CN108718078B - 基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法 - Google Patents

基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法 Download PDF

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CN108718078B CN201810470229.XA CN201810470229A CN108718078B CN 108718078 B CN108718078 B CN 108718078B CN 201810470229 A CN201810470229 A CN 201810470229A CN 108718078 B CN108718078 B CN 108718078B
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    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • H—ELECTRICITY
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    • H02H1/00—Details of emergency protective circuit arrangements
    • H02H1/0007—Details of emergency protective circuit arrangements concerning the detecting means

Abstract

本发明公开了一种基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法。该算法步骤为：利用保护装置测量线路两端电压与电流；计算故障前和故障后首末两端的测量阻抗，计算测量阻抗的模值与相角，并且提取故障后一个周期的测量阻抗，计算测量阻抗的模值与相角；计算故障后测量阻抗的变化量与相角的变化量，针对两种情况：一种是上游电网向负载提供电流，另一种是下游逆变型分布式电源向上游电网回馈电能，分别分析故障区间与非故障区间在故障后测量阻抗的模值和相角的变化；进行模值判据与相角判据的判定，并进行参数整定；进行故障判断，若同时满足两个判据，则启动保护装置。本发明可以有效地识别区内和区外故障，针对不同故障选择不同的保护策略。

Description

基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护技术领域，特别是一种基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法。
背景技术
分布式发电技术通过在配电网中建立独立的发电单元，利用功率控制器与外网进行功率交换，以保证重要负荷的供电可靠性。通过美国加州大停电事故，人们意识到小范围孤立电网在满足功率平衡的条件下，能够小规模稳定运行。至此，引发了电力学者对微电网的研究热潮。
微电网是由分布式电源、储能装置以及负荷组成的一个区域性小型电力网络，结合能量控制系统，能够很好地解决分布式电源的随机性与波动性等固有缺陷，是目前分布式发电最有效的利用途径。目前微电网中的分布式电源通常是采用逆变器接口进行并网的逆变型分布式电源，当微电网内部发生故障时，为了保护电力电子器件不受损坏，逆变器的限流模块通常将逆变型分布式电源提供的短路电流限制在2倍额定电流以内。微电网不同的运行方式以及逆变型分布式电源灵活的并网位置，使得网内线路存在双向潮流的情况，这些特点导致传统配网中常用的过流保护难以直接运用到微电网当中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法，能够满足微电网复杂故障特性且保证微电网安全稳定运行。
解决本发明目的的技术解决方案为：一种基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法，包括以下步骤：
步骤1、利用保护装置测量线路两端电压与电流；
步骤2、计算故障前和故障后线路首末两端的测量阻抗；
步骤3、计算故障后测量阻抗的变化量与相角的变化量；
步骤4、进行模值判据与相角判据的判定，并进行参数整定；
步骤5、若同时满足两个判据，则启动保护装置。
进一步地，步骤2所述的计算故障前和故障后线路首末两端的测量阻抗，保护装置利用快速FFT变换，提取监测量，计算测量阻抗的模值与相角，并且提取故障后一个周期的测量阻抗，计算测量阻抗的模值与相角，测量阻抗Z计算公式为：
Figure BDA0001663103180000021
其中，
Figure BDA0001663103180000022
为母线上的测量电压，
