CN103812095A - 含分布式电源配电网的方向纵联保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及配电网保护技术领域，特别是一种含分布式电源（DG）配电网的方向纵联保护方法，该方法在变电站母线和DG并网点安装PT，在电源之间的馈线上采用基于故障分量的方向纵联保护；通过提取的故障分量电压和电流构造能量函数来准确判别故障方向，实现对DG上游区域的保护；在DG并网点下游及相邻馈线上设置过电流保护，并配置相应的前加速或后加速重合闸。该方法不仅能够对含分布式电源配电网进行保护，而且方法简单，易于实现，使用效果好。

Description

含分布式电源配电网的方向纵联保护方法

技术领域

本发明涉及配电网保护技术领域，特别是一种含分布式电源配电网的方向纵联保护方法。

背景技术

高渗透率的分布式电源（DG）接入配电系统改变了传统辐射状配电网的网络结构，导致传统三段式电流保护发生拒动、误动或灵敏度降低等现象，而无法满足新型配电网对保护的要求。分布式电源接入到配电系统将使原来的单电源辐射网络变为双端或多端有源网络，使配电网的操作、保护和控制变得复杂，对原有配电系统的运行控制和供电可靠性也会造成一定影响。当大量分布式电源接入后，配电网馈线潮流方向可能会相应改变，故障的短路电流水平也将变化，传统的配电网保护面临着灵敏度降低、失去选择性甚至发生拒动和误动的可能。

为满足新型配电网对保护的要求，近年来本领域的国内外学者相继提出了多种保护方法：1、电流综合幅值比较方法，该方法的核心思想是通过比较电流综合幅值将故障范围缩小到一个故障搜索区域之间，然后利用该区域电流间的相位关系对故障线段进行定位。2、利用智能断路器的保护方法，该方法的核心思想是首先根据分布式电源的位置和其发电容量连同网络上的负载将配电网分成若干个区域。然后在两个相邻的区域之间安装可以接受远程信号且具有检同期功能、能够快速反复操作的断路器，由此实现孤岛运行与并网运行控制。3、基于PMU采样值的故障在线计算方法，核心思想是考虑分布式电源的随机性，不受分布式电源的容量、接入位置和数量的影响，基于PMU采样值的故障在线计算算法，需要大量实时信息的测量、处理和传输，对通信系统的要求较高。4、含分布式电源配电网的自适应保护方法，该方法的核心思想是根据系统的运行方式和网络的拓扑结构，对保护背侧网络进行等值变换，并利用支路贡献因子来消除分布式电源对各支路电流的影响，从而构造配电网自适应主保护和后备保护判据，增大了主保护和后备保护的保护范围。上述保护方法尽管能够实现对含分布式电源配电网的保护，但普遍存在方法复杂，实现困难等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含分布式电源配电网的方向纵联保护方法，该方法不仅能够对含分布式电源配电网进行保护，而且方法简单，易于实现，使用效果好。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种含分布式电源配电网的方向纵联保护方法，包括如下步骤：

步骤1：在变电站母线和分布式电源并网点设置电压互感器，在电源之间的线路上采用基于故障分量的方向纵联保护，所述电源之间的线路指系统电源与分布式电源并网点之间的馈线线路；

步骤2：以保护检测到的连续三个点的电流突变量是否越限作为故障起动条件，若越限则保护起动，随之提取故障分量电压和故障分量电流；

步骤3：利用故障分量电压和故障分量电流构造能量函数，并根据能量函数的特征判别故障方向；

步骤4：若系统电源与分布式电源之间的馈线是架空线路，则在靠近系统电源侧的保护配置重合闸功能，而在靠近分布式电源侧的保护配置检同期合闸功能；

步骤5：在分布式电源并网点下游线路及相邻馈线上设置过电流保护，并配置相应的前加速或后加速重合闸。

进一步的，在含分布式电源的馈线上即在系统电源与分布式电源之间的线路上，采用以故障后能量函数作为方向元件的纵联保护方案，实现对分布式电源上游区域的保护；纵联保护之间进行实时通讯。

