CN111707896A - 新型微电网故障检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了新型微电网故障检测装置及其检测方法。属于微电网电力系统保护技术领域，能及时清除微电网的线路故障，消除微电网中的小惯性电源，提高电网运行的稳定性。新型微电网故障检测装置，包括大电网、和三个微电网，三个微电网分别为微电网MG₂、微电网MG₃和微电网MG₁，还包括接入开关、母线A、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、地线、断路器CB₁、断路器CB₂、断路器CB₃、第一电流测量元件、第二电流测量元件、第三电流测量元件、第四电流测量元件、第一电流启动元件、第二电流启动元件、第三电流启动元件、通信设备、中心处理器、存储器和报警器。

Description

新型微电网故障检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及微电网电力系统保护技术领域，具体涉及新型微电网故障检测装置及其检测方法。

背景技术

微电网是指由分布式电源、负荷、保护装置等组成的小型发配电系统，既能与主网并网运行，也能孤岛运行。微电网的提出是为了实现分布式电源的灵活高效的应用，解决分布式电源并网问题。开发和延伸微电网能够充分促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，是实现主动式配电网的一种有效方式，使传统电网向智能电网过渡微电网是大电网的有力补充，是智能电网领域的重要组成部分，在工商业区域、城市片区以及偏远地区有广泛的应用前景。微电网与大电网的有效结合，能在一定程度上满足日益增长的能量需求和供电的不间断性，并能应对突发事件。然而，如果线路故障未能及时清除，微电网中的小惯性电源将引发稳定性问题。对此，需要不断加强对微电网故障的检测和处理技术。

发明内容

本发明是为了能及时清除微电网的线路故障，消除微电网中的小惯性电源，提高电网运行的稳定性，提供一种新型微电网故障检测装置及其检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

新型微电网故障检测装置，包括大电网、和三个微电网，三个微电网分别为微电网MG₂、微电网MG₃和微电网MG₁，还包括接入开关、母线A、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、地线、断路器CB₁、断路器CB₂、断路器CB₃、第一电流测量元件、第二电流测量元件、第三电流测量元件、第四电流测量元件、第一电流启动元件、第二电流启动元件、第三电流启动元件、通信设备、中心处理器、存储器和报警器；

电阻R₁的一端连接在母线A上，电阻R₁的另一端连接在电阻R₂的一端上，电阻R₂的另一端连接在电阻R₃的一端上，电阻R₃的另一端连接在地线上；

在电阻R₁的一端与母线A之间的线路上安装有互感器T₁，第一电流测量元件与互感器T₁相连接；

微电网MG₂的母线D通过断路器CB₁电连接在母线A上，在断路器CB₁与母线D之间的线路上安装有互感器T₄，第四电流测量元件分别与互感器T₄和第一电流启动元件相连接；

微电网MG₃的母线B通过断路器CB₂电连接在电阻R₁和电阻R₂之间的线路上，在断路器CB₂与母线B之间的线路上安装有互感器T₂，第二电流测量元件分别与互感器T₂和第二电流启动元件相连接；

微电网MG₁的母线C通过断路器CB₃电连接在电阻R₂和电阻R₃之间的线路上，在断路器CB₃与母线C之间的线路上安装有互感器T₃，第三电流测量元件分别与互感器T₃和第三电流启动元件相连接；

第一电流测量元件、第一电流启动元件、第二电流启动元件和第三电流启动元件分别与通信设备无线连接；

存储器、报警器和通信设备分别与中心处理器相连接；

母线A通过接入开关与大电网电连接。

一种适用于所述的新型微电网故障检测装置的检测方法，其特征在于，所述检测方法如下：

步骤1：各电流测量元件实时获取对应微电网输电线路中的电流分量，当电流启动元件判断出电流分量超出正常阈值时，该电流启动元件将获取的电流分量通过无线模块传输到通信设备，并同时将第一测量元件测量的电流分量也通过无线模块传输到通信设备中，通信设备再通过无线模块将数据传输到中心处理器中；

