CN105811382A - 带制动特性的含ibdg配电网正序阻抗差动保护方法 - Google Patents

带制动特性的含ibdg配电网正序阻抗差动保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带制动特性的含IBDG配电网正序阻抗差动保护方法,包括:采集保护处三相电流和三相电压,以获取正序阻抗;两侧保护通过光纤以太网或无线通信网络进行信息交换;本侧保护装置获取对侧保护测量正序阻抗信息和正序电流幅值信息后,进行动作阻抗和制动阻抗的计算,根据带制动特性的动作判据判断被保护区是否为故障区段。本发明适用于有源配电网变电站出口母线与分布式电源以及分布式电源与分布式电源之间的线路保护,能够应对IBDG的故障特性以及穿越性负荷电流对保护性能的影响,采用的动作判据能够避免区外故障时分支负荷对故障方向判别的影响,且无需两端数据同步,对通信要求较低,具有较强的抗过渡电阻能力。

Description

带制动特性的含IBDG配电网正序阻抗差动保护方法
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护技术领域,尤其涉及一种适用于含逆变型分布式电源配电网运行特点的带制动特性的正序阻抗差动保护方法。
背景技术
中低压配电网馈线往往只在线路首端设置断路器并配以三段式电流保护,整定计算偏重灵敏性,选择性通过首端保护的自动重合闸功能或馈线自动化保证。逆变型分布式电源IBDG(inverter-baseddistributedgeneration)接入后,当IBDG上游线路发生故障,为了能够从故障点两侧隔离故障线路,避免瞬时性故障发展为永久性故障,需在IBDG并网点上游侧加装断路器并配置保护。然而,由于IBDG区别于旋转型电源的故障特征,若选用传统电流保护原理,在保护范围、整定配合、选择性等方面将面临严峻的考验。
此外,现阶段并网规程对分布式电源的低电压穿越能力提出要求,若相邻线路故障切除时间小于本线路IBDG并网点保护动作时间,那么IBDG可实现相邻线路故障的低电压穿越。因此,在IBDG接入后馈线保护除了要满足原有的灵敏性与选择性外,还应该保证一定的速动性。为提高未来配电网对IBDG的接纳能力,研究提出适用于含IBDG配网结构的高性能保护原理,具有理论意义和工程价值。
国内外学者对此已开展了相关研究,并提出了几类保护原理。
现有技术中通过分析正序网络不同故障时正序电压与正序电流之间的关系,改进基于就地信息的传统保护原理,动态改变保护阈值。
利用保护安装处故障分量电压、电流的相位关系取决于背侧系统等值阻抗特性,而不受负荷电流与过渡电阻影响的特点,现有技术利用正序故障分量电流相角突变量方向,构造了新型电流纵联方向保护。
现有技术中以母线为依据分割为若干个区域,取每个区域内各馈线的正序故障分量电流,通过比较区域主馈线与各从馈线的正序故障分量电流相角差,确定故障区域。
利用故障线路两侧全电气量构造纵联差动保护,现有技术中基于故障线路两侧全电流幅值差异提出适用于有源配电网的新型纵联保护方案。
由于IBDG内部存在限流元件,提供短路电流的能力有限,若故障点下游IBDG总输出短路功率不足以供负荷功率所需,将出现穿越性负荷电流,即使故障点下游侧保护加装方向元件,也将判别为反方向故障,造成保护拒动。同时IBDG采用具有无功支撑能力的低电压穿越控制策略,并网点正序故障分量电压与电流的相位关系随电压跌落程度的不同而变化,受过渡电阻、有功功率参考值、故障位置等因素的影响。背侧计算等值阻抗不再是一恒定阻抗,等值阻抗角有较大的变化范围。若同时计及下游不同特性的随机负荷,保护背侧等值阻抗的变化规律将更为复杂,其阻抗角可能超出故障分量方向元件正方向故障判据范围,造成保护的拒动。