进一步的，在步骤2中，提取故障分量电压和故障分量电流的方法为：分别提取故障前后一个周波的电压和电流，通过差分运算得到所述电压和电流的故障分量。

进一步的，在步骤3中，对故障分量电压和故障分量电流的乘积进行积分运算，构成能量函数Sm(t)；根据能量函数Sm(t)在一定间隔时间内的计算结果，按如下方法判别故障方向：

若Sm(t)=0，则判定为无故障，若Sm(t)>0，则判定为反向故障，若Sm(t)<0，则判定为正向故障。

进一步的，在步骤4中，分布式电源本身的保护动作时间高于接入点相邻两个保护一定的时间级差。

进一步的，在步骤5中，所述过电流保护是指常规配电网配置的三段式过电流保护。

本发明的有益效果是提供了一种基于故障分量的含分布式电源配电网的方向纵联保护方法，该方法解决了DG接入馈线后导致的传统过电流保护的灵敏性不足、拒动和误动问题，并克服了现有保护方法普遍存在的方法复杂、实现困难等缺陷，不仅能够对含分布式电源配电网进行保护，而且方法简单，易于实现，具有很强的实用性和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例中含单个DG的馈线不同位置发生故障的示意图。

图2是本发明实施例中含多个DG的馈线不同位置发生故障的示意图。

图3是本发明实施例中正方向故障时的故障附加状态示意图。

图4是本发明实施例中反方向故障时的故障附加状态示意图。

图5是本发明实施例中故障判别流程图。

图6是本发明实施例中配电网仿真模型图。

图7是本发明实施例中AC区段故障时的能量函数曲线图。

图8是本发明实施例中CE区段故障时的能量函数曲线图。

图9是本发明实施例中EG区段故障时的能量函数曲线图。

图10是本发明实施例中AH区段故障时的能量函数曲线图。

图11是本发明实施例中AC区段负荷剧烈变化时的能量函数曲线图。

图12是本发明方法的实现流程图。

具体实施方式

本发明含分布式电源配电网的方向纵联保护方法，如图12所示，包括如下步骤：

步骤1：在变电站母线和分布式电源并网点设置电压互感器，在电源之间的线路上采用基于故障分量的方向纵联保护，所述电源之间的线路指系统电源与分布式电源并网点之间的馈线线路；

步骤2：以保护检测到的连续三个点的电流突变量是否越限作为故障起动条件，若越限则保护起动，随之提取故障分量电压和故障分量电流；

步骤3：利用故障分量电压和故障分量电流构造能量函数，并根据能量函数的特征，判别故障方向；

步骤4：若系统电源与分布式电源之间的馈线是架空线路，则在靠近系统电源侧的保护配置重合闸功能，而在靠近分布式电源侧的保护配置检同期合闸功能；

步骤5：在分布式电源并网点下游线路及相邻馈线上设置过电流保护，并配置相应的前加速或后加速重合闸。

在含分布式电源的馈线上即在系统电源与分布式电源之间的线路上，采用以故障后能量函数作为方向原件的纵联保护方案，实现对分布式电源上游区域的保护；纵联保护之间通过光纤连接，进行实时通讯。

在步骤1中，方向纵联保护的步骤如下：

（1）单个DG通过馈线接入

如图1所示，若在馈线分段点C上接入DG，则分别位于断路器QF1和QF2处的保护1和2采用基于故障分量的方向纵联保护，且定义指向线路AC内部的功率方向为正。

①当故障发生在AC区段时，如图1中的F1点，保护1和2都检测到正向的故障，判定为区内故障，并断开相应的断路器QF1、QF2。保护1具备重合闸功能，保护2具有检同期合闸功能。若是瞬时性故障，保护1重合成功。若保护2检测到线路AC有电压，则启动检同期合闸。由于下游的保护3和相邻馈线的保护5没有流过故障电流，保护不会动作。若是永久性故障，保护1重合不成功，保护2也不会检同期合闸。

