CN107221918B - 基于边方向变化量的交流微网保护防误动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于边方向变化量的交流微网保护防误动方法，包括步骤：一、分割微电网区域并构建微电网的有向弧结构矩阵；二、获取流过断路器的有功功率瞬时值并构建边故障信息矩阵；三、定位故障分割区域；四、故障分割区域的故障保持；五、通过断路器的高电平状态信号，对关联断路器执行断开。本发明不仅能够对微电网多个分割区域的故障进行准确的故障定位，需要信息交互的数据量少，对数据传输速率和对信道的抗干扰能力要求低，并且可精确保持断路器开合，防止断路器误动，确保故障后的及时恢复，实现微电网保护的逻辑自适应性。

Description

基于边方向变化量的交流微网保护防误动方法

技术领域

本发明属于交流微网故障隔离技术领域，具体涉及一种基于边方向变化量的交流微网保护防误动方法。

背景技术

交流微网作为独立可控的小型供电系统，能充分提高分布式电源的利用率，满足电力系统对灵活性、稳定性及安全性的要求。但由于其运行方式灵活、潮流方向多变，其故障特性与传统电网差异很大，导致传统继电保护的选择性面临巨大挑战。常规的自适应保护核心在于整定值的实时更新和计算，但节点数越多，整定值的在线计算量就越庞大，控制单元的处理速度就必须越快，最终导致保护装置的成本不断增加。因此造成了现有保护算法目前只局限于理论研究阶段，并不具备实用性，同时保护整定值的实时更新，都需要具有可执行复杂算法的数字继电器和高度智能化的控制终端来实现，这样当一次保护设备进行智能化升级改造时就必然存在成本增加的经济性问题；除此之外，由于需要大量的数据信息交互，对数据传输的速率和对信道的抗干扰能力要求越来越高，就会造成保护策略对通信过度依赖的问题。因此，现如今缺少一种方法简单、需要信息交互的数据量少，对数据传输速率和对信道的抗干扰能力要求低，不但可以进行故障定位，还能有效将故障隔离的交流微网保护防误动方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于边方向变化量的交流微网保护防误动方法，需要信息交互的数据量少，对数据传输速率和对信道的抗干扰能力要求低，不但可以进行故障定位，并且可精确保持断路器开合，防止断路器误动，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于边方向变化量的交流微网保护防误动方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、分割交流微网区域并构建交流微网的有向弧结构矩阵：首先，以断路器实际位置为基础划分出交流微网的分割区域，所述分割区域中不包含断路器，所述分割区域包括配网分割区、输送分割区、负载分割区、微源分割区和混合分割区；然后，规定联系各个分割区域的断路器上电流的正方向，构建有向弧结构矩阵M且其中，n为分割区域的编号且n取正整数，k为断路器的编号且k取正整数，m_ij为有向弧结构矩阵M中任一元素且i为正整数且i＝1,2,...,n，j为正整数且j＝1,2,...,k；

步骤二、获取流过断路器的有功功率瞬时值并构建边故障信息矩阵，过程如下：

步骤201、采集断路器上流过的有功功率瞬时值P_j；

步骤202、根据公式计算第j个断路器的有功功率突变量ΔP_j，其中，为有功功率瞬时值P_j上一周期的平均有功功率；

步骤203、构建边故障信息矩阵B_F且B_F＝[b_F1 b_F2 … b_Fj … b_Fk]，其中，b_Fj为第j个断路器的故障信息且其中，P_ε为有功功率瞬时值P_j的门槛值，b_Fj＝1表示第j个断路器起点区域故障，b_Fj＝-1表示第j个断路器终点区域故障，b_Fj＝0表示与第j个断路器直接相连的分割区域均无故障；

步骤三、定位故障分割区域，过程如下：

步骤301、首先，根据公式计算第i个分割区域的故障标志F_i，其中，m_ij·b_Fj≠0；然后，构建分割区域的故障标志矩阵F且

步骤302、判断分割区域内是否发生故障：根据故障标志F_i的取值判断第i个分割区域内是否发生故障，当故障标志F_i等于1时，第i个分割区域内发生故障，第i个分割区域为故障分割区域；否则，第i个分割区域为非故障分割区域；

