CN111313382B - 一种基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法，包括，采集馈线上的分布式电源在某时刻下的功率值和电流值；比较分布式电源在不同时刻下的功率值和电流值，当功率值未变化且电流值不相等时，计算分布式电源的临界功率和电流变化率；比较电流变化率与断线保护动作值，判断该馈线上的分布式电源与母线之间是否发生故障；根据分布式电源的位置确定故障点位置。本发明原理简单、整定计算方便、易于实现，能够准确单相断线故障，不受馈线长度和数量的影响，具有较高的选择性、灵敏性和可靠性。

Description

一种基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护技术领域，特别是，涉及一种基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法。
背景技术
近年来，中压配电网单相短路的研究逐渐增多，不同中性点接线方式下单相短路故障特征和保护方法的研究受到广泛关注。但是，单相断线不接地故障因其特征不明显，目前对于故障特征和保护的研究均较少。然而，单相断线后会导致负荷缺相运行，产生过电压，烧毁旋转电机，尤其若单相断线故障的处置时间过长，极易引发人畜触电死亡事件的发生。
单相断线故障可以分为单相断线不接地、单相断线后电源侧接地、单相断线后负荷侧接地3种，其中单相断线接地后故障特征与单相短路故障类似，可以利用单相短路故障的保护方法进行检测，但不适用于单相断线不接地故障。针对单相断线不接地故障的保护方法，部分学者利用负序电流的特征来检测单相断线，但是电气量负序分量的测量存在较大误差，影响保护效果；部分学者利用零序电压的分布特征，基于零序电压幅值差，提出了一种不受断线类型影响的保护方法；部分学者指出单相断线后故障线路存在很大的正序电流以及负序电流的变化量，可用于区分正常线路和故障线路。但是，这2种方法均需要较多的检测设备以及复杂的通讯装置。
综上所述，已有研究所提出的配电网单相断线故障保护方法存在着灵敏度和适应性的问题，目前含分布式电源的配电网单相断线故障保护方面存在着较大的技术局限性，单相断线故障无法有效地识别和切除，已成为电力系统的重要安全隐患。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的不能准确识别含分布式电源的配电网单相断线故障的缺陷，从而提供一种基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：1.一种基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法，其特征在于：包括，
采集馈线上的分布式电源在某时刻下的功率值和电流值；
比较分布式电源在不同时刻下的功率值和电流值，当功率值未变化且电流值不相等时，计算分布式电源的临界功率和电流变化率；
比较电流变化率与断线保护动作值，判断该馈线上的分布式电源与母线之间是否发生故障；
根据分布式电源的位置确定故障点位置。
作为本发明所述基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法的一种优选方案，其中：所述电流变化率根据所述分布式电源的在不同时刻的电流值计算得出。
作为本发明所述基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法的一种优选方案，其中：在采集馈线上的分布式电源在某时刻下的功率值和电流值的同时，还采集该馈线上的负荷阻抗。
作为本发明所述基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法的一种优选方案，其中：所述分布式电源的所述临界功率根据所述负荷阻抗计算得出。
作为本发明所述基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法的一种优选方案，其中：所述分布式电源的临界功率
Figure BDA0002387787220000021
按下式计算：
Figure BDA0002387787220000022
其中，uG为馈线的母线电压矢量；ZGDk为母线与第k个分布式电源并网点之间的线路阻抗，ZTk为分布式电源升压变电抗及线路阻抗之和，ZL为负荷阻抗。
作为本发明所述基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法的一种优选方案，其中：所述断线保护动作值包括断线保护正值和断线保护负值；
当所述分布式电源的功率值小于所述临界功率时，将所述电流变化率与所述断线保护正值比较；
当所述分布式电源的功率值大于所述临界功率时，将所述电流变化率与所述断线保护负值比较。
作为本发明所述基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法的一种优选方案，其中：当所述电流变化率大于所述断线保护正值时，则分布式电源与母线之间的馈线发生单相断线故障，否则未发生故障；当所述电流变化率小于所述断线保护负值时，所述分布式电源与母线之间的馈线发生单相断线故障，否则未发生故障。
作为本发明所述基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法的一种优选方案，其中：所述断线保护动作值按照躲过最大馈线电压波动导致的分布式电源的电流变化率
Figure BDA0002387787220000031
和
Figure BDA0002387787220000032