步骤2：在中心处理器中，

在中心处理器中，将第一电流测量元件获取的线路电流分量分别与电流分量超出正常阈值的这个电流启动元件传输过来的线路电流分量按时间序列组成一个2×n阶原始矩阵I_orig：

原始矩阵I_orig的处理过程如下：

在式(1)中，Δi₁(k)为第一电流测量元件测得的电流分量；-Δi₂(k)为某个电流启动元件测得的电流分量；k＝k₁，k₂，…k_n为采样时刻；

步骤3：对I_orig进行复制m-1次，向下平移，扩展为2m×n阶矩阵I_copy：

步骤4：在I_copy上叠加一个2m×n阶高斯白噪声矩阵I_or，使矩阵中各元素为随机数；

I_or＝I_copy+AN_gas (3)

在式(3)中，A为噪声矩阵的幅值；N_gas为2m×n阶噪声矩阵且各元素均为服从标准正态分布的随机数；

将噪声幅值A设置为半补偿电流幅值的一半，即

在式(4)中，U_N为额定相电压；Y为线路导纳，由具有均匀分布参数高压线路的π形等效网络计算得到；

步骤5：将得到的矩阵I_or进行矩阵变换，得到所需的故障检测数据矩阵I_final；

对矩阵I_or进行矩阵变换的过程为：

步骤5-1：将矩阵

归一化变换为非埃尔米特矩阵

在式(6)中，

为非埃尔米特矩阵的元素；i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n；

和

分别为求期望和方差函数，

步骤5-2：求

的奇异值等价矩阵X_u：

在式(7)中，U∈C^m×m，是由魔方阵经奇异值分解得到的Haar酋矩阵，C代表复数集；上标H表示矩阵的共轭转置；

步骤5-3：将L个非埃尔米特矩阵

依次按式(6)、式(7)进行变换，得到各自的奇异值等价矩阵；将X_u，iL个X_u，i相乘得到累积矩阵Z：

步骤5-4：对累积矩阵Z中各元素按式(10)进行单位化处理，得到标准矩阵积矩阵

其元素为：

在式(10)中，

为m阶方阵；

步骤6：计算矩阵I_final的所有特征值λ_i，按照式(11)求取各电流启动元件对应线路的MSR值r：

E为修正参数，

步骤7：当电流分量超出正常阈值的这个电流启动元件对应线路上的MSR值r小于理论计算的内环半径值时，则说明该电流启动元件对应的线路上有故障点，从而确定该电流启动元件对应的微电网有故障；当MSR值r介于内外环之间，则说明该电流启动元件对应的微电网正常；

内环半径：R_s＝(1-c)^0.5l (12)；

式中，c为随机矩阵行列比，c＜1；l为随机矩阵的个数，l＝1，外环半径为1；

步骤8：若中心处理器判断出哪个微电网出现故障后，则由报警器立即发出相应的报警提示，工作人员即可根据报警器的报警提示对相应的微电网做出维护处理。

作为优选，在步骤2中，

在要判断微电网F₁是否发生故障时，利用第一电流测量元件获取的线路电流分量与第二电流启动元件传输到通信设备的电流分量按时间序列组成一个2×n阶的原始矩阵I_orig；

在要判断微电网F₂是否发生故障时，利用第一电流测量元件获取的线路电流分量与第三电流启动元件传输到通信设备的电流分量按时间序列组成一个2×n阶的原始矩阵I_orig；

在要判断微电网F₃是否发生故障时，利用第一电流测量元件获取的线路电流分量与第一电流启动元件传输到通信设备的电流分量按时间序列组成一个2×n阶的原始矩阵I_orig。

作为优选，在步骤1中还包括，

设电流分量超出正常阈值这个电流启动元件对应的电流测量元件所检测到的电流分量为S₁，又设电流分量没超出正常阈值这两个电流启动元件对应的电流测量元件所检测到的电流分量分别为S₂和S₃；

当一个电流启动元件判断出电流分量超出正常阈值时，还同时让另外两个电流启动元件也将此时各自电流测量元件所检测到的电流分量S₂和S₃也分别上传到中心处理器中；

在步骤6中，修正参数

本发明能够达到如下效果：

本发明需要采集大量的实时数据和历史数据，利用采集到的数据进行序列扩展成矩阵，求得MSR进行微电网故障检测，其故障检测过程简单，抗干扰能力强，快速性、可靠性性好，为电网的安全可靠运行提供有力的支持。

