CN103532115B - 一种基于微电网短路电流的保护装置及其配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于微电网短路电流的保护装置及其配置方法，包括微电网及短路电流保护电路，其特征在于：在短路电流保护电路设有方向性电流保护单元，所述方向性电流保护单元设置在易产生动作的保护节点，主要由功率方向闭锁元件构成，用于消除电流速断保护单元中双侧电源或多侧电源电流保护的无选择动作，该功率方向闭锁元件在短路电流方向由母线流向线路时动作，开放电流保护；当短路电流方向由线路流向母线时不动作，闭锁电流保护，构成方向性电流保护，即形成改进电流保护。本发明从微电网规划设计的角度，通过在微电网的节点处增设方向性电流保护，使线路各处改进的电流保护以及零序电流保护的保护整定定值符合设计规范，具有结构简单、适用范围广等有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微电网短路电流的保护装置及其配置方法。属于电力系统的微电网电流保护技术领域。
背景技术
微电网是由分布式电源、负荷和输配电系统构成的，可以独立运行或者与大电网并网运行的，具有对内部电源和负荷协调优化控制功能的微型电力系统。由于其具有多分布式电源，不同类型的分布式电源提供的短路电流的能力与其控制策略有关，分布式电源对短路电流的不同贡献使得保护整定计算更为复杂，微电网的独有特点决定了其保护技术与传统配电网保护有着极大不同。目前国内外关于微电网的保护技术的研究处于起步阶段，而传统保护整定计算不适用微电网的保护。
发明内容
本发明的目的之一，是为了克服现有技术的不足，提供一种基于微电网短路电流的保护装置,该装置从微电网规划设计的角度，结合微电网的各分布式电源的特点，对微电网的电流保护及零序电流保护进行改进。
本发明的目的之二，是为了克服现有技术的不足，提供一种基于微电网短路电流保护装置的配置方法。
本发明的目的可之一以通过采取如下技术方案达到：
一种基于微电网短路电流的保护装置,包括微电网及短路电流保护电路，该短路电流保护电路包括若干电流速断保护单元、分别设置在各分布式电源节点处，其特征在于：在短路电流保护电路设有方向性电流保护单元，所述方向性电流保护单元设置在易产生动作的保护节点，主要由功率方向闭锁元件构成，用于消除电流速断保护单元中双侧电源或多侧电源电流保护的无选择动作，该功率方向闭锁元件在短路电流方向由母线流向线路时动作，开放电流保护；当短路电流方向由线路流向母线时不动作，闭锁电流保护，构成方向性电流保护，即形成改进电流保护。
本发明的目的之一还可以通过采取如下技术方案达到：
进一步地，在短路电流保护电路中设有零序电流保护单元，该零序电流保护单元包括零序电流Ⅰ段速断保护、零序电流Ⅱ段保护和零序电流Ⅲ段保护；零序电流Ⅰ段速断保护具有躲开下级线路出口处单相或两相接地短路时出现的最大零序电流保护结构或躲开断路器三相出头不同时合闸时出现的最大零序电流保护结构；零序电流Ⅱ段保护具有相间短路限时电流速断保护结构，其启动电流首先考虑与下级线路的零序电流速断保护范围的末端相配合，并带有高出一个Δt的时限，以保证动作的选择性；零序电流Ⅲ段保护经电阻接地故障和相邻元件故障的后备保护，在躲过本线路末端变压器其他各侧不相短路最大不平衡电流的前提下，力争满足相邻线路末端故障时的灵敏系数要求。
进一步地，短路电流保护电路设置的若干电流速断保护单元，包括过流保护I段回路和过流保护II段回路；过流保护I段回路采用双侧供电系统的电流速断保护电路结构，过流保护II段回路采用分布式电源接入后的限时电流速断保护电路结构，用于双侧电源网络中的限时电流速断保护，与下一级保护的电流速断相配合。
进一步地，所述功率方向闭锁元件由功率方向继电器构成，所述短路电流保护电路包括电流继电器和时间继电器，以电流继电器为主要部件构成过流保护I段回路，以时间继电器为主要部件构成过流保护II段回路；由功率方向继电器、电流继电器、时间继电器组成微电网短路电流保护联动电路结构，即只有功率方向闭锁元件和电流元件都动作以后，才能去启动时间元件，再经过预定的延时动作后动作于跳闸。