进行整定。
作为本发明所述基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法的一种优选方案，其中：所述电流变化率
Figure BDA0002387787220000033
和
Figure BDA0002387787220000034
按照如下公式确定：
Figure BDA0002387787220000035
Figure BDA0002387787220000036
其中，k为馈线出口电压与额定电压的比值：
Figure BDA0002387787220000037
其中，Ur为馈线出口相电压，Un为配电网的额定相电压。
作为本发明所述基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法的一种优选方案，其中：若被测的所述分布式电源为第一个分布式电源，则故障点位于第一个分布式电源与母线之间；否则，故障点位于该分布式电源与上一个分布式电源之间。
本发明的有益效果：
1.本发明提供的基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法，与现有技术中的馈线电流保护相比，本发明采用了分布式电源变化率作为保护特征量，能够识别含分布式电源配电网的断线故障，从而提高提高电网安全性。且所需的电气量仅为分布式电源电流、功率和负荷阻抗，易于在配电网中实现，从而提高了保护的适用性。
2.本发明提供的基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法，仅利用分布式电源电流来识别单相断线故障，无需电压信号，因此实现更为容易，适用性更好，且避免了馈线电流采集所需的设备安装以及通讯问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法的流程图
图2为基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法的步骤流程图；；
图3为配电网故障点示意图；
图4为基于分布式电源电流变化率的配电网单相断线保护方法中进行保护的逻辑图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
本实施例提供了一种基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法，其方法流程图如图1所示，包括，采集馈线上的分布式电源在某时刻下的功率值和电流值；比较分布式电源在不同时刻下的功率值和电流值，当功率值未变化且电流值不相等时，计算分布式电源的临界功率和电流变化率；比较电流变化率与断线保护动作值，判断该馈线上的分布式电源与母线之间是否发生故障；根据分布式电源的位置确定故障点位置。
本实施例利用分布式电源电流变化率，根据故障馈线分布式电源电流变化率大于最大电压波动下馈线分布式电源电流变化率来确定保护动作值。比较分布式电源变化率与动作值的关系，当某一分布式电源的电流变化率大于保护动作值时，即可判断该分布式电源至母线发生单相断线故障。
本发明提供的基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法，与现有技术中的馈线电流保护相比，本发明采用了分布式电源变化率作为保护特征量，能够识别含分布式电源配电网的断线故障，从而提高提高电网安全性。且所需的电气量仅为分布式电源电流、功率和负荷阻抗，易于在配电网中实现，从而提高了保护的适用性。
在实际操作中，仅利用分布式电源电流来识别单相断线故障，无需电压信号，因此实现更为容易，适用性更好，且避免了馈线电流采集所需的设备安装以及通讯问题。
本实施例中的电流变化率根据分布式电源的在不同时刻的电流值计算得出。具体的，取第i条馈线上第k个分布式电源在t时刻的功率
Figure BDA0002387787220000051
及其电流
Figure BDA0002387787220000052
其中i＝1,2…m，k＝1,2…ni，ni为第i条馈线上的分布式电源数量。分布式电源在t-1和t时刻电流变化率为
Figure BDA0002387787220000053
本实施例中在采集馈线上的分布式电源在某时刻下的功率值和电流值的同时，还采集该馈线上的负荷阻抗，用于计算第i条馈线上第k个分布式电源的临界功率
Figure BDA0002387787220000054
本实施例中的分布式电源的临界功率
Figure BDA0002387787220000055
按下式计算：
Figure BDA0002387787220000056
其中，uG为馈线的母线电压矢量；ZGDk为母线与第k个分布式电源并网点之间的线路阻抗，ZTk为分布式电源升压变电抗及线路阻抗之和，ZL为负荷阻抗。
本实施例中需要采集的电气量仅为分布式电源电流、功率和负荷阻抗，易于在配电网中实现，从而提高了保护的适用性。
本实施例中的断线保护动作值包括断线保护正值和断线保护负值；当分布式电源的功率值小于临界功率时，将电流变化率与断线保护正值比较；当分布式电源的功率值大于临界功率时，将电流变化率与断线保护负值比较。
具体的，本实施例中的断线保护动作值按照躲过最大馈线电压波动导致的分布式电源的电流变化率
Figure BDA0002387787220000057
和
Figure BDA0002387787220000058
进行整定。
本实施例中的电流变化率
Figure BDA0002387787220000059
和
Figure BDA00023877872200000510
按照如下公式确定：