附图说明

图1是本发明的一种电路原理连接结构示意图。

图2是本发明的一种报警器示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

实施例，新型微电网故障检测装置，参见图1所示包括大电网13、和三个微电网，三个微电网分别为微电网MG₂、微电网MG₃和微电网MG₁，其特征在于，还包括接入开关8、母线A、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、地线14、断路器CB₁、断路器CB₂、断路器CB₃、第一电流测量元件1、第二电流测量元件2、第三电流测量元件3、第四电流测量元件4、第一电流启动元件7、第二电流启动元件5、第三电流启动元件6、通信设备9、中心处理器10、存储器11和报警器12；

电阻R₁的一端连接在母线A上，电阻R₁的另一端连接在电阻R₂的一端上，电阻R₂的另一端连接在电阻R₃的一端上，电阻R₃的另一端连接在地线上；

在电阻R₁的一端与母线A之间的线路上安装有互感器T₁，第一电流测量元件与互感器T₁相连接；

微电网MG₂的母线D通过断路器CB₁电连接在母线A上，在断路器CB₁与母线D之间的线路上安装有互感器T₄，第四电流测量元件分别与互感器T₄和第一电流启动元件相连接；

微电网MG₃的母线B通过断路器CB₂电连接在电阻R₁和电阻R₂之间的线路上，在断路器CB₂与母线B之间的线路上安装有互感器T₂，第二电流测量元件分别与互感器T₂和第二电流启动元件相连接；

微电网MG₁的母线C通过断路器CB₃电连接在电阻R₂和电阻R₃之间的线路上，在断路器CB₃与母线C之间的线路上安装有互感器T₃，第三电流测量元件分别与互感器T₃和第三电流启动元件相连接；

第一电流测量元件、第一电流启动元件、第二电流启动元件和第三电流启动元件分别与通信设备无线连接；

存储器、报警器和通信设备分别与中心处理器相连接；

母线A通过接入开关与大电网电连接。

一种适用于所述的新型微电网故障检测装置的检测方法，所述检测方法如下：

步骤1：各电流测量元件实时获取对应微电网输电线路中的电流分量，当电流启动元件判断出电流分量超出正常阈值时，该电流启动元件将获取的电流分量通过无线模块传输到通信设备，并同时将第一测量元件测量的电流分量也通过无线模块传输到通信设备中，通信设备再通过无线模块将数据传输到中心处理器中；

步骤2：在中心处理器中，

在中心处理器中，将第一电流测量元件获取的线路电流分量分别与电流分量超出正常阈值的这个电流启动元件传输过来的线路电流分量按时间序列组成一个2×n阶原始矩阵I_orig：

原始矩阵I_orig的处理过程如下：

在式(1)中，Δi₁(k)为第一电流测量元件测得的电流分量；-Δi₂(k)为某个电流启动元件测得的电流分量；k＝k₁，k₂，…k_n为采样时刻；

步骤3：对I_orig进行复制m-1次，向下平移，扩展为2m×n阶矩阵I_copy：

步骤4：在I_copy上叠加一个2m×n阶高斯白噪声矩阵I_or，使矩阵中各元素为随机数；

I_or＝I_copy+AN_gas (3)

