CN103490394A - 有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法，各个保护安装处均装设三相电流互感器，以获取三相电流与正序电流故障分量；差动保护区的各开关通过光纤以太网连接，可以互相交换信息；规定所有电流的正方向均为节点指向线路；本侧保护装置获取差动保护区内对侧信息后，根据故障前数据进行有无不可测分支的判断，进而选择相应的差动保护判据；根据本侧与对侧获取的故障信息进行动作电流和制动电流的计算，判断是否是故障区段。本发明适用于有源配电网的短路故障保护，可以根据保护区段是否存在不可测分支自适应的选择故障判据，提高了保护的灵敏性，且不受分布式电源接入位置以及容量的影响。

Description

有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种适用于有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法。

背景技术

有源配电网指的是分布式电源（Distributed Generation,DG）高度渗透、功率双向流动的配电网。所谓“高度渗透”是指接入的DG对配电网的潮流、短路电流产生了实质性的影响，传统配电网的规划设计、保护控制、运行管理方法不再有效。显然，现阶段对分布式电源接入做了严格限制的制度，不符合有源配电网的发展。为充分发挥分布式电源在配电网中的积极作用，我国亦出台相关政策，如《国家“十二五”能源发展规划》中提出要大力发展靠近负荷布置的分布式风电、太阳能发电与天然气发电；国家电网公司也发布了《关于做好分布式发电并网服务工作的意见（暂行）》使大量小容量分布式电源，分散接入中低压配电网成为了可能。可以预见，未来电网将是一个高渗透率有源配电网且伴随着分布式电源“即插即用”，“即插即忘”的理想运行模式，这无疑对配电网保护提出了严峻的考验。

传统的配电网三段式电流保护在有源配电网中受分布式电源的影响，会出现误动或者拒动的现象。对此，国内外学者做了大量的研究工作，并提出了相应的解决方案，如限制分布式电源的接入位置和容量；利用本地信息的自适应电流速断保护；依赖于通信的电流闭锁式保护以及方向纵联保护等。但是这些方法的分析建立在分布式电源渗透率不高的情况，其分析也没有充分考虑到配电网多分支、多分段的结构特点，在配电网中的应用存在一定的局限性。

因此，需要结合配电网的结构特点以及分布式电源的故障特征，研究一种具有一定应用前景、能有效解决因分布式电源接入带来的误动或者拒动问题的保护方法。

电流差动保护作为最理想的保护方法，可以充分利用故障内部信息，具有完全选择性。然而迄今为止，电流差动保护多用于输电线路以及重要设备的保护，在配电网中受经济性以及工作环境的限制没有获得广泛应用，目前仅限于部分简单的示范工程。

中国专利(申请号：201010507149.0)公开了一种适用于智能配电网的电流差动保护方法，该方法主要是针对传统电流差动保护不能应用于多电源、多分支的现有有源配电网，不能有效地解决问题。

发明内容

为了克服分布式电源接入对配电网保护带来的新问题，本发明提出了一种有源配电网自同步正序故障分量电流差动保护方法，合理地利用正序故障分量可以反映各种类型故障的特点，实现有源配电网的故障保护。本发明充分考虑了配电网多分支、多分段的结构特征，具有自适应性，可以有效的解决分布式电源接入给配电网保护带来的问题，保证保护的选择性和灵敏性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法，在有源配电网的各个保护安装处均装设三相电流互感器，实时采集三相电流，获取相电流的瞬时值，并利用瞬时值突变量，判定故障起始时刻；故障启动后计算故障后一个周波以及故障前一个周波的基波分量，两者之差为故障分量，进而利用对称分量法获取正序电流故障分量；差动保护区的各检测点通过光纤以太网连接，用于差动保护区的各检测点进行信息的交换；规定所有电流的正方向均为节点指向线路；本侧保护装置获取差动保护区对侧信息后，根据故障前数据进行有无不可测分支的判断，选择相应的差动保护判据；根据每个检测点的本侧与对侧获取的故障信息共同进行动作电流和制动电流的计算，判断是否是故障区段，如果是故障区段，则本侧保护装置对自己发出跳闸信号，同时，本侧保护装置给对侧装置发出跳闸信号，如果不是故障区段，则等待一段时间后返回；对于下游无分布式电源接入的区段，采用传统的三段式电流保护方法或前述有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法。

