CN105811383B - 一种新型微电网正序阻抗差动保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型微电网正序阻抗差动保护方法，实时采集三相电流和三相电压，进而计算保护安装处正序阻抗；进行动作阻抗和制动阻抗的计算，本侧保护装置利用通信网络获取差动保护区对侧正序阻抗信息后，根据动作判据判断是否是故障区段，并针对正序阻抗差动保护的检测盲区加设了比相式距离元件用于三相金属性故障的识别。本发明能适用于微电网并网与孤岛两种运行状态，充分考虑了故障时穿越性电流、大过渡电阻对故障检测的影响，并且不借助于同步信号采集，不借助于故障分量，有效解决了微电网复杂的网络结构与多变的运行状态给微电网保护带来的问题，保证了保护的选择性与可靠性。
Description
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微电网运行特点的正序阻抗差动保护方法。
背景技术
微电网复杂的网络结构和灵活多变的运行特点使得传统配电网保护难以正确动作，甚至保护性能优越的输电网保护直接应用于微电网中也同样面临考验。微电网运行方式灵活多变，不同运行方式下故障电气量存在明显的差异，在孤岛运行状态下，短路电流幅值明显小于并网状态，按传统三段式电流保护的整定原则难以保证保护的灵敏性。分布式电源出力与用电负荷的随机性，也导致功率流向的不确定性，若故障点下游分布式电源出力不足以提供负荷功率所需，则将出现穿越性故障电流，此外发生高阻故障时，也会造成穿越性电流，将影响保护故障方向的判别。微电网内的分布式电源(distributedgeneration，DG)多为逆变型电源，其故障特征不同于旋转型电源，将影响基于正序故障分量的保护的动作性能。GB19964-2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》对光伏电站应该满足的低电压穿越作出要求：发生三相短路故障且并网点线电压跌落至0时，仍能不脱网连续运行0.15s。此低电压穿越时间远大于保护动作时间，即当逆变电源上游线路段发生三相短路故障时，仍需要考虑光伏电站所提供的短路电流。以上诸多因素，使微电网的保护设计面临严峻挑战。
为了解决以上运行特点给微电网保护带来的问题，国内外学者进行了大量的研究。
现有技术中将微电网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。
现有技术中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。
现有技术中采用了正序故障分量电流的搜索保护与差动保护相结合的综合保护方案。
由于逆变型电源无法在正序故障分量网络中等效为接地阻抗，利用故障分量的判别方法其可靠性有待研究，同时以上文献均没有针对微电网某些的故障情形如故障穿越性电流、高阻故障，进行保护原理的适应性分析。
现有技术中利用基于通信的网络化保护获取各断路器故障电流方向锁定故障区域。此类保护需要通信的数据量较大，造价较高，当通信系统故障时，导致保护系统瘫痪。
总之，现有关于微电网保护的方法中，均没有考虑到两侧短路电流的幅值差异与故障电流穿越现象对保护性能的影响，以及高阻故障时传统保护方案灵敏度不足的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述难题，提供了一种新型微电网正序阻抗差动保护方法，并配以比相式距离保护作为辅助判据，用于解决正序阻抗差动保护的三相金属性短路检测盲区，实现微电网内部故障的保护。本发明方法充分考虑了故障时穿越性电流、大过渡电阻对故障检测的影响，并且不借助于同步信号采集，不借助于故障分量，有效解决了微电网复杂的网络结构与多变的运行状态给微电网保护带来的问题，保证了保护的选择性与可靠性。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种新型微电网正序阻抗差动保护方法，包括以下步骤：
(1)实时采集微电网的各段主干馈线两侧的三相电流信息以及母线处的三相电压信息；
(2)根据各相电流的瞬时值突变量，确定故障起始时刻；
(3)存储故障起始时刻以后一个周波的故障数据，利用对称分量法获取正序电流以及正序电压，进而获得线路两侧保护测量正序阻抗；
(4)正序阻抗差动保护区的两侧保护装置进行正序阻抗信息的交换；
