CN104242273A - 用于含逆变型dg配电网的自适应正序电流速断保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于含逆变型DG配电网的自适应正序电流速断保护方法，包括：(1)在IBDG并网点的上游线路末端配置断路器和保护装置，并且在IBDG上游线路的保护中均配置方向元件，其中，IBDG上游区域首端和末端的保护只需反映正方向故障；(2)根据不同的故障类型，不同位置的保护选择不同的正序电流整定公式进行整定；对于IBDG上游线路的保护，先进行故障方向判断，并根据故障类型选择相应的正序电流整定公式。本发明可以减小或消除IBDG容量(或出力)、故障点位置和系统运行方式等因素对保护范围的影响，改善保护的性能。

Description

用于含逆变型DG配电网的自适应正序电流速断保护方法

所属技术领域

本发明属于电力系统配电网保护与控制领域，涉及一种适用于含逆变型DG配电网的自适应正序电流保护方法。

背景技术

分布式电源(distributed generation,DG)是一种新兴的电力能源，包括光伏发电系统、风力发电系统、微型燃气轮机发电系统、小水电等。分布式发电技术具有环保、经济等一系列优点，能够很好地满足人们对电力安全稳定和经济环保的要求，已引起广泛关注，并逐渐得到推广和发展。

传统的中低压配电网大多是向负荷单方向供电的辐射状网络，其保护没有考虑网络中有DG接入的情况，通常配置为三段式电流保护。当DG接入到配电网后，配电网变成了具有双端或者多端电源的网络。DG的接入改变了配电网的故障电流分布以及配电网原有保护配置的基础条件，对配电网短路电流的影响表现为助增电流、外汲电流和反向电流，配电网原有的三段式电流保护将可能误动作或者拒动作。另外，对于像光伏发电系统、永磁直驱式风机等逆变型DG(inverter-based distributed generation,IBDG)，它们的出力随自然条件变化随机波动比较大，系统的运行方式也更加多变，这就使得传统电流保护的定值很难整定，保护之间的配合也很难协调。

为了提高电能质量，IBDG通常采用基于电压正序分量的控制策略。考虑到IBDG接入配电网后只包含在正序网络中，通过分析当不同位置发生故障时保护安装处正序电压和流过保护的正序电流之间关系，本发明提出了一种基于正序电流的适用于含逆变型DG配电网的自适应电流保护方法。该方法能够充分利用当前故障情况下保护安装处的正序电压和正序电流信息，来减小或消除IBDG容量(或出力)、故障点位置和系统运行方式等因素对保护范围的影响，大大改善了保护的性能。

发明内容

本发明的目的在于结合故障情况下IBDG只包含在正序网络中这一特性，通过分析当不同位置发生故障时保护安装处的正序电压和流过保护的正序电流之间的关系，提供一种适用于含逆变型DG配电网的自适应正序电流速断保护方法，来减小或消除IBDG容量(或出力)、故障点位置和系统运行方式等因素对保护范围的影响，改善保护的性能。本发明的技术方案如下：

一种用于含逆变型DG配电网的自适应正序电流速断保护方法，包括下面几个方面：

(1)在IBDG并网点的上游线路末端配置断路器和保护装置，并且在IBDG上游线路的保护中均配置方向元件，其中，IBDG上游区域首端和末端的保护只需反映正方向故障；

(2)根据不同的故障类型，不同位置的保护选择不同的正序电流整定公式进行整定，具体说明如下：

当故障类型为三相短路故障时，不同位置保护的正序电流整定公式如式(1)所示：

$I_{\mathrm{ZDZ}}=K_k\left|\frac{\stackrel{\·}{U}}{Z_L}\right|---\left(1\right)$

其中：Z_L为保护所在线路的阻抗值；K_k为可靠系数；U为保护安装处的相电压；在三相短路故障的情况下，正序相电压和正序相电流即为相电压和相电流；

当故障类型为两相相间短路故障时，不同位置保护的正序电流整定公式不同；

在IBDG上游线路的保护中，系统侧保护的正序电流整定公式如式(2)所示：

$I_{1\mathrm{ZDZ}}=K_k\left|\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1}{Z_s+2Z_L}\right|---\left(2\right)$

IBDG侧保护的正序电流整定公式如式(3)所示：

$I_{1\mathrm{ZDZ}}=K_k\left|\frac{{2\stackrel{\·}{U}}_1-{\stackrel{\·}{E}}_S}{Z_{s.\min }+2Z_L}\right|---\left(3\right)$