因此,基于本地信息的自适应电流保护原理以及基于故障分量的方向保护原理在含IBDG配电网中的适用性有限,存在误判的可能。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述难题,提供了一种带制动特性的含IBDG配电网正序阻抗差动保护方法,该方法能够应对IBDG的故障特性以及穿越性负荷电流对保护性能的影响,无需两端数据同步,对通信要求较低,具有更强的抗过渡电阻能力。
为实现上述目的,本发明的具体方案如下:
一种带制动特性的含IBDG配电网正序阻抗差动保护方法,包括以下步骤:
(1)本侧保护装置实时采集三相电流信息,计算各相电流的瞬时值突变量;本侧保护装置根据各相电流的瞬时值突变量,判定配电网是否发生故障,若发生故障,则启动故障处理程序,进入步骤(2);否则,返回步骤(1);
(2)靠近系统电源侧保护装置根据三相故障电流与故障前负荷电流的大小关系,确定保护装置是否进入正序阻抗差动保护进程;如果是,进入步骤(3);否则,判定为区外故障或相邻馈线故障,向对侧保护装置发送保护闭锁信号;
远离系统电源侧保护装置在启动故障处理程序后,直接进入正序阻抗差动保护进程,进入步骤(3);
(3)采集并存储故障后同一周波内的三相电流信息及三相电压信息,获取本侧保护装置测量的正序阻抗;
(4)正序阻抗差动保护区的两侧保护装置进行正序阻抗相量、正序电流幅值信息的交换;
(5)本侧保护装置获取被保护区对侧保护装置的测量正序阻抗相量信息以及正序电流幅值信息后,进行动作阻抗、幅值差异系数以及制动阻抗的计算;
(6)根据计算的动作阻抗、制动阻抗的大小关系判定是否为故障区段。
进一步地,所述步骤(1)中判定配电网是否发生故障的具体方法为:
连续计算三相电流的瞬时值突变量,将各相瞬时值突变量与设定阈值进行比较,若存在连续3个突变量超过阈值,则判断发生了故障,启动故障处理程序。
进一步地,所述步骤(2)中,故障处理程序启动后,标记首个突变量超过设定值的点为故障起始点,并以此作为工频正序分量计算周期的起始时刻,获取故障起始点前后两个周波的电流工频分量,故障前的电流量记为正常运行情况下流过本侧保护的负荷电流,故障后的电流量记为故障电流;
比较三相故障电流与正常运行下负荷电流的大小;若三相故障电流幅值均不大于正常运行下的负荷电流,则判别为本馈线保护区外故障或相邻馈线故障,并向对侧保护装置发送保护闭锁信号;否则,本侧保护装置进入正序阻抗差动保护处理进程。
进一步地,所述步骤(3)中,获取本侧保护装置测量的正序阻抗的方法具体为:
1)利用同一个周波的三相电流、三相电压的瞬时采样值,获得基波工频分量;
2)利用对称分量法分别获取电压、电流正序分量;
3)根据获取的电压、电流正序分量计算正序阻抗。
进一步地,所述步骤(5)中,计算动作阻抗的方法具体为:
计算制动阻抗的方法具体为:
其中,分别为保护区两侧保护装置测量正序阻抗,Zl为被保护馈线的正序阻抗;Kd为保护区两侧正序电流幅值比(即幅值差异系数),表达式为其中分别为保护区两侧保护装置测量正序电流幅值。
进一步地,所述步骤(6)中,判定是否为故障区段的方法为:
如果动作阻抗的值大于等于制动阻抗与制动系数的乘积,则判定为故障区段;否则,不是故障区段。
进一步地,所述步骤(6)中,如果是故障区段,则本侧保护装置对本侧断路器发出跳闸信号,同时给对侧保护装置发出跳闸信号;若不是故障区段,则判断为短时扰动,等待设定时间后返回。
本发明的有益效果:
(1)因为故障后,任一时刻下线路两侧保护正序电压与正序电流的比值基本恒定,所以相比于传统电流差动保护,正序阻抗差动保护最大的优点在于不需要数据同步,就可以完成故障的识别。