(5)本侧保护装置获取正序阻抗差动保护区对侧的正序阻抗信息后，进行动作阻抗和制动阻抗的计算；
(6)构造正序阻抗差动保护方案的带制动特性的判据；根据所述判据判断是否是故障区段，并通过比相式距离保护元件辅助判据进一步进行故障方向的判别；
(7)如果是故障区段，则本侧保护装置对本次断路器发出跳闸信号，同时，本侧保护装置给对侧装置发出跳闸信号；若不是故障区段，则判断为短时扰动，等待设定时间后返回。
所述步骤(2)中确定故障起始时刻的具体方法为：
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，且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。
所述步骤(3)中，获得线路两侧保护测量正序阻抗的方法具体为：
1)利用所求得的故障起始点求取一个周波的电流、电压的瞬时值，进而获得基波工频分量；
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。
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，分别为线路两侧保护测量正序阻抗，Zl为被保护馈线的阻抗。
所述步骤(6)中，正序阻抗差动保护方案的带制动特性的判据为：
其中，Kres为制动系数；如果满足上述条件，说明该线路段是故障区段。
所述步骤(6)中，比相式距离保护元件辅助判据具体为：
其中，分别为三相故障前后的测量电压，为三相故障后的测量电流，Zset为母线到整定点之间的线路阻抗；如果满足上述条件，说明发生了正向出口三相短路，保护动作。
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)正序差动阻抗保护能够同时适应于微电网并网和孤岛两种运行状态的故障情况，并且不受故障电流穿越和高阻故障的影响，具有更高的可靠性与灵敏度。
(3)仅需要交换正序阻抗值，也避免了大量的数据传输。
(4)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。
(5)借助于智能配电终端的硬件支持，本保护方法不依赖于系统主站可实现对有源配电网故障区段的快速检测和隔离，易于实现工程应用。
(6)基于本地信息的比相式距离元件，能够克服出口短路时死区电压的影响，不仅能够作为三相金属性短路故障时正序阻抗差动保护失效的辅助判据，还能够作为其他故障类型的后备保护方案，提高了保护的可靠性。
附图说明
图1为保护1、2区内故障简化正序网络；
图2为保护1、2区外故障简化正序网络；
图3为典型10kV微电网拓扑结构仿真案例；
图4为并网运行方式下正序差动阻抗及制动阻抗随过渡电阻增大的变化情况；
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：
一种新型微电网正序阻抗差动保护方法，如图5所示，包括：
在微电网的各段主干馈线两侧装设三相电流互感器，并在母线处安装三相电压互感器，实时采集三相电流和三相电压；
利用瞬时值突变量，判定故障起始时刻；故障启动后存储故障后一个周波的故障数据，利用对称分量法获取正序电流以及正序电压，进而两侧保护获得测量正序阻抗；
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的交换；本侧保护装置获取差动保护区对侧正序阻抗信息后，进行动作阻抗和制动阻抗的计算，根据动作判据判断是否是故障区段，并通过比相式距离保护元件辅助判据进一步进行故障方向的判别，如果是故障区段，则本侧保护装置对本次断路器发出跳闸信号，同时，本侧保护装置给对侧装置发出跳闸信号；若不是故障区段，则判断为短时扰动，等待一段时间后返回。
具体方法如下：
(1)实时采集微电网的各段主干馈线两侧的三相电流信息以及母线处的三相电压信息；
(2)根据各相电流的瞬时值突变量，确定故障起始时刻；
(3)存储故障起始时刻以后一个周波的故障数据，利用对称分量法获取正序电流以及正序电压，进而获得线路两侧保护测量正序阻抗；
(4)正序阻抗差动保护区的两侧保护装置进行正序阻抗信息的交换；
(5)本侧保护装置获取正序阻抗差动保护区对侧的正序阻抗信息后，进行动作阻抗和制动阻抗的计算；
(6)构造正序阻抗差动保护方案的带制动特性的判据；根据所述判据判断是否是故障区段，并通过比相式距离保护元件辅助判据进一步进行故障方向的判别；