Figure BDA0001663103180000023
为母线上的测量电流。
进一步地，步骤3所述的计算故障后测量阻抗的变化量与相角的变化量，具体如下：
针对系统故障后线路潮流方向的两种情况：一种是上游电网向负载提供电流，另一种是下游逆变型分布式电源向上游电网回馈电能，分别分析故障区间M、N1与非故障区间M、N2在故障后测量阻抗的模值和相角的变化；M为左侧母线，N1、N2为右侧母线；
故障区间M、N1，上游电网向负载供电时，M、N1侧保护装置在故障后测量阻抗模值和相角的变化关系分别为：
Figure BDA0001663103180000024
式中，|ΔZM|＝||ZM|-|Z'M||为M侧保护装置测量阻抗的模值变化量，ΔθZM为M侧保护装置在故障前和故障后测量阻抗的相角之差，|ΔZN1|＝||ZN1|-|Z'N1||为N1侧保护装置测量阻抗的模值变化量，ΔθZN1为N1侧保护装置在故障前和故障后测量阻抗的相角之差；ZM为故障前M侧保护装置测量阻抗、Z'M为故障后M侧保护装置测量阻抗、ZN1为故障前N1侧保护装置测量阻抗、Z'N1为故障后N1侧保护装置测量阻抗、θZM为故障前M侧保护装置测量阻抗的相角、θ'ZM为故障后M侧保护装置测量阻抗的相角、θZN1为故障前N1侧保护装置测量阻抗的相角、θ'ZN1为故障后N1侧保护装置测量阻抗的相角；
故障区间M、N1，逆变型分布式电源向上游电网回馈电能时，M、N1侧保护装置在故障后测量阻抗模值和相角的变化关系分别为：
Figure BDA0001663103180000025
非故障区间M、N2，上游电网向负载供电时，M、N2侧保护装置在故障后测量阻抗模值和相角的变化关系分别为：
Figure BDA0001663103180000031
式中，|ΔZN2|＝||ZN2|-|Z'N2||为N2侧保护装置测量阻抗的模值变化量，ΔθZN2为N2侧保护装置在故障前后测量阻抗的相角之差；θZN2为故障前N2侧保护装置测量阻抗的相角、θ'ZN2为故障后N2侧保护装置测量阻抗的相角；
非故障区间M、N2，逆变型分布式电源向上游电网回馈电能时，M、N2侧保护装置在故障后测量阻抗模值和相角的变化关系分别为：
Figure BDA0001663103180000032
进一步地，步骤4所述的进行模值判据与相角判据的判定，并进行参数整定，具体如下：
模值判据：故障区域M、N1两端保护装置的测量阻抗模值变化量|ΔZ|在故障后均显著上升，并超过设定的阀值|ZFA|，即：
Figure BDA0001663103180000033
ΔZM为M侧保护装置测量阻抗的变化量、ΔZN为N侧包含N1、N2保护装置测量阻抗的变化量；
其中阀值|ZFA|整定区间的计算公式为：
Figure BDA0001663103180000034
式中，
Figure BDA0001663103180000041
为系统正常运行时，保护装置测量阻抗的模值；Ki为逆变型分布式电源的短路过电流系数；
Figure BDA0001663103180000042
为系统正常运行时，保护装置测量电压；
Figure BDA0001663103180000043
为系统正常运行时，保护装置测量电流；Znormal为系统正常运行时，保护装置测量阻抗；Ki为逆变型分布式电源的短路过电流系数；
相角判据：在故障发生后，故障区域M、N1两端保护装置的测量阻抗相角变化量|ΔθZ|，其中一端取值范围为0°±θL的情况下，另一端取值范围必定为180°±θL，其中灵敏度闭锁角θL的计算公式为：
θL＝δTA+δPD+δL (8)
式中，δTA为CT将电流从一次侧传到二次侧时产生的角度误差，δPD是保护装置的测量和计算误差，δL为裕量角。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)克服了微电网故障电流小而使得传统过流保护无法直接运行于微电网的情况，能够满足微电网复杂故障特性，保证微电网安全稳定运行；(2)采用故障前后测量阻抗相角的变化作为保护的辅助判据，可以有效地识别区内和区外故障，从而保证保护的选择性。
附图说明
图1是中压交流微电网的结构示意图。
图2是并网微电网的结构示意图。
图3是故障前和故障后测量阻抗变化向量图，其中(a)为M侧测量阻抗变化向量图，(b)N1侧测量阻抗变化向量图。
图4是本发明基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法的流程图。
图5是并网状态下区内f1点A相接地故障下仿真波形图。
图6是并网状态下区外f2点A相接地故障下仿真波形图。
具体实施方式
本发明提出一种基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法。该方法针对微电网不同的运行方式以及逆变型分布式电源灵活的并网位置，使得网内线路存在双向潮流的情况，研究了满足微电网复杂故障特性的交流微电网线路保护问题。
