CN108493907A - 一种适配有源配电网的幅值比较式保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适配有源配电网的幅值比较式保护方法，包括：对线路主变侧及末端同时进行过流检测；对线路主变侧及末端的电流互感器输出的数据采样值分别进行全周傅里叶计算，提取工频电流幅值和工频正序故障分量电流的幅值；将提取的工频电流幅值和工频正序故障分量电流的幅值带入幅值比较式判据进行故障定位判断，若工频电流幅值和工频正序故障分量电流的幅值的其中之一满足幅值比较式判据，即只要其中一个满足幅值比较动作条件，则主保护启动，若判断为区内故障，则跳开本侧断路器。本发明方法能够准确实现故障定位，利用基于电流故障分量的耐过渡电阻能力优秀，利用的数据简单，保护配置要求低，无需安装电压互感器，抗同步误差能力强。

Description

一种适配有源配电网的幅值比较式保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统有源配电网继电保护技术领域，特别是涉及一种适配有源配电网的幅值比较式保护方法。

背景技术

随着国家对太阳能风能的大规模开发利用，以光伏和风电为代表的分布式电源的容量在配电网中所占的比例越来越大。分布式发电因具有占地少、建设周期短、接近负荷中心和环保性高等特点而得到了快速发展。

随着越来越多不同类型分布式电源(DG)接入配电网，使配电网由原来的辐射型网络向复杂的多源、多端网络转变，从而导致传统的配电网三段式电流保护不再适用。因此寻找新的适合高渗透率DG接入的配电网保护新方案成为当务之急。

现有的解决方案是在故障时切除配电网中所有的分布式电源，使配网恢复辐射网结构，然后由三段式保护予以切除，这种处理方式切除故障时间较长，且会切除非故障区段正常运行的DG，而且考虑到配电网故障80％(左右)为非永久性故障，频繁切除DG会对DG的正常运行造成危害。有人提出将输电网常用的电流纵联差动保护应用到配电网，但其对数据的同步性要求很高，依赖于可靠的数据同步设备和方案，且有源配电网广泛存在的负荷端弱馈性也行影响弱馈侧判据的启动，配电网规模大，线路分支众多，广泛安装电流差动保护成本较高。随后，大量学者提出了很多新型保护原理，主要可分为对输电传统保护方法移植改进，结合广域电流保护思想、计及DG故障特性的自适应电流保护等方法。但这些方法要么技术实现难度大，不适合现有配电网，要么过分追求从线路单端获取的信息，使保护受限条件很多。

因此，目前迫切需要一种能正确区别故障与非故障区段，成本合适，易于实现，适用性强的保护方案。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种适配有源配电网的幅值比较式保护方法，本发明利用线路两端电流幅值信息和正序故障分量电流幅值信息，判别故障的能力效果较好，但对数据同步的要求很低，无需安装电压互感器，数据采集更加容易。

一种适配有源配电网的幅值比较式保护方法，包括

对线路主变侧及末端同时进行过流检测；

对线路主变侧及末端的电流互感器输出的数据采样值分别进行全周傅里叶计算，提取工频分相全电流幅值和工频正序故障分量电流的幅值；

将提取的分相工频全电流幅值和工频正序故障分量电流的幅值带入综合幅值比较式判据进行故障定位判断，若基于分相工频全电流幅值和基于工频正序故障分量电流的幅值的其中之一满足幅值比较式判据，即只要其中一个满足幅值比较动作条件，则保护启动，若判断为区内故障，则跳开本侧断路器。

将提取的工频全电流幅值和工频正序故障分量电流的幅值带入综合幅值比较式判据进行故障定位判断时，若不满足跳闸条件，则对主变侧延时设定重新进行过流检测，若发现过流依然存在，则切除配电网所有分布式电源，使电网恢复辐射型运行方式，再分别测量分布式电源切除后的主变侧及末端分相电流幅值，根据分相全电流幅值比较判据，满足动作条件则切除本侧断路器，故障定位结束。