(7)如果是故障区段，则本侧保护装置对本次断路器发出跳闸信号，同时，本侧保护装置给对侧装置发出跳闸信号；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，判定故障起始时刻的步骤为：
(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，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，且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。
进一步地，正序阻抗的计算方法步骤为
(1)利用所求得的故障起始点求取一个周波的电流、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、最小二乘法、卡尔曼滤波算法。
(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：
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
正序阻抗差动保护的故障识别原理为：
区内故障时，正序故障网络如图1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
式中，与为流过保护1与保护2处的正序故障电流，与为故障后保护1与2处的正序电压，与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则令则正序差动阻抗幅值为
|ZD|＝|P||Zf| (7)
令ρ为线路两侧正序电流幅值比，ρ＞0。相角θ反映了两侧电流的相位关系。则
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＝-1时取最小值；当θ恒定，表达式在ρ＝1时取最小值。在其他因素不变的前提下，两侧电流幅值比增大或相角差减小，均使差动阻抗幅值增大。
所以，即使在故障电流穿越时，因为两侧短路电流仍有一定的幅值差异，差动阻抗值仍有较大的取值，保护从而能够保证一定的灵敏度。
此外，由于较高的过渡电阻会通过Zf直接反映在差动阻抗表达式中，相比于电流差动保护，正序阻抗差动保护有着更强的抗过渡电阻的能力。
若发生区外故障，例如下游发生故障，正序故障网络如图2所示。
线路两侧保护测量正序阻抗为
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。
正序阻抗差动保护动作判据的构建方法为：
利用区内外故障差动阻抗幅值的差异，可以构造正序阻抗差动保护方案的动作判据为
幅值门槛应根据现场的运行数据，不仅躲过区外短路时最大不平衡电流引起的不平衡阻抗，并且躲过配电网中三相负荷不平衡引起的不平衡阻抗。但要保证经高阻短路故障时应有足够的灵敏度。
若门槛难以确定，借鉴电流差动保护的制动特性，设制动阻抗构造带制动特性的判据如式(12)所示：
如果满足上述条件，说明该线路段是故障区段。制动系数Kres的选取同样需要保证高阻故障时仍有足够的灵敏度。利用制动判据虽然牺牲了区内故障时一定的灵敏度，却提高了在区外短路时判据的可靠性。
所述制动系数Kres的确定方法为仿真过渡电阻200Ω两相接地故障情况，计算此时的制动阻抗和动作阻抗，从而得到制动系数Kres
所述利用比相式距离保护元件构造的辅助判据为
其中，分别为三相故障前后的测量电压，为三相故障后的测量电流，Zset为母线到整定点之间的线路阻抗；如果满足上述条件，说明发生了正向出口三相短路，保护动作。
比相式距离保护动作判据以故障前的电压作为极化电压，通过比较工作电压相位法判断故障区段。阻抗继电器采用低电压启动，整定范围为线路全长的80％～85％。当本侧继电器检测到整定范围内正方向故障，保护将无延时快速出口，并向对端继电器发送跳闸信号，从两侧切除故障。
为验证新型保护配置方案的合理性，利用PSCAD/EMTDC搭建如图3所示基准容量为100MVA的10kV微电网，线路AB、BC分别为2.0、4.0km，单位长度参数均为(0.17+j0.34)Ω/km；馈线上各母线处均接有额定功率为1MVA，额定功率因数为0.9的负荷。除孤岛运行条件下，主电源DG1采用Vf控制策略外，其他接入的分布式电源均为PQ控制的逆变电源。
首先，仿真高阻故障以检验正序阻抗差动保护的性能，并确定制动系数。设置图3中保护1与2区段内发生两相接地短路故障，图4记录了并网运行方式下正序差动阻抗及制动阻抗随过渡电阻增大的变化情况。
