CN110635463B - 一种基于改进搜索保护与差动保护的微电网综合保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于改进搜索保护与差动保护的微电网综合保护方法。该方法首先监测母线电压，当母线电压跌落明显或者母线出现明显正序、负序、零序电压时，启动馈线搜索主保护。馈线搜索主保护采用一种搜索母线正序电压分量与其各馈线正序电流分量的相位差的保护方法。然后，在馈线搜索主保护基础上，与差动保护相结合，设计联络线相位差动保护及后备保护，形成一种综合保护策略。本发明可以有效保护微电网发生故障时各母线、联络线及馈线的安全，增强微电网的可靠性；本发明综合保护方法不依赖于微电网中幅值较小的故障电流，能准确有效地识故障位置，切除故障馈线。并且适用对称故障、非对称故障、通信故障等各类工况，具有较高的可靠性。

Description

一种基于改进搜索保护与差动保护的微电网综合保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统保护技术领域，尤其涉及一种基于改进搜索保护与差动保护的微电网综合保护方法。

背景技术

微电网作为一种普及新能源的方式，将各种分布式电源、储能装置、负荷等有效地组织起来，解决了分布式电源不易控制及偏远地区供电等一系列问题。微电网既可以与大电网并网运行，也可以在离网状态下作孤岛运行。但微电网与传统配电网在电源特性、运行方式等方面都存在差异。

配电网在接入含分布式电源的微网后，系统的短路电流、电压及并网点系统潮流受到了不同程度的影响。而且，由于大部分分布式电源并网方式为经逆变器并网，其短路电流受电力电子逆变器制约，最大短路电流通常在1.5～2倍额定电流以内。这就可能会引起传统三段式电流保护拒动或者误动，给系统可靠性带来威胁。随着微电网规模的扩大和渗透率的不断提高，寻求其有效的保护方式越来越受到重视。

目前，针对微电网的故障的主要的保护方法大致可以分为无通道保护和广域保护两方面。其中，无通道保护主要有：低压加速反时限过流保护法、电流矢量变化量保护法、对称分量分析法等。其中低压加速反时限过流保护和电流矢量变化量保护法受限于微电网的拓扑结构，难以适应复杂微网结构。基于对称分量法实现故障选项的方法在不对称负荷运行状态下可能失效。在广域保护方面主要保护方法有：基于各种测量对象的差动保护、故障电流判别搜索保护等。基于全电流的差动电流检测方法可以有效检测单相接地故障，但无法识别相间故障和三相对称故障。根据故障电流判别故障区域的方法能根据故障情况自适应调整故障搜索路径，但结构适应性较差。广域保护方面还包括根据实时计算系统及选系统阻抗、调整整定值、判定故障类型的方法，但此方法过于依赖通信装置，对数据实时性和容错率要求比较高。

依据微电网发生故障时母线电压序分量和馈线电流序分量的相位差是实现故障定位的有效方法。微电网发生故障时，正向故障馈线与反向故障馈线的相位特征有明显区别。基于这种方法形成的综合保护方法可以有效解决微电网故障电流较小不易整定的情况。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于改进搜索保护与差动保护的微电网综合保护方法。综合保护方法不依赖于微电网中幅值较小的故障电流，能准确有效地识故障位置，切除故障馈线。并且适用对称故障、非对称故障、通信故障等各类工况，具有较高的可靠性。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于改进搜索保护与差动保护的微电网综合保护方法，该保护方法包括如下步骤：

(1)监测母线电压：

实时监测微电网中各条母线的电压，当任一母线的电压跌落至接近于0或者出现正序、零序、负序电压时，启动该母线的馈线搜索主保护；

(2)馈线搜索主保护：

监测获得该条电压发生异常的母线的正序电压分量ΔU_i，以及该条母线的各条馈线的正序电流分量ΔI_ij，计算各条馈线的正序电流分量ΔI_ij与母线的正序电压分量ΔU_i的相位差θ_ij，θ_ij＝|arg(ΔU_i)-arg(ΔI_ij)|，其中，i为母线标号，j为馈线标号，ΔU_i为第i条母线的正序电压分量，ΔI_ij为第i条母线的第j条馈线的正序电流分量；如果相位差θ_ij满足90°<θ_ij<180°，则说明该条馈线为故障馈线，切除该条故障馈线，故障检修后恢复供电；否则，则说明故障发生在联络线上，启动联络线相位差动保护；

(3)联络线相位差动保护：

定义连接两条母线的馈线为联络线，联络线联络的两条母线别分为母线i和母线n，规定由母线流向联络线方向为电流参考方向，如两条母线之间的联络线两侧的电流的相位差等于零，即

其中，θ_i-n为母线i与母线n之间的联络线两侧的电流的相位差，

和

分别为母线i与母线n之间的联络线两侧的电流；则确定故障发生在母线i和母线n之间的联络线上，切除该条故障联络线，故障检修后恢复供电。

所述保护方法进一步包括后备保护，当微电网系统发生通信故障或断路器失灵等情况导致联络线相位差动保护拒动时，在联络线相位差动保护的基础上设置延时来实现后备保护；当检测到母线i发生异常时，经过馈线搜索主保护动作最大动作时间t_1max和联络线相位差动保护动作时间t₂之和t_b＝t_1max+t₂后，仍未收到保护动作信号时，后备保护启动，位于母线i及上游母线i-1联络线上的后备保护动作，切断对故障母线的供电，经消除异常工况根源后恢复供电。