(2)相比于传统分相差动纵联保护方法,正序阻抗差动保护仅需要传递正序阻抗信息,显著压缩两端交换的信息量。
(3)正序差动阻抗保护不借助于正序故障分量,对分布式电源类型、容量、接入位置等变化因素具有较强的适应性。
(4)带制动特性的正序阻抗差动保护动作判据可有效减小被保护区负荷分支的影响,改善保护的动作特性。
(5)利用幅值差异系数动态调整制动阻抗的大小,增加保护在区内故障时的灵敏度,同时保证了区外故障时保护不动作的可靠性。
(6)由于过渡电阻直接反映于正序差动阻抗,在一定范围内,可有效提高保护在经过渡电阻短路故障情形下的灵敏度。
附图说明
图1为含逆变型电源的配电网示意图;
图2为图1有源配电网保护1、2区内故障简化正序网络;
图3为图1有源配电网保护1、2区外故障简化正序网络;
图4为10kV含IBDG配电网典型拓扑结构;
图5为本发明的故障处理程序流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明:
一种带制动特性的含IBDG配电网正序阻抗差动保护方法,如图4所示,包括:
在有源配电网馈线上各分布式电源接入点上游侧与下游侧安装电流互感器,并利用分布式电源并网点处的电压互感器,实时采集保护安装处的三相电流和三相电压;利用三相电流瞬时值突变量,判定配网内发生故障,保护启动故障处理程序;确定故障起始时刻,存储故障起始时刻前后各一个周波的故障数据,比较故障前后三相电流幅值大小,判别故障处理程序是否应该进入正序阻抗差动保护进程;若进入正序阻抗差动保护进程,计算本侧保护的测量正序阻抗;正序阻抗差动保护区两侧保护通过光纤以太网或无线通信网络进行正序阻抗信息以及正序电流幅值信息的交换;本侧保护装置获取对侧保护测量正序阻抗信息后,进行动作阻抗和制动阻抗的计算,根据带制动特性的动作判据判断被保护区是否为故障区段;如果是故障区段,则本侧保护装置对本侧断路器发出跳闸信号,同时给对侧保护装置发出跳闸信号;若不是故障区段,则判断为短时扰动,等待设定时间后返回。
具体方法如下:
(1)本侧保护装置实时采集三相电流信息,计算各相电流的瞬时值突变量。
(2)本侧保护装置根据各相电流的瞬时值突变量,判定配电网是否发生故障,若发生故障则启动故障处理程序。
(3)靠近系统电源侧保护装置根据三相故障电流与故障前负荷电流的大小关系,确定保护是否进入正序阻抗差动保护进程,若判别为本馈线保护区外故障或相邻馈线故障,则向对侧保护装置发送保护闭锁信号;否则,保护装置进入正序阻抗差动保护进程。远离系统电源侧保护在启动故障处理程序后,直接进入正序阻抗差动保护进程。
(4)进入正序阻抗差动保护进程后,采集并存储故障后同一周波内的三相电流信息及三相电压信息,获取本侧保护装置测量正序阻抗。
(5)被保护区两侧保护装置进行正序阻抗相量、正序电流幅值信息的交换。
(6)本侧保护装置获取被保护区对侧保护装置的测量正序阻抗相量信息以及正序电流幅值信息后,进行动作阻抗、幅值差异系数以及制动阻抗的计算。
(7)根据带制动特性的正序阻抗差动保护动作判据判断是否为故障区段。如果是故障区段,则本侧保护装置对本侧断路器发出跳闸信号,同时给对侧保护装置发出跳闸信号;若不是故障区段,则判断为短时扰动,等待设定时间后返回。
进一步地,判定故障发生的步骤为:
(1)计算各相电流的瞬时值突变量,计算方法为
|Δi(k)|=||i(k)-i(k-N)|-|i(k-N)-i(k-2N)||(1)
其中i(k)为当前时刻A、B、C相电流采样值,i(k-N)为当前时刻对应故障前一个周波的电流采样值,k为采样点,N为每周期的采样点数。
(2)将瞬时值突变量与设定值进行比较,若存在连续3个突变量超过设定值,则判断发生了故障。