进一步地，所述功率方向继电器是用以判别功率方向或测定电流、电压间相位角的继电器；故障的方向利用短路功率的方向判定，短路功率的方向取决于保护安装处电流、电压之间的相位关系。由于功率方向继电器主要反应于加入继电器中电流和电压之间的相位而工作，因此用相位比较方式来实现最为简单。
本发明的目的之二可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于微电网短路电流保护装置的配置方法，其特征在于包括如下步骤：
1）确定基本信息，包括节点信息和支路信息，节点信息是指节点数和节点类型；支路信息是指支路左右节点号、支路电阻和支路电抗；所述节点类型指是否接入发电机以及发电机组的类型；
2）根据改进电流Ι段保护的原理，计算每一条支路的短路电流Iij，循环变量为节点数N，从1到N计算每个节点的短路电流Ij(j=1L N)；然后循环配置每条支路的左右节点的I段保护，循环变量为支路数B，找到支路变量B的左右节点号i,j，通过i,j找到对应节点短路的短路电流Ii和Ij，根据上述I段保护原理配置左右节点i,j的I段保护；
3）根据改进电流II段保护的原理，使用for循环语句对支路变量B循环，在循环语句中找到相邻支路B1，根据步骤2计算结果找到相邻支路B1的改进电流保护I段保护值，然后根据II段保护的计算原理乘以比例系数可求得改进电流保护II段保护值；
4）将短路类型设置为两相接地，使用的短路电流值是零序电流，零序电流I、II、III段保护的配置方法可以参考步骤2,3,其循环计算方法和改进电流I、II段保护完全相同；
5）循环计算结束，输出配置结果，包括过流保护的I,II段以及零序电流保护的I,II,III段。
本发明的目的之二还可以通过采取如下技术方案达到：
进一步地，在前述步骤2）中改进电流Ι段保护，采用双侧供电系统的电流速断保护；接入分布式电源DG后类似于双侧电源的配电线路上的电流速断保护，用类似于传统电流速断保护分析，曲线1为由电源E1供给的电流，曲线2为由E2供给的电流，由于两端电源容量不同，因此电流的大小也不同，设有大电源侧保护1，小电源侧保护2。
进一步地，在小电源侧保护2处装设功率方向闭锁元件，使其只当电流从母线流向被保护线路时才动作，这样小电源侧保护2的启动电流就可以按照躲开K1来整定，选择I′kz2=K′kIk1max，其保护范围较以前增加了很多；在上述情况下，大电源侧保护1处无需装设方向元件，因为它从定值上已经可靠地躲开了反向短路时流过保护的最大电流Ik1max。
进一步地，步骤3）中改进电流ΙΙ段保护，分布式电源接入后的限时电流速断保护，用于双侧电源网络中的限时电流速断保护，小电源侧保护1电流速断的整定值按躲开相邻线路出口短路整定为I′dz·1，其保护范围末端位于M点，流过大电源侧保护2的电流为IAB·M,其值小于IBC·M=I′dz·1，则大电源侧保护2限时电流速断的整定值表达式为：
I″kz·1=K′kIAB·M （1）
引入分支系数Kbra，其定义为Kbra为故障线路流过的短路电流的前一级保护所在线路上流过的短路电流，整定配合点M处得分支系数表达式为：
代入（1）式可得：
进一步地，步骤4）中零序电流保护的计算中，各段整定表达式如下：
（1）零序电流Ⅰ段保护
a.躲开下级线路出口处单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流3I0.max，引入可靠系数即整定表达式为:
b.躲开断路器三相出头不同时合闸时出现的最大零序电流3I0.unb，引入可靠系数即整定表达式为：
（2）零序电流Ⅱ段保护
零序Ⅱ段的工作原理与相间短路限时电流速断保护一样，其启动电流首先考虑与下级线路的零序电流速断保护范围的末端相配合，并带有高出一个Δt的时限，以保证动作的选择性，引入零序电流的分支系数K0.b后，零序Ⅱ段的启动电流应整定表达式为：