所述步骤1中，母线电压异常的逻辑判据可根据微电网故障特征来设定阈值，其中当发生三相对称故障时，母线电压跌落至0，因此对于保护启动阈值，母线全电压逻辑判据阈值规避1，发生其他类型故障时，母线出现正序、零序、负序电压分量，因此序分量逻辑判据阈值规避0。

所述正序电压分量、正序电流分量及相位差，是由各线路馈线终端装置上传得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、不依赖于短路电流幅值，避免传统电流保护因故障电流较小误动或拒动的情况。

2、对于微电网不同的拓扑结构及不同故障条件(三相对称故障、单相接地故障、相间故障)工况下，都能迅速定位故障位置并切除故障，保证系统可靠性。

3、通信失败或其他原因导致主保护拒动的情况下，后备保护能够根据启动保护的逻辑判据切除下游故障，保证系统正常运行。

附图说明

图1为本发明的基于改进搜索保护与差动保护的微电网综合保护方法的整体流程图；

图2为本发明的基于改进搜索保护与差动保护的微电网综合保护方法的保护配置图；

图3为馈线主保护流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

本发明的一种基于改进搜索保护与差动保护的微电网综合保护方法，该方法首先监测母线电压，当母线电压跌落明显或者母线出现明显正序、负序、零序电压时，启动馈线搜索主保护。馈线搜索主保护采用一种搜索母线正序电压分量与其各馈线正序电流分量的相位差的保护方法。然后，在馈线搜索主保护基础上，与差动保护相结合，设计联络线相位差动保护及后备保护，形成一种综合保护策略。

如图1所示，该保护方法具体包括如下步骤：

(1)监测母线电压：

实时监测微电网中各条母线的电压，当任一母线的电压跌落至接近于0或者出现正序、零序、负序电压时，启动该母线的馈线搜索主保护。

当微电网系统发生三相对称故障时，母线电压跌落至接近于0；当微电网系统发生非对称故障(如单相接地、两相接地、相间故障)时，母线中会出现明显的正序、零序、负序电压。因此，可以利用这两类情况的故障特性来设计启动保护的逻辑判据。

(2)馈线搜索主保护：

考虑到辐射式微电网拓扑结构可以看作由多个单母线结构互联而成，因此，对每条母线上的馈线采用搜索保护。搜索保护是基于序分量法的一种保护方法，基于分析微电网发生故障时的序分量可知，发生故障时，故障馈线的正序电流分量与其所在母线的正序电压分量的相位差最大。

如图3所示，监测获得该条电压发生异常的母线的正序电压分量ΔU_i，以及该条母线的各条馈线的正序电流分量ΔI_ij，计算各条馈线的正序电流分量ΔI_ij与母线的正序电压分量ΔU_i的相位差θ_ij，θ_ij＝|arg(ΔU_i)-arg(ΔI_ij)|，其中，i为母线标号，j为馈线标号，ΔU_i为第i条母线的正序电压分量，ΔI_ij为第i条母线的第j条馈线的正序电流分量。如果相位差θ_ij满足90°<θ_ij<180°，则说明该条馈线为故障馈线，切除该条故障馈线，故障检修后恢复供电；否则，则说明故障发生在联络线上，启动联络线相位差动保护。

(3)联络线相位差动保护：

定义连接两条母线的馈线为联络线，因电流相位差动保护不依赖短路电路幅值，对运行模式不敏感，并且适用于各种拓扑结构，故选择差动保护为微电网综合保护方法中联络线的主保护。利用馈线发生故障联络区域内短路电流反向，联络线区域发生故障时短路电流同向的特点，构成联络线相位差动保护。

联络线联络的两条母线别分为母线i和母线n，规定由母线流向联络线方向为电流参考方向，如两条母线之间的联络线两侧的电流的相位差等于零，即

其中，θ_i-n为母线i与母线n之间的联络线两侧的电流的相位差，

和

分别为母线i与母线n之间的联络线两侧的电流；则确定故障发生在母线i和母线n之间的联络线上，依据此特征切除该条故障联络线，故障检修后恢复供电。

优选地，所述基于改进搜索保护与差动保护的微电网综合保护方法进一步包括后备保护，当微电网系统发生通信故障或断路器失灵等情况导致联络线相位差动保护拒动(即没有接收到相位差动保护的保护动作信号)时，在联络线相位差动保护的基础上设置延时来实现后备保护，为满足微电网保护选择性，将后备保护设置在两条母线之间的联络线的上游侧，按照阶梯原则整定，实现下游故障与上游线路隔离。当检测到母线i发生异常时，经过馈线搜索主保护动作最大动作时间t_1max和联络线相位差动保护动作时间t₂之和t_b＝t_1max+t₂后，仍未收到保护动作信号时，后备保护启动，位于母线i及上游母线i-1联络线上的后备保护动作，切断对故障母线的供电，经消除异常工况根源后恢复供电。