进一步地,判别故障处理程序是否应该进入正序阻抗差动保护进程的具体步骤为:
(1)故障处理程序启动后,标记首个突变量超过设定值的点为故障起始点,并以此作为工频正序分量计算周期的起始时刻,存储本侧保护装置故障时刻前后各一个周波的电流瞬时采样数据。
(2)求取故障起始点前后两个周波的电流工频分量,故障前的电流量即为正常运行情况下流过本侧保护的负荷电流,故障后的电流量即为故障电流。工频分量的获取可采用全波傅式算法、半波傅式算法或最小二乘法算法。
(3)分别比较三相故障电流与正常运行下负荷电流的大小。若三相电流幅值均不大于正常运行情况下的负荷电流,则判别为本馈线保护区外故障或相邻馈线故障,并向对侧保护装置发送保护闭锁信号;否则,本侧保护装置内部保护进程进入正序阻抗差动保护处理程序。
进一步地,正序阻抗的计算方法步骤为:
(1)利用故障起始点后一个周波的电流、电压的瞬时值,进而获得基波工频分量。工频分量的获取可采用全波傅式算法、半波傅式算法或最小二乘法算法。
(2)利用对称分量法获取电压、电流正序分量。对称分量的计算公式如下:
I · + I · - I · 0 = 1 3 1 α α 2 1 α 2 α 1 1 1 I · a I · b I · c - - - ( 2 )
U · + U · - U · 0 = 1 3 1 α α 2 1 α 2 α 1 1 1 U · a U · b U · c - - - ( 3 )
其中α=ej120°为正序电压,为正序电流。
(3)利用正序电压、电流获得正序阻抗。计算公式为
Z + = U · + I · + - - - ( 4 )
正序阻抗差动保护的故障识别原理为:
图1为含逆变型电源的配电网示意图;在CBi处配置相应序号的保护(i=1,2,3,4)。由保护1和2、保护3和4分别构成一套纵联正序差动阻抗保护。图1中保护1与保护2区内故障时,正序故障网络如图2所示,其中箭头所示方向为规定的电流正方向。线路两侧保护测量正序阻抗为
Z 1 + = U · 1 + I · 1 + = Z l 11 + I · 1 + + i 2 + I · 1 + Z f - - - ( 5 )
Z 2 + = U · 2 + I · 2 + = Z l 12 + I · 1 + + I · 2 + I · 2 + Z f - - - ( 6 )
式中,为流过保护1与保护2处的正序故障电流,为故障后保护1与2处的正序电压,为两侧保护的测量正序阻抗。Zl11与Zl12相加为保护间的线路正序阻抗Zl1。设Rf为过渡电阻,则各类故障类型下故障阻抗Zf取值为表1所示。
表1不同故障类型下故障附加阻抗值
注:式中Z2、Z0分别为从负序网络、零序网络中故障口看入的系统等值阻抗。
定义正序差动阻抗为定义故障阻抗系数则正序差动阻抗幅值变为
ZD=|PZf|(7)
ρ为线路两侧正序电流幅值比,ρ>0。相角θ反映了两侧正序电流的相位关系。则
P = c o s θ ( ρ + 1 ρ ) + 2 + j sin θ ( ρ - 1 ρ ) - - - ( 8 )
利用含参数表达式的最值求解方法分析式(8),可知当ρ恒定,表达式在cosθ为最小值-1时取最小值;当θ恒定,表达式在ρ为最大值1时取最小值。ρ=1且cosθ=-1对应于正常运行状态与区外故障情形,此时故障阻抗系数取到最小值0。两侧电流幅值比或相角差减小,故障阻抗系数均增大。
联系含IBDG的配电网实际运行情况,区内故障时因保护1流过系统电源向短路点提供的短路电流,幅值较大;而保护2处的短路电流取决于下游IBDG输出短路电流与负荷电流的大小关系,幅值往往较小。因此,区内故障时两侧短路电流固有的幅值差异,使故障阻抗系数有着较大的取值,从而式(7)也有着较大的幅值。
