CN103580008B - 一种基于预估信息的配电网自适应电流保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配电网继电保护技术的保护方法，具体涉及一种基于预估信息的配电网自适应电流保护方法。该方法包括下述步骤：（1）确定配电网分布式光伏电源接入点的功率变化曲线；（2）确定分布式光伏电源的故障电流变化曲线；（3）确定配电网电流保护定值曲线；（4）将配电网保护定值传输至保护装置中，使其在配电网发生故障时正确动作。本发明能自适应分布式光伏功率变动引起故障电流变化对保护的影响，提高了配电网电流保护动作的准确性，从而可改进提高保护动作可靠性。

Description

一种基于预估信息的配电网自适应电流保护方法

技术领域

本发明涉及一种配电网继电保护技术的保护方法，具体涉及一种基于预估信息的配电网自适应电流保护方法。

背景技术

对于含分布式光伏电源（DG）的配电系统，由于其电源出力的随机性，将导致传统电流保护的定值难以整定。现有方法主要有限制分布式电源接入规模或禁止倒送电流以及采用基于光纤等通讯信道的纵联保护等方法（如光纤纵联差动保护）实现。第一种方法早期应用较多，但不符合国家支持分布式电源接入配电网的政策；第二种方法需大规模改造配网，成本高，只在分布式电源专线接入等特殊情况下适用。在未对配电网进行大规模改造的条件下，只有考虑分布式光伏电源输出功率与故障电流的关系，同时结合配电网结构参数分析其对上下游线路电流的影响，才能研究出分布式光伏电源接入后的配电网自适应电流保护。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于预估信息的配电网自适应电流保护方法，该方法通过跟随分布式电源发出的功率对传统的电流保护整定定值进行了调整，保证了含分布式电源接入的配电系统故障的可靠切除。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种基于预估信息的配电网自适应电流保护方法，其改进之处在于，所述方法用的配电网系统包括调控中心、变电站、通讯信道和保护装置；所述调度中心与变电站连接；所述变电站通过通讯信道将保护定值信息下传到保护装置中；所述保护装置通过通讯信道将配电网的参数信息上送至变电站；

所述预估信息包括分布式光伏电源接入点的功率变化、分布式光伏电源的故障电流变化和配电网电流保护定值；

所述方法包括下述步骤：

（1）确定配电网分布式光伏电源接入点的功率变化曲线；

（2）确定分布式光伏电源的故障电流变化曲线；

（3）确定配电网电流保护定值曲线；

（4）将配电网保护定值传输至保护装置中，使其在配电网发生故障时正确动作。

进一步地，所述调控中心包括地区调控中心和县级调控中心。

进一步地，所述步骤（1）中，所述地区调控中心或县级调控中心获取本地区的天气情况，绘制出一时段内的日照信息曲线图，结合本地区的分布式光伏电源接入情况，确定配电网各分布式光伏电源接入点的功率变化曲线。

所述一时间段根据天气预报精度决定时段长短。

进一步地，所述步骤（2）中，当配电网线路发生故障后，分布式光伏电源提供的故障受最大功率和最大输出电流限制，并同时满足分布式电源接入电网条件，分布式光伏电源限制条件和分布式电源接入电网的条件分别用下述表达式表示：

$\left\{\begin{array}{c}20\%U_N\&le;U\&le;85\%U_N\\ I_{\mathrm{IIDG}}\&le;1.5I_{\mathrm{IIDG}-N}\\ P_{\mathrm{IIDG}-\mathrm{OUT}}\&le;P_{\mathrm{IIDG}-N}\end{array}\right.---<1>;$

$\left\{\begin{array}{c}U<20\%U_N\\ I_{\mathrm{IIDG}}=0\end{array}\right.---<2>;$

根据步骤（1）预估得到的功率变化曲线和逆变器的故障特性限制，结合地区实际天气和分布式光伏电源的接入情况进行计算，计算故障发生后分布式光伏电源在不同时段的故障电流变化曲线。

进一步地，分布式光伏电源提供的故障电流满足下式：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{fDG}}\&le;S_{\mathrm{DG}}/U\\ I_{\mathrm{fDG}}\&le;1.5I_{\mathrm{DGN}}\end{array}\right.---<3>;$

