CN105762777B - 一种含多t接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法 - Google Patents

一种含多t接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法 Download PDF

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    • H02H3/26—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents

Abstract

本发明公开了一种含多T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法，包括以下步骤：继电保护装置上电；初始化线路参数；整定实际额定功率容量；整定纵联电流差动保护的定值Iset；获取电压相量和电流相量；获取有功功率；计算分布式电源的输出功率之和；计算分布式电源控制系统的有功参考功率；计算公共联接点PCC的正序电压，求得实际输出电流；根据电流相量以及算出实际输出电流之和，计算线路的总差动电流ΔI；判断ΔI是否大于Iset，若是，则判断为区内故障，启动保护动作；否则，表明区内无故障。本方法适用于含任意个T分布式电源的线路，不受故障类型、过渡电阻以及分布式电源容量等因素的影响，适用性强，可靠性高，在工程实践中具有良好的实用性。

Description

一种含多T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护方法，尤其涉及一种含多T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法。
背景技术
近年来，随着能源危机的日益加剧以及人们对环境保护的意识不断加强，以风力发电、光伏发电为代表的逆变型分布式电源在现代电网中扮演着愈加重要的角色。然而，在分布式电源广泛接入配电网后，其接入位置的分散性致使配电网由单端辐射系统演变为多源网络系统，如若发生故障，就会使得配电网系统的短路电流水平以及分布路径发生了根本性的变化。进一步地，以清洁能源为主的分布式电源输出功率因具有波动性和间歇性，给依赖于电流整定的传统三段式过电流保护带来了严峻的挑战，且保护的选择性和灵敏性大大下降。
目前，使用纵联差动保护被认为是解决含分布式电源配电网保护问题的最佳选择。然而，在实际工程中，为节省投资成本，越来越多的分布式电源采用T接方式并网。对于这种并网方式下的分布式电源，发生故障时，线路两侧的保护就难以获取分布式电源的故障电流。即便是采用传统的纵联差动保护，在含多个T接分布式电源的情况下，其保护动作的可靠性仍然无法得到保证。因此，为解决多分布式电源“T”接并网运行所带来的配电网保护问题，须从原理、策略上进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种含多T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法，以有效解决多个分布式电源T接于线路时的继电保护问题，且本方法不受故障分布式电源的接入数量、接入位置、故障类型以及故障位置等外界因素的影响，具有较强的适用性和工程实用性。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种含多T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法，包括以下步骤：
S1.继电保护装置上电；
S2.初始化线路参数；
S3.整定每个分布式电源的实际额定功率容量其中，i为第i个分布式电源，i＝1、2、3……n，n为线路MN上的分布式电源个数；
S4.整定纵联电流差动保护的定值Iset；
S5.母线M和母线N处的继电保护装置分别对母线M、母线N的三相电压和三相电流进行采样、变换，得到母线M的电压相量和电流相量母线N的电压相量和电流相量同时，继电保护装置获取流经母线M的有功功率PM、母线N的有功功率PN；
S6.计算T接于线路MN上的所有分布式电源的输出功率之和
S7.根据每个分布式电源额定功率容量各自的占比,将已计算得到的所有分布式电源的输出功率之和进行分配，得到T接于线路MN上的各个分布式电源控制系统的有功参考功率Pref.f；