所述判定故障起始时刻的步骤为：

（1）获取相电流的瞬时值突变量，获取方法为：

其中，

为当前时刻A、B、C任一相相电流采样值，为故障前一个周波对应的采样值，N为每周波的采样点数。

（2）将相电流的瞬时值突变量与设定值进行比较，一旦有连续3个相电流突变量超过设定值，即：

则断定发生了短路故障，标记首个突变量超过设定值的点为故障起始点，并据此实现故障同步。

所述差动保护区的各检测点进行信息的交互，是指故障启动后，将本侧保护装置的启动状态、故障前后电流数据以及跳闸信号发送给对侧。

所述故障分量的计算方法为求取本侧电流的基波分量，利用故障后的基波分量与故障前基波分量之差，得到相电流的故障分量，具体计算为

其中

表示故障后一个周波的基本分量，

表示故障前一个周波的基波分量。

所述正序电流故障分量的获取方法为利用对称分量法，计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{g1}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{g2}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{g0}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2\\ 1& {\mathrm{\α}}^2& \mathrm{\α}\\ 1& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ga}}\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{gb}}\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{gc}}\end{array}\right],$ 其中

为A、B、C三相电流故障分量；

为正序、负序、零序电流故障分量；α＝e^j120°。

所述电流基波分量的获取可采用半波差分傅氏算法、全波差分傅氏算法、最小二乘法、改进的傅氏算法或卡尔曼滤波算法。

所述差动保护判据的选择具体步骤为：

（1）对故障前数据进行差动计算，确定该差动保护区段是否存在不可测分支。

（2）根据是否存在不可测分支的判断结果采用不同的判据：对不存在不可测分支的差动保护区段启动判据1，对存在不可测分支的区段启动判据2。

所述不存在不可测分支的差动保护区段判据1为：

$\left\{\begin{array}{c}|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|>I_{\mathrm{set}1}\\ |{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|>K_1|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|\end{array}\right.$

其中，

分别为差动区域两端电流的正序故障分量；I_set1为最小电流门槛，一般取1/5倍的额定电流；K₁为比例制动系数，一般取1/2。

所述存在不可测分支的区段判据2为：

$\left\{\begin{array}{c}|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|>I_{\mathrm{set}2}\\ |{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|>K_2|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|\end{array}\right.$

其中，

分别为差动区域两端电流的正序故障分量；I_set2最小电流门槛，考虑到不可测分支负荷一般不超过该支路负荷的1/3，为躲避正常情况下负荷投切对保护的影响，此处I_set2的整定按躲过正常情况下的不平衡电流进行整定，即躲过该差动区的分支负荷电流；K₂为比例制动系数，取1/2。

所述故障区段的判断方法为：按相应的判据进行动作电流与制动电流的计算，比较动作电流与制动电流的大小，如果动作电流大于制动电流，则断定为故障区段；如果动作电流小于制动电流，则断定为非故障区段。

所述差动保护区中远离电源侧处装有弱馈保护，其在接收到对侧发送的允许跳闸信号后，无条件的接受，实现保护跳闸。

本发明的有益效果：

1在有源配电网中首次提出基于正序故障分量的电流差动保护方法，可有效解决因分布式电源高渗透率而导致传统保护不正确动作问题以及有源配电网多电源、多分支线路结构保护的选择性问题和弱馈问题。

2本方法利用线路两端对故障发生时刻的独立检测实现差动保护所要求的数据同步，不依赖于GPS或基于通信的对时方法，节省投资，易于在配电网中实现。

3本方法采用两端正序故障分量电流进行差动判别，只需要正序故障分量就可以反应所有故障类型，可显著压缩两端交换的信息量，提高保护动作速度，优于传统分相差动方法。

4采用故障分量可消除故障时负荷电流对保护动作性能的影响，提高高阻故障条件下保护的灵敏度。

5对分布式电源类型、容量、接入位置等变化因素具有较强的适应性。

6可有效解决配电网多分段、多分支的情况，尤其可以解决配电网存在不可测分支以及“T”接线的问题。

7借助于智能配电终端的硬件支持，本保护方法不依赖于系统主站可实现对有源配电网故障区段的快速检测和隔离，易于实现工程应用。

附图说明

图1（a）为本发明的正常运行流程示意图；

图1（b）为本发明的故障处理程序流程示意图；

图2为一典型10kv有源配电网仿真模型；

其中，A处为母线，其余B、C、D、E、F、G处均为节点，此处如此表示仅是为了容易区分各个区段。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

（1）本发明利用的硬件平台的采样频率为每周波128点。

（2）利用相电流突变量启动保护装置，并确定故障起始时刻，实现故障信号同步。启动判据具体为：当检测到相电流相邻两采样时刻采样值的变化量连续有3次超过1.25A，即二次侧标准电流5A的25%时，记录第一次超过门槛值的点为故障发生点，保存所检测到故障初始时刻之前与之后2个周波的电流数据。

