CN106058827A - 一种独立微电网故障保护方法 - Google Patents

Abstract

一种独立微电网故障保护方法,基于短时能量段的独立微电网故障保护方法，其能够准确地鉴别出独立微电网是否发生故障：在故障检测的基础上利用故障电流信息实现故障定位；以故障电流和短时能量段作为故障检测判据，独立微电网保护装置不会因为外界干扰和负荷突变产生误动；短时能量段(SES)是反映线路上能量流动大小的特征量，表示工频周期T时间内线路上流过的能量大小；通过比较前后两个周期的电流有效值和短时能量段来判断独立微电网是否发生故障，能够适应微电网拓扑结构的变化，自适应调整保护整定值；将故障前一个周期的电流有效值和SES作为判断独立微电网是否故障的整定依据。

Description

一种独立微电网故障保护方法

技术领域：

本发明涉及独立微电网故障保护方法，主要应用于独立微电网线路保护中，可以准确地检测出独立微电网故障状态和故障线路，可靠地保障独立微电网安全稳定运行。

背景技术：

随着风电、光伏等可再生能源和高效清洁的化石燃料在内的新型发电技术的应用，分布式发电得到的飞速的发展。独立微电网由分布式发电装置产生的电源、负荷和储能装置通过电力电子变换器整合在一起的小型发、配电系统，能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，充分利用了分布式电源的发电能力，已经逐步成为电力行业的重要发展方向。

然而，独立微电网结构对继电保护提出了特殊的要求，其保护要考虑的主要因素有：分布式电源和负荷的“即插即用”使独立微电网拓扑结构灵活多变；受电力电子器件的限流作用，故障时分布式电源提供很小的短路电流，造成保护装置难以区分故障状态和正常状态；大量分布式电源的接入使独立微电网潮流具有不确定性。上述特点使传统电网保护原理与配置方式不能满足独立微电网保护的要求，需要研究新型的独立微电网保护方法。

微电网保护技术已经成为限制微电网进一步发展的重要技术障碍。目前，对微电网并网运行时的保护已经有了比较成熟的保护策略。但微电网独立运行时，其故障电流特征不明显导致其保护研究一直处于理论探索阶段，没有一套完整可靠的保护策略。因此，对独立微电网保护技术的研究对微电网今后的发展具有重大的意义。

发明内容：

本发明的目的是，提出一种能够可靠保障独立微电网安全稳定运行的故障保护方法。

本发明的技术方案是：一种独立微电网故障保护方法，尤其是基于短时能量段的独立微电网故障保护方法，其能够准确地鉴别出独立微电网是否发生故障：在故障检测的基础上利用故障电流信息实现故障定位；

1)以故障电流和短时能量段作为故障检测判据，独立微电网保护装置不会因为外界干扰和负荷突变产生误动；

为了能够准确地区分独立微电网故障状态和正常状态，从能量的角度出发，分析发现微电网在正常运行时和故障时线路上能量流动差异较大，提出一种反映线路上能量流动大小的特征量——短时能量段(SES)，其表示工频周期T时间内线路上流过的能量大小。SES定义如(1)式所示：

$SES\left(t\right)={\∫}_{t-T}^t\[u_a\left(t\right)\·i_a\left(t\right)+u_b\left(t\right)\·i_b\left(t\right)+u_c\left(t\right)\·i_c\left(t\right)\]dt---\left(1\right)$

其中，u(t)和i(t)分别是线路中t时刻的电压和电流，SES(t)表示t时刻线路上的短时能量段。如(1)式所示，短时能量段SES是电流和电压乘积在工频周期T上的积分，其不受外界瞬时扰动和电压、电流畸变产生影响，稳定性强能够表征任意时刻线路上能量流动的大小，在微电网故障检测中具有重要的应用价值。

独立微电网在运行时系统惯性小、拓扑结构灵活多变、受外界干扰影响较大，其在正常运行时，极有可能受外部干扰或负荷突变使其输出电流瞬间超过过电流保护的整定值，引起保护误动。