②当故障发生在CE区段时，如图1中的F2点，保护1和保护2检测到的故障方向相反，则识别为区外故障，两端保护均不动作。保护3和4都检测到电流越限，但二者有时间级差的配合，保护3动作切断故障电流。若为瞬时性故障，保护3重合成功，恢复对CE区段的供电；否则，QF3断开，将故障区段隔离。

③若故障发生在相邻的馈线AF上，如图1中的F3点，保护1、2检测到的故障方向为一正和一负，识别为区外故障，两端保护不会动作。保护5的电流速断保护动作，切断故障电流。若是瞬时性故障，保护5重合成功，恢复对馈线AF的供电；否则，隔离故障线路。

（2）多个DG通过馈线接入

当同一条馈线上接有两个或两个以上DG时，保护方案与一个DG接入时类似，在电源之间的线路上采用方向纵联保护。如图2所示：其中保护1、2和3、4分别采用纵联保护，保护5及相邻馈线AH的出口保护8仍采用过电流保护配置。当F3点或F4点故障时，根据纵联保护判别逻辑，保护1、2和3、4都判断为区外故障，都不会动作。若F1点发生故障，保护3和4检测到的故障方向相反，综合判断为线路CE的区外故障；但是保护1、2综合判断线路AC发生区内故障，断路器QF1和QF2均跳开，隔离故障区段；当F2点发生故障时，保护1、2综合判断为区外故障，而保护3、4识别为区内故障，QF3和QF4均跳开，切除故障线路。

在步骤2中，提取故障分量电压和故障分量电流的方法为：分别提取故障前后一个周波的电压、电流瞬时值，并通过差分运算得到所述电压和电流的故障分量。

在步骤3中，对故障分量电压和故障分量电流的乘积进行积分运算，构成能量函数Sm (t)；根据能量函数Sm (t)在一定间隔时间内（如10ms）的计算结果，按如下方法判别故障方向：若Sm (t)=0，则判定为无故障，若Sm (t)>0，则判定为反向故障，若Sm (t)<0，则判定为正向故障。

利用能量函数判别故障方向的基本原理是：

当系统发生故障时，根据叠加原理，电力系统可视为故障前的正常运行状态和故障附加状态的叠加。线路正向发生故障与反向故障时的故障附加状态图分别如图3、图4所示。其中，F为故障点，Pm、Pn为系统等效无源网路。Δu，Δi为检测点检测到的故障分量电压和故障分量电流。

故障附加状态是一个单激励网络，故障前系统初始值为零，故障瞬间(t=0时刻)相当于在故障点突然加上一个假想电源-uF(t)。定义能量函数Sm为故障分量电压和电流乘积的积分，即

 (1)

对于正方向故障，Sm(t)为-uF(t)向Pm提供的能量，设Spm(t)为Pm故障后所吸收的能量。考虑到Δi的参考方向为母线指向线路，则有：

Sm(t)=-SPm(t)  (2)

由于Pm是初始值为零的无源网络，它只吸收能量，有SPm(t)>0，所以Sm(t)<0。

对于反方向故障，对应的故障附加状态有能量关系：

Sm(t)=SL(t)+SPn(t)  (3)

式中，SL(t)、SPn(t)分别为线路和对侧系统Pn所吸收的能量，显然这里有Sm(t)>0。

同理，对于N端同样存在类似的能量函数Sn(t)，其满足正向故障时小于零，而反方向故障时大于零的特征。

所以对于能量函数Sm(t)有如下特征：

  (4)

能量函数在故障后一定时间内会一直保持明确的方向性，其大小按两倍于工频频率的趋势周期波动。将能量函数数字化之后，可得能量函数的算法为：

  (5)