Figure BDA00023877872200000511
Figure BDA00023877872200000512
其中，k为馈线出口电压与额定电压的比值：
Figure BDA00023877872200000513
其中，Ur为馈线出口相电压，Un为配电网的额定相电压。
相比于采用馈线电流的序分量来构建保护特征量，本实施例采用分布式电源电流的变化率来构建保护特征量，故障识别的灵敏度不受负荷阻抗和分布式电源功率的影响，从而提高了保护的适用性和故障识别的可靠性。
根据电流变化率判断出存在故障后，则根据被检测分布式电源的位置确定故障点的位置。若被测的分布式电源为第一个分布式电源，则故障点位于第一个分布式电源与母线之间；否则，故障点位于该分布式电源与上一个分布式电源之间。
具体的，如图4所示，当k＝1时，则判断故障点位于第1个分布式电源至母线之间，当k＞1时，则判断故障点位于第k-1个分布式电源至第k个分布式电源之间。
实施例2
本实施例提供了一种基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法，其步骤流程图如图2所示，包括以下步骤：
S101、采集第i条馈线上第k个分布式电源在t时刻的功率
Figure BDA0002387787220000061
及其电流
Figure BDA0002387787220000062
采集第i条馈线上的负荷阻抗Zi,L，其中i＝1,2…m，k＝1,2…ni，m为馈线数量，ni为第i条馈线上的分布式电源数量；
S102、比较分布式电源在t-1和t时刻的功率
Figure BDA0002387787220000063
与
Figure BDA0002387787220000064
的大小，比较分布式电源在t-1和t时刻的电流
Figure BDA0002387787220000065
与
Figure BDA0002387787220000066
的大小，当
Figure BDA0002387787220000067
且
Figure BDA0002387787220000068
时，执行S103，否则，回执行S101；
S103、计算第i条馈线上第k个分布式电源的临界功率
Figure BDA0002387787220000069
执行步骤S104；
S104、比较
Figure BDA00023877872200000610
与分布式电源临界功率
Figure BDA00023877872200000611
的大小，当
Figure BDA00023877872200000612
时，执行S105，否则，执行S106；
S105、计算分布式电源的电流变化率
Figure BDA00023877872200000613
比较第k个分布式电源电流变化率vi,k与电流变化率为正时的断线保护动作值
Figure BDA00023877872200000614
的大小，当
Figure BDA00023877872200000615
时，则判断馈线i上第k个分布式电源至母线之间发生单相断线故障，否则未发生故障，执行步骤S107；
S106、比较第k个分布式电源电流变化率vi,k与电流变化率为负时的断线保护动作值
Figure BDA0002387787220000071
的大小，当分布式电源电流变化率
Figure BDA0002387787220000072
时，则判断馈线i上第k个分布式电源至母线之间发生单相断线故障，否则未发生故障，执行步骤S107；
S107、当k＝1时，则判断故障点位于第1个分布式电源至母线之间，当k＞1时，则判断故障点位于第k-1个分布式电源至第k个分布式电源之间。
不同于现有的馈线电流检测方法，本发明利用分布式电源电流的变化率来识别故障馈线，能够准确识别单相断线故障，无需电压信息，整定简单，易于实现，具有较高的灵敏度和较好的适用性。
为进一步优化上述技术方案，步骤S103中，设第i条馈线上第k个分布式电源的临界功率为
Figure BDA0002387787220000073
则：
Figure BDA0002387787220000074
其中，uG为馈线的母线电压；ZGDk为母线与第k个分布式电源并网点之间的线路阻抗，ZTk为分布式电源升压变电抗及线路阻抗之和，ZL为负荷阻抗。
为进一步优化上述技术方案，还包括如下步骤：
按照躲过最大馈线电压波动导致的分布式电源电流变化率
Figure BDA0002387787220000075
和
Figure BDA0002387787220000076
进行整定。
为进一步优化上述技术方案，按照如下公式确定保护动作值
Figure BDA0002387787220000077
和
Figure BDA0002387787220000078
Figure BDA0002387787220000079
Figure BDA00023877872200000710
其中，k为馈线出口电压与额定电压的比值：
Figure BDA00023877872200000711
其中，Ur为馈线出口相电压，Un为配电网的额定相电压。
与现有技术中的基于馈线电流比较的方法相比，基于馈线电流比较的方法采用馈线电流的负序分量来构建保护特征量，其保护动作定值按照躲过其余馈线断线在该线路产生的负序电流最大值整定，在传统配电网中，检测准确率能达到80％左右；但是对于含分布式电源的配电网，准确率一般在60％以下，如表1所示(其中断线保护负序电流动作定值为30A)。
表1
Figure BDA00023877872200000712
Figure BDA0002387787220000081