步骤四、故障分割区域的故障保持，过程如下：

步骤401、设置故障信号计数标志矩阵FJ：为故障标志矩阵F设置故障信号计数标志矩阵FJ且故障信号计数标志矩阵FJ中的任一故障信号计数标志FJ_i的初始状态均为低电平，其中，故障信号计数标志FJ_i为故障标志F_i的故障信号计数标志且FJ_i＝0；

步骤402、故障分割区域的故障信号计数标志跳变：将步骤302中得到的故障分割区域对应的故障信号计数标志FJ_i的状态从低电平0跳变为高电平1，将步骤302中得到的非故障分割区域对应的故障信号计数标志状态保持低电平0；

步骤404、根据公式计算故障更新标志F_i'，对故障标志F_i进行更新，其中，x为正整数且

步骤五、根据公式计算第j个断路器的状态信号S_Bj，通过断路器的高电平状态信号，对关联断路器执行断开，其中，F'_α为第α个分割区域的故障更新标志，F'_δ为第δ个分割区域的故障更新标志，且第j个断路器连接第α个分割区域和第δ个分割区域，α、β、δ、ε均为正整数且

上述的基于边方向变化量的交流微网保护防误动方法，其特征在于：所述断路器为数字断路器。

上述的基于边方向变化量的交流微网保护防误动方法，其特征在于：步骤201中所述断路器上流过的有功功率瞬时值P_j通过有功功率传感器采集。

上述的基于边方向变化量的交流微网保护防误动方法，其特征在于：所述T为采样周期，p(t)为有功功率瞬时值P_j上一周期的任一采样有功功率。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明针对交流微网的结构特点，采用以断路器为边界的思想将交流微网进行分割，通过规定联系各个分割区域的断路器上电流的正方向，构建有向弧结构矩阵，采集断路器上流过的有功功率瞬时值，根据边方向变化量的保护原理对交流微网进行网络拓扑分析，对分割区域进行故障定位，便于推广使用。

2、本发明仅采集流过断路器的有功功率瞬时值，通过实时采样流过断路器的有功功率来计算单位采样时间内有功功率变化量即突变量，将突变量与门槛值进行比较后得到边故障信息量，边故障信息量经过网络拓扑分析的矩阵算法处理后实现可以故障定位，需要信息交互的数据量少，对数据传输速率和对信道的抗干扰能力要求低，可靠稳定，使用效果好。

3、本发明方法步骤简单，通过为故障标志矩阵设置故障信号计数标志矩阵且故障信号计数标志矩阵中的任一故障信号计数标志的初始状态均为低电平，通过故障分割区域的故障信号计数标志跳变及更新故障标志，实现故障分割区域的故障保持，避免交流微网潮流方向多变，导致分割区域的故障标志矩阵变化，进而导致断路器误动，便于推广使用。

综上所述，本发明不仅能够对交流微网多个分割区域的故障进行准确的故障定位，需要信息交互的数据量少，对数据传输速率和对信道的抗干扰能力要求低，并且可精确保持断路器开合，防止断路器误动，确保故障后的及时恢复，实现交流微网保护的逻辑自适应性，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例的交流微网的分割区域图。

图2为图1的拓扑结构图。

图3为本发明交流微网保护防误动方法的流程框图。

图4为本发明实施例的交流微网存在故障时流过第1个断路器的有功功率突变示意图。

图5为本发明实施例的交流微网存在故障时流过第2个断路器的有功功率突变示意图。

图6为本发明实施例的交流微网存在故障时流过第3个断路器的有功功率突变示意图。

图7为本发明实施例的交流微网存在故障时流过第4个断路器的有功功率突变示意图。

图8为本发明实施例的交流微网存在故障时流过第5个断路器的有功功率突变示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明的基于边方向变化量的交流微网保护防误动方法，包括以下步骤：