式中，I_fs，I_DGN，S_DG和U分别表示分布式光伏电源提供的故障电流，分布式光伏电源提供的额定电流，分布式光伏电源的功率和分布式光伏电源接入点的线路电压；其中，第一个不等式表示距接入点较远处（对应于分布式电源接入点的线路电压高于额定电压的66.7%）发生故障分布式电源提供的故障电流，第二个不等式表示距接入点较近处（对应于分布式电源接入点的线路电压为额定电压的20%至66.7%之间）发生故障时分布式电源提供的故障电流。

进一步地，所述步骤（3）中，在地区调控中心或县级调控中心获取本地变电站参数、配电网系统参数和线路参数后，结合某时刻分布式光伏电源的故障电流变化曲线，得到此时刻的配电网电流保护的定值；结合分布式光伏电源在不同时段的故障电流变化曲线，确定不同时刻的配电网电流保护定值曲线。

进一步地，所述步骤（4）中，将地区调控中心或县级调控中心计算得到的配电网电流保护的定值通过通讯信道载入保护装置，使得保护装置具有自适应分布式电源功率变化的配电网电流保护定值，使其能在故障发生时正确动作；

所述保护装置为具有远方定值调整功能的微机保护装置。

进一步地，所述通讯信道包括光纤通讯、公共通讯和线路载波通讯。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明提供的基于预估信息的配电网自适应电流保护方法，通过光伏电源日照和输出功率的关系，结合天气预测预估出分布式光伏电源的近期功率曲线，依据分布式光伏电源的输出功率和供给故障电流的关系，预先调整配电网电流保护定值门槛，从而实现配电网自适应电流保护。其中，未接入分布式光伏电源时或日照强度为零时，网络等值化简方法得到系统参数，同时利用常规配电网阶段式电流保护的整定方法进行定值整定；在分布式电源接入后并提供电流时，根据分布式电源接入电网的相关规定，在故障发生前，分析出分布式光伏电源对下游故障线路的助增影响及对上游线路的助减影响，提前调整电流定值的门槛，保证其接入配电网后电流保护灵敏性要求。本发明能自适应分布式光伏功率变动引起故障电流变化对保护的影响，提高了配电网电流保护动作的准确性，从而可改进提高保护动作可靠性。

2、本发明提供的基于预估信息的配电网自适应电流保护方法，该方法所能产生的积极效果是因为考虑了分布式光伏电源的故障特性，且能够通过预估实现对其故障电流的计算；其次，本发明能够快速的切除故障，可以减轻短路配电网的影响；最后，本发明避免了对配电网的大规模改造，借助现有通讯设施就能使其电流保护达到较好的性能，可行性强且节省投资，在工程实践中具有很强的实用性。

附图说明

图1是本发明提供的基于预估信息的配电网自适应电流保护方法的流程图；

图2是本发明提供的配电网信息流构成图；

图3是本发明提供的配电网模型图；

图4是本发明提供的配电网模型等值图；

图5是本发明提供的配电网电源提供故障电流的示意图；

图6是本发明提供的分布式电源提供故障电流的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明针对分布式电源给配电网传统电流保护带来的影响，提供一种基于预估信息的配电网自适应电流保护方法，通过跟随分布式电源发出的功率对传统的电流保护整定定值进行了调整，保证了含分布式电源接入的配电系统故障的可靠切除。

本发明提供的基于预估信息的配电网自适应电流保护方法，该方法用的配电网系统构成图如图2所示，包括调控中心、变电站、通讯信道和保护装置；所述调度中心与变电站连接；所述变电站通过通讯信道将保护定值信息下传到保护装置中；所述保护装置通过通讯信道将配电网的参数信息上送至变电站；调控中心包括地区调控中心和县级调控中心，通讯信道包括光纤通讯、公共通讯和线路载波通讯。

所述预估信息包括分布式光伏电源接入点的功率变化、分布式光伏电源的故障电流变化和配电网电流保护定值；

该方法的流程图如图1所示，包括下述步骤：

（1）确定配电网分布式光伏电源接入点的功率变化曲线：地区或者县级调控中心获取本地区的天气情况，据此绘制出某一时段内（可根据天气预报精度决定时段长短）的日照情况和温度信息，结合本地区安装的分布式光伏电源情况，可预估出配电网各分布式光伏接入点的功率曲线变化图。