  (6)

式中Δu(k)、Δi(k)是故障后电压和电流的突变量即故障分量，N为采样点数，T为额定周期。设故障起始时间为0，j是故障开始后的采样点数。M(j)是故障开始到前一个采样点（j-1）之间的能量函数绝对值的最大值。

积分时间可以选用工频半个周波，恰好是能量函数波动一个周期。当被保护馈线内部负荷剧烈变化时，能量函数的波形特征跟故障时类似，保护可能发生误判。为提高保护性能，设定能量函数的幅值门槛，根据M(j)与门槛值的大小关系作为判别依据。若M（j）小于门槛值，则判别为负荷发生变化，保护返回；否则，判别为故障，并利用式(4)，判定本侧故障方向。综合两侧的故障方向信息，最终判别故障发生在区内还是区外。

故障判别流程如图5所示，故障方向判别具体如下：

（1）系统初始化，采集PT、CT二次侧模拟量，每周波采集128个点，并持续判断是否满足故障启动条件，若连续3个点的电流突变量越限，则保护起动。

（2）获取故障前后各一个周波的采样数据，计算本侧故障电压分量、故障电流分量及能量函数，识别本侧故障方向，并将判别结果发至对侧保护。若识别为区外故障则继续采集数据；若判别为区内故障，则两侧保护均发出跳闸命令。

只要系统满足叠加原理，故障后能量函数在特定的时间内均保持明确的方向性，都能快速识别故障方向，并且不受暂态过程的影响。

在步骤4中，分布式电源本身的保护动作时间高于接入点相邻两个保护一定的时间级差。

在步骤5中，所述过电流保护是指常规配电网配置的三段式过电流保护。

下面通过仿真实施例对本发明作进一步说明。

利用PSCAD，搭建如图6所示的配电网仿真模型，馈线上接入两个分布式电源DG1和DG2，一个是微型同步发电机，一个是逆变型电源。容量分别为2.5MW和1MW。系统阻抗为0.014Ω，线路的正（负）序阻抗为Z1=(0.17+j0.34) Ω/km，正（负）序电纳为B1=1.67μS/km，零序阻抗为Z0=(0.42+j1.51)Ω/km，零序电纳为B0=1.52μS/km。馈线AH上的负荷为3MVA，馈线AG上的总负荷为6.9MVA。

图6中AG和AH是由变电站10kV母线引出的两条馈线；QF1~QF8，是对应的断路器；IB1~IB8是各开关处保护检测到的电流。规定电流的正方向为两侧保护指向被保护线路。各段线路长度如表1所示，正常运行时流过各保护处的负荷电流IB1~IB8如表2所示：

假定保护1~4对应的能量函数分别为SB1~SB4，对系统进行仿真运算，其仿真结果如下：

①当AC区段发生两相故障时，保护1、2处检测到SB1、SB2的波形分别如图7(a)所示；保护3、4处检测到SB3、SB4的波形如图7(b)所示。由图中可以看出，SB1和SB2的方向均为负，则保护1和2均判定为正方向发生故障，最终识别为区内故障；而图7(b)中的SB3为正，SB4为负，则保护3判定为反方向故障，保护4判定为正方向故障，最终识别为区外故障，识别结果正确。

②当CE区段发生两相故障时，其相应的能量函数波形分别如图8(a)、8(b)所示。保护3、4根据检测到的能量函数波形，都判定为正方向故障，综合两侧结果最终识别为区内故障；保护1判定为正方向故障，保护2判定为反方向故障，最终识别为区外故障。即使保护6和保护7电流越限，但是由于时间级差的配合，保护可靠不动。

③当EG区段发生故障时，其相应的能量函数波形分别如图9(a)、9(b)所示。根据检测到的能量函数波形，保护3判定为正方向故障，保护4判定为反方向故障，综合判定为区外故障；同时保护1判定为正方向故障，保护2判定为反方向故障，综合判别为区外故障。

