CN109473954B

CN109473954B - 一种微网故障的保护方法

Info

Publication number: CN109473954B
Application number: CN201811198174.8A
Authority: CN
Inventors: 程启明; 程尹曼; 沈磊; 王玉娇; 魏霖
Original assignee: Shanghai University of Electric Power
Current assignee: Shanghai University of Electric Power
Priority date: 2018-10-15
Filing date: 2018-10-15
Publication date: 2020-03-13
Anticipated expiration: 2038-10-15
Also published as: CN109473954A

Abstract

本发明涉及一种微网故障的保护方法，包括如下步骤：步骤1：在一定的采样频率下，获取两相邻母线上电压和电流，每隔10个点截取，获得最终数据的电压和电流，并进行归一化处理；步骤2：根据L‑M优化算法，拟合出两母线上电压和电流之间椭圆关系的参数；步骤3：计算两母线的特征余弦；步骤4：求取两母线的特征方向；步骤5：计算各母线上特征方向的差分值；步骤6：根据差分的方向，可构造出保护判据为：若差分的方向大于零，则判定两相邻母线之间区段为故障区段；否则，则可判定两相邻母线之间区段为健全区段。与现有技术相比，本发明能够保证保护装置的选择性、简化阈值整定以及减少计算数据量。

Description

一种微网故障的保护方法

技术领域

本发明涉及一种微网保护方法，尤其是涉及一种微网故障的保护方法。

背景技术

微网的继电保护已成为近年国内外研究的热点问题。目前微网的保护方法可分为2类：①基于单一特征量的保护方法(例如，相电流、相电压、电压/电流对称分量等)；②基于多个特征量的保护方法(例如，电流与电压的组合特征、电流的正序与负序组合分量等)，它又分为含有通信技术、不含通信技术(即通过本地多特征量间关系)2种方法。除了利用常规电气量外，信号处理算法被用到微网保护中。目前，单变量或多变量的保护方法均有一些问题。对于复杂的微网来说，基于单纯的单变量和多变量的方法在保护整定和配合会面临困难，有时为保证选择性，就需要延长保护动作时间或者搭配通信技术，但对于小惯性的微网来说，保护动作时间变长不利于系统的稳定性；对于基于通信技术的保护方案，若采用大范围的通信，则将不可避免的面临着通信速度、数据处理等问题。

目前微网故障检测方法不具备选择性，不能使故障线路区段两端的保护装置动作。另外，微网的多电源、故障限流以及即插即用等特性，导致微网保护装置的阈值整定困难。因此，对于微网的保护方法还需进一步研究。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种微网故障的保护方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种微网故障的保护方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：在设定好的采样频率下，获取两相邻母线上电压和电流，每隔10个点截取，获得最终数据的电压和电流，并进行归一化处理；

步骤2：根据L-M优化算法，拟合出两母线上电压和电流之间椭圆关系公式的参数；

步骤3：计算两母线的特征余弦；

步骤4：求取两母线的特征方向；

步骤5：计算各母线上特征方向的差分值；

步骤6：根据差分的方向，可构造出保护判据为：若差分的方向大于零，则判定两相邻母线之间区段为故障区段；否则，则可判定两相邻母线之间区段为健全区段。

进一步地，所述的步骤1中的采样频率为10kHz，归一化处理的范围为[-5，5]。

进一步地，所述的步骤2中，所述的两母线上电压和电流之间椭圆关系公式为：

ax²+bxy+cy²+dx+ey+f＝0，

其中，a、b、c、d、e、f均为设计参数，x、y为电压离散采样点数值。

进一步地，所述步骤6中的两母线的特征余弦的计算公式为：

其中，

为母线B_n的特征余弦，

为母线B_n+1的特征余弦，

和

为拟合母线B_n母线上电压和电流之间椭圆关系公式的参数，

和

为拟合母线B_n+1母线上电压和电流之间椭圆关系公式的参数。

进一步地，所述步骤5中的两母线的特征方向的计算公式为：

其中，

为母线B_n的特征方向，

为母线B_n+1的特征方向。

进一步地，所述步骤6中的各母线上特征方向的差分值的计算公式为：

其中，

为各母线上特征方向的差分值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)目前微网故障检测方法不具备选择性，不能使故障线路区段两端的保护装置动作，本发明方法保证了保护装置的选择性。