进一步的，对线路主变侧及末端同时进行过流检测，过流检测启动时对主变侧及末端数字化保护装置发送启动信号，同时，主变侧启动后也要向对末端发送启动信号。

进一步的，主变侧及末端数字化保护装置收到启动信号后，分别对电流互感器输出的数据采样值进行全周傅里叶计算，提取分相工频全电流幅值和工频正序故障分量电流的幅值。

进一步的，所述将提取的分相工频全电流幅值和工频正序故障分量电流的幅值带入幅值比较式判据进行故障定位判断时，若不满足跳闸条件，则末端等待主变侧发送信号。

进一步的，所述综合幅值比较式判据的一般表达式为：

式中，——M侧电流幅值数据，包括M侧分相工频全电流幅值和正序故障分量电流的幅值；

——N侧电流幅值数据，包括N侧分相工频全电流幅值和正序故障分量电流的幅值；

为动作量；为制动量，K_r取值范围是(0,1)；I_op为门槛，用来保证保护不误动需要的值。

进一步的，所述综合幅值比较式判据中K_r的整定方式为

首先对幅值比较式判据进行变形，定义两侧电流幅值比

假设M侧电流幅值大于N侧，可得

因为I_op很小，(2)式右侧可近似为0，将(1)带入(2)，得

整定阈值R_set与K_r为一一对应关系，R_set越大，K_r越大。

进一步的，分析整定阀值R_set的情况，R_set取值越大时，幅值比较式判据将能具备更强的抗CT误差能力，R_set与幅值比较式判据对故障识别能力是一组矛盾关系，为了提高对故障的判别能力，R_set按照CT传变误差的极限来取，为了具体关系见下表

进一步的，所述综合幅值比较式判据具体包括分相全电流幅值比较判据和正序故障分量电流幅值比较判据，两种判据为或的关系，只要一个满足幅值比较动作条件，则保护启动，综合幅值比较判据如下：

其中，为M侧A相电流幅值数据，为N侧A相电流幅值数据，为M侧B相电流幅值数据，为N侧B相电流幅值数据，为M侧C相电流幅值数据，为M侧C相电流幅值数据；

为M侧正序故障分量电流幅值数据，为N侧正序故障分量电流幅值数据。

进一步的，所述幅值比较保护判据中I_op的整定方式为：对线路下游负荷容量进行统计，根据此计算出最大负荷电流，I_op取0.2倍最大负荷电流。

进一步的，所述过流检测具体的步骤为：

将电流互感器输出电流采样值减去一个周波前的电流采样值得到电流突变量值，并对电流突变量值大小进行实时监测；

若连续3个电流突变量值超过0.2倍额定负荷电流，将判定为保护启动；

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明所提的以两端分相全电流幅值比较为原理的保护方案可以准确识别以不同渗透率逆变类DG接入的配电网环境。而当采用两端正序故障分量电流幅值时，能够对旋转电机类DG接入的配电网大部分的故障区段实现定位，并且耐过渡电阻和负荷电流能力优秀。

2.传统的电流纵联差动保护对数据同步要求比较高，一旦两边数据有同步误差，会对保护造成严重的影响，哪怕两端数据同步只有5ms的误差，两端测量值的角度与真实值也会产生90度的偏差。本文构成幅值比较判据所用的工频电流幅值和正序故障分量电流幅值在故障持续时间内则几乎不变，抗同步误差能力较强。

3.本发明过流检测启动的方式防止了一侧为故障前幅值一侧为故障后幅值的情况，比起时刻比较两端幅值，增强了保护的抗同步误差能力，减少了数字保护装置的功耗。

4.从线路两侧同时提取简单易得的信息组成对同步要求较低的新型纵联式保护，可以兼顾两侧信息比较的优势和成本的权衡。本发明正是基于这一思想，保护方案利用的数据简单，保护配置要求低，无需安装电压互感器，但故障定位的能力优秀。

5.极端故障情况下综合幅值比较无法实现故障定位时，依靠有源配电网现有的DG离网技术来辅助实现故障区段定位，但相对于配电网现有的保护方案，故障时大大减少了DG离网的情况的发生，实现了配电网与DG利益的兼顾。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的幅值比较判据逻辑性框图；

图2为典型有源配电网仿真模型；

图3为图2中线路MN发生相间短路的故障等值电路；

图4(a)为图2中DG上游区段故障的正序复合序网图。

图4(b)为正序故障附加网络。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种适配有源配电网的幅值比较式保护方法，具体步骤包括：

1.对线路主变侧及末端保护装置处同时进行过流检测，过流检测启动则对本侧保护装置发送启动信号，同时，主变侧过流检测启动后也要向对端保护装置发送启动信号。

2.收到启动信号后，数字化保护装置对本侧电流互感器输出的数据采样值进行全周傅里叶计算，提取工频分相全电流幅值和工频正序故障分量电流的幅值。

3.将提取的幅值信息带入综合幅值比较式判据进行故障定位判断，基于分相全电流的幅值比较式判据和基于电流故障分量的幅值比较式判据组成的综合幅值比较式判据进行判断故障定位，若综合幅值比较判据满足幅值比较动作条件，则跳开本侧断路器。

4.若不满足跳闸条件，则延时0.5s重新进行过流检测，若发现过流依然存在，则切除配电网所有分布式电源，使电网恢复辐射型运行方式，分别测量DG切除后的两侧分相电流幅值，带入分相全电流的幅值比较式判据，满足动作条件则切除本侧断路器。