2)通过比较前后两个周期的电流有效值和短时能量段来判断独立微电网是否发生故障，能够适应微电网拓扑结构的变化，自适应调整保护整定值；

但独立微电网在正常运行时，受外部干扰或负荷突变引起输出电流瞬间增大的同时，也会使输出短时能量段瞬间增大；因干扰或负荷突变引起短时能量段减小的同时，也会使输出电流减小。结合前文第2节所述，微电网发生故障时输出电流增大、短时能量段严重降低，这正好与因外部干扰或负荷突变引起的电流和SES特征相反。因此将电流增大和短时能量段减小作为微电网的故障检测判据，能够准确的判断出微电网是否处于故障运行状态。

由于独立微电网拓扑结构灵活多变，为了使故障检测判据的整定值自适应于微电网的拓扑结构，将故障前一个周期的电流有效值和SES作为判断独立微电网是否故障的整定依据，微电网故障检测判据整定方法如(2)式所示：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{t+T}\≥K_P{I}_t\\ {\mathrm{SES}}_{t+T}\≤K_q{\mathrm{SES}}_t\end{array}\right.---\left(2\right)$

独立微电网任一线路上t+T时刻的电流有效值大于等于t时刻电流有效值的K_p倍时，且t+T时刻的SES大于等于t时刻SES的K_q倍时，表明微电网中有故障发生。其中K_p和K_q是故障启动判据的可靠系数。根据独立微电网故障电流被限制在1.5-2倍的额定电流，取K_p＝1.5，结合短时能量段的定义取K_q＝0.25。

3)在故障检测的基础上，利用故障电流信息可实现对独立微电网中双向潮流线路和单向潮流线路的准确故障定位。

根据独立微电网中线路潮流的方向，可将独立微电网线路划分为双向潮流线路和单向潮流线路。

a.当检测到线路两端电流方向都为正，且至少有一端电流满足I_t+T≥K_PI_t时，表明此线路故障；

b.当检测到线路上只有一端电流满足I_t+T≥K_PI_t，且另一端电流大小几乎零时，表明此线路故障。

微电网在运行中时刻检测各个线路中的电流和短时能量段信息，当任一线路上电流和短时能量段满足故障检测判据(2)式时，表明微电网中有故障发生。此时，启动报警和故障定位算法，实时比较每条线路两端的电流大小和方向信息，当有线路两端电流信息满足故障定位判据a或故障定位判据b时，表明此线路故障，保护装置动作切除故障线路。

本发明的有益效果是：所提出的故障保护策略能够有效保障独立微电网的安全稳定运行，所提出的独立微电网故障保护方法有以下特点，以故障电流和短时能量段作为故障检测判据，独立微电网保护装置不会因为外界干扰和负荷突变产生误动；能够适应微电网拓扑结构的变化，自适应调整保护整定值；可实现对独立微电网中双向潮流线路和单向潮流线路的准确故障定位。在故障检测的基础上利用故障电流信息可实现故障定位。所提出的独立微电网故障保护方法以故障电流和短时能量段作为故障检测判据，独立微电网保护装置不会因为外界干扰和负荷突变产生误动；通过比较前后两个周期的电流有效值和短时能量段来判断独立微电网是否发生故障，能够适应微电网拓扑结构的变化，自适应调整保护整定值；在故障检测的基础上，利用故障电流信息可实现对独立微电网中双向潮流线路和单向潮流线路的准确故障定位。

附图说明：

图1简化独立微电网结构图；

图2独立微电网故障保护流程图；

图3三相短路时DG1输出电流和短时能量段波形；其中(a)DG1输出电流，(b)DG1输出短时能量段；

图4两相短路时DG1输出电流和短时能量段波形；其中(a)DG1输出电流；(b)DG1输出短时能量段；

图5突加突减负载DG2输出电流和短时能量段波形；其中(a)DG2输出电流；(b)DG2输出短时能量段。

具体实施方式：

1.如图1所示简化独立微电网结构图，通过传感器实时采集独立微电网每一条线路两端的电流和电压信号。通过信号传输线将采集到的电流和电压信号传输到独立微电网中央控制器。图1中符号标志：Load1-4为对应A-D的4个负载；Line1-3为线路1-3；IEDX为(继电保护装置)；电压、电流传感器未画出。

