CN109286178B - 含逆变型分布式电源的配电网自适应电流保护整定方法 - Google Patents

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CN109286178B CN201810879721.2A CN201810879721A CN109286178B CN 109286178 B CN109286178 B CN 109286178B CN 201810879721 A CN201810879721 A CN 201810879721A CN 109286178 B CN109286178 B CN 109286178B
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Abstract

本发明涉及电力系统继电保护，为提出一种由保护本地测量得到的电气信息计算背侧逆变型分布式电源实时运行状态，并据此完成电流保护的自适应整定的方法，且能够在不依赖通讯的情况下提高含分布式电源配电网电流保护的选择性和可靠性。为此，本发明，含逆变型分布式电源的配电网自适应电流保护整定方法，通过获取保护安装处的实时电压和电流，根据配电网的既定拓扑参数及保护背侧分布式电源的控制策略，计算分布式电源在系统发生故障前的实际运行点，进而计算保护范围末端发生短路故障时分布式电源的输出电流，从而完成计及逆变型分布式电源输出特性的自适应电流保护整定。本发明主要应用于电流保护整定场合。

Description

含逆变型分布式电源的配电网自适应电流保护整定方法
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护领域，尤其涉及含分布式电源的配电网电流保护整定技术，特别是涉及计及恒功率控制(PQ控制)的逆变型分布式电源输出特性的配电网自适应电流保护整定方法。
背景技术
分布式电源输出的间歇性、非线性特点给配电网的继电保护配置与整定带来很大困难。保护整定过程中因需考虑分布式电源的实时输出，对配电网的通信能力提出了很高的要求。考虑配电网结构的复杂性以及通信设备覆盖全网的高成本问题，研究仅利用保护本地信息进行保护自适应整定的方法对于低成本下提高保护的可靠性具有重要意义。
目前，针对含逆变型分布式电源的配电网保护的研究工作可以分为两类，一是基于通讯的手段获取逆变型分布式电源的信息进行保护原理的改进，该类保护可以消除逆变型分布式电源的故障特性对配电网保护整定的影响，能够实现准确且快速的故障定位。该类保护利用配电网中的远程多点信息，与传统保护相比具有更好的选择性，但对通信的依赖程度很大。另外一类则基于本地信息进行保护的整定与配合，而目前的方法虽不需要远程多点通信，但仍未脱离外界信息的获取。上述方法或依赖通讯，或采用了更为复杂的保护原理且需要更多的电气量输入，在经济性和对现有电流保护改进的便利性上仍有不足。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种由保护本地测量得到的电气信息计算背侧逆变型分布式电源实时运行状态，并据此完成电流保护的自适应整定的方法，该方法能够在不依赖通讯的情况下提高含分布式电源配电网电流保护的选择性和可靠性。为此，本发明采取的技术方案是，含逆变型分布式电源的配电网自适应电流保护整定方法，通过获取保护安装处的实时电压和电流，根据配电网的既定拓扑参数及保护背侧分布式电源的控制策略，计算分布式电源在系统发生故障前的实际运行点，进而计算保护范围末端发生短路故障时分布式电源的输出电流，从而完成计及逆变型分布式电源输出特性的自适应电流保护整定。
具体步骤细化如下：
步骤1：根据分布式电源DG具体控制策略确定分布式电源输出特性方程
Figure BDA0001754175700000011
式中，
Figure BDA0001754175700000012
为DG输出电流，
Figure BDA0001754175700000013
为并网点正序电压，Pref为DG输出功率指令，该值一般由DG的最大功率跟踪策略确定并随外界环境变化而改变，f表示
Figure BDA0001754175700000014
和
Figure BDA0001754175700000015
Pref之间的函数关系；
由于并网的逆变型分布式电源多采用PQ控制策略，且仅输出正序电流，其输出电流的大小受并网点电压与实时有功指令影响，当DG的控制策略确定后，其输出式(1)为非线性方程；
步骤2：测量正常运行状态时保护安装处的基频正序电压、电正序电流
Figure BDA0001754175700000021
并由此计算保护下游的等效阻抗
Figure BDA0001754175700000022
由系统等效电势