Δt多取0.5s；
（3）零序电流Ⅲ段保护
零序电流Ⅲ段作本线路经电阻接地故障和相邻元件故障的后备保护，在躲过本线路末端变压器其他各侧不相短路最大不平衡电流的前提下，满足相邻线路末端故障时的灵敏系数要求；
对继电器的启动电流，按照躲开在下级线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流来整定，引入可靠系数即整定表达式为：
当两个保护之间具有分支电路时，保护装置的启动电流整定表达式为：
本发明具有如下的有益效果：
1、本发明在短路电流保护电路设有方向性电流保护单元，所述方向性电流保护单元设置在易产生动作的保护节点，主要由功率方向闭锁元件构成，用于消除电流速断保护单元中双侧电源或多侧电源电流保护的无选择动作，因此，具有短路过流反应快，对微电网实施多点全方位过流保护保护以确保并网安全的有益效果。
2、本发明从微电网规划设计的角度，通过在微电网的节点处增设方向性电流保护，使线路各处改进的电流保护以及零序电流保护的保护整定定值符合设计规范，具有结构简单、适用范围广等有益效果。
附图说明
图1为本发明涉及的双侧电源线路电流速断保护单元示意图。
图2为本发明涉及的双侧电源网络接线及保护动作方向示意图。
图3为本发明涉及的带方向过电流保护的单相原理接线图。
图4应用本发明的某海岛微电网的接线图。
图5应用节点导纳矩阵计算短路电流的原理框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
具体实施例1：
参照图1-图4，本实施例包括微电网及短路电流保护电路，该短路电流保护电路包括若干电流速断保护单元、分别设置在各分布式电源节点处，在短路电流保护电路中设有方向性电流保护单元，所述方向性电流保护单元设置在易产生动作的保护节点，主要由功率方向闭锁元件构成，用于消除电流速断保护单元中双侧电源或多侧电源电流保护的无选择动作，该功率方向闭锁元件在短路电流方向由母线流向线路时动作，开放电流保护；当短路电流方向由线路流向母线时不动作，闭锁电流保护，构成方向性电流保护，即形成改进电流保护。
本实施例中：
在短路电流保护电路中设有零序电流保护单元，该零序电流保护单元包括零序电流Ⅰ段速断保护、零序电流Ⅱ段保护和零序电流Ⅲ段保护；零序电流Ⅰ段速断保护具有躲开下级线路出口处单相或两相接地短路时出现的最大零序电流保护结构或躲开断路器三相出头不同时合闸时出现的最大零序电流保护结构；零序电流Ⅱ段保护具有相间短路限时电流速断保护结构，其启动电流首先考虑与下级线路的零序电流速断保护范围的末端相配合，并带有高出一个Δt的时限，以保证动作的选择性；零序电流Ⅲ段保护经电阻接地故障和相邻元件故障的后备保护，在躲过本线路末端变压器其他各侧不相短路最大不平衡电流的前提下，满足相邻线路末端故障时的灵敏系数要求。
短路电流保护电路设置的若干电流速断保护单元，包括过流保护I段回路和过流保护II段回路；过流保护I段回路采用双侧供电系统的电流速断保护电路结构，过流保护II段回路采用分布式电源接入后的限时电流速断保护电路结构，用于双侧电源网络中的限时电流速断保护，与下一级保护的电流速断相配合。
所述功率方向闭锁元件由功率方向继电器构成，所述短路电流保护电路包括电流继电器和时间继电器，以电流继电器为主要部件构成过流保护I段回路，以时间继电器为主要部件构成过流保护II段回路；由功率方向继电器、电流继电器、时间继电器组成微电网短路电流保护联动电路结构，即只有功率方向闭锁元件和电流元件都动作以后，才能去启动时间元件，再经过预定的延时动作后动作于跳闸。
所述功率方向继电器是用以判别功率方向或测定电流、电压间相位角的继电器；故障的方向利用短路功率的方向判定，短路功率的方向取决于保护安装处电流、电压之间的相位关系。由于功率方向继电器主要反应于加入继电器中电流和电压之间的相位而工作，因此用相位比较方式来实现最为简单。
