CN106941252A - 不需电压量的含dg配电网馈线保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种不需电压量的含DG配电网馈线保护方法，属于配电网自动化领域，所要解决的技术问题是含DG配电网馈线的继电保护问题。所述方法包括以下部分：分别在配电网馈线区段两端的分段开关处各设置一个馈线终端FTU；FTU采集电流信号，对电流信号的采样数据进行处理，并向主站上传配电网发生异常前后的电流相角变化量；根据馈线区段两端的FTU所上传的电流相角变化量，主站决定分段开关是否跳闸。本发明能够应用在未装设电压互感器的含DG配电网的馈线保护中；在故障发生时不需DG退出即可快速切除馈线故障区段；具有运算量小，对硬件要求低等优点。

Description

不需电压量的含DG配电网馈线保护方法

技术领域

本发明属于配电网自动化领域，具体涉及一种不需电压量的含DG配电网馈线保护方法。

背景技术

传统的配电网采用单电源、辐射型结构。不管正常运行还是故障状态，潮流的方向始终是单一的。在这种情况下，不辨别潮流方向的过电流保护装置能够有效、可靠保护配电网馈线。随着分布式电源(Distributed Generation,DG)的广泛接入，传统配电网逐渐变为多电源联合供电的复杂网络。含DG配电网的继电保护面临诸多挑战：DG出力受控制策略影响，存在不确定性，难以有效计算故障电流的大小，导致过电流保护整定困难；含DG配电网馈线故障时，故障潮流的方向不再是单一的，传统的不辨别电流方向的过电流保护无法可靠保护馈线。

此外，电力公司长期“重输轻配”，造成配电网电力装备较为薄弱。出于经济方面的考虑，同时也为避免铁磁谐振，配电网馈线上一般不装设电压互感器。这就导致很难构成方向元件来确定故障潮流方向。配电网实时通信能力较差，馈线上的馈线终端单元(FeederTerminal Unit,FTU)无法通过交换电流的实时采样数据构成保护。这些都增大了含DG配电网馈线保护的难度。

为克服上述问题，实现对含DG配电网馈线的可靠保护，国内外研究人员进行了广泛而深入的研究，提出了许多新型的保护方法，取得了一些成效。但是，这些方法仍然存在着一些不足之处。例如，根据馈线区段两端相电流突变量方向差异构成的馈线保护方法仅在故障电流与负荷电流相角存在较大差异时效果显著，不能在任何情况下可靠保护馈线；Trung Dung Le和Marc Petit在《Directional relays without voltage sensors fordistribution networks》(IET Generation,Transmission&Distribution，VOL.8,NO.12,2014)(《不需电压传感器的配电网方向保护》(IET发电，输电和配电，2014年第12期))中利用序分量比值与支持向量机构成保护的方法，有赖于对支持向量机的训练效果，且在同步发电机接入馈线情况下可能出现误差。总之，馈线上未安装电压互感器的含DG配电网馈线保护问题依然未被彻底解决，需要根据配电网的发展形势，不断研究出新型的继电保护技术来保障配电网安全、可靠运行。

发明内容

本发明的目的在于，针对DG高度渗透下现有配电网馈线保护技术的缺点与不足，充分考虑配电网馈线上FTU获取电压量困难、通信实时性较差的现状，提供一种不需电压量的含DG配电网馈线保护方法，使配电网故障时，在不提前切除DG的情况下，可靠切除馈线故障区段。

本发明通过以下技术方案实现：

一种不需电压量的含DG配电网馈线保护方法，其特征在于，包括以下几个部分：

第一部分：分别在配电网馈线区段的两端的分段开关处各设置一个馈线终端FTU，FTU可与主站通信；

第二部分：FTU采集电流信号，对电流信号的采样数据进行处理，并向主站上传配电网发生异常前后的电流相角变化量；

第三部分：主站接收到馈线区段两端的两个FTU所传送的相角变化量后，若相角变化量满足式(1)，则判定在该馈线区段内发生故障，主站向该馈线区段两端的分段开关下达跳闸命令；否则，判定该馈线区段内未发生故障，主站不向该馈线区段两端的分段开关下达跳闸命令；