步骤一、分割交流微网区域并构建交流微网的有向弧结构矩阵：首先，以断路器实际位置为基础划分出交流微网的分割区域，所述分割区域中不包含断路器，所述分割区域包括配网分割区、输送分割区、负载分割区、微源分割区和混合分割区；然后，规定联系各个分割区域的断路器上电流的正方向，构建有向弧结构矩阵M且其中，n为分割区域的编号且n取正整数，k为断路器的编号且k取正整数，m_ij为有向弧结构矩阵M中任一元素且i为正整数且i＝1,2,...,n，j为正整数且j＝1,2,...,k；

本实施例中，所述断路器为数字断路器。

需要说明的是，本实施例中，如图1所示，交流微网中设置有断路器B1、断路器B2、断路器B3、断路器B4、断路器B5将交流微网分割为配网分割区F1、输送分割区F2、负载分割区F3和F5、微源分割区F4和混合分割区F6，为了简化分析，将图1中分割区域的交流微网进行简化，简化为如图2所述的拓扑结构，其中，配网分割区F1、输送分割区F2、负载分割区F3和F5、微源分割区F4和混合分割区F6为拓扑结构的顶点，断路器B1、断路器B2、断路器B3、断路器B4、断路器B5作为拓扑结构的边，由于交流微网的双向潮流特性，无方向的矩阵无法描述拓扑结构，因此规定联系各个分割区域的断路器上电流的正方向，成为有方向描述拓扑结构。

如图2所示，断路器B1的正方向是从配网分割区F1流向输送分割区F2；断路器B2的正方向是从输送分割区F2流向负载分割区F3；断路器B3的正方向是从输送分割区F2流向微源分割区F4；断路器B4的正方向是从输送分割区F2流向混合分割区F6；断路器B5的正方向是从微源分割区F4流向负载分割区F5。

本实施例中，分割区域的编号n取6，断路器的编号k取5，构建有向弧结构矩阵M且

步骤二、获取流过断路器的有功功率瞬时值并构建边故障信息矩阵，过程如下：

步骤201、采集断路器上流过的有功功率瞬时值P_j；

本实施例中，步骤201中所述断路器上流过的有功功率瞬时值P_j通过有功功率传感器采集。

步骤202、根据公式计算第j个断路器的有功功率突变量ΔP_j，其中，为有功功率瞬时值P_j上一周期的平均有功功率；

本实施例中，所述T为采样周期，p(t)为有功功率瞬时值P_j上一周期的任一采样有功功率。

步骤203、构建边故障信息矩阵B_F且B_F＝[b_F1 b_F2 … b_Fj … b_Fk]，其中，b_Fj为第j个断路器的故障信息且其中，P_ε为有功功率瞬时值P_j的门槛值，b_Fj＝1表示第j个断路器起点区域故障，b_Fj＝-1表示第j个断路器终点区域故障，b_Fj＝0表示与第j个断路器直接相连的分割区域均无故障；

需要说明的是，本实施例中，如图4所示，断路器B1所在的边B1，在故障发生前有功功率为正，在故障发生后为正且幅值增大，则故障发生在边B1的终点区；

如图5所示，断路器B2所在的边B2，在故障发生前有功功率为正，在故障发生后为正且幅值减小，则故障发生在边B2的起点区；

如图6所示，断路器B3所在的边B3，在故障发生前有功功率为正，在故障发生后为正且幅值减小，则故障发生在边B3的起点区；

如图7所示，断路器B4所在的边B4，在故障发生前有功功率为正，在故障发生后为正且幅值减小，则故障发生在边B4的起点区；

如图8所示，断路器B5所在的边B5，在故障发生前有功功率为正，在故障发生后为正且幅值减小，则故障发生在边B5的起点区；

综上所述，边故障信息矩阵B_F＝[-1 1 1 1 1]，可判断故障发生在输送分割区F2内。

步骤三、定位故障分割区域，过程如下：

步骤301、首先，根据公式计算第i个分割区域的故障标志F_i，其中，m_ij·b_Fj≠0；然后，构建分割区域的故障标志矩阵F且

步骤302、判断分割区域内是否发生故障：根据故障标志F_i的取值判断第i个分割区域内是否发生故障，当故障标志F_i等于1时，第i个分割区域内发生故障，第i个分割区域为故障分割区域；否则，第i个分割区域为非故障分割区域；