S8.通过步骤S4中的继电保护装置，从母线M、母线N处计算各个公共联接点PCC的正序电压和的值，由计算所得的这些值元素构成两组向量和得到各个公共联接点的实际电压
S9.根据已求得的有功参考功率Pref.f和实际电压计算各个分布式电源的实际输出电流进一步地，根据各个实际输出电流计算实际输出电流之和其中，j为第j个分布式电源，j＝1、2、3……m，m小于或等于n；
S10.根据得到的电流相量和以及计算所得的实际输出电流之和计算各段线路的总差动电流ΔI；
S11.判断总差动电流ΔI是否大于纵联电流差动保护的定值Iset，若是，则判断区内有故障，启动保护动作；否则，则表明区内无故障，返回步骤S5。
进一步地，所述步骤S4中定值Iset的计算方式为：
Iset＝0.1KssIk.max
式中，Kss表示电流互感器的同型系数；Ik.max表示所述线路MN的最大负荷电流。
进一步地，所述步骤S6中输出功率之和计算方式为：
式中，ZMN为所述线路MN的线路阻抗；RMN为所述线路MN的线路电阻。
进一步地，所述步骤S8中正序电压的计算方式为：
式中，Zm为第m段线路的线路阻抗；第j个分布式电源的输出电流计算值；为输出电流计算值的和。
所述正序电压的计算公式为：
其中，n为线路MN上分布式电源的数量。
进一步地，所述输出电流计算值的计算方式为：
式中，Pref.f为分布式电源控制系统的有功参考功率；Upcc(0)为公共联接点的初始正常电压幅值,Upcc.f为任意时刻的电压计算值的幅值；Imax为分布式电源最大输出电流；δ为公共联接点电压相位；Id_ref.f为分布式电流的有功分量参考值，Iq_ref.f为无功分量参考值；Id为分布式电流的有功分量，Iq为无功分量；Iq(0)为分布式电源正常运行时提供的无功电流；K为分布式电源的电压支撑系数。
进一步地，所述步骤8中实际电压的计算方式为：
式中，为第k个公共联接点PCCk的实际电压；为母线M处的第k个公共联接点PCCk电压计算值的幅值，为母线N处的第k个公共联接点PCCk电压计算值的幅值。
进一步地，所述步骤S9的实际输出电流其计算公式为：
式中，Upcc(0)为公共联接点的初始正常电压幅值,Upcc为任意时刻的电压实际值的幅值；Imax为分布式电源最大输出电流；δ为公共联接点电压相位；Id_ref.f为分布式电流的有功分量参考值，Iq_ref.f为无功分量参考值；Id为分布式电流的有功分量，Iq为无功分量；Iq(0)为分布式电源正常运行时提供的无功电流；K为分布式电源的电压支撑系数。
进一步地，所述步骤S10中总差动电流ΔI的计算方式为：
进一步地，所述初始化线路参数包括：赋值给各个分布式电源之间的线路阻抗Z0、Z1、…、Zi、…、Zn，其中Z0为母线M与第一个公共连接点PCC1之间的线路阻抗；Zn为第n个并网点PCCn与母线N之间的线路阻抗；Zi为第i个并网点PCCi与第i+1个并网点PCCi+1之间的线路阻抗，其中i的数值范围为1≤i≤n-1。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：
1、适用性强：本方法着眼于含多个T接分布式电源线路的继电保护问题，可有效解决多个T接分布式电源对线路保护的不利影响，保护线路不受分布式电源的接入数量、接入容量和接入位置的影响，具有更强的适用性。
2、电流估算精度高：本方法充分利用线路两侧的电气信息，且基于线路沿线电压的分布特征以获取各个公共联接点PCC的电压值，并实时估算T接分布式电源的输出电流以及故障电流，使电流估算精度高。
3、计算速度快：本方法不需要进行迭代计算，步骤简易，计算速度快。
4、可靠性高、实用性强：本方法充分考虑了各端系统的注入电流，且基于基尔霍夫电流定律进行多端电流差动，使得线路受故障类型、故障位置以及过渡电阻的影响小、可靠性高，在实际工程中具有较强的实用性。
附图说明
图1是本发明所述一种含多T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法的配电网单线图。
图2是本发明所述一种含多T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例
