CN104078956A - 适用于含分布式电源的配电网的自适应电流速断保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于含分布式电源的配电网的自适应电流速断保护方法，以消除分布式电源带来的等效阻抗波动问题。本发明首先根据所保护线路参数、期望保护范围和实时本地电压和电流量得到保护背侧系统的等效电势和等效阻抗参数，再据此实现对保护装置的动作电流实时整定，最后通过比较实时整定的动作电流值和实时测量的电流值的大小关系来决定保护是否动作。本发明方法充分考虑了分布式电源的波动性和随机性对配电网的影响，实现了对含分布式电源配电网的良好的适应性。

Description

适用于含分布式电源的配电网的自适应电流速断保护方法

技术领域

本发明涉及一种自适应电流速断保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

随着能源与环境问题的日益突出以及新能源发电技术的不断发展，大量的分布式电源开始接入配电网，并且接入的容量越来越大。分布式电源的接入改变了传统配电网单电源辐射型的结构，也改变了配电网的运行方式和故障水平。这对传统的配电网电流速断保护提出了严峻的挑战。

传统的自适应电流速断保护根据保护处实测的电压和电流及其所保护线路阻抗来进行保护实时整定，该方法对传统配电网有良好的保护效果，但当分布式电源接入配电网后，系统背侧等效阻抗发生较大波动，会使系统保护效果受到影响。

目前，为了应对上述分布式电源带来的问题，现有技术对于传统自适应电流速断保护进行改进的思路是：根据故障类型及其当前系统的运行状态，对配电网和分布式电源分别进行建模，计算出所保护线路末端短路时配电网系统和分布式电源各自提供的短路电流，然后按照传统的自适应电流速断保护方法进行整定。其主要目的是为了排除分布式电源的接入对保护整定值的影响。目前，为了在现有的保护配置的基础上，只改进传统保护装置的软件，使方案更经济、可行，但是这种方案仍存在一个关键的问题尚未解决：如何在不借助通信系统的前提下，进行实时在线的整定，从而达到更好的保护效果。因此，有必要对传统的配电网电流速断保护理论进行改进和发展，解决目前这种方案存在的问题。

发明内容

为了消除分布式电源带来的等效阻抗波动，更好地解决电流速断保护的保护效果受分布式电源波动影响较大的问题，本发明提供了一种适用于含分布式电源的配电网的自适应电流速断保护方法，根据保护实时测量的本地信息对电流速断保护进行在线整定。一方面根据实时测量的电气量进行实时在线整定，以消除分布式电源波动性和随机性对保护性能的影响；另一方面只需要测量本地信息，不需要借助通信系统。

本发明的核心思想是：首先根据实测的保护处电压、电流及其保护段线路阻抗值，对保护背侧系统(保护背侧系统可以是含分布式电源的配电网系统)进行整体建模；然后，根据保护背侧系统的等效模型，对电流速断保护的动作电流进行实时在线的整定；最后，电流速断保护装置根据上述两个步骤中实测的电流值和实时整定的动作电流值的大小关系来判断是否动作。

本发明的具体方案如下：

(1)建立保护背侧系统的等效模型(保护背侧系统可以是含分布式电源的配电网系统)；

1)等效模型结构

本发明中保护背侧系统采用的等效模型结构为电压源串联阻抗的模型(即等效戴维南模型)。其特点在于等效阻抗参数是离线确定的，消除了分布式电源接入配电网后引起的传统配电网模型中等效阻抗参数波动的问题，大大改善了保护效果；

2)等效模型参数确定

确定等效阻抗Z_E：根据所保护线路的阻抗参数Z_L及其期望的保护范围β₀来离线地确定等效阻抗Z_E，其计算公式如(a)；其中，K_ref为可靠系数，其值一般取1.2～1.3；

$Z_E=Z_L\frac{1-K_{\mathrm{ref}}{\mathrm{\β}}_0}{K_{\mathrm{ref}}-1}---\left(a\right)$