式(1)中，为馈线区段一端的FTU向主站传送的电流相角变化量，为馈线区段另一端FTU向主站传送的电流相角变化量，n为整数，δ_set为设定的阈值。

优选的，所述第二部分具体包括以下几个步骤：

步骤1：FTU对配电网馈线三相电流信号进行采样，得到采样值序列；

步骤2：设采样值序列中的最新采样序号为k，若配电网馈线三相电流信号的第k次、第(k-N)次和第(k-p)次采样值满足式(2)，则判定配电网发生异常，将k赋值给变量k_on，FTU继续对配电网馈线三相电流信号采样一个工频周期，再进入步骤3；否则，判定配电网处于正常运行状态，返回步骤1；

式(2)中，i_φ(k)、i_φ(k-N)和i_φ(k-p)分别为配电网馈线φ相电流信号的第k次、第(k-N)次和第(k-p)次采样值，φ＝A、B、C，N为一个工频周期内的采样次数，K_res＝0.15；

步骤3：利用序列{i_A(k_on-N),i_A(k_on-N+1),…,i_A(k_on-1)}、序列{i_B(k_on-N),i_B(k_on-N+1),…,i_B(k_on-1)}及序列{i_C(k_on-N),i_C(k_on-N+1),…,i_C(k_on-1)}，采用离散傅里叶变换和对称分量法计算配电网发生异常前的正序电流的A相相角利用序列{i_A(k_on)-i_A(k_on-N),i_A(k_on+1)-i_A(k_on-N+1),…,i_A(k_on+N-1)-i_A(k_on-1)}、序列{i_B(k_on)-i_B(k_on-N),i_B(k_on+1)-i_B(k_on-N+1),…,i_B(k_on+N-1)-i_B(k_on-1)}及序列{i_C(k_on)-i_C(k_on-N),i_C(k_on+1)-i_C(k_on-N+1),…,i_C(k_on+N-1)-i_C(k_on-1)}，采用离散傅里叶变换和对称分量法计算配电网发生异常后正序故障分量的A相相角再根据式(3)求配电网发生异常前后的电流相角变化量

步骤4：FTU向主站上传配电网发生异常前后的电流相角变化量，即的值。

优选的，所述第三部分中δ_set的取值范围为π/2～3π/4：

本发明的基本原理：在馈线区段两端配置x号和y号FTU。对于区段内部故障，故障前正序电流和故障后正序故障分量电流满足式(4)：

式中，I_x和I_y分别为x号和y号FTU所检测的故障前正序电流，I_fx和I_fy分别为x号和y号FTU所检测的故障后正序故障分量电流，ΔZ为故障过渡电阻，Z_x和Z_y分别为故障点x侧和y侧的馈线线路阻抗。电流相量图如附图中图4(a)所示，其中，和分别为x号和y号FTU所计算的相角变化量。始终存在其中，和为Ix和Iy的相角。配电网馈线线路阻抗差异较小，根据式(4)得到：与的值相近，因此即

对于区段外部故障，始终存在Ix＝-Iy，Ifx＝-Ify，其电流相量图如附图中图4(b)所示。因此，得到即

以上分析的前提是，x号与y号FTU对电流进行同步测量。事实上，实际馈线上FTU通信能力较弱，难以实现实时通信，无法做到同步测量，只能异步测量。如附图中图4所示，在异步测量情况下，y号FTU所检测的故障前正序电流和故障后正序故障分量电流将变为I_y′和I′_fy，y号FTU所计算的相角变化量也变为此时，将需要根据是否属于[(2n+1)π-δ_set,(2n+1)π+δ_set]来判定故障位置。从附图中图4可以看出，始终存在因此，异步测量情况下前述结论依然成立，本发明对通信通道要求不高，不需要实时通信。

本发明的有益效果是：FTU检测配电网发生异常前的正序电流相角与配电网发生异常后的正序故障分量相角的相角变化量，上传此相角变化量，主站利用馈线区段两端的两个FTU所上传的相角变化量构成保护判据，FTU与主站的数据传输量少，对通信通道要求不高；保护判据受故障时刻、故障过渡电阻影响小，具有较高的准确度与可靠性；不需要馈线上装设电压互感器，利用现有保护平台即可实现，具有很高的经济性与实用性；在故障发生后，不需要提前切除DG，就可以确定馈线故障区段，有利于提高DG利用率，也有利于提高配电网自动化水平。