本实施例以图1所示的配电网为例，图中M和N分别为线路MN的首端和末端，和分别为线路两侧的保护装置测量得的线路电流，和分别为分布式电源提供的电流,PCC1和PCC2分别为两个分布式电源的公共联接点。输电线路采用实际运行的LGJ-120型号，其参数为0.27+j0.343Ω/km，以线路含两个T接DG为例,线路M-PCC1、PCC1-PCC2、PCC2-N的长度分别为1.5、2.5、2km；DG1和DG2的额定容量分别为5MW和3MW；f1和f2分别位于DG1和DG2之间的线路、DG2并网点上。
对本实施例所述的一种含多T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法，如图2所示，包括以下步骤：
(1)继电保护装置上电；
(2)根据电网实际工程情况，初始化线路参数：各个分布式电源之间的线路阻抗分别为Z0＝0.4131+j0.5248、Z1＝0.675+j0.857i和Z2＝0.54+j0.686，其中Z0为母线M与第一个公共连接点PCC1之间的线路阻抗；Z1为第1个并网点PCC1与第2个并网点PCC2之间的线路阻抗；Z2为第1个并网点PCC2与母线N之间的线路阻抗。
(3)根据电网实际工程情况，给定每个分布式电源实际额定功率容量
(4)整定纵联电流差动保护的定值Iset，其整定方式按照下式进行计算：
Iset＝0.1KssIk.max
式中，Kss表示电流互感器的同型系数；Ik.max表示线路MN的最大负荷电流，M、N分别为线路MN的首端和末端。这里取Iset＝0.02kA。
(5)母线M和N处的继电保护装置分别对母线M、母线N的三相电压和三相电流进行采样、变换，得到母线M和母线N各自之间的的电压相量和电流相量；同时，母线M和N处的继电保护装置获取流经线路两侧的有功功率PM和PN。
(6)计算T接于线路MN上的所有分布式电源的输出功率之和
式中，和分别为线路MN两侧母线的电压相量；ZMN为线路MN的线路阻抗，本实施例取值为1.62+j2.058Ω；RMN为线路MN的线路电阻,本实施例取值为1.62Ω。
(7)根据已知的每个分布式电源的实际额定功率容量把已经获取的按照每个分布式电源额定容量的各自之间的占比进行分配，得到T接于线路MN上的各个分布式电源控制系统的有功参考功率Pref.f。
(8)对于母线M上的继电保护装置，从线路MN的M侧计算各个公共联接点PCC的正序电压
式中，为从线路MN的M侧计算的各个公共联接点PCC的电压计算值；和分别为母线M处的电压相量实际值和馈线电流相量实际值；Zm为第m段线路的阻抗值；第j个分布式电源的输出电流计算值。
分布式电源的输出电流计算值的计算方法为：
式中，Pref.f为分布式电源控制系统的有功参考功率；Upcc(0)为公共联接点的初始正常电压幅值,Upcc.f为任意时刻的电压计算值的幅值；Imax为分布式电源最大输出电流；δ为公共联接点电压相位；Id_ref.f为分布式电流的有功分量参考值，Iq_ref.f为无功分量参考值；Id为分布式电流的有功分量，Iq为无功分量；Iq(0)为分布式电源正常运行时提供的无功电流；K为分布式电源的电压支撑系数。
(9)对于母线N上的继电保护装置，从线路MN的N侧计算各个公共联接点PCC的正序电压
式中，为从线路MN的N侧计算的各个公共联接点PCC的电压计算值；和分别为母线N处的电压相量实际值和馈线电流相量实际值；n为线路MN上分布式电源的数量。
(10)根据(8)和(9)可以得到分别从线路MN的M、N两侧计算的各个公共联接点PCC的计算值，这些值元素构成两组向量和线路MN的M侧、N侧的继电保护装置交换由计算所得到的这两组向量，并比较对应位置电压相量幅值的大小：
式中，为第k个公共联接点PCCk的实际电压；为母线M处的第k个公共联接点PCCk电压计算值的幅值，为母线N处的第k个公共联接点PCCk电压计算值的幅值。
(11)通过已求出的各个分布式电源控制系统的有功参考功率Pref.f和各个公共联接点PCC的实际电压可以求得各个分布式电源的实际输出电流其计算公式为：
式中，Upcc(0)为公共联接点的初始正常电压幅值,Upcc为任意时刻的电压实际值的幅值；Imax为分布式电源最大输出电流；δ为公共联接点电压相位；Id_ref.f为分布式电流的有功分量参考值，Iq_ref.f为无功分量参考值；Id为分布式电流的有功分量，Iq为无功分量；Iq(0)为分布式电源正常运行时提供的无功电流；K为分布式电源的电压支撑系数。
(12)交换线路MN的M侧、N侧的继电保护装置获取的馈线电流以及已经计算得到的分布式电源的实际输出电流计算ΔI：
式中，ΔI为各段线路的总差动电流；为T接于线路MN上所有分布式电源输出电流之和。