（2）确定分布式光伏电源的故障电流变化曲线：线路发生故障后，分布式光伏电源提供的故障特征在于，受最大功率和最大输出电流限制，并同时满足分布式电源接入电网的相关技术规定。结合步骤（1）预估得到的功率曲线和逆变器的故障特性限制，可求得故障发生后，分布式光伏电源在不同时段的故障电流变化曲线。

分布式光伏电源限制条件和分布式电源接入电网条件分别用下述表达式表示：

$\left\{\begin{array}{c}20\%U_N\&le;U\&le;85\%U_N\\ I_{\mathrm{IIDG}}\&le;1.5I_{\mathrm{IIDG}-N}\\ P_{\mathrm{IIDG}-\mathrm{OUT}}\&le;P_{\mathrm{IIDG}-N}\end{array}\right.---<1>;$

$\left\{\begin{array}{c}U<20\%U_N\\ I_{\mathrm{IIDG}}=0\end{array}\right.---<2>;$

分布式光伏电源提供的故障电流满足下式：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{fDG}}\&le;S_{\mathrm{DG}}/U\\ I_{\mathrm{fDG}}\&le;1.5I_{\mathrm{DGN}}\end{array}\right.---<3>;$

式中，I_fs，I_DGN，S_DG和U分别表示分布式光伏电源提供的故障电流，分布式光伏电源提供的额定电流，分布式光伏电源的功率和分布式光伏电源接入点的线路电压；其中，第一个不等式表示距接入点较远处（对应于分布式电源接入点的线路电压高于额定电压的66.7%）发生故障分布式电源提供的故障电流，第二个不等式表示距接入点较近处（对应于分布式电源接入点的线路电压在额定电压的20%至66.7%之间）发生故障时分布式电源提供的故障电流。

（3）确定配电网电流保护定值曲线：在县级或地区调控中心获取了本地变电站及配电网的系统参数和线路相关参数后，结合某时刻的分布式光伏的故障电流变化曲线，可得此时刻的配电网电流保护的定值。依次类推，结合分布式光伏电源在不同时段的故障电流变化曲线，可计算出不同时刻的配电网电流保护的定值曲线。

（4）将配电网保护定值传输至保护装置中，使其在配电网发生故障时正确动作：将调控中心计算得到的配电网电流保护的定值通过通讯信道载入本地保护装置，从而使得本地保护装置具有自适应分布式电源功率变化的电流保护定值，使其能在故障发生时正确动作。

实施例

1、如图2所示为系统信息流构成图，调控中心从当地气象单位获取未来时间段的一段气象信息（可根据预报精度决定时段长短），尤其是日照强度信息和温度信息，并绘制未来时间段的日照曲线。结合本地区安装的分布式光伏电源情况，可预估出配电网各分布式光伏接入点的功率曲线变化图。

假设日照曲线某时刻的强度为Mkw/㎡，光电转换效率为12%，则1㎡的光伏电源的功率为12%Mkw。本地区某配电网接入点安装的分布式光伏面积为S平米，则输出功率为12%MSkw。其他时刻的输出功率由此类推。据此，可由地区日照曲线得到配电网各分布式光伏接入点的功率曲线变化图。

2、线路发生故障后，由于分布式光伏电源受输出功率和逆变器容量的限制，其输出故障电流可认为在最严重故障情况下不超过额定电流的1.5倍，在故障分析过程中以电流源进行替代。考虑严重情况，即分布式光伏电源提供的故障电流满足式<3>。在不同时段，分布式电源提供的故障电流需满足这个公式。从而可得到，分布式光伏电源在不同时段的故障电流变化曲线。

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{fDG}}\&le;S_{\mathrm{DG}}/U\\ I_{\mathrm{fDG}}\&le;1.5I_{\mathrm{DGN}}\end{array}\right.---<3>;$

式中，I_fs，I_DGN，S_DG，U分别表示分布式光伏电源提供的故障电流，分布式光伏电源提供的额定电流，分布式光伏电源的功率，分布式光伏电源接入点的线路电压。其中，第一个不等式表示距接入点较远处发生故障分布式电源提供的故障电流，第二个不等式表示距接入点较近处发生故障时分布式电源提供的故障电流。