所述功率方向闭锁元件即功率方向继电器，所述保护装置包括电流元件电流继电器和时间元件即时间继电器，功率方向闭锁元件和电流元件都动作以后，才能去启动时间元件，再经过预定的延时动作后动作于跳闸。
所述功率方向继电器是用以判别功率方向或测定电流、电压间相位角的继电器；故障的方向利用短路功率的方向判定，短路功率的方向取决于保护安装处电流、电压之间的相位关系，由于功率方向继电器主要反应于加入继电器中电流和电压之间的相位而工作，因此用相位比较方式来实现最为简单。
参照图5，通过短路电流计算模块的循环计算来自动配置微电网的改进电流保护以及零序电流保护，循环次数由微电网的节点数N和支路数B决定，短路电流计算方案采用现有节点导纳矩阵计算短路电流计算方案，该算法可以运用到微电网规划软件，用于微电网的保护配置及整定计算。
本实施例涉及的基于微电网短路电流保护装置的配置方法，具体配置步骤如下：
步骤1），确定基本信息，包括节点信息：节点数和节点类型；支路信息：支路左右节点号、支路电阻和支路电抗，节点类型指是否接入发电机以及发电机组的类型；
步骤2），根据改进电流Ι段保护的原理，使用for循环语句计算每一条支路的短路电流Iij，循环变量为节点数N，从1到N计算每个节点的短路电流Ij(j=1LN)；然后使用for语句循环配置每条支路的左右节点的I段保护，循环变量为支路数B，找到支路变量B的左右节点号i,j，通过i,j找到对应节点短路的短路电流Ii和Ij，然后根据上述I段保护原理可以配置左右节点i,j的I段保护；
在步骤2）中改进电流Ι段保护，采用双侧供电系统的电流速断保护；
接入分布式电源DG后类似于双侧电源的配电线路上的电流速断保护，可用类似于传统电流速断保护分析，曲线1为由电源E1供给的电流，曲线2为由E2供给的电流，由于两端电源容量不同，因此电流的大小也不同，设有大电源侧保护1，小电源侧保护2。
当任一侧区外相邻线路出口处，K1和K2点短路时，短路电流Ik1和Ik2要同时流过两侧的保护1和2，此时按照选择性的要求，两个保护均不应动作，因此两个保护的启动电流应选得相同，并按照较大的一个短路电流进行整定，当Ik2max>Ik1max时，则应取I′dz1=I′dz2=K′kIk2max，其中I′dz1为大电源侧保护1启动电流的整定值，I′dz2为小电源侧保护2启动电流的整定值，K′k为可靠系数，K′k=1.2-1.3这样整定的结果，将使位于小电源侧保护2的保护范围缩小，两端电源容量差别越大，对小电源侧保护2的影响就越大，
因此在小电源侧保护2处装设功率方向闭锁元件，使其只当电流从母线流向被保护线路时才动作，这样小电源侧保护2的启动电流就可以按照躲开K1来整定，选择I′kz2=K′kIk1max，其保护范围较以前增加了很多；在上述情况下，大电源侧保护1处无需装设方向元件，因为它从定值上已经可靠地躲开了反向短路时流过保护的最大电流Ik1max。
步骤3），根据改进电流II段保护的原理，使用for循环语句对支路变量B循环，在循环语句中找到相邻支路B1，根据步骤2计算结果找到相邻支路B1的改进电流保护I段保护值，然后根据II段保护的计算原理乘以比例系数可求得改进电流保护II段保护值；
所述步骤3）中改进电流ΙΙ段保护：分布式电源接入后的限时电流速断保护，用于双侧电源网络中的限时电流速断保护，应与下一级保护的电流速断相配合，考虑保护安装点与短路点直接接入分布电源后的影响，使故障线路电流增大的现象，称为助增；有助增以后的短路电流，此时保护1电流速断的整定值仍按躲开相邻线路出口短路整定为I′dz·1，其保护范围末端位于M点，在此情况下，流过保护2的电流为IAB·M,其值小于IBC·M=I′dz·1，因此保护2限时电流速断的整定值应为：
I″kz·1=K′kIAB·M （1）
引入分支系数Kbra，其定义为Kbra为故障线路流过的短路电流的前一级保护所在线路上流过的短路电流，整定配合点M处得分支系数为：
代入（1）式可得：