过渡电阻的增加使得附加阻抗增大，正序差动阻抗先呈现出增大的趋势；然而，随着过渡电阻的增加，故障电流穿越现象更为严重，两侧电流的相角差接近于π，正序差动阻抗减小。
根据经200Ω高阻短路的故障数据确定制动系数Kres，其值为
其次，考虑DG出力与负荷功率随机性引起的故障电流流向不定的问题，以考核其对正序差动保护性能的影响。表2仿真了并网与孤岛两种运行方式下，保护1与2区段内发生两相短路故障时，流过保护2的故障电流在不同的功率流向时，正序阻抗差动保护组1与2、3与4正序差动阻抗与制动阻抗的计算结果；表中与分别为保护3与保护4的测量正序阻抗；规定电流的正方向为各保护安装处指向被保护馈线。
表2不同故障情形下的正序阻抗差动保护计算数据/Ω
注：①与②均表示保护1与2区段内发生两相短路故障，且①代表保护2的功率流向为P>0，Q>0；②代表保护2的功率流向为P<0，Q>0。
可以看出，无论故障电流是否发生穿越，正序阻抗差动保护组1与2、3与4，均能正确判断区内外故障。
若存在负荷分支，由于负荷阻抗很大，正常运行情况下，与高阻故障具有相似的电气特征，保护很难将其与高阻故障区分开，将会造成保护的误动。所以在图3中，针对负荷分支，则在接入母线两侧加装智能电子装置，将具有分支负荷的线路段分为两个无分支负荷的线路段，分别配置正序阻抗差动保护。
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 (6)
1.一种新型微电网正序阻抗差动保护方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)实时采集微电网的各段主干馈线两侧的三相电流信息以及母线处的三相电压信息；
(2)根据各相电流的瞬时值突变量，确定故障起始时刻；
(3)存储故障起始时刻以后一个周波的故障数据，利用对称分量法获取正序电流以及正序电压，进而获得线路两侧保护测量正序阻抗；
(4)正序阻抗差动保护区的两侧保护进行正序阻抗信息的交换；
(5)本侧保护装置获取正序阻抗差动保护区对侧的正序阻抗信息后，进行动作阻抗和制动阻抗的计算；
(6)构造正序阻抗差动保护方案的带制动特性的判据；根据所述判据判断是否是故障区段，并通过比相式距离保护元件辅助判据进一步进行故障方向的判别；
(7)如果是故障区段，则本侧保护装置对本次断路器发出跳闸信号，同时，本侧保护装置给对侧装置发出跳闸信号；若不是故障区段，则判断为短时扰动，等待设定时间后返回。
2.如权利要求1所述的一种新型微电网正序阻抗差动保护方法，其特征是，所述步骤(2)中确定故障起始时刻的方法具体为：
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，且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。
3.如权利要求1所述的一种新型微电网正序阻抗差动保护方法，其特征是，所述步骤(3)中，获得线路两侧保护测量正序阻抗的方法具体为：
(1)利用所求得的故障起始点求取一个周波的电流、电压的瞬时值，进而获得基波工频分量；
(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。
4.如权利要求1所述的一种新型微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，分别为线路两侧保护测量正序阻抗，Zl为被保护馈线的阻抗。
5.如权利要求1所述的一种新型微电网正序阻抗差动保护方法，其特征是，所述步骤(6)中，正序阻抗差动保护方案的带制动特性的判据为：
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其中，Kres为制动系数；如果满足上述条件，说明测量线路段是故障区段。
6.如权利要求1所述的一种新型微电网正序阻抗差动保护方法，其特征是，所述步骤(6)中，比相式距离保护元件辅助判据具体为：
其中，分别为三相故障前后的测量电压，为三相故障后的测量电流，Zset为母线到整定点之间的线路阻抗；如果满足上述条件，说明发生了正向出口三相短路，保护动作。
Priority Applications (1)
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