3、在县级或地区调控中心获取了本地变电站及配电网的系统参数和线路相关参数后，结合某时刻的分布式光伏的故障电流变化曲线，可得此时刻的配电网电流保护的定值。依次类推，结合分布式光伏电源在不同时段的故障电流变化曲线，可计算出不同时刻的配电网电流保护的定值曲线。

具体计算过程为，如图3所示为配电网模型图，多个分布式光伏电源（图中以DG表示）接入配电网中。线路中黑色矩形表示开关，且具备电流测量功能；线路中白色矩形为线路等值阻抗。E_S和Z_S分别为系统电源的电压和阻抗等值参数，线路参数和负荷如图4所示。符号S带有不同下标表示不同地点的负荷。例中的数值均已折算成标幺值。

以馈线末端发生故障为例进行分析：

因此，对于馈线末端I+1流过的故障电流为所有分布式光伏电源的故障电流与系统提供的故障电流之和；而对于系统母线的馈线AB流过的故障电流，也需考虑所有分布式光伏电源提供的故障电流对其上游线路的影响，如图4所示。而电流源之间未分流，因此，根据叠加定理，可将系统电源和所有分布式光伏电源分成两部分叠加求取每段线路流过的故障电流，如图5和图6所示。图5为配网中只有系统电源提供故障电流的示意图，图6为仅分布式光伏电源提供故障电流的示意图。

而图5中故障电流的计算：

I_fs=E_S/Z_Σ<4>；

式中：E_S和Z_Σ分别表示为系统电源电压和线路总阻抗。

其中，Z_Σ=Z_S+Z_AB+Z_BI-1+Z_I-1I+Z_II+1；

式中：Z_AB为馈线AB的等值阻抗、Z_BI-1、Z_I-1I、Z_II+1分别表示馈线BI-1、馈线I-1I、馈线II+1的等值阻抗。

而图6中分布式光伏电源给下游线路提供的故障电流的计算：

I_ΣfDG=I_fDG1+I_fDGI-1+I_fDGI<5>；

式中：I_fDG1、I_fDGI-1、I_fDGI分别表示分布式电源DG₁、DG_I-1、DG_I给下游提供的故障电流；分布式光伏电源给上游线路提供的故障电流的计算：

I'_ΣfDG=I'_fDG1+I'_fDGI-1+I'_fDGI<6>；

式中：I'_fDG1、I'_fDGI-1、I'_fDGI分别表示分布式光伏电源DG₁、DG_I-1、DG_I给上游提供的故障电流；

其中，第I个分布式光伏电源给下游线路提供的故障电流为：

$I_{\mathrm{fDGI}}=\frac{Z_S+Z_{\mathrm{AB}}+Z_{\mathrm{BI}-1}+Z_{I-1I}}{Z_{\mathrm{\&Sigma;}}}1.5I_{\mathrm{DGI}}---<7>;$

第I个分布式光伏电源给上游线路提供的故障电流为：

$I_{\mathrm{fDGI}}^{\&prime;}=\frac{Z_{\mathrm{II}+1}}{Z_{\mathrm{\&Sigma;}}}1.5I_{\mathrm{DGI}}---<8>;$

其他分布式电源提供的故障电流推导公式类似。

则K发生故障时馈线末端流过的故障电流为：

I_fK=I_fs+I_ΣfDG<9>；

则馈线末端K发生故障时馈线出口线路流过的故障电流为：

I'_fK=I_fs-I'_ΣfDG<10>；

通过上述推导，可计算出馈线末端发生故障时，馈线出口和末端的故障电流值。馈线中间段发生故障时，其上下游的故障电流值可经类似推导计算。

由式<9>可得在计及分布式光伏接入对配电网的影响后，馈线末端本线路的保护定值可整定为：

I_dz=K_mI_fK<11>；

其中，K_m为保护灵敏系数，一般取1.2～1.3。由于分布式光伏电源的功率变化，尤其在线路夜间发生故障时，不提供短路故障电流，因此，求出了电流保护定值为随时间变化的定值曲线。其他定值整定，如限时电流保护定值，与此类似。

4、将调控中心计算得到的配电网电流保护的定值单经通讯信道载入本地保护装置，从而使得本地保护装置具有自适应分布式电源功率变化的电流保护定值，使其能在故障发生时正确动作。

