFTU负责识别故障区域，并将故障信息通知DG出口处的AFTU；若故障发生在DG所在区域内，AFTU立即命令DG的并网开关跳闸；若故障发生在相邻区域内，则闭锁跳闸。当IB为末端开关时，末端AFTU只要判别出满足过流条件，即可快速跳闸而不需要上游AFTU的信息。

（3）后备保护。当识别出故障区域后，相关IB应该立即跳闸，隔离故障区域。若发生保护拒动或开关失灵，则应由后备保护切除故障。在此，提出后备保护动作策略：当某AFTU判别出其保护区域内发生故障后，将故障信息发给相邻的上游或下游AFTU，相邻的AFTU经过延时后若发现仍存在故障电流，则控制本地开关跳闸，实现相邻AFTU的后备保护功能。

（4）重合闸、故障隔离孤岛在并网。当相邻的两个AFTU判别出故障位于它们之间的区域后，二者立即发出跳闸命令，跳开各自侧的IB。如果能够进行重合闸操作，则由靠近上游的AFTU经延时后发出重合闸命令。若是永久性故障，则加速跳闸，故障区域被永久隔离，下游区域则根据预先设定的计划孤岛方案，进入孤岛运行模式。当故障处理完毕后，首先由系统侧的IB合闸，边界IB是否直接合闸则根据其下游区域是否为有电状态。若下游是孤岛运行区域或由其它电源供电，则边界IB要检同期合闸，实现区域间的再并网运行；若下游区域处于无电状态，则此IB可直接合闸。如果此故障是瞬时性的，上游IB重合成功。但下游IB是否直接合闸，控制策略与上述相同。

本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：本发明提出了一种基于本地和相邻信息的含DG配电网的保护控制方案。根据DG容量和负荷大小，预先将含DG的配电网络划分为若干能孤岛运行的区域。在馈线出口、DG接入位置以及区域边界处装设断路器和AFTU，AFTU之间通过光纤网络互联。各AFTU实时检测本地电气量信息，并与其它AFTU进行信息交互。根据本地及临近的信息，可快速定位故障区段，实现故障的隔离及孤岛运行。利用有关AFTU之间的信息交互，能够自动确定重合闸与孤岛再并网控制策略。

（1）规划了分布式保护控制的整体方案。基于节省投资成本，根据区域划分原则，仅在电源接入点、区域分界处装设断路器和高级馈线终端单元，并由其完成保护控制功能。

（2）提出了分布式纵联保护原理。借用通信手段，利用当地电流及功率方向信息和相邻信息可快速判别故障区域；同时，制定了后备保护策略。

（3）设计了重合闸和孤岛再并网控制策略。根据故障区域、DG接入位置，相关AFTU实施不同的重合闸方式。通过实时检测断路器两侧的电压状况，考虑区域运行模式，有关AFTU实施相应的孤岛再并网策略。

附图说明：

图1 本发明的整体方案的示意图；

图2 本发明的故障区域判别流程图；

图3 本发明的含DG的配网案例分析结构图；

图1 中其中虚心圆内部分是计划孤岛的划分区域；IB1、IB2、IB3分别是线路出口、边界和DG并网点处的智能开关，AFTU1~AFTU3是相应的智能终端单元。

具体实施方式：下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明：

图3是由系统电源、分布式电源DG1和DG2构成的10kV配电网络。根据网络划分原则，此网络共划分为4个区域，其中区域2和4是计划孤岛区；在IB1~IB6处配置相应的高级馈线终端单元AFTU1~AFTU6，IB2、IB3和IB4分别是区域1和2、区域2和3以及区域3和4的分界开关。

规定电流的正方向为由电源侧指向负荷，当不同位置发生故障时，保护控制情况如下。

（1）区域1内部故障。若F1点发生相间或三相故障，AFTU1~AFTU6都会检测到电流突变，均会起动。由图3可知，只有AFTU1和AFTU2满足故障跳闸条件，立即跳开IB1和IB2，延时后由IB1重合闸。若故障为瞬时性的，IB1重合成功。随后，AFTU2检测到区域1电压恢复，立刻控制IB2合闸，系统回到正常运行状态。若为永久性故障，IB1加速跳闸。根据网络划分情况以及预先设定的控制策略，在AFTU1向IB1发出加速跳闸命令的同时，向AFTU3和AFTU4发出故障信息，并由AFTU3和AFTU4控制其开关IB3和IB4跳闸。由此，故障被隔离，区域3处于停电状态，而区域2和4处于孤岛运行模式。