其中：E_s为系统电势，其值为预设值10.5/1.732＝6.06kV，其相位大小为当前故障情况下U₁的相位和相加之和，为保护所在线路末端发生相间短路故障时E_s超前于U₁的相位；Z_s和Z_s.min分别为当前故障情况下的系统阻抗和最大运行方式下的系统阻抗；

对于IBDG下游线路的保护，其正序电流整定公式如式(4)所示：

$I_{1\mathrm{ZDZ}}=K_k\left|\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1}{Z_s+Z_{L1}+2Z_{L2}}\right|---\left(4\right)$

其中：Z_L1为保护上游线路的阻抗，Z_L2为保护所在线路的阻抗；

对于相邻馈线上的保护，其正序电流整定公式如式(5)所示：

$I_{1\mathrm{ZDZ}}=K_k\left|\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1}{Z_s+2Z_L}\right|---\left(5\right)$

(3)当含IBDG配电网发生故障时，在保护启动之后，对于IBDG下游线路及相邻馈线各保护，根据故障类型选择相应的正序电流整定公式；对于IBDG上游线路的保护，先进行故障方向判断，并根据故障类型选择相应的正序电流整定公式；当流过保护的正序电流值大于整定值时，该保护断开与其对应的断路器，隔离故障线路。

其中，可靠系数K_k可取1.2～1.3。

本发明与现有技术相比，提出了一种适用于含逆变型DG配电网的自适应正序电流速断保护方法，该方法所能产生的积极效果是：首先，基于含IBDG配电网发生两相相间短路故障时IBDG只包含在正序网络中这一特征，本发明通过分析当不同位置发生两相相间短路故障时保护安装处的正序电压和流过保护的正序电流之间的关系，给出了不同位置处的正序电流整定公式，能够避免传统电流保护定值不易整定、保护选择性和灵敏性无法得到满足等缺点以及已有自适应电流整定方法应用于含IBDG配电网时可能造成的误动或拒动等；其次，当含IBDG配电网发生三相短路故障时，本发明给出了更为简化也更加有效的电流整定公式，无需计算保护背侧的系统等效阻抗，进一步缩短了保护的动作时间，也消除了系统运行方式、IBDG容量(或出力)等因素对保护范围的影响；最后，本发明所提出的自适应保护方法能够充分利用当前故障情况下保护安装处的正序电压和流过保护的正序电流进行在线整定，能够减小或消除IBDG容量(或出力)、故障点位置和系统运行方式等因素对保护范围的影响。

附图说明

图1为含IBDG的10kV配电网系统结构图；

图2为IBDG上游线路f₁点发生两相相间短路故障时的复合序网图；

图3为IBDG下游线路f₂点发生两相相间短路故障时的复合序网图；

图4为相邻馈线f₃点发生两相相间短路故障时的复合序网图；

图5为IBDG上游线路保护流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例及参照附图对该发明的技术方案进行详细说明。

图1是含IBDG的10kV配电网系统拓扑图。其中IBDG接在馈线1上的B母线处，保护1和保护6分别为IBDG上游线路系统侧和IBDG侧保护，保护2和保护3为IBDG下游线路保护，保护4和保护5为相邻馈线保护。下面首先给出不同位置发生不同故障类型时各保护的正序电流整定公式，然后分析在含IBDG配电网的不同位置发生故障时各保护的动作行为。

1.含IBDG配电网正序电流整定公式

为了减小含IBDG配电网发生两相相间短路故障时的谐波含量，IBDG通常采用基于电压正序分量的控制策略。另外，较大容量的IBDG需具备低电压穿越能力，并能够根据并网点电压跌落程度输出一定的无功，以支撑并网点电压；较小容量的IBDG根据当前出力只输出有功，其输出电流也与并网点电压有关。因此，IBDG为压控电流源模型，在含IBDG的配电网中，发生两相相间短路故障时流过保护的短路电流和同一故障点发生三相短路故障时流过保护的短路电流之间已不再满足倍的关系。若仍按照原有的自适应电流保护整定公式进行整定，保护可能误动或拒动。并且，当含IBDG配电网发生三相短路故障时，若保护背侧有IBDG，则无法准确计算得到保护背侧的等值阻抗，保护范围将受系统运行方式和IBDG容量(或出力)的影响。为了减小或消除消除IBDG容量(或出力)、故障点位置和系统运行方式等因素对自适应电流保护的保护范围的影响，以图1所示含IBDG的10kV配电网为例，本发明通过分析当不同位置发生故障时保护安装处的正序电压和流过保护的正序电流之间的关系，给出了含IBDG配电网正序电流整定公式。