与未接分布式电源的整定公式相比，在分母上多了一个大于1的分支系数的影响。
步骤4），将短路类型设置为两相接地，使用的短路电流值是零序电流，零序电流I、II、III段保护的配置方法可以参考步骤2,3,其循环计算方法和改进电流I、II段保护完全相同；
所述步骤4中零序电流保护的计算中，各段整定如下：
（1）零序电流Ⅰ段（速断）保护
整定原则如下：
a.躲开下级线路出口处单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流3I0.max，引入可靠系数即:
b.躲开断路器三相出头不同时合闸时出现的最大零序电流3I0.unb，引入可靠系数即：
（2）零序电流Ⅱ段保护
零序Ⅱ段的工作原理与相间短路限时电流速断保护一样，其启动电流首先考虑与下级线路的零序电流速断保护范围的末端相配合，并带有高出一个Δt的时限，以保证动作的选择性，引入零序电流的分支系数K0.b后，零序Ⅱ段的启动电流应整定为：
（Δt多取0.5s）
（3）零序电流Ⅲ段保护
零序电流Ⅲ段作本线路经电阻接地故障和相邻元件故障的后备保护，在躲过本线路末端变压器其他各侧不相短路最大不平衡电流的前提下，力争满足相邻线路末端故障时的灵敏系数要求；
在零序过电流保护中，对继电器的启动电流，按照躲开在下级线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流来整定，引入可靠系数即为：
同时还必须要求各保护之间对灵敏系数上要互相配合，当两个保护之间具有分支电路时，保护装置的启动电流应整定为：
步骤5），循环计算结束，输出配置结果，包括过流保护的I,II段以及零序电流保护的I,II,III段。
下面是某海岛微网采用本发明进行的保护自动配置方案。
该海岛微电网的电路接线结构如图4所示，从该海岛模型中看出，除1—2，3—2线路外，其余线路均为双电源供电，因此在配置后备保护时根据单侧电源线路的相电流保护不应经功率方向闭锁元件控制的原则，对上述两条线路的保护不加功率方向闭锁元件，仅按普通线路在电源侧添加保护装置。对于其他双电源线路，为保证故障的可靠切除，需在线路两侧都装设保护装置，并通过功率方向闭锁元件来实现继电保护装置的选择性动作。如图4中小方框的位置表示设有保护装置和功率方向闭锁元件，以功率方向从母线流线路为正向，即功率方向为正为启动保护的条件之一。如图4中小圆圈的位置表示设有保护装置，当没设功率方向闭锁元件，仅通过合适的各段整定值来实现保护装置的选择性动作，切除故障。通过上述保护配置方案，该微网中所有线路出现故障均可可靠切除。
该微电网的改进电流I段保护的整定计算结果如表1所示，改进电流II段保护的整定计算结果如表2所示，零序电流I段的整定计算结果如表3所示，零序电流II段保护整定计算结果如表4所示，零序电流III段保护整定计算结果如表5所示。
表1：改进电流I段保护的整定计算结果
表2：改进电流II段保护的整定计算结果
表3：零序电流I段的整定计算结果
表4：零序电流II段保护整定计算结果
表5：零序电流III段保护整定计算结果
本发明通过短路电流计算模块的循环计算来自动配置微电网的改进电流保护以及零序电流保护，循环次数由微电网的节点数N和支路数B决定，短路电流计算方案采用现有节点导纳矩阵计算短路电流计算方案，该算法可以运用到微电网规划软件，用于微电网的保护配置及整定计算。
本发明首次提出了针对微电网规划软件提出了一套保护自动配置的方案。该方案结合微电网的特点使用了含新能源节点的短路电流计算模块。在此基础上通过输入微电网基本的节点、支路信息通过短路电流模块的循环计算来自动配置保护的方案。新能源节点类型包括风机、太阳能、蓄电池等等。关于新能源节点在短路电流中的处理方法本专利不予讨论。