(13)判断ΔI是否大于Iset，若是，则判断为区内故障，保护动作；否则，表明区内无故障，返回步骤(5)。
下面列举三种不同的故障类型予以说明：
情况1：保护区内f1点发生A相接地短路故障，继电保护装置在M点测量得的三相电流有效值分别为2.961∠-46.5°(kA)、0.078∠-49.7°(kA)和0.081∠-172.8°(kA)，三相电压有效值分别为5.497∠-5.9°(kV)、6.083∠-120.1°(kV)和6.082∠119.9°；在N点测量得的三相电流有效值分别为0.276∠128.6°(kA)、0.533∠47.7°(kA)和0.532∠-72.3°(kA)，三相电压有效值分别为3.033∠-45.7°(kV)、5.845∠-126.6°(kV)和5.844∠113.4°(kV)。由上述数据，M点和N点的继电保护装置可分别计算得到DG1和DG2的输出电流分别为：0.3183∠-15.3°和0.2189∠-28.2°，而实际的输出电流分别为0.3133∠-15.5°和0.2156∠-28.4°。M侧和N侧的继电保护装置交换信息后，计算ΔI为3.1756kA。由于ΔI＞Iset，保护动作。
情况2：保护区内f1点发生三相接地短路故障，过渡电阻为20Ω，继电保护装置在M点测量得的三相电流有效值分别为0.443∠18.4°(kA)、0.442∠-138.3°(kA)和0.443∠101.6°(kA)，三相电压有效值分别为6.024∠-10.9°(kV)、6.025∠-121.1°(kV)和6.024∠118.9°；在N点测量得的三相电流有效值分别为0.501∠163.7°(kA)、0.5∠43.7°(kA)和0.502∠-76.2°(kA)，三相电压有效值分别为5.491∠-105.7°(kV)、5.492∠-130.6°(kV)和5.492∠109.4°(kV)。由上述数据，M点和N点的继电保护装置可分别计算得到DG1和DG2的输出电流分别为：0.173∠-3.1°和0.181∠-7.1°，而实际的输出电流分别为0.170∠-3.1°和0.177∠-7.0°。M侧和N侧的继电保护装置交换信息后，计算ΔI为0.294kA。由于ΔI＞Iset，保护动作。
情况3：保护区内f2点发生BC两相相间短路故障，过渡电阻为10Ω，继电保护装置在M点测量得的三相电流有效值分别为0.160∠-11.7°(kA)、0.972∠-119.1°(kA)和0.936∠70.2°(kA)，三相电压有效值分别为6.054∠-0.4°(kV)、6.072∠-122.5°(kV)和5.867∠118.4°(kV)；在N点测量得的三相电流有效值分别为0.521∠166.9°(kA)、0.518∠32.8°(kA)和0.518∠-79.7°(kA)，三相电压有效值分别为5.712∠-7.4°(kV)、5.681∠-141.5°(kV)和4.446∠105.9°(kV)。由上述数据，M点和N点的继电保护装置可分别计算得到DG1和DG2的输出电流分别为：0.176∠-4.2°和0.192∠-21.5°，而实际的输出电流分别为0.173∠-4.3°和0.188∠-21.8°。M侧和N侧的继电保护装置交换信息后，计算ΔI为0.882kA。由于ΔI＞Iset，保护动作。
理论和实际表明，本发明采用线路各端电流进行做差比较的方式来判断故障区域，适用于多个分布式电源并网运行，在不同故障位置、故障类型、过渡电阻中均能够可靠动作，在工程具有良好的实用价值。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (9)

1.一种含多T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.继电保护装置上电；
S2.初始化线路参数；
S3.整定每个分布式电源的实际额定功率容量其中，i为第i个分布式电源，i＝1、2、3、…、n，n为线路MN上的分布式电源个数；
S4.整定纵联电流差动保护的定值Iset；
S5.母线M和母线N处的继电保护装置分别对母线M、母线N的三相电压和三相电流进行采样、变换，得到母线M的电压相量和电流相量母线N的电压相量和电流相量同时，继电保护装置获取流经母线M的有功功率PM、母线N的有功功率PN；
S6.计算T接于线路MN上的所有分布式电源的输出功率之和
S7.根据每个分布式电源额定功率容量各自的占比,将已计算得到的所有分布式电源的输出功率之和进行分配，得到T接于线路MN上的各个分布式电源控制系统的有功参考功率Pref.f；