(2)微网的多电源、故障限流以及即插即用等特性，导致微网保护装置的阈值整定困难，本发明方法简化阈值整定；

(3)本发明提供了基于椭圆曲线来获取电压电流之间方向的方法，具有利用较少的数据点就能检测故障的能力，减少计算数据量。

(4)本发明保护方法在不同的接地电阻、故障类型、故障位置、运行模式、不平衡负荷共5种不同条件下都能进行正确的故障判定，本发明方法适应性强。

附图说明

图1为本发明实施例中微网的结构框架；

图2为本发明在不同位置故障时B1和B2上故障后相位差的区间图；

图3为本实施例中电压和电流在不同情况下的几何表征图，其中，图3(a)为改变电流和相角的几何表征；图3(b)为仅改变相角的几何表征；

图4为本发明的保护方法流程图；

图5为本实施例中接地电阻R_f＝0.01Ω且a相接地故障时DG1输出的电压和电流，其中，图5(a)为a相接地故障时DG1输出的电压波形图，图5(b)为a相接地故障时DG1输出的电流波形图；

图6为本实施例中接地电阻R_f＝0.01Ω时母线B1与B2之间每相输出电压和电流，其中，图6(a)为a相；图6(b)为b相；图6(c)为c相；

图7为本实施例中接地电阻R_f＝0.01Ω时B1与B2之间电压和电流的几何表征，其中，图7(a)为a相；图7(b)为b相；图7(c)为c相；

图8为本实施例中接地电阻R_f＝50Ω时B1与B2之间每相输出电压和电流，其中，图8(a)为a相；图8(b)为b相；图8(c)为c相；

图9为本实施例中接地电阻R_f＝50Ω时B1与B2之间电压和电流的几何表征，其中，图9(a)为a相；图9(b)为b相；图9(c)为c相；

图10为本实施例中不同运行模式下流过B1的三相电流；

图11为本实施例中不同运行模式下流过B1和B2的三相电流，其中，图11(a)为流过母线B1三相电流；图11(b)为流过母线B2三相电流；

附图标号说明：

图1中A表示母线；B表示线路；C表示短路保护装置；D表示负荷；E表示电流正方向；F表示故障点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

1、微网的故障分析

图1为本发明所用的微网结构框架。该微网框架采用了典型的辐射状结构，微网通过公共连接点(common connection point,PCC)再经变压器与主电网连接。图中，DG1～DG4为4个DG单元，Line1～Line3为3段线路，L-1～L-4为4个负荷，B1～B5为5个微网母线，R1～R5为5个微网保护装置。

微网运行在并网模式时，当故障发生在微网外部时，微网立即解列，并作孤岛模式运行；当故障发生在微网内部时，微网继续保持并网模式运行。

通过分析可知，当Line1发生故障后，母线B1和B2上电压与电流之间相位差不属于一个区间；当Line2发生故障后，母线B1和B2上电压与电流之间相位差处于同一个区间；在Line3发生故障后，故障后B1和B2电压与电流之间相位差保持在同一区间。因此，可以画出不同位置故障时B1和B2上故障后相位差的区间图，如图2所示。由图可见，只有当故障发生在B1和B2区间内时，B1和B2之间相位差才会在不同区间；而在故障发生在故障区外时，B1和B2之间相位差都保持在同一区间。因此，故障区段两端母线上相位差在不同区间，而健全区段两端母线上相位差在相同区间。