Figure BDA00017541757000000217
及并网点上游系统等效阻抗Zs、并网点至保护安装处的线路阻抗Z1，根据配电网拓扑结构得到DG输出电流与并网点正序电压之间的关系式，称之为DG外部网络特性方程：
Figure BDA0001754175700000023
式中，用g表示
Figure BDA0001754175700000024
和
Figure BDA0001754175700000025
之间的函数关系。
步骤3：根据保护安装处电压
Figure BDA0001754175700000026
可以根据网络拓扑结构及线路阻抗信息计算得到实时并网点电压
Figure BDA0001754175700000027
代入式(2)从而确定DG的当前运行状态
Figure BDA0001754175700000028
步骤4：将该运行点代入DG的输出特性方程中，就确定当前DG的输出参考功率定值Pref，
Pref＝3Upcc(1)IDG (3)
式中，Upcc(1)和IDG分别表示并网点正序电压有效值和DG输出电流有效值，将该定值代入式(1)即能确定DG当前的输出特性方程；
步骤5：对于三相短路故障，令步骤2中的保护下游等效阻抗等于被保护线路全长的阻抗，即ZB＝Z2，根据配电网拓扑结构确定被保护线路末端发生三相短路时DG输出电流与并网点正序电压之间的关系式
Figure BDA0001754175700000029
对于两相相间短路故障，根据系统的等效复合序网图，修改步骤2中的保护下游等效阻抗，根据配电网拓扑结构确定被保护线路末端发生两相相间短路时DG输出电流与并网点正序电压之间的关系式
Figure BDA00017541757000000210
式中，函数g的上标表示故障类型；
步骤6：求解方程(1)与三相短路故障方程(4)或两相相间短路故障方程(5)联立后的方程组，得到被保护线路末端发生三相短路时DG输出的电流
Figure BDA00017541757000000211
发生两相相间短路时DG输出电流
Figure BDA00017541757000000212
步骤7：进行保护的自适应整定，对于三相短路故障，保护动作电流整定值为
Figure BDA00017541757000000213
式中，Krel为可靠系数，
Figure BDA00017541757000000214
为系统等效电源相电压，Zs为系统等效电源至DG并网点之间的等效阻抗，Zl为DG并网点至该保护的保护范围末端之间的等效阻抗；
对于两相相间短路故障，保护动作电流整定值为
Figure BDA00017541757000000215
式中，Krel为可靠系数，
Figure BDA00017541757000000216
为系统等效电源相电压，Zs为系统等效电源至DG并网点之间的等效阻抗，Zl为DG并网点至该保护的保护范围末端之间的等效阻抗。
步骤1中，在采用1.2倍额定电流的最大输出电流限制，以及电压跌落至90％以下时每跌落1％则多输出2％的无功电流的低电压穿越策略时，式(1)的具体表达形式为
Figure BDA0001754175700000031
式中id(1)和iq(1)分别为正序有功电流和正序无功电流，
Figure BDA0001754175700000032
为并网点正序电压的标幺值，表示实际并网点正序电压与额定正序电压的比值，idq.n为dq坐标系下的额定电流，其值与额定有功指令Pref.n成正比，与额定并网点正序电压Upcc(1).n成反比，应为
Figure BDA0001754175700000033
本发明的特点及有益效果是：
1.该方法能够在配电网拓扑确定的情况下不依赖通讯，仅通过保护安装处测量得到的本地信息进行保护背侧逆变型分布式电源的实时输出功率和电流的计算。
2.该方法能够根据保护上游逆变型分布式电源的实时输出进行配电线路电流保护的自适应整定，消除分布式电源出力波动对保护整定的不利影响，提高保护的选择性和可靠性。
3.该自适应电流保护整定原理简单，易于实现，便于对传统电流保护的改造升级。
附图说明：
图1是含分布式电源的简单配电网。
图2是DG输出特性与外部网络特性示意图。
图3是两相相间短路故障的复合序网图。
具体实施方式
鉴于对仅利用保护本地信息进行保护自适应整定的方法缺少相应研究，本发明提出了一种由保护本地测量得到的电气信息计算背侧逆变型分布式电源实时运行状态，并据此完成电流保护的自适应整定的方法，该方法能够在不依赖通讯的情况下提高含分布式电源配电网电流保护的选择性和可靠性。
