CN111103503B - 基于仿真的微电网故障定位方法 - Google Patents

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Abstract

基于仿真的微电网故障定位方法，属于供电控制领域，涉及一种微电网母线上接入节点的故障定位方法，在微电网供电母线上每个分支节点设置采样装置，所述方法包括以下步骤：采样装置对电压、电流进行实时采样；判断采样电流的变化量是否大于阈值，如果大于阈值，认为电流突变；以电流突变之前的设备状态作为参数，运行仿真系统，仿真故障类型，获得输出；比对仿真输出与采样数据，得到故障位置与故障类型。该方法以微电网的实际配置建立模型，使用故障发生前一刻的数据为基础进行仿真，仿真结果与实际情况更加相符。准确定位微电网中的故障位置，减少故障处理时间。只利用故障发生时和故障发生之前的信息，不用通过其他后续动作即可判断故障位置和故障类型。

Description

基于仿真的微电网故障定位方法
技术领域
本发明属于供电控制领域，涉及一种微电网母线上接入节点的故障定位方法。
背景技术
配电网是由单侧电源供电的辐射形网络。当配电网发生故障时，系统侧会向故障点提供故障电流。
微电网是一个由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统。它是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，在正常状态下，微电网通过静态开关接入配电网，作为一个可控单元并网运行(并网模式)；也可以通过与配电网的隔离，作为自治系统孤岛运行(孤岛模式)，避免电网故障影响微电网内负荷正常运行。通常一个小型的微电网系统包括多个分布式电源、储能装置以及大量的负荷。
与传统电网相比，微电网运行特性及故障特性具有以下几点：1、改变了原有的单个电源接入电网的方式，具有多电源型。2、运行方式灵活，存在并网运行和孤岛运行两种运行方式。3、配电线路较短。4、微电网的多电源性导致流经某些设备的潮流可能是双向的。5、电源故障特性复杂，微电网中的为电源多基于逆变器连接，其故障电流多被半导体器件限制在2倍额定电流内，因此微电网在并网和孤岛两种运行方式下，短路电流大小不同，而且差异很大。
微电网的保护技术最重要的研究内容就是对故障的定位。
对于微电网，故障分为外部故障和内部故障：微电网的外部故障是指发生在静态开关外侧的故障，即所接入配电网发生故障；微电网的内部故障是指发生在静态开关内侧的故障，主要表现为短路故障，包括单相接地短路、两相间短路、两相接地短路以及三相接地短路等。
当微电网加入系统，与配电网并网运行时，必定会改变其网络结构，当发生故障时，系统侧和分布式电源都会提供故障电流，由于容量上的差异使得系统侧提供的短路电流依然存在，使得某些故障点的故障电流是双向的，原来的继电保护方法已经不再适用，这也是微电网保护的难点。在此模式下的保护方案必须要考虑到故障电流大小及方向的改变。
在孤岛运行模式下，当发生故障时，因为逆变器的存在，由于分布式电源的容量小，使得故障点的故障电流值相对较小，不足以让其保护装置动作。在孤岛运行条件下馈线上的保护装置必须做出相应的调整。对此，国内外的学者提出了不同的方法，可用傅里叶变换，通过分析逆变器输出电压的谐波含量提出的特定保护方案，也有提出通过电力电子器件来检测电源输出电压的扰动情况的方法。
微电网在并网和孤岛运行模式下故障特性是完全不同的，因此要采取不同于孤岛的技术对微电网进行保护。
中国专利申请CN 108400584 A披露了《一种基于相关分析匹配度的微电网故障诊断方法》，提出使用仿真模型，静态离线遍历仿真所有故障状态，以电压暂降量作为判断条件，将发生故障时的电压暂降量与仿真结果进行匹配，进而得到故障点。该方法存在以下问题：1、其针对的是整个供电网，目的是找出哪个分布式电源发生故障，对微电网内部的故障点没有判断能力，2、离线静态仿真的结果与实际线路的实际运行情况差异很大，以此判断可靠性不高，3、电压暂降一般是由电网、变电设施的故障或负荷突然出现大的变化(如大功率设备启动等)所引起的，出现电压暂降不一定代表故障。
发明内容