当含IBDG配电网发生三相短路故障时，存在如下关系：

$\stackrel{\·}{U}=\stackrel{\·}{I}{Z}_d---\left(6\right)$

其中：和分别为保护处电压和流过保护电流的测量值；Z_d为故障点与保护之间的阻抗值。当发生三相短路故障时，正序电压和正序电流即为相电压和相电流。因此，为了保证选择性，各个保护的电流整定公式设为：

$I_{\mathrm{ZDZ}}=K_k\left|\frac{\stackrel{\·}{U}}{Z_L}\right|---\left(7\right)$

其中：Z_L为保护所在线路的阻抗值；K_K为可靠系数。

当IBDG上游线路f₁点发生两相相间短路故障时，其复合序网络图如图2所示。根据图2，IBDG上游线路IBDG侧的保护6处正序电流整定公式设为：

$I_{1\mathrm{ZDZ}}=K_k\left|\frac{{2\stackrel{\·}{U}}_1-{\stackrel{\·}{E}}_S}{Z_{s.\min }+2Z_{\mathrm{AB}}}\right|---\left(8\right)$

IBDG上游线路系统侧的保护1处正序电流整定公式设为：

$I_{1\mathrm{ZDZ}}=K_K\left|\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1}{Z_s+2Z_{\mathrm{AB}}}\right|---\left(9\right)$

其中：E_s为系统电势，对于10kV配电网，其值为预设值6.06kV，其相位大小为当前故障情况下U₁的相位和保护1出口处发生相间短路故障时E_s超前于U₁的相位的相加之和；Z_s和Z_s.max分别为当前故障情况下的系统阻抗(可根据当前故障情况下故障附加状态的负序分量在线计算得到)和最小运行方式下的系统阻抗(为预设的固定值)。因此，IBDG侧保护6的正序电流整定值能够随着IBDG容量(或出力)和故障点位置的变化而变化，但是受系统运行方式的影响；系统侧保护1的正序电流整定值能够随着系统运行方式的变化而变化，但是其保护范围随着IBDG容量(或出力)的增大而减小。由于系统提供的短路电流远大于IBDG提供的短路电流，IBDG的接入对保护1的保护范围的影响很小。

当IBDG下游线路f₂点发生两相相间短路故障时，其复合序网络图如图3所示。根据图3，IBDG下游线路保护2处正序电流整定公式设为：

$I_{1\mathrm{ZDZ}}=K_k\left|\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1}{Z_s+Z_{\mathrm{AB}}+2Z_{\mathrm{BC}}}\right|---\left(10\right)$

其中：Z_s+Z_AB为保护2背侧的等值阻抗，可由故障附加状态的负序分量在线计算得到。因此，IBDG下游线路保护2的正序电流整定值能够随着IBDG容量(或出力)、故障点位置和系统运行方式的变化而变化。

当相邻馈线f₃点发生两相相间短路故障时，其复合序网图如图4所示。根据图4，相邻馈线保护4处正序电流整定公式设为：

$I_{1\mathrm{ZDZ}}=K_k\left|\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1}{Z_s+2Z_{\mathrm{AB}}}\right|---\left(11\right)$

其中：Z_s为保护4背侧的等值阻抗，可由故障附加状态的负序分量在线计算得到。因此，相邻馈线保护4的正序电流整定值也能够随着IBDG容量(或出力)、故障点位置和系统运行方式的变化而变化。

2.含IBDG配电网不同位置发生故障时各个保护的动作行为分析

保护1和保护6分别为IBDG上游线路系统侧和IBDG侧保护，只需要反映系统正方向和IBDG正方向的故障。当IBDG上游线路f₁点发生短路故障时，保护1的故障方向为正且流过保护1的短路电流大于启动电流，保护1启动，并根据故障类型以及保护背侧是否接有IBDG选择相应的正序电流整定公式进行整定(若保护背侧没有IBDG接入，如图1所示保护1，则按照式(9)整定；否则，按照式(10)整定)；保护6的故障方向也为正，由于IBDG容量(或出力)的波动性，保护6只要判断故障方向为正则根据故障类型选择相应的正序电流整定公式进行整定，无需设置启动电流；流过保护2、保护3、保护4和保护5的短路电流均小于启动电流，这些保护不会启动。当故障点位置在保护1和保护6的保护范围之内时，保护1和保护6动作，将故障线路隔离。保护1和保护6的流程图如图5所示。