在一定范围内,过渡电阻值通过故障阻抗Zf反映在正序差动阻抗数学表达式(7)中,故障阻抗Zf与差动阻抗系数P相乘,自然地起到放大差动系数倍数的作用。在经相同过渡电阻值短路的故障情形时,正序阻抗差动保护明显具有更高的灵敏度。然而,随着过渡电阻的进一步增大,故障电流穿越现象更为严重,两侧电流的相角差逐步增大,故障阻抗系数P相应减小,以上优势逐渐减弱。
若发生保护1与保护2区外故障,例如下游保护3与保护4间故障,正序故障网络如图3所示。
线路两侧保护测量正序阻抗为
Z 1 + = U · 1 + I · 1 + = Z l 1 + I · 3 + I · 1 + Z l 21 + I · 3 + + I · 4 + I · 1 + Z f - - - ( 9 )
Z 2 + = U · 2 + I · 2 + = - ( I · 3 + I · 1 + Z l 21 + I · 3 + + I · 4 + I · 1 + Z f ) - - - ( 10 )
两者相加为保护间的线路阻抗,即差动阻抗的幅值在理想情况下为零。
因此,区内外故障正序差动阻抗幅值存在明显的差异,可据此构造正序阻抗差动保护动作判据。考虑配电网建设的经济性,往往只在变电站出口母线处以及分布式电源并网点处加装PT,可获得计算正序阻抗所需的电压信号。但是,如果变电站母线与分布式电源间或分布式电源与分布式电源间存在负荷分支,则必然影响到正序差动阻抗保护的性能。
为减小负荷分支的影响,本发明构建一种含负荷分支网络结构的带制动特性的正序阻抗差动保护判据,以改善保护的动作特性。
正序阻抗差动保护动作判据的构建方法为:
借鉴电流差动保护中标积制动方式的判据形式,同样以图1中保护1与保护2为例,构造带制动特性的保护判据具体为
| Z 1 + + Z 2 + - Z l 1 | ≥ K r e s Z r e s = K r e s K d | Z 1 + | | Z 2 + | - - - ( 11 )
式中,Kd为幅值差异系数,实质为前文提到的两侧保护正序电流幅值比ρ,其取值意义在于利用区内故障时两侧故障电流幅值差异,动态调整制动阻抗的大小,以增加保护在区内故障时的灵敏度。Kres为制动系数,在0~1之间选择;Zres为制动阻抗。
为验证新型保护配置方案的合理性,建立如图4所示的含IBDG配电网模型,基准容量为100MVA,馈线电压为10kV。其中,AB、BC、CD和DE段馈线长度分别为2.3、2.7、2.0、1.0km,单位长度参数均为(0.17+j0.34)Ω/km。模型中IBDG选为PQ控制的具有低电压穿越能力的逆变型电源,额定容量为4MW。此时各母线处均接有额定容量2MVA,功率因数为0.9的负荷。在CB1、CB2和CB3处分别配置保护1、2和3,由保护1和2构成一套纵联正序阻抗差动保护。分别设置f1,f2和f3点相间短路故障,带制动特性正序差动阻抗保护的计算数据及判别结果如表2所示。
表2不同故障情形下的正序差动阻抗保护判别结果
注:保护1处负荷电流为0.4334kA。
由表2可知,当相邻线路段f1点故障时,由于区内的分支负荷引起了较大的差动阻抗,甚至在DG输出容量为2MW时,差动阻抗超过了制动阻抗,若无其它措施,正序差动保护将误判为区内故障。然而,此时保护1处的短路电流未超过正常运行情况下的负荷电流,电流越限启动辅助判据不会动作,保护进程不会进入正序差动阻抗保护模块。
区内f2点故障,由于引入了幅值差异系数,明显降低了制动阻抗值,提高了内部故障时的灵敏度。