如图3所示，以分布式电源至母线之间发生A相接地故障为例，分布式电源功率分别为0.75MW、0.90MW、2.25MW、2.40MW时，分布式电源电流变化率分别为25.41％、21.67％、-11.73％、-14.23％。此时，分布式电源电流变化率大于保护动作值±5A，保护动作于断路器切除馈线。如表2所示，4种分布式电源功率情况下，本实施例提供的方法均可正确识别馈线的单相断线故障。
表2
Figure BDA0002387787220000082
同样，以图3所示系统的母线上发生A相接地故障为例，负荷阻抗为50Ω、45Ω、25Ω、20Ω时，分布式电源电流变化率分别为-13.80％、-10.36％、8.32％、16.12％，此时，分布式电源电流变化率大于保护动作值±5A，保护动作于断路器切除馈线。如表3所示，在4种负荷阻抗情况下，本实施例提供的方法均可正确识别馈线的单相断线故障。
表3
Figure BDA0002387787220000083
由此可见，本实施例采用分布式电源电流的变化率来构建保护特征量，对于含分布式电源配电网故障检测准确率能达到90％以上，并且故障识别的灵敏度不受负荷阻抗和分布式电源功率的影响，从而提高了保护的适用性和故障识别的可靠性。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法，其特征在于：包括，
采集馈线上的分布式电源在某时刻下的功率值和电流值；
比较分布式电源在不同时刻下的功率值和电流值，当功率值未变化且电流值不相等时，计算分布式电源的临界功率和电流变化率；
比较电流变化率与断线保护动作值，判断该馈线上的分布式电源与母线之间是否发生故障；
根据分布式电源的位置确定故障点位置。
2.根据权利要求1所述的基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法，其特征在于：所述电流变化率根据所述分布式电源的在不同时刻的电流值计算得出。
3.根据权利要求1所述的基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法，其特征在于：在采集馈线上的分布式电源在某时刻下的功率值和电流值的同时，还采集该馈线上的负荷阻抗。
4.根据权利要求3所述的基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法，其特征在于：所述分布式电源的所述临界功率根据所述负荷阻抗计算得出。
5.根据权利要求4所述的基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法，其特征在于：所述分布式电源的临界功率
Figure FDA0002602308940000011
按下式计算：
Figure FDA0002602308940000012
其中，uG为馈线的母线电压矢量；ZGDk为母线与第k个分布式电源并网点之间的线路阻抗，ZTk为分布式电源升压变电抗及线路阻抗之和，ZL为负荷阻抗。
6.根据权利要求1所述的基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法，其特征在于：所述断线保护动作值包括断线保护正值和断线保护负值；
当所述分布式电源的功率值小于所述临界功率时，将所述电流变化率与所述断线保护正值比较；
当所述分布式电源的功率值大于所述临界功率时，将所述电流变化率与所述断线保护负值比较。
7.根据权利要求6所述的基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法，其特征在于：当所述电流变化率大于所述断线保护正值时，则分布式电源与母线之间的馈线发生单相断线故障，否则未发生故障；当所述电流变化率小于所述断线保护负值时，所述分布式电源与母线之间的馈线发生单相断线故障，否则未发生故障。
8.根据权利要求7所述的基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法，其特征在于：所述断线保护动作值按照躲过最大馈线电压波动导致的分布式电源的电流变化率
Figure FDA0002602308940000021
和
Figure FDA0002602308940000022
进行整定，其中
Figure FDA0002602308940000023
为电流变化率为正时的断线保护动作值，
Figure FDA0002602308940000024
为电流变化率为负时的断线保护动作值，i为第i条馈线，k为第k个分布式电源。
9.根据权利要求8所述的基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法，其特征在于：所述电流变化率
Figure FDA0002602308940000025
和
Figure FDA0002602308940000026
按照如下公式确定：
Figure FDA0002602308940000027
Figure FDA0002602308940000028
其中，k为馈线出口电压与额定电压的比值：
Figure FDA0002602308940000029
其中，Ur为馈线出口相电压，Un为配电网的额定相电压。
10.根据权利要求1所述的基于分布式电源电流变化率的单相断线保护方法，其特征在于：若被测的所述分布式电源为第一个分布式电源，则故障点位于第一个分布式电源与母线之间；否则，故障点位于该分布式电源与上一个分布式电源之间。
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