图中标记说明如表7所示：

表7：B1和B2上故障后相位差的区间说明

2、电压和电流的几何表征

目前常采用常规电气量的幅值和相角来构成保护判据(例如，相电流或电压、电流或电压的对称分量等)。为了获取这些量的幅值和相角，一般采用傅里叶变换(Fouriertransformation，FT)对其1或1/2个周波的数据进行提取，而FT变换不能确定信号的频率分量的出现时间。另外，若原信号在含有非周期分量的同时又未选择合适的时间窗，那么也会使FT变换的提取结果出现误差。而数据窗的增大易使数据量增加，小数据量可加快保护装置判断过程，保护的快速性有利于小惯性微网的稳定性。

因此，本发明提出基于椭圆曲线来获取电压电流之间方向的方法，此法具有利用较少的数据点就能检测故障的能力。

下面说明一下这种方法的工作原理：

首先，正常运行状态下母线上电压u(t)、电流i(t)可表示为：

式中：U₀、I₀为u(t)、i(t)峰值；ω为角频率，ω＝2πf，f为频率；φ为电压与电流之间相角差。

若分别以u(t)、i(t)为横、纵坐标轴变量，则在不同φ和电流幅值下，可以画出电压和电流的几何表征曲线，如图3所示。

由图可见，电压和电流的几何可表征为一个椭圆，当φ<90°(锐角)时，椭圆的长轴转角为锐角，而φ>90°(钝角)且φ取不同值时，椭圆短轴和长轴的长度也不同。若电流幅值改变，则长轴与短轴的长度、长轴转角也会相应地变化。因此，通过这种轨迹将电压和电流综合起来分析，这类曲线的优点在于，依据较少的数据量就可确定出一条轨迹。

图3上电压和电流的这种现象理论说明如下。

令x(t)和y(t)为：

由上式可推得：

而圆锥类曲线的方程可表示为：

ax²+bxy+cy²+dx+ey+f＝0 (4)

比较(3)式与(4)式可知，两者相似，因此，可将电压与电流之间关系和圆锥曲线方程的性质建立一个联系。

实际应用中，(4)式中a、b、c、d、e、f参数的具体数值是未知，而仅知电压和电流的离散采样点数值。由于Levenberg-Marquardt(L-M)算法是一种非线性最小二乘优化方法，它采用梯度求得极值，兼有梯度法和牛顿法的两者优点，在每次迭代时寻找一个合适的阻尼因子λ，当λ很小或很大时，该算法的步长就变为牛顿法或梯度法的步长，此法对于过参数化问题不敏感，能有效处理参数冗余问题，从而减小代价函数陷入局部极值概率。因此，本发明采用L-M算法来对电流和电压的几何表征进行非线性拟合，由此算法可拟合求出(4)式中a、b、c、d、e、f这些参数具体数值。

3、本发明的微网保护方法

对式(3)反归一化后可得：

比较(4)式与(5)式，可定义特征余弦cos(φ)为：

下面给出本发明所提的微网保护方法的具体步骤：

1)在采样频率10kHz下，获取母线B_n和B_n+1上的电压和电流，然后每隔10个点进行截取，获得最终数据

以及

此时每相波形的数据点仅20个，注意，

和

分别为母线B_n、B_n+1上w相电压和电流的归一化值；w为三相交流的标记，w＝a、b或c三相；n为母线编号，由图1可知，n＝1、2或4，即B1-B2间Line1、B2-B3间Line2、B4-B5间Line3的编号；归一化范围为[-5，5]。