2.中央控制器根据短时能量段的定义如(1)式和电流有效值计算公式如(2)式，计算出每条线路两端当前时刻的电流有效值和短时能量段。

$SES\left(t\right)={\∫}_{t-T}^t\[u_a\left(t\right)\·i_a\left(t\right)+u_b\left(t\right)\·i_b\left(t\right)+u_c\left(t\right)\·i_c\left(t\right)\]dt---\left(1\right)$

$I_a\left(t\right)=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_{t-T}^t{i_a}^2\left(t\right)dt}$ $I_b\left(t\right)=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_{t-T}^t{i_b}^2\left(t\right)dt}---\left(2\right)$

$I_c\left(t\right)=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_{t-T}^t{i_c}^2\left(t\right)dt}$

3.比较当前t时刻与t-T时刻的短时能量段和电流有效值，是否满足如(3)式所示的故障检测判据。

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{t+T}\≥K_P{I}_t\\ {\mathrm{SES}}_{t+T}\≤K_q{\mathrm{SES}}_t\end{array}\right.---\left(3\right)$

如果任一条线路上采集到的电流和短时能量段满足故障检测判据(3)式，则表明独立微电网中有故障发生。启动故障报警和故障定位算法。

根据独立微电网中线路潮流的方向，可将独立微电网线路划分为双向潮流线路和单向潮流线路。独立微电网简化结构图如图1所示，线路1和线路2上潮流方向是双向的，线路3上的潮流方向是单向的。结合上文分析，当线路1或2发生短路故障时，故障线路两端至少有一个智能保护装置(intelligent electronic device，IED)能够检测到电流增大。定义电流正方向为母线流向线路，则故障线路两端检测到电流方向都为正方向。当线路3上发生故障时，IED3.1检测到电流增大，IED3.2检测到的电流几乎为零。根据上述故障线路电流特性，故障线路定位方法如下：

a.当检测到线路两端电流方向都为正，且至少有一端电流满足I_t+T≥K_PI_t时，表明此线路故障；

b.当检测到线路上只有一端电流满足I_t+T≥K_PI_t，且另一端电流大小几乎零时，表明此线路故障。

独立微电网故障保护过程如图2所示，微电网在运行中时刻检测各个线路中的电流和短时能量段信息，当任一线路上电流和短时能量段满足故障检测判据(2)式时，表明微电网中有故障发生。此时，启动报警和故障定位算法，实时比较每条线路两端的电流大小和方向信息，当有线路两端电流信息满足故障定位判据a或故障定位判据b时，表明此线路故障，保护装置动作切除故障线路。

采用DIgSILENT软件搭建图1所示独立微电网仿真模型，在MATLAB中编程对仿真数据进行计算得到短时能量段波形。通过仿真计算得出简化独立微电网发生三相故障和相间故障以及突加突减负载时，逆变型电源输出电流特征和短时能能量段特征分别如图3、图4、图5所示。在仿真模型中设置线路2发生三相短路故障和线路3发生两相短路故障，通过仿真计算得出微电网故障判别结果如表1和表2所示。以上仿真结果和算列判别结果表明，所提出的独立微电网保护方法能够准确的检测出故障状态和故障线路，保障独立微电网的安全稳定运行。

表1线路2发生三相短路故障算例判别结果

表2线路3发生两相短路故障算例判别结果

表1图1中线路2发生三相短路故障算例判别结果；

表2图1中线路3发生两相短路故障算例判别结果；

4.定义电流正方向为母线流向线路。故障定位方法如下：

a.当检测到线路两端电流方向都为正，且至少有一端电流满足I_t+T≥K_PI_t时，表明此线路故障；

b.当检测到线路上只有一端电流满足I_t+T≥K_PI_t，且另一端电流大小几乎零时，表明此线路故障。当检测到独立微电网中有故障发生时，根据公式(4)计算每一条线路两端的电流方向角。