本发明针对含逆变型分布式电源的配电网电流保护，提出了一种仅利用保护本地信息进行保护自适应整定的方法，该方法通过获取保护安装处的实时电压和电流，根据配电网的既定拓扑参数及保护背侧分布式电源的控制策略，计算分布式电源在系统发生故障前的实际运行点，进而可以计算保护范围末端发生短路故障时分布式电源的输出电流，从而完成计及逆变型分布式电源输出特性的自适应电流保护整定。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
不失一般性，以附图1所示含PQ控制逆变型分布式电源的配电网为例。
步骤1：根据分布式电源(Distributed Generator,DG)具体控制策略(限流、低电压穿越等)确定分布式电源输出特性方程
Figure BDA0001754175700000041
式中，
Figure BDA0001754175700000042
为DG输出电流，
Figure BDA0001754175700000043
为并网点正序电压，Pref为DG输出功率指令，该值一般由DG的最大功率跟踪策略确定并随外界环境变化而改变，f表示函数关系。
由于并网的逆变型分布式电源多采用PQ控制策略，且仅输出正序电流，其输出电流的大小受并网点电压与实时有功指令影响，当DG的控制策略(包括限流、低电压穿越策略)确定后，其输出式(1)为非线性方程。
步骤2：测量正常运行状态时(故障前时刻)保护安装处的基频正序电压、电正序电流
Figure BDA0001754175700000044
Figure BDA0001754175700000045
并由此计算保护下游的等效阻抗
Figure BDA0001754175700000046
由系统等效电势
Figure BDA0001754175700000047
及并网点上游系统等效阻抗Zs、并网点至保护安装处的线路阻抗Z1，可以根据配电网拓扑结构得到DG输出电流与并网点正序电压之间的关系式，可称之为DG外部网络特性方程。
Figure BDA0001754175700000048
式中，用g表示该函数关系。
步骤3：根据保护安装处电压
Figure BDA0001754175700000049
可以根据网络拓扑结构及线路阻抗信息计算得到实时并网点电压
Figure BDA00017541757000000410
代入式(2)从而可以确定DG的当前运行状态
Figure BDA00017541757000000411
步骤4：将该运行点代入DG的输出特性方程中，就可以确定当前DG的输出参考功率定值Pref，
Pref＝3Upcc(1)IDG (3)
式中，Upcc(1)和IDG分别表示并网点正序电压有效值和DG输出电流有效值，将该定值代入式(1)即能确定DG当前的输出特性方程。
步骤5：对于三相短路故障，令步骤2中的保护下游等效阻抗等于被保护线路全长的阻抗，即ZB＝Z2，根据配电网拓扑结构确定被保护线路末端发生三相短路时DG输出电流与并网点正序电压之间的关系式
Figure BDA00017541757000000412
对于两相相间短路故障，根据系统的等效复合序网图，修改步骤2中的保护下游等效阻抗，根据配电网拓扑结构确定被保护线路末端发生两相相间短路时DG输出电流与并网点正序电压之间的关系式
Figure BDA00017541757000000413
式中，函数g的上标表示故障类型。
步骤6：求解方程(1)与方程(4)(三相短路故障)或方程(5)(两相相间短路故障)联立后的方程组，可以得到被保护线路末端发生三相短路时DG输出的电流
Figure BDA0001754175700000051
发生两相相间短路时DG输出电流
Figure BDA0001754175700000052
步骤7：进行保护的自适应整定。对于三相短路故障，整定公式为
Figure BDA0001754175700000053
式中，Krel为可靠系数，
Figure BDA0001754175700000054
为系统等效电源相电压，Zs为系统等效电源至DG并网点之间的等效阻抗，Z1为DG并网点至保护安装处之间的等效阻抗，Z2为该保护的保护范围全长的等效阻抗。
对于两相相间短路故障，整定公式为
Figure BDA0001754175700000055
式中，Krel为可靠系数，
Figure BDA0001754175700000056
为系统等效电源相电压，Zs为系统等效电源至DG并网点之间的等效阻抗，Z1为DG并网点至保护安装处之间的等效阻抗，Z2为该保护的保护范围全长的等效阻抗。
为克服现有技术的不足，提出了一种由保护本地测量得到的电气信息计算上游逆变型分布式电源实时运行状态，并据此完成电流保护的自适应整定的方法，该方法能够在配电网拓扑结构与线路参数确定的情况下，仅测量故障前保护安装处的电压和电流，计算保护上游的逆变型分布式电源实时运行状态，并由此计算被保护线路末端发生故障时DG输出的故障电流，从而消除DG运行方式多变给保护整定带来的困难，提高保护整定的可靠性和选择性。