确定等效电势E：根据保护所测得的保护处电压U_A、电流I_f及其保护背侧系统等效阻抗Z_E来确定等效电势E，其计算公式如(b)：

E＝U_A+I_fZ_E               (b)

(2)动作电流I_ref整定

根据得到的实时的保护背侧系统的等效模型，然后按照避开所保护线路末端发生相同类型故障时的故障电流的原则，对保护动作电流值I_ref进行整定，整定公式如(c)，其中，K_d为故障类型系数；

$I_{\mathrm{ref}}=\frac{K_{\mathrm{ref}}{K}_{d}E}{Z_L+Z_E}---\left(c\right)$

(3)根据实测电流值I_f和步骤(2)中实时整定的保护动作电流值I_ref之间的大小关系，来确定保护装置是否动作，即：若I_f大于等于I_ref，则保护动作；若否，则保护不动作。

本发明中保护效果不受分布式电源出力的影响的理论说明：

当电网发生短路时，实际的短路电流I_f可根据等效电势E、等效阻抗Z_E和故障点距保护处的距离占所保护线路长度的比例β来计算，由电路原理其计算公式如(d)：

$I_f=\frac{K_{d}E}{{\mathrm{\βZ}}_L+Z_E}---\left(d\right)$

若保护动作，则满足|I_ref|≤|I_f|，即

$\left|\frac{K_{\mathrm{ref}}{K}_{d}E}{Z_L+Z_E}\right|\≤\left|\frac{K_{d}E}{{\mathrm{\βZ}}_L+Z_E}\right|---\left(e\right)$

由(e)式得到

$\mathrm{\β}\≤(\frac{1}{K_{\mathrm{ref}}}-1)\frac{Z_E}{Z_L}+\frac{1}{K_{\mathrm{ref}}}---\left(f\right)$

将(a)式带入(f)式得到

β≤β₀             (g)

从(g)式得出，在保护范围内保护可靠动作，在保护范围外保护可靠不动作；本发明中保护范围不受分布式电源实时出力的影响，故可以排除分布式电源类型的不确定性，及其出力的随机性和波动性的影响。

通过采用上述技术方案，本发明能够取得如下的技术效果：

(1)不受分布式电源类型、控制方法及其出力的影响

在故障情况下，分布式电源的类型、控制方法及其出力的不同主要体现在提供故障电流的大小不同。该方法根据故障时保护处所测得的实时电气量进行在线整定，所用的模型可以实时地反应出分布式电源的电流变化；另外保护背侧系统等效阻抗参数离线选定，不受分布式电源波动性和随机性的影响，克服了传统自适应电流速断保护的缺点，所以该方法不受分布式电源的类型、控制方法和出力的影响。

(2)不受故障的类型的影响

该方法与传统自适应电流速断保护类似，通过故障类型系数来区别不同类型的故障，所以该保护方法不受故障类型的影响。

(3)本发明方法既适用于传统的配电网，也适用于接入分布式电源的配电网保护

传统的自适应电流保护是本保护方法在Z_E＝Z_S时的一个特例(Z_S为传统方法得到的等效阻抗，在传统配电网中为由背侧系统决定)，本发明方法是传统方法的延伸和发展，所以也适用于传统的配电网保护。

(4)不需要借助通信系统，只需要采用本地信息实现保护方法

本发明方法充分考虑了不同类型的分布式电源接入配电网后，其出力的波动性、随机性的影响，提高了对含分布式电源配电网的适应性；而且在不借助通信的情况下，只利用本地测量的信息便能进行实时在线的整定，只需要对传统自适应电流速断保护进行软件修改，具有良好的经济性和可行性。

附图说明

图1是按照本发明方法建立的保护背侧的配电网系统的等效模型示意图。

图2为本发明方法的工作流程示意图。

图3为本发明实施例的某10kV中性点不接地配电网示意图。

图4为在图3中距保护1处60％的CE长度处发生三相接地短路情况下，当DG为逆变型分布式电源时，保护1的动作特性曲线图。

图5为在图3中距保护1处60％的CE长度处发生三相接地短路情况下，当DG为传统旋转型分布式电源时，保护1的动作特性曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