本发明能自适应分布式光伏功率变动引起故障电流变化对保护的影响，提高了配电网电流保护动作的准确性，从而可改进提高保护动作可靠性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于预估信息的配电网自适应电流保护方法，其特征在于，所述方法用的配电网系统包括调控中心、变电站、通讯信道和保护装置；所述调控中心与变电站连接；所述变电站通过通讯信道将保护定值信息下传到保护装置中；所述保护装置通过通讯信道将配电网的参数信息上送至变电站；

所述预估信息包括分布式光伏电源接入点的功率变化、分布式光伏电源的故障电流变化和配电网电流保护定值；

所述方法包括下述步骤：

(1)确定配电网分布式光伏电源接入点的功率变化曲线；

(2)确定分布式光伏电源的故障电流变化曲线；

(3)确定配电网电流保护定值曲线；

(4)将配电网保护定值传输至保护装置中，使其在配电网发生故障时正确动作。

2.如权利要求1所述的配电网自适应电流保护方法，其特征在于，所述调控中心包括地区调控中心和县级调控中心。

3.如权利要求2所述的配电网自适应电流保护方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述地区调控中心或县级调控中心获取本地区的天气情况，绘制出一时段内的日照信息曲线图，结合本地区的分布式光伏电源接入情况，确定配电网各分布式光伏电源接入点的功率变化曲线；

所述一时段根据天气预报精度决定时段长短。

4.如权利要求1所述的配电网自适应电流保护方法，其特征在于，所述步骤(2)中，当配电网线路发生故障后，分布式光伏电源提供的故障受最大功率和最大输出电流限制，并同时满足分布式电源接入电网条件，分布式光伏电源限制条件和分布式光伏电源接入电网的条件分别用下述表达式表示：

$\{\begin{array}{c}20{\mathrm{\%U}}_N\&le;U\&le;85{\mathrm{\%U}}_N\\ I_{IIDG}\&le;1.5I_{IIDG-N}\\ P_{IIDG-OUT}\&le;P_{IIDG-N}\end{array}---<1>;$

$\{\begin{array}{c}U<20{\mathrm{\%U}}_N\\ I_{IIDG}=0\end{array}---<2>;$

其中：U表示分布式光伏电源接入点的线路电压；U_N表示分布式光伏电源接入点的额定电压；I_IIDG表示分布式光伏电源的输出电流；I_IIDG-N表示表示分布式光伏电源的额定电流；P_IIDG-OUT表示分布式光伏电源的输出功率；P_IIDG-N表示分布式光伏电源的额定功率；

根据步骤(1)预估得到的功率变化曲线和逆变器的故障特性限制，结合地区实际天气和分布式光伏电源的接入情况进行计算，计算故障发生后分布式光伏电源在不同时段的故障电流变化曲线。

5.如权利要求4所述的配电网自适应电流保护方法，其特征在于，分布式光伏电源提供的故障电流满足下式：

$\{\begin{array}{c}{I}_{fDG}\&le;S_{DG}/U\\ I_{fDG}\&le;1.5I_{DGN}\end{array}---<3>;$

式中，I_fDG,I_DGN,S_DG和U分别表示分布式光伏电源提供的故障电流，分布式光伏电源提供的额定电流，分布式光伏电源的功率和分布式光伏电源接入点的线路电压；其中，第一个不等式表示距接入点较远处发生故障分布式光伏电源提供的故障电流，第二个不等式表示距接入点较近处发生故障时分布式光伏电源提供的故障电流。

6.如权利要求1所述的配电网自适应电流保护方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在地区调控中心或县级调控中心获取本地变电站参数、配电网系统参数和线路参数后，结合某时刻分布式光伏电源的故障电流变化曲线，得到此时刻的配电网电流保护的定值；结合分布式光伏电源在不同时段的故障电流变化曲线，确定不同时刻的配电网电流保护定值曲线。

7.如权利要求1所述的配电网自适应电流保护方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将地区调控中心或县级调控中心计算得到的配电网电流保护的定值通过通讯信道载入保护装置，使得保护装置具有自适应分布式电源功率变化的配电网电流保护定值，使其能在故障发生时正确动作；

所述保护装置为具有远方定值调整功能的微机保护装置。

8.如权利要求1所述的配电网自适应电流保护方法，其特征在于，所述通讯信道包括光纤通讯、公共通讯和线路载波通讯。