CN103354354B - 适用于微电网的阻抗保护方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于微电网的阻抗保护方法与装置，基于微电网内部故障时电压下降明显及阻抗保护明确的方向性，利用就地分散对立配置的保护装置实现故障的快速隔离。

Description

适用于微电网的阻抗保护方法与装置

技术领域

本发明涉及一种继电保护领域，特别是一种适用于微电网的阻抗保护方法与装置。

背景技术

传统电力网络向智能电网的转变将成为21世纪电网改造的新方向。在智能电网中，智能微电网由于其能利用绿色清洁能源，能分布于用户附近提高负荷侧的供电可靠性，及能实现能源梯级利用，节能环保，能源利用效率高等，逐渐获得世界各国的青睐。

微电网是规模较小的分散的独立系统，它采用了大量的现代电力技术，将燃气轮机、风电、光伏发电，燃料电池，储能设备等并在一起，直接接在用户侧。微电网和大电网通过PCC(PointofCommonCoupling公开连接点)进行能量交换(如图1)，双方互为备用，从而提高了供电的可靠性；运行方式包括并网运行及孤岛运行。

根据Q/GDW480—2010《分布式电源接入电网技术规定》：200kW及以下分布式电源接入380V电压等级电网；200kW以上分布式电源接入10kV(6kV)及以上电压等级电网。

微电网的出现给传统配电系统的运行、保护和控制等带来一系列的问题，其中对继电保护的影响尤其不能忽视，接入微电网的配电系统变为多电源、双向潮流问题、孤岛运行故障电流小、分布式电源(DG)接入位置不同影响传统保护的灵敏度的影响等问题。

传统0.4kV配电网的保护微型断路器、熔断器动作时间非常慢，无法满足微电网对对继电保护的要求具有明确的方向性及高灵敏性的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于微电网的阻抗保护方法与装置，用以解决现有继电保护方法无法满足微电网要求的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

适用于微电网的阻抗保护方法，对于微电网的任一分支线路均配置对应的馈线保护单元，每个馈线保护单元由故障启动元件、正方向阻抗元件、反方向阻抗元件、低电压元件及延时元件组成；当故障启动元件、正方向阻抗元件、低电压元件同时动作时瞬时切除保护所在馈线开关，实现馈线故障的隔离；当故障启动元件、反方向阻抗元件、低电压元件同时动作时经延时元件动作切除保护所在馈线开关及PCC开关。

所述各分支线路的馈线保护单元就地独立设置。

故障启动元件为过流启动元件，判据为|I_φ|>|I_ZD或 为相间电流，为相电流，I_ZD为过电流定值。

正方向阻抗元件判据为:

且|X_m|<|Z_ZD*Sinθ|(2)

式(2)采用正序记忆电压极化；式中为相间正序记忆电压，为相间电压，为相间电流，Z_set为整定阻抗定值，X_m为测量电抗，θ为阻抗角，Z_ZD为阻抗定值。

反方向阻抗元件判据为：

且|X_m|<|Z_ZD*Sinθ|(3)，

式(3)采用正序记忆电压极化。

适用于微电网的阻抗保护装置，所述阻抗保护装置由故障启动元件、正方向阻抗元件及反方向阻抗元件、低电压元件及延时元件组成；当故障启动元件、正方向阻抗元件、低电压元件同时动作时瞬时切除保护所在馈线开关，实现馈线故障的隔离；当故障启动元件、反方向阻抗元件、低电压元件同时动作时经延时元件动作切除保护所在馈线开关及PCC开关。

故障启动元件为过流启动元件，判据为|I_φ|>|I_ZD或 为相间电流，为相电流，I_ZD为过电流定值。

正方向阻抗元件判据为:

且|X_m|<|Z_ZD*Sinθ|(2)

式(2)采用正序记忆电压极化；式中为相间正序记忆电压，为相间电压，为相间电流，Z_set为整定阻抗定值，X_m为测量电抗，θ为阻抗角，Z_ZD为阻抗定值。

反方向阻抗元件判据为：

且|X_m|<|Z_ZD*Sinθ|(3)，

式(3)采用正序记忆电压极化。

在微电网的各分支线路配置独立的馈线保护单元，每个保护单元由故障启动元件、正方向阻抗元件、反方向阻抗元件、低电压元件及延时元件组成。当故障启动元件、正方向阻抗元件、低电压元件同时动作时瞬时切除保护所在馈线开关，实现馈线故障的隔离；当故障启动元件、反方向阻抗元件、低电压元件同时动作时经延时元件动作切除保护所在馈线开关及PCC开关，实现微电网母线故障的隔离。