所述步骤2中，过流检测具体的步骤为：

将电流互感器输出电流采样值减去一个周波前的电流采样值得到电流突变量值，并对电流突变量值大小进行实时监测；

若连续3个电流突变量值超过0.2倍额定负荷电流，将判定为保护启动；

结合附图，对步骤3幅值比较式判据进行说明，图2中所示有源配电网，当分布式电源以逆变类为主时，其受控制策略影响，故障瞬间最大短路电流只能达到1.2～2倍的额定电流，f点短路时，M端短路电流幅值将远大于N端。当分布式电源以电机类为主时，中性点不接地有源配电网f点发生相间短路时，可以等效为如图3所示故障等值电路，其中，α为故障点f与M侧母线距离与线路MN全长之比，E_M、E_N为电源电势，Z_M、Z_N为等效电源阻抗，Z_L为线路阻抗,R为故障过渡电阻。由于10kV侧相对于110kV侧容量很小，系统侧可视为无穷大电源，一般情况下，归算到低压侧的变压器阻抗大小和线路的单位阻抗大小差不多，对于图3，有

根据三相和两相短路故障的复合序网边界条件，可得到如图4(a)所示DG上游区段故障的正序复合序网图。其中，设短路的过渡电阻为R，当发生三相短路故障时，ΔZ＝R.当发生两相短路故障时，ΔZ＝R+Z_2∑，Z_2∑为负序网的等值阻抗。

将得到的正序复合序网应用叠加原理进行分解，得到如图4(b)所示正序故障附加网络Z_M1、Z_N1为等效电源阻抗，Z_L1为线路阻抗

有

由于系统各处电压等级相同时，电源的等效阻抗与容量近似成反比。假设变压器容量与负荷总量相等，每条出线上的分布式电源容量差不多，出线在10条左右，忽略过渡电阻时，在国家电网规定的最高25％DG渗透率的情况下，单条线路上的等效电源阻抗满足Z_N＝30Z_M。即使故障发生在最严重的线路末端，Z_L也只有达到29倍主电源阻抗Z_M时，线路两侧的故障电流幅值大小才有可能相等。即需要数十千米的故障线路长度才能使线路两侧故障电流幅值大小相同,而一般配电网输电线路长度为10km以下。基于正序故障分量电流的幅值比较判据和图3中相比，可以无视过渡电阻的影响，用来进行故障定位具有一定的优势，但故障分量可测得的时间较短，因此和分相全电流幅值共同作为幅值比较判据的信号。当DG集中分布到一条馈线上时，虽然可能存在区内故障时两端电流幅值大小相等的情况，但这种情况较少见，且仅会发生在仅有的几条线路上。

由此可见，大部分情况下，有源配电网都存在线路两端电流幅值不相等的情况，因此提取图3中的分相电流幅值信号和图4(b)中的正序故障分量电流幅值信号作为两端电流幅值比较判据的输入信号，并由此来进行故障定位。而对于极端情况下幅值保护无法判别的死区，可以在短暂延时后切除配电网所有DG,使配电网恢复辐射运行方式，这时故障线路将满足一端故障电流很大，另一端故障电流为零的情况，幅值比较判据将准确对此故障线路进行定位。

步骤(3)中综合电流幅值比较判据的一般形式采用下式：

式中，——M侧电流幅值数据，包括M侧分相工频全电流幅值和正序故障分量电流的幅值；

——N侧电流幅值数据，包括N侧分相工频全电流幅值和正序故障分量电流的幅值；

——动作量；

——制动量，K_r取值范围是(0,1)；

I_op——为很小的门槛，用来保证保护不误动所需要的值。

所述幅值比较保护判据中K_r的整定方式为，为了方便分析，首先对判据进行变形，定义两侧电流幅值比：

假设M侧电流幅值大于N侧，可得

因为I_op很小，(2)式右侧可近似为0将(1)带入(2)，得

整定阈值R_set与K_r为一一对应关系，R_set越大，K_r越大。分析整定阀值R_set的情况，R_set取值越大时，判据将能具备更强的抗CT误差能力，R_set与判据对故障识别能力是一组矛盾关系，为了提高对故障的判别能力，R_set按照CT传变误差的极限来取，为了具体关系见下表1：

表1

由工频全电流幅值构成的幅值比较判据能够准确实现以逆变类DG为主的有源配电网的故障定位，且全电流形式的故障电流获取简单，故障持续时间内较为稳定，用于幅值比较判据具有一定优势；工频正序故障分量电流幅值构成的幅值比较判据不受负荷电流和过渡电阻的影响，可以提高保护的灵敏度，但故障分量通常情况下要在故障发生后的一到两个周波内尽快进行提取计算，而由于配网线路末端的弱馈性，末端保护可能无法启动，当对端发送来启动信号再启动时，可能已经无法测取到故障电流，其相对全电流对实时获取的要求也更高。为了应对这种情况，同时引入分相全电流幅值判据和正序故障分量电流幅值判据，两种判据为或的关系，只要一个满足幅值比较动作条件，则保护启动，综合幅值比较判据如下：