当检测到独立微电网中有故障发生时，实时比较每条线路两端的电流方向信息和电流大小，当有线路两端电流信息满足故障定位判据a或故障定位判据b时，表明此线路故障。独立微电网中央控制器记录此故障线路，并且向故障线路两端的保护装置发送信号，切除故障线路。

Claims (3)

1.一种独立微电网故障保护方法，其特征是基于短时能量段的独立微电网故障保护方法，其能够准确地鉴别出独立微电网是否发生故障：在故障检测的基础上利用故障电流信息实现故障定位；

1)以故障电流和短时能量段作为故障检测判据，独立微电网保护装置不会因为外界干扰和负荷突变产生误动；短时能量段(SES)是反映线路上能量流动大小的特征量，表示工频周期T时间内线路上流过的能量大小；SES定义如(1)式所示：

$SES\left(t\right)={\∫}_{t-T}^t\[u_a\left(t\right)\·i_a\left(t\right)+u_b\left(t\right)\·i_b\left(t\right)+u_c\left(t\right)\·i_c\left(t\right)\]dt---\left(1\right)$

其中，u(t)和i(t)分别是线路中t时刻的电压和电流，SES(t)表示t时刻线路上的短时能量段；(1)式所示，短时能量段SES是电流和电压乘积在工频周期T上的积分，其不受外界瞬时扰动和电压、电流畸变产生影响，稳定性强能够表征任意时刻线路上能量流动的大小；

2)通过比较前后两个周期的电流有效值和短时能量段来判断独立微电网是否发生故障，能够适应微电网拓扑结构的变化，自适应调整保护整定值；

将故障前一个周期的电流有效值和SES作为判断独立微电网是否故障的整定依据，微电网故障检测判据整定方法如(2)式所示：

$\{\begin{array}{c}{I}_{t+T}\≥K_P{I}_t\\ {\mathrm{SES}}_{t+T}\≤K_q{\mathrm{SES}}_t\end{array}---\left(2\right)$

独立微电网任一线路上t+T时刻的电流有效值I_t+T大于等于t时刻电流有效值I_t的K_p倍时，且t+T时刻的SES_t+T大于等于t时刻SES_t的K_q倍时，表明微电网中有故障发生；其中K_p和K_q是故障启动判据的可靠系数。

2.根据权利要求1所述的独立微电网故障保护方法，其特征是根据独立微电网故障电流被限制在1.5-2倍的额定电流，取K_p＝1.5，结合短时能量段的定义取K_q＝0.25。

3.根据权利要求1所述的独立微电网故障保护方法，其特征是在故障检测的基础上，利用故障电流信息实现对独立微电网中双向潮流线路和单向潮流线路的准确故障定位：根据独立微电网中线路潮流的方向，将独立微电网线路划分为双向潮流线路和单向潮流线路；当线路发生短路故障时，故障线路两端至少有一个智能保护装置IED能够检测到电流增大，定义电流正方向为母线流向线路，则故障线路两端检测到电流方向都为正方向，故障线路定位方法如下：

定位判据a.当检测到线路两端电流方向都为正，且至少有一端电流满足I_t+T≥K_PI_t时，表明此线路故障；

定位判据b.当检测到线路上只有一端电流满足I_t+T≥K_PI_t，且另一端电流大小几乎零时，表明此线路故障；

微电网在运行中时刻检测各个线路中的电流和短时能量段信息，当任一线路上电流和短时能量段满足故障检测判据(2)式时，表明微电网中有故障发生；此时，启动报警和故障定位算法，实时比较每条线路两端的电流大小和方向信息，当有线路两端电流信息满足故障定位判据a或故障定位判据b时，表明此线路故障，保护装置动作切除故障线路。