在式(3)中，A为噪声矩阵的幅值；N_gas为2m×n阶噪声矩阵且各元素均为服从标准正态分布的随机数；

将噪声幅值A设置为半补偿电流幅值的一半，即

在式(4)中，U_N为额定相电压；Y为线路导纳，由具有均匀分布参数高压线路的π形等效网络计算得到；

步骤5：将得到的矩阵I_or进行矩阵变换，得到所需的故障检测数据矩阵I_final；

对矩阵I_or进行矩阵变换的过程为：

步骤5-1：将矩阵

归一化变换为非埃尔米特矩阵

在式(6)中，

为非埃尔米特矩阵的元素；i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n；

和

分别为求期望和方差函数，

步骤5-2：求

的奇异值等价矩阵X_u：

在式(7)中，U∈C^m×m，是由魔方阵经奇异值分解得到的Haar酋矩阵，C代表复数集；上标H表示矩阵的共轭转置；

步骤5-3：将L个非埃尔米特矩阵

依次按式(6)、式(7)进行变换，得到各自的奇异值等价矩阵；将X_u，iL个X_u，i相乘得到累积矩阵Z：

步骤5-4：对累积矩阵Z中各元素按式(10)进行单位化处理，得到标准矩阵积矩阵

其元素为：

在式(10)中，

为m阶方阵；

步骤6：计算矩阵I_final的所有特征值λ_i，按照式(11)求取各电流启动元件对应线路的MSR值r：

E为修正参数，

步骤7：当电流分量超出正常阈值的这个电流启动元件对应线路上的MSR值r小于理论计算的内环半径值时，则说明该电流启动元件对应的线路上有故障点，从而确定该电流启动元件对应的微电网有故障；当MSR值r介于内外环之间，则说明该电流启动元件对应的微电网正常；

内环半径：R_s＝(1-c)^0.5l (12)；

式中，c为随机矩阵行列比，c＜1；l为随机矩阵的个数，l＝1，外环半径为1；

步骤8：若中心处理器判断出哪个微电网出现故障后，则由报警器立即发出相应的报警提示，工作人员即可根据报警器的报警提示对相应的微电网做出维护处理。

一种适用于所述的新型微电网故障检测装置的检测方法，其特征在于，在步骤2中，

在要判断微电网F₁是否发生故障时，利用第一电流测量元件获取的线路电流分量与第二电流启动元件传输到通信设备的电流分量按时间序列组成一个2×n阶的原始矩阵I_orig；

在要判断微电网F₂是否发生故障时，利用第一电流测量元件获取的线路电流分量与第三电流启动元件传输到通信设备的电流分量按时间序列组成一个2×n阶的原始矩阵I_orig；

在要判断微电网F₃是否发生故障时，利用第一电流测量元件获取的线路电流分量与第一电流启动元件传输到通信设备的电流分量按时间序列组成一个2×n阶的原始矩阵I_orig。

在步骤1中还包括，

设电流分量超出正常阈值这个电流启动元件对应的电流测量元件所检测到的电流分量为S₁，又设电流分量没超出正常阈值这两个电流启动元件对应的电流测量元件所检测到的电流分量分别为S₂和S₃；

当一个电流启动元件判断出电流分量超出正常阈值时，还同时让另外两个电流启动元件也将此时各自电流测量元件所检测到的电流分量S₂和S₃也分别上传到中心处理器中；

在步骤6中，修正参数

参见图2所示，在报警器上还设有与故障点F₁、F₂、F₃分别对应的红灯、绿灯和蜂鸣器。

若中心处理器中判断出线路故障，则报警器中的F1的LED灯亮红灯并且蜂鸣器响；若线路正常，则报警器中的LED等亮绿灯。若F2故障，则报警器中F2亮红灯且蜂鸣器响；若F3故障，则报警器中F3亮红灯且蜂鸣器响；正常时，均亮绿灯。

Claims (4)

1.新型微电网故障检测装置，包括大电网(13)、和三个微电网，三个微电网分别为微电网MG₂、微电网MG₃和微电网MG₁，其特征在于，还包括接入开关(8)、母线A、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、地线(14)、断路器CB₁、断路器CB₂、断路器CB₃、第一电流测量元件(1)、第二电流测量元件(2)、第三电流测量元件(3)、第四电流测量元件(4)、第一电流启动元件(7)、第二电流启动元件(5)、第三电流启动元件(6)、通信设备(9)、中心处理器(10)、存储器(11)和报警器(12)；

电阻R₁的一端连接在母线A上，电阻R₁的另一端连接在电阻R₂的一端上，电阻R₂的另一端连接在电阻R₃的一端上，电阻R₃的另一端连接在地线上；

在电阻R₁的一端与母线A之间的线路上安装有互感器T₁，第一电流测量元件与互感器T₁相连接；

微电网MG₂的母线D通过断路器CB₁电连接在母线A上，在断路器CB₁与母线D之间的线路上安装有互感器T₄，第四电流测量元件分别与互感器T₄和第一电流启动元件相连接；