2)根据L-M优化算法，拟合出母线B_n、B_n+1的电压和电流之间椭圆关系的参数

为：

3)接着，可计算母线B_n、B_n+1的特征余弦

为：

其中，

和

为拟合母线B_n母线上电压和电流之间椭圆关系公式的参数，

和

4)进而，再求取母线B_n、B_n+1的特征方向为：

其中，

为母线B_n的特征方向，

为母线B_n+1的特征方向。

5)再计算各区段上特征方向的差分值

为：

6)最后，根据差分值的差分方向，可构造出保护判据为：①若

则判定B_n和B_n+1之间的区段为故障区段；②若

则判定B_n和B_n+1之间的区段为健全区段。

图4为本发明保护方法的流程图。在本发明的保护方法中，每段线路都仅需配1个保护装置CT，这有效减少了保护装置的数量，但由于微网含有多个发电微电源DG，因此，线路两端仍需断路器CB。

4、本发明的实施案例

为了验证本发明微网保护方法的有效性和优越性，搭建了图1的微网系统Matlab/Simulink仿真模型，并采用本发明提出的保护方法对不同的接地电阻(R_f)、故障类型(F_t)、故障位置(F_L)、运行模式(O_m)、不平衡负荷共5种不同条件下故障位置判定仿真分析。

4.1不同接地电阻

当微网处于孤岛模式且时间t＝0.2s时距离Line1上50m处发生a相接地故障，接地电阻R_f分别取为0.01Ω、0.1Ω、0.2Ω、0.5Ω、1Ω、2Ω、10Ω和50Ω不同值，采用本发明的保护方法对各故障进行判定，检测与判定结果见表1，表中，PH为相序(PH＝a,b,c)，B₁-B₂表示故障位置在母线B₁和母线B₂之间。

表1不同接地电阻时检测与判定结果

(1)接地电阻R_f＝0.01Ω故障情况

先以R_f＝0.01Ω故障情况(小接地电阻)为例来说明本发明所提的保护方法适应小接地电阻情况。图5为a相发生接地故障时DG1输出的电压和电流。由图可见，由于微网的限流作用，在经过短暂的过渡过程后，可将DG1的输出电流的峰值稳定于额定电流的2倍。

图6为母线B₁和B₂的t＝0.21s之后1周期的各相电流和电压。它是为了躲过故障发生后故障本身和限流策略造成的过渡过程。由图可见，由于故障点发生在B₁和B₂之间，B₁和B₂之间电压同时跌落，使得它们之间的极性差异变化不大。由于故障点的接地电阻，会使两侧母线的电流均流向故障点，使得B₁和B₂之间电流的极性发生了变化。而对于健全相而言，B₁和B₂之间的电压和电流变化不大。

图7为电压和电流之间的几何表征的实际数据和拟合曲线。由图可见，本发明所提保护方法能够仅根据20个数据点来有效拟合出电压和电流几何表征的总体趋势，B₁和B₂的故障相之间的特征余弦相反，而健全相之间的特征余弦相同，这与前文理论分析一致。由表1可知，根据所提保护判据判定故障发生在B₁和B₂之间，与实际故障一致。

(2)接地电阻R_f＝50Ω故障情况

再以R_f＝50Ω故障情况(大接地电阻)为例来说明本发明所提的保护方法适应大接地电阻情况。图8为母线B₁和B₂的t＝0.21s之后1周期的各相电流和电压的波形。比较图8与图6可见，在发生大接地电阻状态时的各母线上电压和电流变化差异明显小于小接地电阻状态，但其电流之间的极性差异仍然存在。

图9为大接地电阻时电压和电流之间的几何表征图。由图可见，由于大过渡电阻时电压和电流的两者幅值差别减小，因此实际的几何表征曲线近似为直线，但本发明所提保护方法仍能有效地拟合出其整体趋势，并保持B₁和B₂之间各相电流之间特征余弦的差异。由表1可知，根据所提保护判据判定故障发生在B₁和B₂之间，与实际故障一致。