故障处理完毕后，IB1首先合闸，区域1供电恢复。由于区域2处于孤岛运行状态，AFTU2检测到区域1电压恢复后，启动检同期策略并控制IB2合闸，区域2由孤岛运行转为再并网运行。由于区域3为停电状态，IB3可直接合闸，区域3供电恢复。由于区域4为孤岛运行状态，AFTU4检测到区域3电压恢复后，也启动检同期策略并控制IB4合闸，区域4也由孤岛运行转为再并网运行。

（2）区域2内部故障。若F2点发生相间故障，AFTU1~AFTU6都会检测到电流突变，均会起动。根据图3故障区域识别流程，AFTU2和AFTU3满足故障跳闸条件，控制相应的IB2和IB3跳闸，同时将故障区域信息通知AFTU5，由AFTU5控制IB5跳闸。因为故障发生在计划孤岛内，当IB5跳闸后，IB2再启动重合闸，重合是否成功视故障性质而定。由于IB4是末端开关，不管AFTU4是检测到过流还是收到AFTU3的故障信息，都能控制IB4跳闸。此后，区域2和3被隔离，处于失电状态，而区域1由系统供电，区域4由DG2供电。

当故障处理完毕后，首先由IB2和IB3合闸，区域2和3供电恢复。AFTU5检测到区域2电压恢复，随即启动检同期策略，控制IB5合闸，DG1重新并网。当AFTU4检测到区域3电压恢复时，也启动检同期策略，并控制IB4合闸，区域4由孤岛运行转为再并网运行。

由此可知，无论网络的何处发生故障，各AFTU都能根据故障区域判别流程和控制策略，进行故障判别和相应的控制操作，实现故障的隔离及恢复。

图1是整体方案示意图。

将配电网划分为若干区域，进行计划孤岛划分；区域间配置智能开关和AFTU，各AFTU通过光纤网络进行信息交互，在系统内两个相邻区域的边界处安装AFTU和智能开关IB；根据本地和相邻的电气量信息，快速定位故障区域，实现故障的隔离；利用有关AFTU之间的信息交互，自动确定重合闸、孤岛运行与孤岛再并网控制策略。

图2是故障区域判别流程图。

对于线路中间AFTU

（1）故障产生，各个AFTU均可以检测到故障电流，保护启动，判断电流是否越限；

（2）AFTU处故障电流没有越限，保护不动作；AFTU故障电流越限，则判断功率方向正负；

（3）功率方向为正，则判断下游功率方向：下游功率方向为正则为非故障区域，保护不动作，返回；下游功率方向为负，则判断为故障区域立即跳闸；

（4）功率方向为负，则判断上游功率方向：上游功率方向为负则为非故障区域，保护不动作，返回；上游功率方向为正，则判断为故障区域立即跳闸；

对于系统电源侧的AFTU则只与下游的AFTU交换信息；

对于配网末端的AFTU，则只要满足过流条件，即可快速跳闸；

对于DG出口处的AFTU，其故障区域判别为：此AFTU与DG所在区域的上、下游边界开关的AFTU进行信息交互，边界AFTU负责识别故障区域，并将故障信息通知DG出口处的AFTU；若故障发生在DG所在区域内，AFTU立即命令DG的并网开关跳闸；若故障发生在相邻区域内，则闭锁跳闸。

图3是含DG的配网案例分析结构图。

系统电源、分布式电源DG1和DG2构成的10kV配电网络。根据网络划分原则，此网络共划分为4个区域，其中区域2和4是计划孤岛区；在IB1~IB6处配置相应的高级馈线终端单元AFTU1~AFTU6，IB2、IB3和IB4分别是区域1和2、区域2和3以及区域3和4的分界开关。

Claims (5)

1.一种含DG的配电网保护与控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1 将配电网划分为若干区域，进行计划孤岛划分；