（3）相电流瞬时值突变量的获取方法如下：

启动判据为：存在连续3个I_set为设定电流值。

其中i_κ(k)为当前时刻(A、B、C任一相)相电流采样值，

为故障前一个周波对应的采样值。

采用相电流瞬时值突变量启动判据的优点在于其灵敏可靠，不受开关操作、雷击等干扰的影响。

（4）故障分量与正序分量的计算，参见施围，郭洁（Shi Wei,Guo Jie）著：电力系统过电压计算(Overvoltage Calculation in Power System).高等教育出版社(High EducationPress)2006.9。

故障分量的计算：

其中

表示故障后k时刻相（A、B、C任一相）电流瞬时值，

表示故障前对应k时刻前一个周波相电流瞬时值，N为每周波的采样点数。

正序故障分量的计算如下：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{g1}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{g2}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{g0}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2\\ 1& {\mathrm{\α}}^2& \mathrm{\α}\\ 1& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ga}}\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{gb}}\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{gc}}\end{array}\right]$

其中为A、B、C三相电流故障分量；

为正序、负序、零序电流故障分量；α＝e^j120°。

（5）本方法在实施过程中，可以自适应的选择判据，当该保护区段不存在不可测分支时，选择判据1，当存在不可测分支时，选择判据2。如此可以有效地保证不可测分支差动保护区段保护的灵敏度。

实施例1.

如图1所示：该有源配电网正序故障分量差动保护方法，具体步骤如下：

①逻辑程序开始，进行初始化；

②运行自检程序；

③获取本侧电流采样值，并进行故障判断，即运行故障检测算法，实时检测相电流突变量是否超过设定值；

④确认是否发生故障，设第一个突变量超过设定值的时刻为故障起始时刻，保存故障前后的两个周波数据；

⑤启动故障处理程序，以故障时刻为标准计算故障前后一个周波电流相量；

⑥利用故障前后的基波数据，计算故障分量，利用对称分量法计算此时的正序故障分量；

⑦发送查询命令，确定对侧状态；

⑧获取对侧信息，并利用故障前数据，确认是否存在不可测分支；

⑨根据步骤8的判断结果，自适应的选择判据，当不存在不可测分支时，选择判据1，当存在不可测分支时，选择判据2；

⑩根据动作判据确定故障区段，自己本侧跳闸，并向对侧发送跳闸信号；

若不是故障区段，判断是否接收到跳闸信号，接收对侧信号，决定是否跳闸；

实施例2.

图2为有源配电网仿真模型。该仿真模型为一典型的含分布式电源的10kV配电网模型。DG1与DG2的容量分别为2.104MVA、1.052MVA，变压器容量为50MVA，电压器变比为110/10.5kV，YNd11接法，负载损耗182.44kW，短路阻抗16.64%，空载损耗30.95kW，空载电流0.140%，架空线路参数：R=0.13Ω/km X=0.402Ω/km，线路AB、BC、CD、DE、AF、FG的长度分别为2km、2km、7km、14km、4km、6km，馈线2上的负荷功率因数为0.95，负荷大小为（5+j1.64）MW，约为(19.9072+j6.53)欧姆，电流约为289A，馈线1末端负荷为（2.5+j0.82）MW，电流约为144.5A，节点C上的负荷为（2.5+j0.82）MW。

以f₂点发生短路故障为例，其中I_d为动作电流，I_r为制动电流，则各检测点的电流正序故障分量如表1所示，。

表1f₂点故障时各检测点电流正序故障分量

当不存在不可测分支，利用判据1，则各检测点的动作与制动电流计算如表2所示。

$\left\{\begin{array}{c}|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|>I_{\mathrm{set}1}\\ |{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|>K_1|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|\end{array}\right.$

其中，

分别为差动区域两端电流的正序故障分量；I_set1为最小电流门槛，一般取0.2倍的额定电流；K₁为比例制动系数，一般取0.5。

表1无不可测分支时差动保护判据

当存在不可测分支时，利用判据2则各检测点的动作与制动电流计算如表3所示。

$\left\{\begin{array}{c}|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|>I_{\mathrm{set}2}\\ |{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|>K_2|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|\end{array}\right.$

其中，I_set2为判据启动门槛，考虑到不可测分支负荷一般不超过该支路负荷的1/3，为躲避正常情况下负荷投切对保护的影响，此处I_set2的整定按躲过正常情况下的不平衡电流进行整定，即躲过该差动区的分支负荷电流；K₂为比例制动系数，此处仍可取1/2。