本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施案例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种基于微电网短路电流的保护装置,包括微电网及短路电流保护电路，该短路电流保护电路包括若干电流速断保护单元、分别设置在各分布式电源节点处，其特征在于：短路电流保护电路设置的若干电流速断保护单元，包括过流保护I段回路和过流保护II段回路；在短路电流保护电路中设有方向性电流保护单元，所述方向性电流保护单元设置在易产生动作的保护节点，主要由功率方向闭锁元件构成，用于消除电流速断保护单元中双侧电源或多侧电源电流保护的无选择动作，该功率方向闭锁元件在短路电流方向由母线流向线路时动作，开放电流保护；当短路电流方向由线路流向母线时不动作，闭锁电流保护，构成方向性电流保护，即形成改进电流保护；在短路电流保护电路中设有零序电流保护单元，该零序电流保护单元包括零序电流Ⅰ段速断保护、零序电流Ⅱ段保护和零序电流Ⅲ段保护；零序电流Ⅰ段速断保护具有躲开下级线路出口处单相或两相接地短路时出现的最大零序电流保护结构或躲开断路器三相出头不同时合闸时出现的最大零序电流保护结构；零序电流Ⅱ段保护具有相间短路限时电流速断保护结构，其启动电流首先考虑与下级线路的零序电流速断保护范围的末端相配合，并带有高出一个Δt的时限，以保证动作的选择性；零序电流Ⅲ段保护经电阻接地故障和相邻元件故障的后备保护，在躲过本线路末端变压器其他各侧不相短路最大不平衡电流的前提下，力争满足相邻线路末端故障时的灵敏系数要求。
2.根据权利要求1所述的一种基于微电网短路电流的保护装置，其特征在于：所述功率方向闭锁元件由功率方向继电器构成，所述短路电流保护电路包括电流继电器和时间继电器，以电流继电器为主要部件构成过流保护I段回路，以时间继电器为主要部件构成过流保护II段回路；由功率方向继电器、电流继电器、时间继电器组成微电网短路电流保护联动电路结构，即只有功率方向闭锁元件和电流元件都动作以后，才能去启动时间元件，再经过预定的延时动作后动作于跳闸。
3.根据权利要求2所述的一种基于微电网短路电流的保护装置，其特征在于：所述功率方向继电器是用以判别功率方向或测定电流、电压间相位角的继电器；故障的方向利用短路功率的方向判定，短路功率的方向取决于保护安装处电流、电压之间的相位关系。
4.一种基于微电网短路电流保护装置的配置方法，其特征在于包括如下步骤：
1)确定基本信息，包括节点信息和支路信息，节点信息是指节点数和节点类型；支路信息是指支路左右节点号、支路电阻和支路电抗；所述节点类型指是否接入发电机以及发电机组的类型；
2)根据改进电流Ι段保护的原理，计算每一条支路的短路电流Iij，循环变量为节点数N，从1到N计算每个节点的短路电流Ij，然后循环配置每条支路的左右节点的I段保护，循环变量为支路数B，找到支路变量B的左右节点号i,j，通过i,j找到对应节点短路的短路电流Ii和Ij，根据上述I段保护原理配置左右节点i,j的I段保护；
3)根据改进电流II段保护的原理，对支路变量B循环，在循环中找到相邻支路B1，根据步骤2)计算结果找到相邻支路B1的改进电流保护I段保护值，然后根据II段保护的计算原理乘以比例系数可求得改进电流保护II段保护值；
4)将短路类型设置为两相接地，使用的短路电流值是零序电流，零序电流I、II、III段保护的配置方法参考步骤2)、步骤3),其循环计算方法和改进电流I、II段保护完全相同；
5)循环计算结束，输出配置结果，包括过流保护的I,II段以及零序电流保护的I,II,III段。
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2013
- 2013-10-26 CN CN201310514429.8A patent/CN103532115B/zh active Active
Patent Citations (4)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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