一种基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法，首先建立了典型的中压交流微电网系统模型，通过序分量法分析并网状态和孤岛状态下微电网的故障特性，并仿真验证理论分析。由于系统故障后线路潮流方向会出现两种情况，分别分析故障区间与非故障区间在故障后测量阻抗模值和相角的变化并进行分析总结，针对故障后故障区间与非故障区间测量阻抗变化特点的不同，提出测量阻抗的模值判据与相角判据并进行参数整定，若同时满足两个判据，则保护装置动作，实现了满足微电网复杂故障特性的交流微电网线路保护。
结合图1，本发明提出的基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法，具体步骤如下：
步骤1、利用保护装置测量线路两端电压与电流。
步骤2、计算故障前和故障后首末两端的测量阻抗。
线路首末两端测量阻抗计算公式为：
Figure BDA0001663103180000051
其中，
Figure BDA0001663103180000052
为母线上的测量电压，
Figure BDA0001663103180000053
为母线上的测量电流。
保护装置利用快速FFT变换，提取监测量，计算测量阻抗的模值与相角，并且提取故障后一个周期的测量电压电流，利用测量阻抗公式进行计算，同样通过快速FFT变换提取监测量，得到故障后测量阻抗的模值与相角。
步骤3、计算故障后测量阻抗的变化量与相角的变化量。
结合图2，以并网微电网线路line1的f点故障为例，分析故障后故障区间与非故障区间在故障后测量阻抗的变化。针对系统故障后线路潮流方向的两种情况：一种是上游电网向负载提供电流，另一种是下游逆变型分布式电源向上游电网回馈电能，分别分析故障区间M、N1与非故障区间M、N2在故障后测量阻抗模值和相角的变化。如图2，M为左侧母线，N1、N2为右侧母线。
故障区间M、N1，上游电网向负载供电时，M、N1侧保护装置在故障后测量阻抗模值和相角的变化关系分别为：
Figure BDA0001663103180000061
式中，|ΔZM|＝||ZM|-Z'M||为M侧保护装置测量阻抗的模值变化量，ΔθZM为M侧保护装置在故障前和故障后测量阻抗的相角之差，|ΔZN1|＝||ZN1|-|Z'N1||为N1侧保护装置测量阻抗的模值变化量，ΔθZN1为N1侧保护装置在故障前和故障后测量阻抗的相角之差。ZM为故障前M侧保护装置测量阻抗、Z'M为故障后M侧保护装置测量阻抗、ZN1为故障前N1侧保护装置测量阻抗、Z'N1为故障后N1侧保护装置测量阻抗、θZM为故障前M侧保护装置测量阻抗的相角、θ'ZM为故障后M侧保护装置测量阻抗的相角、θZN1为故障前N1侧保护装置测量阻抗的相角、θ'ZN1为故障后N1侧保护装置测量阻抗的相角。
微电网中的负荷一般都为阻感性负荷，正常运行时电压相角超前电流相角，则M、N1侧保护装置在故障前后测量阻抗变化的向量图如图3所示。
故障区间M、N1，逆变型分布式电源向上游电网回馈电能时，M、N1侧保护装置在故障后测量阻抗模值和相角的变化关系分别为：
Figure BDA0001663103180000062
非故障区间M、N2，上游电网向负载供电时，M、N2侧保护装置在故障后测量阻抗模值和相角的变化关系分别为：
Figure BDA0001663103180000063
式中，|ΔZN2|＝||ZN2|-|Z'N2||为N2侧保护装置测量阻抗的模值变化量，ΔθZN2为N2侧保护装置在故障前后测量阻抗的相角之差。θZN2为故障前N2侧保护装置测量阻抗的相角、θ'ZN2为故障后N2侧保护装置测量阻抗的相角。
非故障区间M、N2，逆变型分布式电源向上游电网回馈电能时，M、N2侧保护装置在故障后测量阻抗模值和相角的变化关系分别为：
Figure BDA0001663103180000071
综上所述，故障后对故障区间M、N1以及非故障区间M、N2两端保护装置测量阻抗的分析结果总结表1中。
表1故障后两端保护装置测量阻抗变化结果
Figure BDA0001663103180000072
步骤4、进行模值判据与相角判据的判定，并进行参数整定。
针对故障后故障区间与非故障区间测量阻抗变化特点的不同，提出基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法判据，即测量阻抗的模值判据与相角判据。
模值判据：故障区域M、N1两端保护装置的测量阻抗模值变化量|ΔZ|在故障后均显著上升，并超过设定的阀值|ZFA|，即：
Figure BDA0001663103180000073
ΔZM为M侧保护装置测量阻抗的变化量、ΔZN为N侧(包含N1、N2)保护装置测量阻抗的变化量。
其中阀值|ZFA|的整定原则：故障后保护装置测量电压
Figure BDA0001663103180000074
越低，测量电流
Figure BDA0001663103180000075