④当AH段发生故障时，保护1、2处和3、4处检测到的能量函数波形，分别如图10(a)、10(b)所示。根据检测到的能量函数波形，保护1判定为反方向故障，保护2判定为正方向故障，综合判别为区外故障；保护3判定为反方向故障，保护4判定为正方向故障，最终识别为区外故障，保护1~4均可靠不动。

⑤当AC段负荷有剧烈变化，最极端的状态是AC区段所有的负荷都瞬间切除，保护1、2检测到的能量函数波形如图11(b)所示，该图显示能量函数均为负，若无其它措施，则纵联保护将误判为内部故障。图11(a)给出了该馈线内部故障时的波形，对比图11(b)和(a)可知，尽管两图的能量函数波形变化趋势相同，但是幅值有很大差别，负荷变化时能量函数的幅值约为其区内故障时波形幅值的千分之一左右。由此，可以通过添加门槛值来消除内部负荷变化对故障判别的影响，由于积分时间为10ms，能量函数恰好波动一个周期，在这段时间内总存在一个能量函数的最大值M(j)，设定门槛值为其最大负荷变化时测量值的20倍，从而保证保护的选择性与可靠性。而对于纵联保护区域外的负荷变化，对纵联保护的正确判别没有任何影响。

通过①~⑤的仿真分析可知，当DG的上游区域发生故障时，保护均能正确识别故障方向，实现故障的识别与隔离。若DG都退出电网时，需要将保护自动调整为原来的单电源辐射式的保护方案。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种含分布式电源配电网的方向纵联保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在变电站母线和分布式电源并网点设置电压互感器，在电源之间的线路上采用基于故障分量的方向纵联保护，所述电源之间的线路指系统电源与分布式电源并网点之间的馈线线路；

步骤2：以保护检测到的连续三个点的电流突变量是否越限作为故障起动条件，若越限则保护起动，随之提取故障分量电压和故障分量电流；

步骤3：利用故障分量电压和故障分量电流构造能量函数，并根据能量函数的特征判别故障方向；

步骤4：若系统电源与分布式电源之间的馈线是架空线路，则在靠近系统电源侧的保护配置重合闸功能，而在靠近分布式电源侧的保护配置检同期合闸功能；

步骤5：在分布式电源并网点下游线路及相邻馈线上设置过电流保护，并配置相应的前加速或后加速重合闸。

2.根据权利要求1所述的含分布式电源配电网的方向纵联保护方法，其特征在于，在含分布式电源的馈线上即在系统电源与分布式电源之间的线路上，采用以故障后能量函数作为方向元件的纵联保护方案，实现对分布式电源上游区域的保护；纵联保护之间进行实时通讯。

3.根据权利要求1所述的含分布式电源配电网的方向纵联保护方法，其特征在于，在步骤2中，提取故障分量电压和故障分量电流的方法为：分别提取故障前后一个周波的电压和电流，通过差分运算得到所述电压和电流的故障分量。

4.根据权利要求1所述的含分布式电源配电网的方向纵联保护方法，其特征在于，在步骤3中，对故障分量电压和故障分量电流的乘积进行积分运算，构成能量函数Sm(t)；根据能量函数Sm(t)在一定间隔时间内的计算结果，按如下方法判别故障方向：

若Sm(t)=0，则判定为无故障，若Sm(t)>0，则判定为反向故障，若Sm(t)<0，则判定为正向故障。

5.根据权利要求1所述的含分布式电源配电网的方向纵联保护方法，其特征在于，在步骤4中，分布式电源本身的保护动作时间高于接入点相邻两个保护一定的时间级差。

6.根据权利要求1所述的含分布式电源配电网的方向纵联保护方法，其特征在于，在步骤5中，所述过电流保护是指常规配电网配置的三段式过电流保护。

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