本发明的目的是提出一种定位微电网内部故障点的方法，适合并网和孤岛两种运行模式。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：基于仿真的微电网故障定位方法，由控制器完成，在微电网供电母线上每个分支节点设置采样装置，分支节点下的设备与设置在该分支节点的采样设备有通信连接；采样装置与控制器有通信连接；控制器中建立以微电网实际配置为模型的仿真系统；
所述方法包括以下步骤：
步骤A、设备将自身的状态传给采样装置；采样装置对电压、电流进行实时采样，并将设备状态和采样数据传给控制器；
步骤B、判断采样电流的变化量是否大于阈值，如果大于阈值，认为电流突变，执行步骤C，否则执行步骤A；
步骤C、读取3个周波数据，如果电流恢复正常，执行步骤A，否则执行步骤D；
步骤D、以电流突变之前的设备状态作为参数，运行仿真系统，仿真故障类型，获得输出；比对仿真输出与采样数据，得到故障位置与故障类型。
进一步地，所述故障类型为A、B、C单相接地故障，AB、BC、CA两相接地故障，ABC三相接地故障，AB、BC、CA相间短路故障，ABC三相短路故障，共11种故障类型。
步骤D中，假设微电网有m个节点，执行以下步骤：
步骤D0、以电流突变量大小的降序建立节点序列，
步骤D1、i=1，j=1；
步骤D2、对节点序列中第i个节点发生第j种类型故障的情况进行仿真，计算该仿真结果与采样电流的平均相对误差W ij ：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，I k仿真为该条件下节点序列中第k个节点的仿真电流，I k采样为节点序列中第k个节点的电流采样值，记录W ij ，执行步骤D3；
步骤D3、如果W ij <0.1%，则节点序列中第i个节点为故障节点，故障类型为j，结束；否则，执行步骤D4；
步骤D4、i=i+1，如果i<=m，执行步骤D2，否则，执行步骤D5；
步骤D5、j=j+1，如果j<=11，设置i=1，执行步骤D2，否则，执行步骤D6；
步骤D6、最小的W ij 值对应的节点序列中第i个节点和故障类型j为故障节点和故障类型。
在微电网中，由于接入了分布式电源，潮流方向不单一，且分布式电源相比配电网具有功率小，故障电流小的特点，因此当有故障发生时，单纯通过用电流判断故障节点的方式并不可靠。
另外，发生电流突变的节点有很大可能发生故障，但也有可能是其他节点下发生故障而引发在其他节点发生电流突变。
本发明使用微电网中的实际配置建立模型，使用电流突变（疑似故障）前一刻的采样值作为参数，仿真各节点的故障，比对仿真结果与电流突变时的采样数值，从而得到故障节点和故障类型。
有益效果：1、微电网节点发生电流突变时，首先排除干扰情况，避免发生误动作。2、以微电网的实际配置建立模型，使用故障发生前一刻的数据为基础进行仿真，仿真结果与实际情况更加相符。3、不单以电流突变来判断故障发生，判断故障时，首先排除由于大功率设备带来的电流突变，避免错误。4、准确定位微电网中的故障位置，减少故障处理时间。5、只利用故障发生时和故障发生之前的信息，不用通过其他后续动作即可判断故障位置和故障类型。
附图说明
图1为微电网的拓扑图，
图2为仿真模型的配置图。
具体实施方式
本实施例如图1所示，基于仿真的微电网故障定位方法，由控制器完成，微电网母线上有17个分支，每个分支通过分支节点连接分布式发电单元（节点16、17，DG1和DG2）、供电网络（节点15）、用电设备（其它节点），图1中1、2、3、16、17等为分支节点。在每个分支节点上设置采样装置，分支节点下的设备与设置在该分支节点的采样设备或控制器有通信连接，采样装置与控制器有通信连接。采样装置和控制器在图中没有表示。分支线路通过断路器连接到母线，采样装置设置在紧邻断路器的位置。
每个分支节点下的设备规模都不会太大，分布不会很分散，分支节点下的设备与设置在该分支节点的采样设备的通信连接可以通过电力线载波、无线连接等方式实现。
在控制器中建立以微电网实际配置为模型的仿真系统，如图2所示。
为了保证仿真结果最接近实际情况，建立仿真模型是以光伏并网系统的实际负载参数作为模型参数。以上参数可以从光伏并网系统内部的网络拓扑图获得。仿真系统可以使用simulink、PSASP、PSS/E、PSD-BPA、EMPT/APT其他电力系统仿真软件或硬件设备。本实施例中，选用基于matlab的simulink环境，原因是simulink软件可移植型强，易于转换为C语言等语言，应用于设备上，对硬件要求较低。