下面通过具体实施例，来详细说明本发明的技术方案：
以图1所示含逆变型分布式电源的简单配电网为例。
1)根据图1中的分布式电源(Distributed Generator,DG)具体控制策略(限流、低电压穿越等)确定分布式电源输出特性方程
Figure BDA0001754175700000057
式中，
Figure BDA0001754175700000058
为DG输出电流，
Figure BDA0001754175700000059
为并网点正序电压，Pref为DG输出功率参考，该值一般由DG的最大功率跟踪策略确定并随外界环境变化而改变。
在采用1.2倍额定电流的最大输出电流限制，以及电压跌落至90％以下时每跌落1％则多输出2％的无功电流的低电压穿越策略时，式(1)的具体表达形式为
Figure BDA0001754175700000061
式中id(1)和iq(1)分别为正序有功电流和正序无功电流，
Figure BDA0001754175700000062
为并网点正序电压的标幺值，表示实际并网点正序电压与额定正序电压的比值，idq.n为dq坐标系下的额定电流，其值与额定有功指令Pref.n成正比，与额定并网点正序电压Upcc(1).n成反比，应为
Figure BDA0001754175700000063
2)测量正常运行状态时(故障前时刻)保护安装处的基频正序电压、正序电流
Figure BDA0001754175700000064
并由此计算保护下游的等效阻抗
Figure BDA0001754175700000065
由系统等效电势
Figure BDA0001754175700000066
及并网点上游系统等效阻抗Zs、并网点至保护安装处的线路阻抗Z1，可以根据配电网拓扑结构得到DG输出电流与并网点正序电压之间的关系式，可称之为DG外部网络特性方程，如图2中的直线l1所示。
Figure BDA0001754175700000067
3)根据保护安装处正序电压
Figure BDA0001754175700000068
可以根据网络拓扑结构及线路阻抗信息计算得到实时并网点正序电压
Figure BDA0001754175700000069
代入上式从而可以确定DG的当前运行状态
Figure BDA00017541757000000610
Figure BDA00017541757000000611
4)将该运行点代入DG的输出特性方程中，就可以确定当前DG的输出参考功率定值Pref，
Pref＝3Upcc(1)IDG (13)
式中，Upcc(1)和IDG分别表示并网点正序电压有效值和DG输出电流有效值，将该定值代入式(1)即能确定DG当前的输出特性方程。
5)对于三相短路故障，令步骤2中的保护下游等效阻抗等于被保护线路全长的阻抗，即ZB＝Z2，根据配电网拓扑结构确定被保护线路末端发生三相短路时DG输出电流与并网点正序电压之间的关系，示意图如图2中的l2。
Figure BDA00017541757000000612
对于两相相间短路故障，作出系统的等效复合序网图，如图3所示，修改步骤2中的保护下游等效阻抗，根据配电网拓扑结构确定被保护线路末端发生两相相间短路时DG输出电流与并网点正序电压之间的关系式。
Figure BDA0001754175700000071
6)求解方程(9)与方程(14)(三相短路故障)或方程(15)(两相相间短路故障)联立后的方程组，可以得到被保护线路末端发生三相短路时DG输出的电流
Figure BDA0001754175700000072
发生两相相间短路时DG输出电流
Figure BDA0001754175700000073
7)进行保护的自适应整定。对于三相短路故障，整定公式为
Figure BDA0001754175700000074
对于两相相间短路故障，整定公式为
Figure BDA0001754175700000075
式中，Krel为可靠系数。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种含逆变型分布式电源的配电网自适应电流保护整定方法，其特征是，通过获取保护安装处的实时电压和电流，根据配电网的既定拓扑参数及保护背侧分布式电源的控制策略，计算分布式电源在系统发生故障前的实际运行点，进而计算保护范围末端发生短路故障时分布式电源的输出电流，从而完成计及逆变型分布式电源输出特性的自适应电流保护整定，具体步骤细化如下：
步骤1：根据分布式电源DG具体控制策略确定分布式电源输出特性方程
Figure FDA0002298767930000011
式中，
Figure FDA0002298767930000012
为DG输出电流，