越高，则测量阻抗模值|Z'|越小，从而故障后测量阻抗模值变化量|ΔZ|就越大。因此，考虑配网电能质量要求，电压跌落不能超过额定电压的7％和逆变型分布式电源对短路电流大小的限制，即2倍额定电流以内，其阀值|ZFA|整定区间的计算公式为：
Figure BDA0001663103180000081
式中，
Figure BDA0001663103180000082
为系统正常运行时，保护装置测量阻抗的模值；Ki为逆变型分布式电源的短路过电流系数。
Figure BDA0001663103180000083
为系统正常运行时，保护装置测量电压；
Figure BDA0001663103180000084
为系统正常运行时，保护装置测量电流；Znormal为系统正常运行时，保护装置测量阻抗；Ki为逆变型分布式电源的短路过电流系数。
阀值|ZFA|整定区间的具体数值需要按实际情况整定，|ZFA|越大，保护算法抗过渡电阻特性越好，但灵敏度越差；|ZFA|越小，保护算法抗过渡电阻特性越差，灵敏度越好。
相角判据：故障区域M、N1两端保护装置的测量阻抗相角变化量|ΔθZ|在故障后一端取值范围为0°±θL，并且另一端取值范围为180°±θL，其中灵敏度闭锁角θL受互感器误差以及保护装置本身的误差影响，测量阻抗相角变化量|ΔθZ|无法精确的0°或180°，因此，必须合理的选择灵敏度闭锁角，保证区外故障时保护不动作。其计算公式为：
θL＝δTA+δPD+δL (8)
式中，δTA为CT将电流从一次侧传到二次侧时产生的角度误差，如果CT的负载按照10％误差曲线来选取，则最大误差角可达7°；δPD是保护装置的测量和计算误差，与一个工频周期内的采样频率有关，如果一个周波采24个点，则可取15°；δL为裕量角，可根据实际情况选取，一般取15°以内，因此本发明选取灵敏度闭锁角θL＝30°，则相角判据公式为：
Figure BDA0001663103180000085
步骤5、若同时满足两个判据，则启动保护装置。
阻抗是电压与电流共同作用的结果，通过测量阻抗在故障前后的变化特点构成保护判据，比单纯地利用电压或者电流来构成保护判据具有更高的可靠性与灵敏度。阻抗模值判据有效地解决了微电网故障后短路电流大小被电力电子装置限制的问题，可以作为故障后保护装置的启动判据；相角判据则可以保证区内故障不拒动，区外故障不勿动，作为保护的辅助判据。基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法的流程如图4所示。
实施例1
典型的中压交流微电网系统模型如图1所示，故障点设置在图中f1、f2点，均为线路中点，f1点为MN区内故障点、f2为MN区外故障点，用于验证区内故障和区外故障情况下保护算法的可靠性与选择性。系统正常运行时，三相对称，以微电网运行于并网状态和孤岛状态下，分别进行A相接地、BC两相接地、BC两相相间以及ABC三相接地这四种类型的金属性故障为例进行仿真分析，验证保护算法适用于微电网各种运行状态以及故障类型。设置故障发生在系统稳定运行后的0.3s，故障持续时间0.1s，设置阻抗模值判据动作阀值为正常运行时线路测量阻抗的0.5倍，即|ZFA|＝0.5|Znormal|＝75Ω。并网状态下区内f1点、区外f2点A相接地故障下仿真波形图分别见图5、6；而其余故障类型、非故障相以及孤岛状态下的仿真结果汇总于表2、3、4、5中。
表2并网微电网f1点金属性故障仿真结果
Figure BDA0001663103180000091
表3并网微电网f2点金属性故障仿真结果
Figure BDA0001663103180000101
表4孤岛微电网f1点金属性故障仿真结果
Figure BDA0001663103180000102
由表2可以看出，并网运行的微电网在保护区间内发生金属性故障时，基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法能够很好地识别出故障区间与故障相，保证非故障相不误动，并且动作迅速。由表3可以看出，在区外f2点发生金属性故障时，配网会向故障点提供较大的短路电流，使得故障后两端保护装置的|ΔZ|增大，造成模值判据启动，但故障后两端测量阻抗的相角变化量|ΔθZ|无法满足相角判据，因此，利用相角判据作为辅助判据较好地保证保护算法的选择性。对比表4和表5可知，对于孤岛运行下的微电网，基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法具有较好的适用性，克服了孤岛运行的微电网故障电流受限制的特点，能够有效的识别出故障区间与故障相，满足微电网多种运行状态下尽可能使用同一种保护的要求，大大简化了微电网
保护的配置。
表5孤岛微电网f2点金属性故障仿真结果
Figure BDA0001663103180000111