步骤2 区域间配置智能开关IB和AFTU，各AFTU通过光纤网络进行信息交互；在系统内两个相邻区域的边界处安装AFTU和智能开关IB；

步骤3 根据本地和相邻的电气量信息，快速定位故障区域，实现故障的隔离；所述的定位故障区域的方法为：当某边界开关的下游区域发生故障时，边界开关和上游开关流过方向相同、幅值增大的故障电流，功率方向均为正；当某边界开关的上游区域发生故障时，边界开关和上游开关均流过幅值增大的故障电流，但二者的功率方向相异；根据功率方向判断故障区域，并相应的进行返回或跳闸操作；

步骤4 利用有关AFTU之间的信息交互，自动确定重合闸、孤岛运行与孤岛再并网控制策略。

2.根据权利要求书1所述的一种含DG的配电网保护与控制方法，其特征在于所述的步骤1：将配电网划分为若干区域的前提为：一是故障时具有将故障区域与系统分开的能力，二是满足孤岛内电源与负荷的匹配关系；建立了由下游DG接入的区域进行孤岛运行的网络分区计划，分区时考虑就近原则，配电网被分成两种类型区域：其一，包含DG的区域，区域内要满足功率平衡；其二，位于孤岛运行区域之间的不含DG的区域，该区域内的负荷由主电源或相邻区域的电源供电。

3.根据权利要求书1所述的一种含DG的配电网保护与控制方法，其特征在于所述的步骤2中的配置智能开关IB和AFTU具体为将智能开关IB和AFTU配置在各馈线出口处、DG接入处及区域边界处，各AFTU之间通过光纤网络互联。

4.根据权利要求书1所述的一种含DG的配电网保护与控制方法，其特征在于所述的步骤3所述的故障区域的判别方法为：

对于线路中间AFTU：

（1）故障产生，各个AFTU均可以检测到故障电流，保护启动，判断电流是否越限；

（2）AFTU处故障电流没有越限，保护不动作；AFTU故障电流越限，则判断功率方向正负；

（3）功率方向为正，则判断下游功率方向：下游功率方向为正则为非故障区域，保护不动作，返回；下游功率方向为负，则判断为故障区域立即跳闸；

（4）功率方向为负，则判断上游功率方向：上游功率方向为负则为非故障区域，保护不动作，返回；上游功率方向为正，则判断为故障区域立即跳闸；

对于系统电源侧的AFTU则只与下游的AFTU交换信息；

对于配电网末端的AFTU，则只要满足过流条件，即可快速跳闸；

对于DG接入处的AFTU，其故障区域判别为：此AFTU与DG所在区域的上、下游边界开关的AFTU进行信息交互，边界开关处的AFTU负责识别故障区域，并将故障信息通知DG接入处的AFTU；若故障发生在DG所在区域内，DG接入处的AFTU立即命令DG的并网开关跳闸；若故障发生在相邻区域内，则闭锁跳闸。

5.根据权利要求书1所述的一种含DG的配电网保护与控制方法，其特征在于所述的步骤4中控制策略的确定方法为：当相邻的两个AFTU判别出故障位于它们之间的区域后，二者立即发出跳闸命令，跳开各自侧的智能开关IB；如果能够进行重合闸操作，则由靠近上游的AFTU经延时后发出重合闸命令；若是永久性故障，则加速跳闸，故障区域被永久隔离，下游区域则根据预先设定的计划孤岛方案，进入孤岛运行模式；当故障处理完毕后，首先由系统电源侧的智能开关IB合闸，边界智能开关IB是否直接合闸则根据其下游区域是否为有电状态；若下游是孤岛运行区域或由其它电源供电，则边界智能开关IB要检同期合闸，实现区域间的再并网运行；若下游区域处于无电状态，则此智能开关IB可直接合闸；如果此故障是瞬时性的，上游边界开关IB重合成功；但下游边界开关IB是否直接合闸，根据其下游区域是否为有电状态；若下游是孤岛运行区域或由其它电源供电，则下游边界智能开关IB要检同期合闸，实现区域间的再并网运行；若下游区域处于无电状态，则此边界智能开关IB可直接合闸。