S8.通过步骤S4中的继电保护装置，从母线M、母线N处计算各个公共联接点PCC的正序电压和的值，由计算所得的这些值元素构成两组向量和得到各个公共联接点的实际电压
S9.根据已求得的有功参考功率Pref.f和实际电压计算各个分布式电源的实际输出电流进一步地，根据各个实际输出电流计算实际输出电流之和其中，j为第j个分布式电源，j＝1、2、3、…、m，m小于或等于n；
S10.根据得到的电流相量和以及计算所得的实际输出电流之和计算各段线路的总差动电流ΔI；
S11.判断总差动电流ΔI是否大于纵联电流差动保护的定值Iset，若是，则判断区内有故障，启动保护动作；否则，则表明区内无故障，返回步骤S5。
2.如权利要求1所述的含多T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法，其特征在于，所述步骤S4中定值Iset的计算方式为：
Iset＝0.1KssIk.max
式中，Kss表示电流互感器的同型系数；Ik.max表示所述线路MN的最大负荷电流。
3.如权利要求1所述的含多T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法，其特征在于，所述步骤S6中输出功率之和计算方式为：
式中，ZMN为所述线路MN的线路阻抗；RMN为所述线路MN的线路电阻。
4.如权利要求1所述的含多T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法，其特征在于，所述步骤S8中，所述正序电压的计算方式为：
式中，Zm为第m段线路的线路阻抗；第j个分布式电源的输出电流计算值；为输出电流计算值的和；
所述正序电压的计算公式为：
其中，n为线路MN上分布式电源的数量。
5.如权利要求4所述的含多T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法，其特征在于，所述输出电流计算值的计算方式为：
式中，Pref.f为分布式电源控制系统的有功参考功率；Upcc(0)为公共联接点的初始正常电压幅值,Upcc.f为任意时刻的电压计算值的幅值；Imax为分布式电源最大输出电流；δ为公共联接点电压相位；Id_ref.f为分布式电流的有功分量参考值，Iq_ref.f为无功分量参考值；Id为分布式电流的有功分量，Iq为无功分量；Iq(0)为分布式电源正常运行时提供的无功电流；K为分布式电源的电压支撑系数。
6.如权利要求1所述的含多T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法，其特征在于，所述步骤S8中实际电压的计算方式为：
式中，为第k个公共联接点PCCk的实际电压；为母线M处的第k个公共联接点PCCk电压计算值的幅值，为母线N处的第k个公共联接点PCCk电压计算值的幅值。
7.如权利要求1所述的含多T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法，其特征在于，所述步骤S9的实际输出电流其计算公式为：
式中，Upcc(0)为公共联接点的初始正常电压幅值,Upcc为任意时刻的电压实际值的幅值；Imax为分布式电源最大输出电流；δ为公共联接点电压相位；Id_ref.f为分布式电流的有功分量参考值，Iq_ref.f为无功分量参考值；Id为分布式电流的有功分量，Iq为无功分量；Iq(0)为分布式电源正常运行时提供的无功电流；K为分布式电源的电压支撑系数。
8.如权利要求1所述的含多T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法，其特征在于，所述步骤S10中总差动电流ΔI的计算方式为：
9.如权利要求1所述的含多T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方法，其特征在于，所述初始化线路参数包括：赋值给各个分布式电源之间的线路阻抗Z0、Z1、…、Zi、…、Zn，其中Z0为母线M与第一个公共连接点PCC1之间的线路阻抗；Zn为第n个并网点PCCn与母线N之间的线路阻抗；Zi为第i个并网点PCCi与第i+1个并网点PCCi+1之间的线路阻抗，其中i的数值范围为1≤i≤n-1。
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