需要说明的是，为了更加直观的描述故障分割区域的定位，结合有向弧结构矩阵计算每个分割区域的故障标志，其中，F₁＝m₁₁×b_F1＝1×(-1)＝-1，F₂＝(m₂₁×b_F1)×(m₂₂×b_F2)×(m₂₃×b_F3)×(m₂₄×b_F4)＝(-1)×(-1)×(1×1)×(1×1)×(1×1)＝1，F₃＝m₃₂×b_F3＝(-1)×1＝-1，F₄＝(m₄₃×b_F3)×(m₄₅×b_F5)＝(-1)×1×(1×1)＝-1，F₅＝m₅₅×b_F5＝(-1)×1＝-1，F₆＝m₆₄×b_F4＝(-1)×1＝-1，构建分割区域的故障标志矩阵可直观的定位故障分割区域为输送分割区F2。

步骤四、故障分割区域的故障保持，过程如下：

步骤401、设置故障信号计数标志矩阵FJ：为故障标志矩阵F设置故障信号计数标志矩阵FJ且故障信号计数标志矩阵FJ中的任一故障信号计数标志FJ_i的初始状态均为低电平，其中，故障信号计数标志FJ_i为故障标志F_i的故障信号计数标志且FJ_i＝0；

需要说明的是，为故障标志矩阵F设置故障信号计数标志矩阵FJ且故障信号计数标志矩阵的初始值为

步骤402、故障分割区域的故障信号计数标志跳变：将步骤302中得到的故障分割区域对应的故障信号计数标志FJ_i的状态从低电平0跳变为高电平1，将步骤302中得到的非故障分割区域对应的故障信号计数标志状态保持低电平0；

需要说明的是，本实施例中，输送分割区F2故障，因此，输送分割区F2对应的故障信号计数标志FJ₂的状态从低电平0跳变为高电平1，即此时故障信号计数标志矩阵

步骤404、根据公式计算故障更新标志F_i'，对故障标志F_i进行更新，其中，x为正整数且

需要说明的是，故障分割区域的故障保持的目的是，在实际故障分割区域确定后，相应区域相关联的断路器直接跳开，断路器跳开之后，边故障信息量就会发生变化，故障分割区域还在实时计算，如果再计算出其他故障分割区域边故障信息量变化符合故障标志计算结果时，就会出现继续跳其他断路器的异常情况，这是不应该出现的情况，因此需要对计算出来的各个故障分割区域的进行故障标志保持处理才可以使断路器只正确动作一次，防止断路器误动作。

本实施例中，使用故障更新标志F_i'结果执行故障发生区的断路器跳，故障更新标志当输送分割区F2故障，因此，输送分割区F2对应的故障信号计数标志FJ₂的状态从低电平0跳变为高电平1，其余故障信号计数标志均为0，因此，当相应区域相关联的断路器跳开之后，边故障信息量就会发生变化，故障分割区域还在实时计算，若后续在出现高电平，但由于输送分割区F2对应的故障信号计数标志FJ₂先出现高电平并且一直保持高电平，因此故障标志F₁、故障标志F₃、故障标志F₄、故障标志F₅或故障标志F₆中不论哪个信号再出现高电平，其对应的故障信号计数标志都需要与低电平进行与运算，得到低电平，不再会出现高电平，即屏蔽了输送分割区F2故障出现后的其他区域故障信号，从而保证了断路器的一次正确动作即防止误动的情况出现。

步骤五、根据公式计算第j个断路器的状态信号S_Bj，通过断路器的高电平状态信号，对关联断路器执行断开，其中，F'_α为第α个分割区域的故障更新标志，F'_δ为第δ个分割区域的故障更新标志，且第j个断路器连接第α个分割区域和第δ个分割区域，α、β、δ、ε均为正整数且