附图说明

图1为本发明的馈线区段两端的分段开关与FTU配置示意图；

图2为本发明的FTU采集、处理数据的流程图；

图3为本发明的主站判定故障位置的流程图；

图4为本发明的区段内、外部故障时的电流相量图；

图5为本发明实施例的含DG配电网系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图5所示为含DG配电网系统结构图，其中电源E_s线电压为35kV，三相变压器T采用YNd11连接方式，额定容量为20MVA，额定电压为35/11kV，线路正序阻抗和负序阻抗均为0.106+j0.115Ω/km，线路零序阻抗为0.502+j0.321Ω/km，馈线区段1和馈线区段2长度均为4km，负荷1和负荷2分别为6MVA和8MVA，功率因数均为0.9，各FTU的参考方向均为从母线指向线路，F为故障点，设置为AB相间故障，故障时刻设置为0.506s时刻。系统频率为50Hz，采样频率为2000Hz。本实施例不需获取电压量，实现对图5所示系统中馈线的保护，具体包括以下部分：

第一部分：如图5所示，在配电网馈线区段line1的两端的分段开关处设置有1号FTU和2号FTU，在配电网馈线区段line2的两端的分段开关处设置有3号FTU和4号FTU，各FTU可与主站通信；

第二部分：FTU采集电流信号，对电流信号的采样数据进行处理，并向主站上传配电网发生异常前后的电流相角变化量，具体包括以下几个步骤：

步骤1：各FTU对配电网馈线三相电流信号进行采样，形成采样序列；

步骤2：1号FTU从第1014个采样点开始满足前述式(2)，判定配电网存在异常，令k_on＝1014，继续对配电网馈线三相电流信号采样一个工频周期；

2号FTU从第1014个采样点开始满足前述式(2)，判定配电网存在异常，令k_on＝1014，继续对配电网馈线三相电流信号采样一个工频周期；

3号FTU从第1014个采样点开始满足前述式(2)，判定配电网存在异常，令k_on＝1014，继续对配电网馈线三相电流信号采样一个工频周期；

4号FTU从第1014个采样点开始满足前述式(2)，判定配电网存在异常，令k_on＝1014，继续对配电网馈线三相电流信号采样一个工频周期；

步骤3：利用序列{i_A(k_on-N),i_A(k_on-N+1),…,i_A(k_on-1)}、序列{i_B(k_on-N),i_B(k_on-N+1),…,i_B(k_on-1)}及序列{i_C(k_on-N),i_C(k_on-N+1),…,i_C(k_on-1)}，采用离散傅里叶变换和对称分量法计算配电网发生异常前的正序电流的A相相角利用序列{i_A(k_on)-i_A(k_on-N),i_A(k_on+1)-i_A(k_on-N+1),…,i_A(k_on+N-1)-i_A(k_on-1)}、序列{i_B(k_on)-i_B(k_on-N),i_B(k_on+1)-i_B(k_on-N+1),…,i_B(k_on+N-1)-i_B(k_on-1)}及序列{i_C(k_on)-i_C(k_on-N),i_C(k_on+1)-i_C(k_on-N+1),…,i_C(k_on+N-1)-i_C(k_on-1)}，采用离散傅里叶变换和对称分量法计算配电网发生异常后正序故障分量的A相相角再根据前述式(3)求配电网发生异常前后的电流相角变化量各FTU所计算的和的值如下：