按照本发明建立的保护背侧的配电网系统的等效模型如图1所示，本发明的工作流程如图2所示。

图3为某10kV中性点不接地配电网，系统基准容量为500MVA,基准电压为10.5kV。对于AB、BC段线路,其参数为x1＝0.347ohm/km,r1＝0.27ohm/km；CE段参数为x2＝0.093ohm/km,r2＝0.259ohm/km,CE段线路长度L_CE＝21km。馈线1处分别接额定容量为6MVA、额定功率因数为0.85的负荷。分布式电源接在C母线上，其额定容量为50MVA，采用PQ控制方式。利用PSCAD软件进行仿真。

附图3中的保护1，按照图2中的整定过程如下：

(1)建立保护背侧系统的等效模型(保护背侧系统可以是含分布式电源的配电网系统)；

1)等效模型结构

图3中，保护1背侧系统(包括传统电源S、分布式电源DG、线路AB和BC)的等效模型结构为电压源串联阻抗的模型，等效后系统模型如图1所示。其特点在于等效阻抗Z_E参数为离线确定的，消除了分布式电源接入配电网后引起的传统配电网模型中等效阻抗参数波动的问题，大大改善了保护效果。

2)等效模型参数确定

确定等效阻抗Z_E：假设保护1期望的保护范围为β₀＝75.0％的CE长度，取可靠系数K_ref＝1.2，根据CE段线路阻抗值为Z_L＝5.8′Ω，取等效阻抗Z_E的阻抗角和Z_L阻抗角相等。等效阻抗

$Z_E=Z_L\frac{1-K_{\mathrm{ref}}{\mathrm{\β}}_0}{K_{\mathrm{ref}}-1}=5.8\×\frac{1-1.2\×0.75}{1.2-1}=2.9\mathrm{\Ω}$

确定等效电势E：根据保护1实时测量得到的本地电压U_A和电流I_f实时地得到等效电势E，

E＝U_A+I_fZ_E＝U_A+2.5×I_f

(2)动作电流I_ref整定

在得到实时的保护背侧等效电路模型的基础上，根据得到的实时的保护背侧系统的等效模型，然后按照避开所保护线路末端发生相同类型故障时的故障电流的原则对保护动作电流I_ref进行整定。

$I_{\mathrm{ref}}=\frac{K_{\mathrm{ref}}{K}_{d}E}{Z_L+Z_E}=\frac{1.2K_d(U_A+2.9\×I_f)}{5.8+2.9}=\frac{1.2K_d(U_A+2.9\×I_f)}{8.7}$

(3)根据实测电流I_f和保护整定动作电流I_ref之间的关系，确定保护装置是否动作。

本发明中保护效果不受分布式电源出力的影响理论说明：

在距保护1处β×L_CE发生短路时，实际的短路电流I_f可表示为：

$I_f=\frac{K_{d}E}{{\mathrm{\βZ}}_L+Z_E}=\frac{K_d(U_A+2.9\×I_f)}{5.8\×\mathrm{\β}+2.9}$

当满足|I_ref|≤|I_f|时，保护动作

$\frac{1.2K_d(U_A+2.9\×I_f)}{8.7}\≤\frac{K_d(U_A+2.9\×I_f)}{5.8\×\mathrm{\β}+2.9}$

得到保护动作的条件为

β≤0.75＝β₀

故在期望的保护范围内，保护装置可靠动作。在期望保护范围之外是，保护可靠不动作。

按上述过程，用PSCAD软件进行仿真，结果如下所示：

(1)本发明方法的正确性、有效性

按照本发明方法，K_ref取1.2，Z_E阻抗角与线路阻抗角相同。仿真不同等效阻抗Z_E所对应的三相短路时的保护范围和按本发明理论推导的保护范围比较，仿真结果如下表：