所述幅值比较保护判据中I_op的整定方式为：对线路下游负荷容量进行统计，根据此计算出最大负荷电流，I_op取0.2倍最大负荷电流。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适配有源配电网的幅值比较式保护方法，其特征是，包括

对线路主变侧及末端同时进行过流检测；

对线路主变侧及末端的电流互感器输出的数据采样值分别进行全周傅里叶计算，提取工频分相全电流幅值和工频正序故障分量电流的幅值；

将提取的工频全电流幅值和工频正序故障分量电流的幅值带入综合幅值比较式判据进行故障定位判断，若基于工频分相全电流幅值和基于工频正序故障分量电流的幅值的其中之一满足幅值比较式判据，即只要其中一个满足幅值比较动作条件，则主保护启动，若判断为区内故障，则跳开本侧断路器。

将提取的工频分相全电流幅值和工频正序故障分量电流的幅值带入综合幅值比较式判据进行故障定位判断时，若不满足跳闸条件，则对主变侧延时设定重新进行过流检测，若发现过流依然存在，则切除配电网所有分布式电源，使电网恢复辐射型运行方式，再分别测量分布式电源切除后的主变侧及末端分相电流幅值，根据分相全电流幅值比较判据，满足动作条件则切除本侧断路器，故障定位结束。

2.如权利要求1所述的一种适配有源配电网的幅值比较式保护方法，其特征是，对线路主变侧及末端同时进行过流检测，过流检测启动时对主变侧及末端数字化保护装置发送启动信号，同时，主变侧启动后也要向对末端发送启动信号。

3.如权利要求1所述的一种适配有源配电网的幅值比较式保护方法，其特征是，主变侧及末端数字化保护装置收到启动信号后，分别对电流互感器输出的数据采样值进行全周傅里叶计算，提取工频全电流幅值和工频正序故障分量电流的幅值。

4.如权利要求1所述的一种适配有源配电网的幅值比较式保护方法，其特征是，所述将提取的工频全电流幅值和工频正序故障分量电流的幅值带入幅值比较式判据进行故障定位判断时，若不满足跳闸条件，则末端等待主变侧发送信号。

5.如权利要求1所述的一种适配有源配电网的幅值比较式保护方法，其特征是，所述综合幅值比较式判据的一般表达式为：

式中，——M侧电流幅值数据，包括M侧分相工频全电流幅值和正序故障分量电流的幅值；

——N侧电流幅值数据，包括N侧分相工频全电流幅值和正序故障分量电流的幅值；

为动作量；为制动量，K_r取值范围是(0,1)；I_op为门槛，用来保证保护不误动需要的值。

6.如权利要求5所述的一种适配有源配电网的幅值比较式保护方法，其特征是，所述综合幅值比较式判据中K_r的整定方式为

首先对幅值比较式判据进行变形，定义两侧电流幅值比

假设M侧电流幅值大于N侧，可得

因为I_op很小，(2)式右侧可近似为0，将(1)带入(2)，得

整定阈值R_set与K_r为一一对应关系，R_set越大，K_r越大。

7.如权利要求6所述的一种适配有源配电网的幅值比较式保护方法，其特征是，分析整定阀值R_set的情况，R_set取值越大时，幅值比较式判据将能具备更强的抗CT误差能力，R_set与幅值比较式判据对故障识别能力是一组矛盾关系，为了提高对故障的判别能力，R_set按照CT传变误差的极限来取，为了具体关系见下表

。

8.如权利要求1所述的一种适配有源配电网的幅值比较式保护方法，其特征是，所述综合幅值比较式判据具体包括分相全电流幅值比较判据和正序故障分量电流幅值比较判据，两种判据为或的关系，只要一个满足幅值比较动作条件，则保护启动，综合幅值比较判据如下：

其中，为M侧A相电流幅值数据，为N侧A相电流幅值数据，为M侧B相电流幅值数据，为N侧B相电流幅值数据，为M侧C相电流幅值数据，为M侧C相电流幅值数据；

为M侧正序故障分量电流幅值数据，为N侧正序故障分量电流幅值数据。

9.如权利要求8所述的一种适配有源配电网的幅值比较式保护方法，其特征是，所述综合幅值比较保护判据中I_op的整定方式为：对线路下游负荷容量进行统计，根据此计算出最大负荷电流，I_op取0.2倍最大负荷电流。

10.如权利要求1所述的一种适配有源配电网的幅值比较式保护方法，其特征是，所述过流检测具体的步骤为：

将电流互感器输出电流采样值减去一个周波前的电流采样值得到电流突变量值，并对电流突变量值大小进行实时监测；

若连续3个电流突变量值超过0.2倍额定负荷电流，将判定为保护启动。