仿真模型按照微电网的实际参数进行配置。
图2中：两个分布式电源模块对应储能发电和光伏发电，其参数可设，控制方式可设，主要控制方式为PQ控制与Vf控制两种。
负载模型，参数按各节点下的实际参数进行设置。
故障产生模型，可根据需要由控制器在不同的负载模型下产生故障。在实际仿真时可以一个节点（负载模型）对应配置一个故障产生模型；也可以只配置一个故障模型，根据需要使其连接到对应节点产生故障。
电网模型由负载模型和电源模型组成，其中的负载模型模拟电网的负载，负载模型的参数可以通过电网公布的电网情况来获得，除非发生特殊情况，该参数变化不大。通常认为电网是无穷大的，能为设备或故障提供足够的功率，因此在仿真系统设计时，电源模型是一个理想的无穷大的电源，与负载模型组合成电网模型，最大程度上模拟实际分布式电源与电网的关系。
三相转接模型相当于一个采样装置，把线路中ABC三相的电压电流信息传给波形显示器（图中未给出），便于观察该处的波形信息。
故障定位包括以下步骤：
步骤A、设备将自身的状态传给采样装置；采样装置对电压、电流进行实时采样，并将设备状态和采样数据传给控制器；
设备自身的状态包括负载的运行状态、功耗等参数，还包括分布式电源模块的输出。由于光照、限制功率等原因，分布式电源模块的输出会产生变化。
步骤B、判断采样电流的变化量是否大于阈值，如果大于阈值，认为电流突变，执行步骤C，否则执行步骤A；
本发明，采用电流的突变来判断故障。采样电流的变化量为本次采集与上次采集之差的绝对值，阈值为正常值的10%。
正常值为系统稳定时，节点下所有设备以额定功率运行时电流的最大值，以申请人所在的科林电气园区为例：正常值电相压有效值为220V， 某节点下的电流正常值为670A。
电流的突变，有可能是大功率的设备状态发生变化引起的，如投入、退出、启动、停止等。另外，还有可能是采样、传输过程中发生的错误。因此在本发明中，采用下面方法去除上述影响。
步骤C、首先判断电流采样装置所处分支是否有大功率设备投入或退出，如果有，执行步骤A，否则，读取3个周波数据，如果电流恢复正常，执行步骤A，否则执行步骤D。
微电网中，大功率设备与采样装置或与控制器建立通信连接，在状态发生变化时，发送状态。
为了消除采样、传输过程中发生的错误以及入雷击产生的瞬间大电流等瞬时干扰，本发明读取3个周波数据，如果采集的数据，电流突变量未超过阈值，则说明电流恢复正常，不进行故障判断。
以上步骤完成了故障的初步判定，下面进行故障定位和故障类型的确定。
步骤D、以电流突变之前的设备状态作为参数，运行仿真系统，仿真故障类型，获得输出；比对仿真输出与采样数据，得到故障位置与故障类型。
本发明的思路是仿真所有节点上的所有故障类型，仿真的参数使用最接近故障发生时刻的系统参数，仿真结果更接近实际情况，将电流突变时的采样数据与仿真输出进行比对，进而得到故障节点与故障类型。
对于380V供电母线，故障类型为A、B、C单相接地故障，AB、BC、CA两相接地故障，ABC三相接地故障，AB、BC、CA相间短路故障，ABC三相短路故障，共11种故障类型。
本发明，针对的情况是微电网的一个节点下发生故障。
如果微电网有m个节点，针对一种状态（孤岛或并网），共有11*m个仿真结果。
假设微电网有m个节点，执行以下步骤，本实施例中，m=17。
步骤D0、以电流突变量大小的降序建立节点序列。
相较其他节点，电流突变大的节点有很大概率是故障节点。将节点按电流突变量大小的降序排列，可以减少计算量。以下为一个序列的实例：
{12,4,1,2,3,5,6,7,8,9,10,11,13,14,15,16,17}。
上面序列中，节点12的电流突变量最大，节点4次之，其它节点电流突变很小或没有。
步骤D1、i=1，j=1。
步骤D2、对节点序列中第i个节点发生第j种类型故障的情况进行仿真，计算该仿真结果与采样电流的平均相对误差W ij ：
Figure 963146DEST_PATH_IMAGE001
其中，I k仿真为该条件下节点序列中第k个节点的仿真电流，I k采样为节点序列中第k个节点的电流采样值，记录W ij ，执行步骤D3。
上面公式中，求取发生电流突变后，所有节点的采样电流值与本次仿真结果中各节点的电流值之差的平均数。