所述步骤1中，母线电压异常的逻辑判据可根据微电网故障特征来设定阈值，其中当发生三相对称故障时，母线电压跌落至0，因此对于保护启动阈值，母线全电压逻辑判据阈值规避1(标幺值)即可，发生其他类型故障时，母线出现正序、零序、负序电压分量，因此理论上序分量逻辑判据阈值规避0即可。

上述的基于改进搜索保护与差动保护的微电网综合保护方法中，所述正序电压分量、正序电流分量及相位差，是由各线路馈线终端装置(FTU)上传得到。我国实现相同功能的硬件装置种类繁多，生产厂商也有不同。不同厂商生产的测量装置检测到的暂态电流信息在采样频率、误差上可能存在一定差异。

图2为本发明的基于改进搜索保护与差动保护的微电网综合保护方法的保护配置图。在馈线处设置馈线搜索主保护，搜索母线正序电压分量与其各馈线正序电流分量的相位差，在联络线处设置联络线相位差动保护，在联络线的上游侧设置后备保护。

首先，不失一般性，假设微电网有N条母线，每条母线分配出M条馈线。记母线编号为i，依次为i＝1，2，…N，由母线汇出的馈线编号记为j，同样地，j＝1，2，…M。监测获得母线正序电压分量ΔU_i，以及各馈线的正序电流分量ΔI_ij。

假设母线2处其汇出的编号2馈线发生故障，则母线2的各条馈线的正序电流分量与母线2的正序电压分量的相位差关系有：

馈线2的正序电流分量与母线2的正序电压分量的相位差最大，其余馈线的正序电流分量与母线2的正序电压分量的相位差比较小。由此可判断故障馈线位置。若相位差θ_ij均未满足90°<θ_ij<180°，则故障发生于联络线上，启动联络线相位差动保护，定位联络线故障位置并切除故障。

当满足启动保护判据后发生通信故障或其他原因导致在一定时间内保护都没有动作，后备保护按照阶梯整定原则整定，启动后备保护切除故障。

Claims (4)

1.一种基于改进搜索保护与差动保护的微电网综合保护方法，其特征在于：

该保护方法包括如下步骤：

(1)监测母线电压：

实时监测微电网中各条母线的电压，当任一母线的电压跌落至接近于0或者出现正序、零序、负序电压时，启动该母线的馈线搜索主保护；

(2)馈线搜索主保护：

监测获得该条电压发生异常的母线的正序电压分量ΔU_i，以及该条母线的各条馈线的正序电流分量ΔI_ij，计算各条馈线的正序电流分量ΔI_ij与母线的正序电压分量ΔU_i的相位差θ_ij，θ_ij＝|arg(ΔU_i)-arg(ΔI_ij)|，其中，i为母线标号，j为馈线标号，ΔU_i为第i条母线的正序电压分量，ΔI_ij为第i条母线的第j条馈线的正序电流分量；如果相位差θ_ij满足90°<θ_ij<180°，则说明该条馈线为故障馈线，切除该条故障馈线，故障检修后恢复供电；否则，则说明故障发生在联络线上，启动联络线相位差动保护；

(3)联络线相位差动保护：

定义连接两条母线的馈线为联络线，联络线联络的两条母线分别 为母线i和母线n，规定由母线流向联络线方向为电流参考方向，如两条母线之间的联络线两侧的电流的相位差等于零，即

其中，θ_i-n为母线i与母线n之间的联络线两侧的电流的相位差，

和

分别为母线i与母线n之间的联络线两侧的电流；则确定故障发生在母线i和母线n之间的联络线上，切除该条故障联络线，故障检修后恢复供电。

2.根据权利要求1所述的基于改进搜索保护与差动保护的微电网综合保护方法，其特征在于：

所述保护方法进一步包括后备保护，当微电网系统发生通信故障或断路器失灵情况导致联络线相位差动保护拒动时，在联络线相位差动保护的基础上设置延时来实现后备保护；当检测到母线i发生异常时，经过馈线搜索主保护动作最大动作时间t_1max和联络线相位差动保护动作时间t₂之和t_b＝t_1max+t₂后，仍未收到保护动作信号时，后备保护启动，位于母线i及上游母线i-1联络线上的后备保护动作，切断对故障母线的供电，经消除异常工况根源后恢复供电。

3.根据权利要求1所述的基于改进搜索保护与差动保护的微电网综合保护方法，其特征在于：

所述步骤(1)中，母线电压异常的逻辑判据可根据微电网故障特征来设定阈值，其中当发生三相对称故障时，母线电压跌落至0，因此对于保护启动阈值，母线全电压逻辑判据阈值规避1，发生其他类型故障时，母线出现正序、零序、负序电压分量，因此序分量逻辑判据阈值规避0。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于改进搜索保护与差动保护的微电网综合保护方法，其特征在于：

所述正序电压分量、正序电流分量及相位差，是由各线路馈线终端装置上传得到。

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