综上所述，本发明基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法，建立了典型的中压交流微电网系统模型，考虑到微电网故障后线路潮流方向会出现两种情况，提出基于测量阻抗突变量的模值判据与相角判据并进行参数整定，仿真表明，本发明提出的基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法能够有效的识别出故障区间与故障相，满足微电网复杂故障特性下的保护需求。

Claims (1)

1.一种基于线路两端测量阻抗变化的交流微电网线路保护算法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用保护装置测量线路两端电压与电流；
步骤2、计算故障前和故障后线路首末两端的测量阻抗；保护装置利用快速FFT变换，提取监测量，计算测量阻抗的模值与相角，并且提取故障后一个周期的测量阻抗，计算测量阻抗的模值与相角，测量阻抗Z计算公式为：
Figure FDA0002179829390000011
其中，
Figure FDA0002179829390000012
为母线上的测量电压，
Figure FDA0002179829390000013
为母线上的测量电流；
步骤3、计算故障后测量阻抗的变化量与相角的变化量；具体如下：
针对系统故障后线路潮流方向的两种情况：一种是上游电网向负载提供电流，另一种是下游逆变型分布式电源向上游电网回馈电能，分别分析故障区间M、N1与非故障区间M、N2在故障后测量阻抗的模值和相角的变化；M为左侧母线，N1、N2为右侧母线；
故障区间M、N1，上游电网向负载供电时，M、N1侧保护装置在故障后测量阻抗模值和相角的变化关系分别为：
Figure FDA0002179829390000014
式中，|ΔZM|＝||ZM|-|Z'M||为M侧保护装置测量阻抗的模值变化量，ΔθZM为M侧保护装置在故障前和故障后测量阻抗的相角之差，|ΔZN1|＝||ZN1|-|Z'N1||为N1侧保护装置测量阻抗的模值变化量，ΔθZN1为N1侧保护装置在故障前和故障后测量阻抗的相角之差；ZM为故障前M侧保护装置测量阻抗、Z'M为故障后M侧保护装置测量阻抗、ZN1为故障前N1侧保护装置测量阻抗、Z'N1为故障后N1侧保护装置测量阻抗、θZM为故障前M侧保护装置测量阻抗的相角、θ'ZM为故障后M侧保护装置测量阻抗的相角、θZN1为故障前N1侧保护装置测量阻抗的相角、θ'ZN1为故障后N1侧保护装置测量阻抗的相角；
故障区间M、N1，逆变型分布式电源向上游电网回馈电能时，M、N1侧保护装置在故障后测量阻抗模值和相角的变化关系分别为：
Figure FDA0002179829390000021
非故障区间M、N2，上游电网向负载供电时，M、N2侧保护装置在故障后测量阻抗模值和相角的变化关系分别为：
Figure FDA0002179829390000022
式中，|ΔZN2|＝||ZN2|-|Z'N2||为N2侧保护装置测量阻抗的模值变化量，ΔθZN2为N2侧保护装置在故障前后测量阻抗的相角之差；θZN2为故障前N2侧保护装置测量阻抗的相角、θ'ZN2为故障后N2侧保护装置测量阻抗的相角；
非故障区间M、N2，逆变型分布式电源向上游电网回馈电能时，M、N2侧保护装置在故障后测量阻抗模值和相角的变化关系分别为：
Figure FDA0002179829390000023
步骤4、进行模值判据与相角判据的判定，并进行参数整定；具体如下：
模值判据：故障区域M、N1两端保护装置的测量阻抗模值变化量|ΔZ|在故障后均显著上升，并超过设定的阀值|ZFA|，即：
Figure FDA0002179829390000024
ΔZM为M侧保护装置测量阻抗的变化量、ΔZN为N侧包含N1、N2保护装置测量阻抗的变化量；
其中阀值|ZFA|整定区间的计算公式为：
Figure FDA0002179829390000031
式中，
Figure FDA0002179829390000032
为系统正常运行时，保护装置测量阻抗的模值；Ki为逆变型分布式电源的短路过电流系数；
Figure FDA0002179829390000033
为系统正常运行时，保护装置测量电压；
Figure FDA0002179829390000034
为系统正常运行时，保护装置测量电流；Znormal为系统正常运行时，保护装置测量阻抗；Ki为逆变型分布式电源的短路过电流系数；
相角判据：在故障发生后，故障区域M、N1两端保护装置的测量阻抗相角变化量|ΔθZ|，其中一端取值范围为0°±θL的情况下，另一端取值范围必定为180°±θL，其中灵敏度闭锁角θL的计算公式为：
θL＝δTA+δPD+δL (8)
式中，δTA为CT将电流从一次侧传到二次侧时产生的角度误差，δPD是保护装置的测量和计算误差，δL为裕量角；
步骤5、若同时满足两个判据，则启动保护装置。
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