Figure FDA0002298767930000013
为并网点正序电压，Pref为DG输出功率定值，Pref值由DG的最大功率跟踪策略确定并随外界环境变化而改变，f表示
Figure FDA0002298767930000014
和
Figure FDA0002298767930000015
Pref之间的函数关系；
由于并网的逆变型分布式电源多采用PQ控制策略，且仅输出正序电流，其输出电流的大小受并网点电压与实时有功指令影响，当DG的控制策略确定后，其输出式(1)为非线性方程；
步骤2：测量正常运行状态时保护安装处的基频正序电压、正序电流
Figure FDA0002298767930000016
并由此计算保护下游的等效阻抗
Figure FDA0002298767930000017
由系统等效电势
Figure FDA0002298767930000018
及并网点上游系统等效阻抗Zs、并网点至保护安装处的线路阻抗Z1，根据配电网拓扑结构得到DG输出电流与并网点正序电压之间的关系式，称之为DG外部网络特性方程：
Figure FDA0002298767930000019
式中，用g表示
Figure FDA00022987679300000110
和
Figure FDA00022987679300000111
之间的函数关系；
步骤3：根据保护安装处电压
Figure FDA00022987679300000112
以及网络拓扑结构及线路阻抗信息，计算得到实时并网点电压
Figure FDA00022987679300000113
代入式(2)从而确定DG的当前运行状态
Figure FDA00022987679300000114
步骤4：将当前运行点代入DG的输出特性方程中，就确定当前DG的输出功率定值Pref，
Pref＝3Upcc(1)IDG (3)
式中，Upcc(1)和IDG分别表示并网点正序电压有效值和DG输出电流有效值，将该定值代入式(1)即能确定DG当前的输出特性方程；
步骤5：对于三相短路故障，令步骤2中的保护下游等效阻抗等于被保护线路全长的阻抗，即ZB＝Z2，根据配电网拓扑结构确定被保护线路末端发生三相短路时DG输出电流与并网点正序电压之间的关系式
Figure FDA00022987679300000115
对于两相相间短路故障，根据系统的等效复合序网图，修改步骤2中的保护下游等效阻抗，根据配电网拓扑结构确定被保护线路末端发生两相相间短路时DG输出电流与并网点正序电压之间的关系式
Figure FDA0002298767930000021
式中，函数g的上标表示故障类型；
步骤6：求解方程(1)与三相短路故障方程(4)或两相相间短路故障方程(5)联立后的方程组，得到被保护线路末端发生三相短路时DG输出的电流
Figure FDA0002298767930000022
发生两相相间短路时DG输出电流
Figure FDA0002298767930000023
步骤7：进行保护的自适应整定，对于三相短路故障，保护动作电流整定值为
Figure FDA0002298767930000024
式中，Krel为可靠系数，
Figure FDA0002298767930000025
为系统等效电源相电压，Zs为系统等效电源至DG并网点之间的等效阻抗，Zl为DG并网点至该保护的保护范围末端之间的等效阻抗；
对于两相相间短路故障，保护动作电流整定值为
Figure FDA0002298767930000026
式中，Krel为可靠系数，
Figure FDA0002298767930000027
为系统等效电源相电压，Zs为系统等效电源至DG并网点之间的等效阻抗，Zl为DG并网点至该保护的保护范围末端之间的等效阻抗。
2.如权利要求1所述的含逆变型分布式电源的配电网自适应电流保护整定方法，其特征是，步骤1中，在采用1.2倍额定电流的最大输出电流限制，以及电压跌落至90％以下时每跌落1％则多输出2％的无功电流的低电压穿越策略时，式(1)的具体表达形式为：
Figure FDA0002298767930000028
Figure FDA0002298767930000029
Figure FDA00022987679300000210
式中id(1)和iq(1)分别为正序有功电流和正序无功电流，
Figure FDA00022987679300000211
为并网点正序电压的标幺值，表示实际并网点正序电压与额定正序电压的比值，idq.n为dq坐标系下的额定电流，其值与额定有功指令Pref.n成正比，与额定并网点正序电压Upcc(1).n成反比，应为
Figure FDA00022987679300000212
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