当IBDG下游线路f₂点发生短路故障时，保护1和保护2的故障方向均为正且流过保护1和保护2的短路电流大于其启动电流，保护1和保护2均启动，其余保护均不启动。根据故障类型以及保护背侧是否接有IBDG选择相应的正序电流整定公式进行整定，流过保护1的正序电流值肯定小于其整定值，保护1不会动作；若故障点在保护2的保护范围之内时，保护2动作，将故障线路隔离。

当相邻馈线f₃点发生短路故障时，保护4的故障方向为正且流过保护4的短路电流大于启动电流，保护4启动；保护1的故障方向为负，不会启动；保护6的故障方向为正；流过保护3和保护5的短路电流小于启动电流，保护3和保护5不会启动。保护4和保护6根据故障类型选择相应的正序电流整定公式进行整定，流过保护6的正序电流值肯定小于其整定值，保护6不会动作；若故障点在保护4的保护范围之内时，保护4动作，将故障线路隔离。

Claims (2)

1.一种用于含逆变型DG配电网的自适应正序电流速断保护方法，包括下面几个方面：

(1)在IBDG并网点的上游线路末端配置断路器和保护装置，并且在IBDG上游线路的保护中均配置方向元件，其中，IBDG上游区域首端和末端的保护只需反映正方向故障；

(2)根据不同的故障类型，不同位置的保护选择不同的正序电流整定公式进行整定，具体说明如下：

当故障类型为三相短路故障时，不同位置保护的正序电流整定公式如式(1)所示：

$I_{\mathrm{ZDZ}}=K_k\left|\frac{\stackrel{\·}{U}}{Z_L}\right|---\left(1\right)$

其中：Z_L为保护所在线路的阻抗值；K_k为可靠系数；U为保护安装处的相电压；在三相短路故障的情况下，正序相电压和正序相电流即为相电压和相电流；

当故障类型为两相相间短路故障时，不同位置保护的正序电流整定公式不同；

在IBDG上游线路的保护中，系统侧保护的正序电流整定公式如式(2)所示：

$I_{1\mathrm{ZDZ}}=K_k\left|\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1}{Z_s+2Z_L}\right|---\left(2\right)$

IBDG侧保护的正序电流整定公式如式(3)所示：

$I_{1\mathrm{ZDZ}}=K_k\left|\frac{{2\stackrel{\·}{U}}_1-{\stackrel{\·}{E}}_S}{Z_{s.\min }+2Z_L}\right|---\left(3\right)$

其中：E_s为系统电势，其值为预设值10.5/1.732＝6.06kV，其相位大小为当前故障情况下U₁的相位和相加之和，为保护所在线路末端发生相间短路故障时E_s超前于U₁的相位；Z_s和Z_s.min分别为当前故障情况下的系统阻抗和最大运行方式下的系统阻抗；

对于IBDG下游线路的保护，其正序电流整定公式如式(4)所示：

$I_{1\mathrm{ZDZ}}=K_k\left|\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1}{Z_s+Z_{L1}+2Z_{L2}}\right|---\left(4\right)$

其中：Z_L1为保护上游线路的阻抗，Z_L2为保护所在线路的阻抗；

对于相邻馈线上的保护，其正序电流整定公式如式(5)所示：

$I_{1\mathrm{ZDZ}}=K_k\left|\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1}{Z_s+2Z_L}\right|---\left(5\right)$

(3)当含IBDG配电网发生故障时，在保护启动之后，对于IBDG下游线路及相邻馈线各保护，根据故障类型选择相应的正序电流整定公式；对于IBDG上游线路的保护，先进行故障方向判断，并根据故障类型选择相应的正序电流整定公式；当流过保护的正序电流值大于整定值时，该保护断开与其对应的断路器，隔离故障线路。

2.根据权利要求1所述的用于含逆变型DG配电网的自适应正序电流速断保护方法，其特征在于，其中，可靠系数K_k可取1.2～1.3。