总之，本发明所提的保护方法能够有效地检测不同接地电阻的故障情况。

4.2不同故障类型

故障类型(F_t)包含单相接地故障(LG)、两相接地故障(LLG)、两相短路故障(LL)和三相接地故障(LLLG)共4种不同类型。

当微网处于孤岛模式，且在距离Line1 50m处发生R_f＝0.1Ω过渡电阻时，不同类型故障情况(F_t)下各母线的特征余弦、特征方向和判定结果见表2。表中，LG(a)表示a相发生单相接地故障。表2中的判定结果与实际故障完全相同，因此，本发明所提的保护方法能够适应于不同的故障类型。

表2不同故障类型时检测与判定结果

4.3不同故障位置

故障位置(F_L)分别在Line1(即B1-B2之间)、Line2(即B2-B3之间)和Line3(即B4-B5之间)不同位置。孤岛模式的微网在t＝0.2s且在不同位置上发生不同故障相和接地电阻的单相接地故障(故障相分别为b相、c相，接地电阻R_f分别为1Ω、10Ω)，采用本发明所提保护方法之后，不同故障位置时各母线的特征余弦、特征方向和判定结果见表3。由表3可知，本发明所提的保护方法能够适应不同的故障位置。

表3不同故障位置时检测与判定结果

4.4不同运行模式

运行模式(O_m)包含并网运行和孤岛运行两种不同的运行模式。图10为不同运行模式下流经母线B₁的三相电流。在t＝0.2s时，并网模式和孤岛模式的微网发生完全相同的故障，此故障为Line1上发生了a相接地故障且接地电阻R_f＝5Ω。由图可见，不同的运行模式下发生相同的故障时，通过B₁的三相电流是不一样的，且并网模式下电流要大于孤岛模式，其原因在于并网模式下大电网会提供一定的短路电流，使流过各母线的短路电流增加，从而使微网保护装置的阈值整定变得困难。

对于并网模式发生不同类型故障的微网(包括不同的短路类型、故障相、接地电阻以及故障位置)，采用本发明所提的保护方法执行后的检测与判断结果见表4。由表可知，在并网运行和小接地电阻的情况下，各母线上流过的电流都很大，判断出故障部分相对容易，因此，表中主要给出接地电阻R_f＝50Ω时故障判定情况。由表可知，本发明所提保护方法能有效判定故障区域，能适应不同故障类别，这表明了它能够同时适应并网运行和孤岛运行，避免了自适应的阈值选择问题。

表4微网并网模式且发生不同类型故障时检测与判定结果

4.5不平衡负荷

微网中常出现不平衡负荷的情况，不平衡负荷运行会带来跟并网运行一样的阈值选择困难问题。下面通过改变微网中负荷L-2三相功率容量来仿真不平衡负荷运行情况。假设a相、b相、c相的有功/无功的功率分别为19kW/8kVar、17kW/7kVar、10kW/8kVar。

图11为不平衡负荷时母线B₁和B₂的三相电流。微网在孤岛模式且Line1发生经接地电阻R_f＝10Ω的a相接地故障和三相短路故障。由图可见，不平衡负荷带来每相电流的幅值不同，造成每相的短路电流也会不同，这使保护装置阈值设置变得困难。

在微网孤岛模式且发生不同类型故障时，按照本发明所提保护方法执行后的检测结果见表5，而在微网并网模式且发生不同类型故障时，检测结果见表6。由表5和表6可知，本发明所提保护方法能够检测和隔离不平衡微网中故障，故障类型包含不同的接地电阻、故障位置、故障相以及运行方式等。

表5微网孤岛模式且发生不同类型故障时检测与判定结果

表6微网并网模式且发生不同类型故障时检测与判定结果

本发明通过分析不同位置故障后微网各母线上电气量的特征，画出线路两端母线上各相角差的区间图，并结合椭圆曲线的几何表征方法，提出一种基于几何表征和差分算法的微网保护方法。该方法利用LM算法来将电压和电流联合特征用椭圆轨迹来表征，进而根据特征差分方向来检测故障位置。最后，仿真实验结果证明了本发明所提方法的有效性和可行性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。