步骤D3、如果W ij <0.1%，则节点序列中第i个节点为故障节点，故障类型为j，结束；否则，执行步骤D4。
理想状态下，如果仿真的情况同真实的情况一致，则上述结果为0，但由于采样误差和仿真误差，不可能达到理想状态。
考虑到现有仿真系统和采样精度，仿真系统误差为万分之五，采样电路的误差为万分之五，本实施例中，如果上述结果在万分之十之内，就认为仿真结果与实际情况相符。
步骤D4、i=i+1，如果i<=m，执行步骤D2，否则，执行步骤D5。
步骤D5、j=j+1，如果j<=11，设置i=1，执行步骤D2，否则，执行步骤D6。
以上两个步骤是控制遍历所有节点的所有故障情况。
如果遍历所有节点的所有故障类型后，并没有发现可以匹配的故障节点和故障类型，可以输出最接近实际情况的仿真结果，即：
步骤D6、最小的W ij 值对应的节点序列中第i个节点和故障类型j为故障节点和故障类型。
为了排除计算误差、采样数据发送由于干扰发生错误等意外因素，本发明还采用以下方案：
步骤D1中，首先建立大小为m行11列的矩阵，矩阵中，第a行b列位置上的数据为(c,b)，c为节点序列中第a个位置上的节点；i=1，j=1。
如果节点序列为{12,4,1,2,3,5,6,7,8,9,10,11,13,14,15,16,17}，则矩阵中第一行为：
[(12,1) (12,2) (12,3) (12,4) (12,5) (12,6) (12,7) (12,8) (12,9) (12,10) (12,11)]。
(c,b)代表第c个节点上的第b种故障。
步骤D3、如果W ij <0.1%，则节点序列中第i个节点为故障节点，故障类型为j，结束；否则，如果W ij >5%，矩阵中第i行j列位置上的数据置为(0,0)；执行步骤D4。
将某些位置的数据置为(0,0)，是由于真实数据与仿真数据的差距很大，如果进一步进行仿真计算，这里先将该情况排除。经过该步骤，矩阵中留下的非(0,0)数据非常少。
步骤D6包括以下步骤。
步骤D6-1、以电流突变之前的设备状态，运行仿真系统模拟正常情况，如果仿真系统的输出与各节点在电流突变之前的采样数值相符，执行步骤D6-2，否则，重新获取电流突变之前的采样数据和设备状态，执行步骤D6-2；
该步骤的意义在于验证接收的数据是否正确。如果仿真结果（仿真正常运行情况，不仿真故障情况）与采样数据不符，说明取得的设备状态或采样数据不准确。
如果仿真系统的输出与各节点在电流突变之前的采样数值相差不大于0.1%，说明两者相符。
重新获取电流突变之前的采样数据的方法是控制器要求采样装置重新传输数据。这样可以排除通信过程中的突发干扰。
另外，还可以要求采样装置发电流突变之前的几个采样数据，控制器将几个数据求平均值，以平均值作为仿真模型的参数。
为使仿真结果更加可靠，还可以接收供电部门公布的电网负载情况，更新电网模型中负载模型的参数。
获取数据后，可以只更新仿真结果不符的节点的设备状态和采样数据。
步骤D6-2、如果矩阵中的数据全部为(0,0)，结束；否则，对矩阵中不是(0,0)的数据(i,j)，仿真节点序列中第i个节点发生第j种类型故障的情况，计算该仿真结果与采样电流的平均相对误差W ij ：
Figure 839836DEST_PATH_IMAGE001
其中，I k仿真为该条件下第k个节点的仿真电流，I k采样为第k个节点的电流采样值，记录W ij ，在此过程中，如果出现W ij <0.5%，则节点序列中第i个节点为故障节点，故障类型为j，结束；计算所有的非(0,0)数据后，执行步骤D6-3。
在第二轮的仿真计算、比对结果时，放宽匹配度。
同样，在如果遍历矩阵中所有数据后，没有发现可以匹配的故障节点和故障类型，输出最接近实际情况的仿真结果。
步骤D6-3、最小的W ij 值对应的节点序列中第i个节点和故障类型j为故障节点和故障类型。
两个节点以上同时发生故障的概率非常小，如果出现两个节点上同时发生电流突变，且幅度大致相当，如相差不到10%，则可以对该两个节点同时发生故障的情况进行仿真，计算该仿真结果与采样电流的平均相对误差W ij ，进而判断是否两个节点同时发生故障。

Claims (6)

1.基于仿真的微电网故障定位方法，由控制器完成，其特征在于：
在微电网供电母线上每个分支节点设置采样装置，分支节点下的设备与设置在该分支节点的采样装置有通信连接；