被保护区下游线路段f3点故障时,保护两侧均流过系统提供较大的短路电流,差动阻抗近似为零。保护两侧电流幅值相差不大,幅值差异系数近似为1,可忽略其对制动特性的影响。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种带制动特性的含IBDG配电网正序阻抗差动保护方法,其特征是,包括以下步骤:
(1)本侧保护装置实时采集三相电流信息,计算各相电流的瞬时值突变量;本侧保护装置根据各相电流的瞬时值突变量,判定配电网是否发生故障,若发生故障,则启动故障处理程序,进入步骤(2);否则,返回步骤(1);
(2)靠近系统电源侧保护装置根据三相故障电流与故障前负荷电流的大小关系,确定保护装置是否进入正序阻抗差动保护进程;如果是,进入步骤(3);否则,判定为区外故障或相邻馈线故障,向对侧保护装置发送保护闭锁信号;
远离系统电源侧保护装置在启动故障处理程序后,直接进入正序阻抗差动保护进程,进入步骤(3);
(3)采集并存储故障后同一周波内的三相电流信息及三相电压信息,获取本侧保护装置测量的正序阻抗;
(4)正序阻抗差动保护区的两侧保护装置进行正序阻抗相量、正序电流幅值信息的交换;
(5)本侧保护装置获取被保护区对侧保护装置的测量正序阻抗相量信息以及正序电流幅值信息后,进行动作阻抗、幅值差异系数以及制动阻抗的计算;
(6)根据计算的动作阻抗、制动阻抗的大小关系判定是否为故障区段。
2.如权利要求1所述的一种带制动特性的含IBDG配电网正序阻抗差动保护方法,其特征是,所述步骤(1)中判定配电网是否发生故障的具体方法为:
连续计算三相电流的瞬时值突变量,将各相瞬时值突变量与设定阈值进行比较,若存在连续3个突变量超过阈值,则判断发生了故障,启动故障处理程序。
3.如权利要求1所述的一种带制动特性的含IBDG配电网正序阻抗差动保护方法,其特征是,所述步骤(2)中,故障处理程序启动后,标记首个突变量超过设定值的点为故障起始点,并以此作为工频正序分量计算周期的起始时刻,获取故障起始点前后两个周波的电流工频分量,故障前的电流量记为正常运行情况下流过本侧保护的负荷电流,故障后的电流量记为故障电流;
比较三相故障电流与正常运行下负荷电流的大小;若三相故障电流幅值均不大于正常运行下的负荷电流,则判别为本馈线保护区外故障或相邻馈线故障,并向对侧保护装置发送保护闭锁信号;否则,本侧保护装置进入正序阻抗差动保护处理进程。
4.如权利要求1所述的一种带制动特性的含IBDG配电网正序阻抗差动保护方法,其特征是,所述步骤(3)中,获取本侧保护装置测量的正序阻抗的方法具体为:
1)利用同一个周波的三相电流、三相电压的瞬时采样值,获得基波工频分量;
2)利用对称分量法分别获取电压、电流正序分量;
3)根据获取的电压、电流正序分量计算正序阻抗。
5.如权利要求1所述的一种带制动特性的含IBDG配电网正序阻抗差动保护方法,其特征是,所述步骤(5)中,计算动作阻抗的方法具体为:
计算制动阻抗的方法具体为:
其中,分别为保护区两侧保护装置的测量正序阻抗,Zl为被保护馈线的正序阻抗;Kd为保护区两侧幅值差异系数,表达式为其中分别为保护区两侧保护装置的测量正序电流幅值。
6.如权利要求1所述的一种带制动特性的含IBDG配电网正序阻抗差动保护方法,其特征是,所述步骤(6)中,判定是否为故障区段的方法为:
如果动作阻抗的值大于等于制动阻抗与制动系数的乘积,则判定为故障区段;否则,不是故障区段。
7.如权利要求1所述的一种带制动特性的含IBDG配电网正序阻抗差动保护方法,其特征是,所述步骤(6)中,如果是故障区段,则本侧保护装置对本侧断路器发出跳闸信号,同时给对侧保护装置发出跳闸信号;若不是故障区段,则判断为短时扰动,等待设定时间后返回。
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