表3存在不可测分支时差动保护判据

以上仿真结果表明，基于正序故障分量的有源配电网差动保护方法可以有效的解决配电网多分支且存在不可测分支的情况，保护均能够正确动作，没有误动或据动的情况。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法，其特征是，在有源配电网的各个保护安装处均装设三相电流互感器，实时采集三相电流，获取相电流的瞬时值，并利用瞬时值突变量，判定故障起始时刻；故障启动后计算故障后一个周波以及故障前一个周波的基波分量，两者之差为故障分量，进而利用对称分量法获取正序电流故障分量；差动保护区的各检测点通过光纤以太网连接，用于差动保护区的各检测点进行信息的交换；规定所有电流的正方向均为节点指向线路；本侧保护装置获取差动保护区对侧信息后，根据故障前数据进行有无不可测分支的判断，选择相应的差动保护判据；根据每个检测点的本侧与对侧获取的故障信息共同进行动作电流和制动电流的计算，判断是否是故障区段，如果是故障区段，则本侧保护装置对自己发出跳闸信号，同时，本侧保护装置给对侧装置发出跳闸信号，如果不是故障区段，则等待一段时间后返回；对于下游无分布式电源接入的区段，采用传统的三段式电流保护方法或前述有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法。

2.如权利要求1所述一种有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法，其特征是，所述判定故障起始时刻的步骤为：

（1）获取相电流的瞬时值突变量，获取方法为：

其中，

为当前时刻A、B、C任一相相电流采样值，

为故障前一个周波对应的采样值，N为每周波的采样点数；

（2）将相电流的瞬时值突变量与设定值进行比较，一旦有连续3个相电流突变量超过设定值，即：

I_set为设定电流值，则断定发生了短路故障，标记首个突变量超过设定值的点为故障起始时刻，据此实现故障同步。

3.如权利要求1所述一种有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法，其特征是，所述差动保护区的各检测点进行信息的交互，是指故障启动后，将本侧保护装置的启动状态、故障前后电流数据以及是否是故障区段信息发送给对侧。

4.如权利要求1所述一种有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法，其特征是，所述故障分量的计算方法为求取本侧电流的基波分量，利用故障后的基波分量与故障前基波分量之差，得到相电流的故障分量，具体计算为其中

表示故障后一个周波的基本分量，

表示故障前一个周波的基波分量。

5.如权利要求1所述一种有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法，其特征是，所述正序电流故障分量的获取方法为对称分量法，计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{g1}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{g2}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{g0}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2\\ 1& {\mathrm{\α}}^2& \mathrm{\α}\\ 1& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ga}}\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{gb}}\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{gc}}\end{array}\right]$

其中为A、B、C三相电流故障分量；

为正序、负序、零序电流故障分量，α＝e^j120°。

6.如权利要求4所述一种有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法，其特征是，所述电流基波分量的获取可采用半波差分傅氏算法、全波差分傅氏算法、最小二乘法、改进的傅氏算法或卡尔曼滤波算法。

7.如权利要求1所述一种有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法，其特征是，所述差动保护判据的选择具体步骤为：

（1）对故障前数据进行差动计算，确定该差动保护区段是否存在不可测分支，具体方法如下：

其中分别为差动区段两侧电流，I₁为该差动区不平衡电流，对于多端保护区段，则进行多端差动，比较I₁与整定值I_set1，I_set1按躲过电流互感器的不平衡电流进行整定，如果I₁＜I_set1则该区段不存在不可测分支，否则存在不可测分支；

（2）根据是否存在不可测分支的判断结果采用不同的判据：对不存在不可测分支的差动保护区段启动判据1，对存在不可测分支的区段启动判据2。

8.如权利要求7所述一种有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法，其特征是，所述不存在不可测分支的差动保护区段判据1为：

$\left\{\begin{array}{c}|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|>I_{\mathrm{set}1}\\ |{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|>K_1|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|\end{array}\right.$

其中，

分别为差动区域两端电流的正序故障分量；I_set1为最小电流门槛，一般取1/5倍的额定电流；K₁为比例制动系数，一般取1/2；

所述存在不可测分支的区段判据2为：

$\left\{\begin{array}{c}|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|>I_{\mathrm{set}2}\\ |{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|>K_2|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mg}1}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ng}1}|\end{array}\right.$

其中，

分别为差动区域两端电流的正序故障分量；I_set2最小电流门槛，考虑到不可测分支负荷一般不超过该支路负荷的1/3，为躲避正常情况下负荷投切对保护的影响，此处I_set2的整定按躲过正常情况下的不平衡电流进行整定，即躲过该差动区的分支负荷电流；K₂为比例制动系数，取1/2。

9.如权利要求1所述一种有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法，其特征是，所述故障区段的判段方法为：按相应的判据进行动作电流与制动电流的计算，比较动作电流与制动电流的大小，如果动作电流大于制动电流，则断定为故障区段；如果动作电流小于制动电流，则断定为非故障区段。

10.如权利要求1所述一种有源配电网的自同步正序故障分量电流差动保护方法，其特征是，所述差动保护区中远离电源侧处装有弱馈保护，其在接收到对侧发送的允许跳闸信号后，无条件接受，实现保护跳闸。

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