采样装置与控制器有通信连接；
控制器中建立以微电网实际配置为模型的仿真系统；
所述方法包括以下步骤：
步骤A、设备将自身的状态传给采样装置；采样装置对电压、电流进行实时采样，并将设备状态和采样数据传给控制器；
步骤B、判断采样电流的变化量是否大于阈值，如果大于阈值，认为电流突变，执行步骤C，否则执行步骤A；
步骤C、读取3个周波数据，如果电流恢复正常，执行步骤A，否则执行步骤D；
步骤D、以电流突变之前的设备状态作为参数，运行仿真系统，仿真故障类型，获得输出；比对仿真输出与采样数据，得到故障位置与故障类型；
所述故障类型为A、B、C单相接地故障，AB、BC、CA两相接地故障，ABC三相接地故障，AB、BC、CA相间短路故障，ABC三相短路故障，共11种故障类型；
步骤D中，假设微电网有m个节点，执行以下步骤：
步骤D0、以电流突变量的降序建立节点序列，
步骤D1、i=1，j=1；
步骤D2、对节点序列中第i个节点发生第j种类型故障的情况进行仿真，计算该仿真结果与采样电流的平均相对误差W ij ：
Figure 274772DEST_PATH_IMAGE001
其中，I k仿真为该条件下节点序列中第k个节点的仿真电流，I k采样为节点序列中第k个节点的电流采样值，记录W ij ，执行步骤D3；
步骤D3、如果W ij <0.1%，则节点序列中第i个节点为故障节点，故障类型为j，结束；否则，执行步骤D4；
步骤D4、i=i+1，如果i<=m，执行步骤D2，否则，执行步骤D5；
步骤D5、j=j+1，如果j<=11，设置i=1，执行步骤D2，否则，执行步骤D6；
步骤D6、最小的W ij 值对应的节点序列中第i个节点和故障类型j为故障节点和故障类型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤C、首先判断采样装置所处分支是否有大功率设备投入或退出，如果有，执行步骤A，否则，
读取3个周波数据，如果电流恢复正常，执行步骤A，否则执行步骤D。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤D中，首先检测微电网运行状态，根据状态运行仿真系统。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤D1中，建立大小为m行11列的矩阵，矩阵中，第a行b列位置上的数据为(c,b)，c为节点序列中第a个位置上的节点；i=1，j=1；
步骤D3、如果W ij <0.1%，则节点序列中第i个节点为故障节点，故障类型为j，结束；否则，如果W ij >5%，矩阵中第i行j列位置上的数据置为(0,0)；执行步骤D4；
步骤D6包括以下步骤：
步骤D6-1、以电流突变之前的设备状态，运行仿真系统模拟正常情况，如果仿真系统的输出与各节点在电流突变之前的采样数值相符，执行步骤D6-2，否则，重新获取电流突变之前的采样数据和设备状态，执行步骤D6-2；
步骤D6-2、如果矩阵中的数据全部为(0,0)，结束；否则，对矩阵中不是(0,0)的数据(i,j)，仿真节点序列中第i个节点发生第j种类型故障的情况，计算该仿真结果与采样电流的平均相对误差W ij ：
Figure 54509DEST_PATH_IMAGE001
其中，I k仿真为该条件下第k个节点的仿真电流，I k采样为第k个节点的电流采样值，记录W ij ，在此过程中，如果出现W ij <0.5%，则节点序列中第i个节点为故障节点，故障类型为j，结束；计算所有的非(0,0)数据后，执行步骤D6-3；
步骤D6-3、最小的W ij 值对应的节点序列中第i个节点和故障类型j为故障节点和故障类型。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：
步骤D6-1中，重新获取电流突变之前的采样数据的方法是控制器要求采样装置重新传输数据。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤B中，采样电流的变化量为本次采集与上次采集之差的绝对值，阈值为正常值的10%。
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