1号FTU保护启动前正序电流的相角为0.6042，保护启动后正序故障分量的相角为-0.5891，

2号FTU保护启动前正序电流的相角为-2.5379，保护启动后正序故障分量的相角为-0.7690，

3号FTU保护启动前正序电流的相角为0.1424，保护启动后正序故障分量的相角为3.5584，

4号FTU保护启动前正序电流的相角为-3.0013，保护启动后正序故障分量的相角为0.4083，

步骤4：各FTU向主站上传配电网发生异常前后的电流相角变化量，即的值。

第三部分：主站接收到1～4号FTU所上传的电流相角变化量，为明显区分，分别以 和表示1～4号FTU所上传的电流相角变化量，具体为

对于line1：和满足前述式(1)，所以判定在line1内部发生故障，主站向line1两端的分段开关下达跳闸命令，将故障区段line1切除；

对于line2：和不满足前述式(1)，所以判定在line2内部未发生故障，主站不向line2两端的分段开关下达跳闸命令。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于上述实施例，本发明的保护范围以权利要求为准。应当指出，在本技术领域范围内，在不脱离本发明原理的情况下，对本发明所做的润饰、简化、替代和组合，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种不需电压量的含DG配电网馈线保护方法，其特征在于，包括以下几个部分：

第一部分：分别在配电网馈线区段的两端的分段开关处各设置一个馈线终端FTU，FTU可与主站通信；

第二部分：各FTU采集电流信号，对电流信号的采样数据进行处理，并向主站上传配电网发生异常前后的电流相角变化量；

第三部分：主站接收到馈线区段两端的两个FTU所传送的电流相角变化量后，若电流相角变化量满足式(1)，则判定在该馈线区段内发生故障，主站向该馈线区段两端的分段开关下达跳闸命令；否则，判定该馈线区段内未发生故障，主站不向该馈线区段两端的分段开关下达跳闸命令；

式(1)中，为馈线区段一端的FTU向主站传送的电流相角变化量，为馈线区段另一端FTU向主站传送的电流相角变化量，n为整数，δ_set为设定的阈值。

2.根据权利要求1所述的不需电压量的含DG配电网馈线保护方法，其特征在于，所述第二部分具体包括以下几个步骤：

步骤1：FTU对配电网馈线三相电流信号进行采样，得到采样值序列；

步骤2：设采样值序列中的最新采样序号为k，若配电网馈线三相电流信号的第k次、第(k-N)次和第(k-p)次采样值满足式(2)，则判定配电网发生异常，将k赋值给变量k_on，FTU继续对配电网馈线三相电流信号采样一个工频周期，再进入步骤3；否则，判定配电网处于正常运行状态，返回步骤1；

$\underset{\mathrm{\φ}=A,B,C}{max}\left\{\right|i_{\mathrm{\φ}}\left(k\right)-i_{\mathrm{\φ}}(k-N)\left|\right\}>K_{res}\underset{\mathrm{\φ}=A,B,C}{\Σ}\sqrt{\underset{p=N+1}{\overset{2N}{\Σ}}\frac{{\[i_{\mathrm{\φ}}(k-p)\]}^2}{9N}}---\left(2\right)$

式(2)中，i_φ(k)、i_φ(k-N)和i_φ(k-p)分别为配电网馈线φ相电流信号的第k次、第(k-N)次和第(k-p)次采样值，φ＝A、B、C，N为一个工频周期内的采样次数，K_res＝0.15；

步骤3：利用序列{i_A(k_on-N),i_A(k_on-N+1),…,i_A(k_on-1)}、序列{i_B(k_on-N),i_B(k_on-N+1),…,i_B(k_on-1)}及序列{i_C(k_on-N),i_C(k_on-N+1),…,i_C(k_on-1)}，采用离散傅里叶变换和对称分量法计算配电网发生异常前的正序电流的A相相角利用序列{i_A(k_on)-i_A(k_on-N),i_A(k_on+1)-i_A(k_on-N+1),…,i_A(k_on+N-1)-i_A(k_on-1)}、序列{i_B(k_on)-i_B(k_on-N),i_B(k_on+1)-i_B(k_on-N+1),…,i_B(k_on+N-1)-i_B(k_on-1)}及序列{i_C(k_on)-i_C(k_on-N),i_C(k_on+1)-i_C(k_on-N+1),…,i_C(k_on+N-1)-i_C(k_on-1)}，采用离散傅里叶变换和对称分量法计算配电网发生异常后正序故障分量的A相相角再根据式(3)求配电网发生异常前后的电流相角变化量

步骤4：FTU向主站上传配电网发生异常前后的电流相角变化量，即的值。

3.根据权利要求1所述的不需电压量的含DG配电网馈线保护方法，其特征在于，所述第三部分中δ_set的取值范围为π/2～3π/4。