微电网馈线故障时阻抗保护能够无时限的跳开馈线开关；微电网母线故障时能够延时跳开母线上的分布式电源、储能设备支路及PCC开关；实现微电网内部故障的快速隔离；微电网外部故障由于阻抗保护中设有低电压开放条件故不会出现误动；保护具有明确的选择性、灵敏性、快速性及可靠性。

附图说明

图1是微电网系统保护配置图；

图2(a)、(b)、(c)是图1的故障分析示意图；

图3(a)、(b)是阻抗元件动作特性图；

图4是馈线保护单元的保护故障判别流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，在0.4kV微电网系统中，配置本发明的阻抗保护装置，即为微电网的每个分支线路均配置一个独立的馈线保护单元，如图1中柴油发电机组线路L1的馈线保护单元Z1，PCS储能系统L2的馈线保护单元Z2，光伏系统L3的馈线保护单元Z3，负荷出线L4的馈线保护单元Z4等，PCC处还设有保护单元Z5。本发明的馈线保护单元可以采用工业控制平台或PC设备实现，本发明所要求保护的阻抗保护装置应理解为实现馈线保护单元功能的软件功能构件。

上述的馈线保护单元Z1-Z4均配置独立的保护，由故障启动元件、正方向阻抗元件、反方向阻抗元件、低电压元件及延时元件组成。(下文中，正方向阻抗元件、反方向阻抗元件也称为正方向阻抗继电器、反方向阻抗继电器。)

阻抗保护方法为：当故障启动元件、正方向阻抗元件、低电压元件同时动作时瞬时切除保护所在馈线开关，实现馈线故障的隔离；当故障启动元件、反方向阻抗元件、低电压元件同时动作时经延时元件动作切除保护所在馈线开关及PCC开关，实现0.4kV母线故障的隔离。如图1的实施方式中，每个馈线保护单元是独立、就地配置的，也可以采用分布式控制方式对各个馈线保护单元进行统一管理控制。

结合图2、图3，分析微电网各种故障情况下的保护动作特性，d1点AB相故障时，Z2点AB相正方向阻抗继电器满足动作条件；Z1点AB相正方向阻抗继电器不动作，反方向阻抗继电器动作；Z3点AB相测量阻抗与Z1点类似；Z4点由于UAB电压接近于零，IAB接近于零，Z4点AB相正、反方向继电器均不动作。d2点AB故障，Z1、Z2点AB相正方向阻抗继电器不动作，反方向阻抗继电器动作；Z3点正、反方向继电器均不动作。配电网d4点故障，由于微电网故障点提供的故障电流非常小，变电压等效阻抗非常大，各支路的测量阻抗非常大；不满足低电压元件动作条件，因此馈线保护均不会动作。

阻抗元件包括正方向阻抗继电器及反向阻抗继电器，正方向阻抗继电器用于反应馈线故障；反方向阻抗继电器用于反应0.4kV母线故障；阻抗继电均采用记忆正序电压极化，具有明确的方向性；由于0.4kV电压等级阻抗角较小，因此阻抗动作特性利用电抗线去掉多余动作区。

通过上述分析可知，微电网内部任一支路故障(测量阻抗分别为Z_Z1、Z_Z2、Z_Z3、Z_Z4，分别对应各个分支线路)，故障相电压非常低，故障支路的故障相测量阻抗非常小，且为正方向，位于第一象限，其它非故障的电源及储能支路的测量阻抗为反方向，位于第三象限，负荷支路的故障相测量阻抗非常大；微电网内部母线故障，各电源及储能支路的测量阻抗为反方向，位于第三象限，负荷支路的故障相测量阻抗非常大；配电系统发生故障，故障电流小，故障相电压变化很小，各支路的测量阻抗非常大。

如图4所示为保护的动作流程：故障启动元件启动后，正方向阻抗元件动作且满足低电压条件，判为本分支故障，跳开本分支故障；否则反方向阻抗元件动作且满足低电压条件，经延时元件(延时应躲过馈线故障切除时间)动作后，跳开本分支线路断路器及PCC点断路器。对于任一个馈线保护单元Z1-Z4，首先判断是否满足故障启动元件判据，然后判断是否满足低电压元件动作判据，在以上两判据都满足的情况下判断是否满足正方向阻抗元件动作判据或者反方向阻抗元件动作判据，在满足正方向阻抗元件动作判据的情况下瞬时跳开本支路开关，在满足反方向阻抗元件动作判据的情况下延时跳开本支路开关和PCC开关。