本实施例中，通过获取每个断路器关联的故障分割区域，通过计算每个断路器的状态信号实际控制每个断路器跳，当S_Bj输出为高电平时，相应的断路器由合到分，当S_Bj输出为低电平时，断路器不动作；需要说明的是，第j个断路器的状态信号S_Bj可通过去除方向信号的弧结构矩阵M'确定第j个断路器的状态信号S_Bj连接的两个分割区域，进而获得第j个断路器的状态信号S_Bj的表达式，本实施例中通过列方向上的1元素对应每个断路器连接的两个分割区域，进而故障隔离。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.基于边方向变化量的交流微网保护防误动方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、分割交流微网区域并构建交流微网的有向弧结构矩阵：首先，以断路器实际位置为基础划分出交流微网的分割区域，所述分割区域中不包含断路器，所述分割区域包括配网分割区、输送分割区、负载分割区、微源分割区和混合分割区；然后，规定联系各个分割区域的断路器上电流的正方向，构建有向弧结构矩阵M且其中，n为分割区域的编号且n取正整数，k为断路器的编号且k取正整数，m_ij为有向弧结构矩阵M中任一元素且i为正整数且i＝1,2,...,n，j为正整数且j＝1,2,...,k；

步骤二、获取流过断路器的有功功率瞬时值并构建边故障信息矩阵，过程如下：

步骤201、采集断路器上流过的有功功率瞬时值P_j；

步骤202、根据公式计算第j个断路器的有功功率突变量ΔP_j，其中，为有功功率瞬时值P_j上一周期的平均有功功率；

步骤203、构建边故障信息矩阵B_F且B_F＝[b_F1 b_F2 … b_Fj … b_Fk]，其中，b_Fj为第j个断路器的故障信息且其中，P_ε为有功功率瞬时值P_j的门槛值，b_Fj＝1表示第j个断路器起点区域故障，b_Fj＝-1表示第j个断路器终点区域故障，b_Fj＝0表示与第j个断路器直接相连的分割区域均无故障；

步骤三、定位故障分割区域，过程如下：

步骤301、首先，根据公式计算第i个分割区域的故障标志F_i，其中，m_ij·b_Fj≠0；然后，构建分割区域的故障标志矩阵F且

步骤302、判断分割区域内是否发生故障：根据故障标志F_i的取值判断第i个分割区域内是否发生故障，当故障标志F_i等于1时，第i个分割区域内发生故障，第i个分割区域为故障分割区域；否则，第i个分割区域为非故障分割区域；

步骤四、故障分割区域的故障保持，过程如下：

步骤401、设置故障信号计数标志矩阵FJ：为故障标志矩阵F设置故障信号计数标志矩阵FJ且故障信号计数标志矩阵FJ中的任一故障信号计数标志FJ_i的初始状态均为低电平，其中，故障信号计数标志FJ_i为故障标志F_i的故障信号计数标志且FJ_i＝0；

步骤402、故障分割区域的故障信号计数标志跳变：将步骤302中得到的故障分割区域对应的故障信号计数标志FJ_i的状态从低电平0跳变为高电平1，将步骤302中得到的非故障分割区域对应的故障信号计数标志状态保持低电平0；

步骤404、根据公式计算故障更新标志F_i'，对故障标志F_i进行更新，其中，x为正整数且

步骤五、根据公式计算第j个断路器的状态信号S_Bj，通过断路器的高电平状态信号，对关联断路器执行断开，其中，F_α'为第α个分割区域的故障更新标志，F′_δ为第δ个分割区域的故障更新标志，且第j个断路器连接第α个分割区域和第δ个分割区域，α、β、δ、ε均为正整数且

2.按照权利要求1所述的基于边方向变化量的交流微网保护防误动方法，其特征在于：所述断路器为数字断路器。

3.按照权利要求1所述的基于边方向变化量的交流微网保护防误动方法，其特征在于：步骤201中所述断路器上流过的有功功率瞬时值P_j通过有功功率传感器采集。

4.按照权利要求1所述的基于边方向变化量的交流微网保护防误动方法，其特征在于：所述T为采样周期，p(t)为有功功率瞬时值P_j上一周期的任一采样有功功率。