仿真结果表明，按照本发明所提方法理论保护范围与仿真得到的保护范围的误差在0.9％以内，在能接受的误差范围内。说明本发明方法的正确性和有效性。

(2)本发明方法不受分布式电源出力的影响

当分布式电源出力在0～50MVA波动时，下表给出了传统方法与本发明方法的保护效果。对于新保护方法，Z_E取2.9Ω，功角与线路阻抗相同，K_ref取1.2。为了便于比较(使保护范围相近)，对于传统电流速断保护，取K_ref为1.3。

仿真结果表明，传统的保护方法受分布式电源接入的影响较大，当分布式电源出力在0～50MVA波动时，其保护范围的波动可达到线路长度的10.7％。而本发明提出的电流速断保护方法基本不受分布式电源出力的影响，当分布式电源出力在0～50MVA波动时，其保护范围的波动为0％。并且仿真得到的保护范围和理论值相差0.4％，在可以接受的误差范围内，即本发明所提自适应电流速断保护方法能够较好地适应分布式电源接入的配电网。

(3)本发明方法不受分布式电源类型的影响

按照本发明所提的改进自适应电流保护方法，Z_E取2.9Ω，功角与线路阻抗角相同，K_ref取1.2。下表给出了对所接入不同类型分布式电源的适应效果。

对于不同类型的分布式电源，保护范围差别为0.1％，在误差允许范围内，所以本发明所提方法不受分布式电源的类型的影响。

t＝1.7s时，假设在距保护1处60％的CE长度处发生三相接地短路，持续0.05s后故障消失。图4和图5为保护背侧配电网系统所含DG分别为逆变型分布式电源和传统型分布式电源时，保护1的动作曲线。

图4和图5中虚线表示保护实时整定电流门限值I_ref，实线表示保护1处实时测得的故障电流I_f。由上图仿真可以看出，在相同的故障情况下，尽管不同类型分布式电源所提供的短路电流不同，传统型分布式电源提供更大的故障电流，但是在保护范围内，保护均可靠动作。

(4)本发明方法不受故障类型的影响

按照本发明所提的改进自适应电流保护方法，Z_E取2.9Ω，功角与线路阻抗角相同，K_ref取1.2。下表给出了本发明对不同故障类型的适应效果：

由仿真结果可知，对于不同的故障类型，理论的保护范围和实际的保护范围很接近，误差在-0.3％～0.9％之间，说明本发明方法可以适用于不同的故障类型。

上述实施方式中所涉及到的技术特征，只要彼此间未构成冲突就可以相互组合。本发明不限于上述实施例，一切采用等同替换或等效替换形成的技术方案均属于本发明要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种适用于含分布式电源的配电网的自适应电流速断保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立保护背侧系统的等效模型：

1)所述保护背侧系统采用的等效模型结构为电压源串联阻抗的模型，等效阻抗参数是离线确定的；

2)等效模型参数确定：

确定等效阻抗Z_E：根据所保护线路的阻抗参数Z_L及其期望的保护范围β₀来离线地确定所述等效阻抗Z_E，其计算公式如(a)，其中，K_ref为可靠系数：

$Z_E=Z_L\frac{1-K_{\mathrm{ref}}{\mathrm{\β}}_0}{K_{\mathrm{ref}}-1}---\left(a\right)$

确定等效电势E：根据保护所测得的保护处电压U_A、电流I_f及所述保护背侧系统的等效阻抗Z_E来确定等效电势E，其计算公式如(b)：

E＝U_A+I_fZ_E             (b)

(2)动作电流I_ref整定：

根据得到的实时的保护背侧系统的等效模型，按照避开所保护线路末端发生相同类型故障时的故障电流的原则，对保护动作电流值I_ref进行整定，整定公式如(c)，其中，K_d为故障类型系数：

$I_{\mathrm{ref}}=\frac{K_{\mathrm{ref}}{K}_{d}E}{Z_L+Z_E}---\left(c\right)$

(3)根据实测电流值I_f和步骤(2)中实时整定的保护动作电流值I_ref之间的大小关系，来确定保护装置是否动作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述K_ref的取值范围是1.2～1.3。