微电网0.4kV母线故障,分布式电源及储能支路的过流元件启动，正方向阻抗元件不会动作，反方向阻抗元件动作且满足低电压条件，经延时元件(延时应躲过馈线故障切除时间)动作后，跳开本分支线路断路器及PCC点断路器；利用微电网各分支线独立配置的保护单元完成微电网馈线故障及母线故障的快速隔离，且微电网外部故障不会造成误动。

各元件的动作方程具体如下：

作为一种实施方式，采用过流启动元件，判据为：

|I_φ|＞I_ZD或 $\left|I_{\mathrm{\&phi;\&phi;}}\right|>\sqrt{3}|*I_{\mathrm{ZD}}---\left(1\right)$

式中：为相间电流，为相电流，I_ZD为过电流定值。

正方向阻抗元件判据：

且|X_m|<|Z_ZD*Sinθ|(2)

式(2)采用正序记忆电压极化，具有明确的方向性；式中为相间正序记忆电压，为相间电压，为相间电流，Z_set为整定阻抗定值，X_m为测量电抗，θ为阻抗角，Z_ZD为阻抗定值。

反方向阻抗继电器：

且|X_m|<|Z_ZD*Sinθ|(3)

式(3)采用正序记忆电压极化。式中符号同式(2)说明。

低电压元件判据：

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{\&phi;}}\&le;0.7{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_N$ 或 ${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{\&phi;\&phi;}}\&le;0.7{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{NN}}---\left(4\right)$

分别为相电压、相间电压，分别为相额定电压、相间额定电压。

本发明引进阻抗保护的原理，利用独立分布且不进行信息交互的的过流启动阻抗保护实现微电网，内部故障的快速隔离，解决了微电网设运行方式变化频繁、故障电流小、保护配置困难的难题，具有配置简单、成本低的优势。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方法，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.适用于微电网的阻抗保护方法，对于微电网的任一分支线路均配置对应的馈线保护单元，每个馈线保护单元由故障启动元件、正方向阻抗元件、反方向阻抗元件、低电压元件及延时元件组成；

当故障启动元件、正方向阻抗元件、低电压元件同时动作时瞬时切除保护所在馈线开关，实现馈线故障的隔离；当故障启动元件、反方向阻抗元件、低电压元件同时动作时经延时元件动作切除保护所在馈线开关及公开连接点PCC开关，所述故障启动元件为过流启动元件，判据为|I_φ|>|I_ZD或 为相间电流，为相电流，I_ZD为过电流定值，其特征在于，正方向阻抗元件判据为:

且|X_m|<|Z_ZD*Sinθ|(2)

式(2)采用正序记忆电压极化；式中为相间正序记忆电压，为相间电压，为相间电流，Z_set为整定阻抗定值，X_m为测量电抗，θ为阻抗角，Z_ZD为阻抗定值。

2.根据权利要求1所述的适用于微电网的阻抗保护方法，其特征在于，各所述分支线路的馈线保护单元就地独立设置。

3.根据权利要求1所述的适用于微电网的阻抗保护方法，其特征在于，反方向阻抗元件判据为：

且|X_m|<|Z_ZD*Sinθ|(3)，

式(3)采用正序记忆电压极化。

4.适用于微电网的阻抗保护装置，所述阻抗保护装置由故障启动元件、正方向阻抗元件、反方向阻抗元件、低电压元件及延时元件组成；

当故障启动元件、正方向阻抗元件、低电压元件同时动作时瞬时切除保护所在馈线开关，实现馈线故障的隔离；当故障启动元件、反方向阻抗元件、低电压元件同时动作时经延时元件动作切除保护所在馈线开关及PCC开关，所述故障启动元件为过流启动元件，判据为|I_φ|>|I_ZD或 为相间电流，为相电流，I_ZD为过电流定值，其特征在于，正方向阻抗元件判据为：

且|X_m|<|Z_ZD*Sinθ|(2)

式(2)采用正序记忆电压极化；式中为相间正序记忆电压，为相间电压，为相间电流，Z_set为整定阻抗定值，X_m为测量电抗，θ为阻抗角，Z_ZD为阻抗定值。

5.根据权利要求4所述的适用于微电网的阻抗保护装置，其特征在于，反方向阻抗元件判据为：

且|X_m|<|Z_ZD*Sinθ|(3)，

式(3)采用正序记忆电压极化。