微电网MG₃的母线B通过断路器CB₂电连接在电阻R₁和电阻R₂之间的线路上，在断路器CB₂与母线B之间的线路上安装有互感器T₂，第二电流测量元件分别与互感器T₂和第二电流启动元件相连接；

微电网MG₁的母线C通过断路器CB₃电连接在电阻R₂和电阻R₃之间的线路上，在断路器CB₃与母线C之间的线路上安装有互感器T₃，第三电流测量元件分别与互感器T₃和第三电流启动元件相连接；

第一电流测量元件、第一电流启动元件、第二电流启动元件和第三电流启动元件分别与通信设备无线连接；

存储器、报警器和通信设备分别与中心处理器相连接；

母线A通过接入开关与大电网电连接。

2.适用于权利要求1所述的新型微电网故障检测装置的检测方法，其特征在于，所述检测方法如下：

步骤1：各电流测量元件实时获取对应微电网输电线路中的电流分量，当电流启动元件判断出电流分量超出正常阈值时，该电流启动元件将获取的电流分量通过无线模块传输到通信设备，并同时将第一测量元件测量的电流分量也通过无线模块传输到通信设备中，通信设备再通过无线模块将数据传输到中心处理器中；

步骤2：在中心处理器中，

在中心处理器中，将第一电流测量元件获取的线路电流分量分别与电流分量超出正常阈值的这个电流启动元件传输过来的线路电流分量按时间序列组成一个2×n阶原始矩阵I_orig：

原始矩阵I_orig的处理过程如下：

在式(1)中，Δi₁(k)为第一电流测量元件测得的电流分量；-Δi₂(k)为某个电流启动元件测得的电流分量；k＝k₁，k₂，…k_n为采样时刻；

步骤3：对I_orig进行复制m-1次，向下平移，扩展为2m×n阶矩阵I_copy：

步骤4：在I_copy上叠加一个2m×n阶高斯白噪声矩阵I_or，使矩阵中各元素为随机数；

I_or＝I_copy+AN_gas (3)

在式(3)中，A为噪声矩阵的幅值；N_gas为2m×n阶噪声矩阵且各元素均为服从标准正态分布的随机数；

将噪声幅值A设置为半补偿电流幅值的一半，即

在式(4)中，U_N为额定相电压；Y为线路导纳，由具有均匀分布参数高压线路的π形等效网络计算得到；

步骤5：将得到的矩阵I_or进行矩阵变换，得到所需的故障检测数据矩阵I_final；

对矩阵I_or进行矩阵变换的过程为：

步骤5-1：将矩阵

归一化变换为非埃尔米特矩阵

在式(6)中，

为非埃尔米特矩阵的元素；i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n；

和

分别为求期望和方差函数，

步骤5-2：求

的奇异值等价矩阵X_u：

在式(7)中，U∈C^m×m，是由魔方阵经奇异值分解得到的Haar酋矩阵，C代表复数集；上标H表示矩阵的共轭转置；

步骤5-3：将L个非埃尔米特矩阵

依次按式(6)、式(7)进行变换，得到各自的奇异值等价矩阵；将X_u，iL个X_u，i相乘得到累积矩阵Z：

步骤5-4：对累积矩阵Z中各元素按式(10)进行单位化处理，得到标准矩阵积矩阵

其元素为：

在式(10)中，

为m阶方阵；

步骤6：计算矩阵I_final的所有特征值λ_i，按照式(11)求取各电流启动元件对应线路的MSR值r：

E为修正参数，

步骤7：当电流分量超出正常阈值的这个电流启动元件对应线路上的MSR值r小于理论计算的内环半径值时，则说明该电流启动元件对应的线路上有故障点，从而确定该电流启动元件对应的微电网有故障；当MSR值r介于内外环之间，则说明该电流启动元件对应的微电网正常；

内环半径：R_s＝(1-c)^0.5l (12)；

式中，c为随机矩阵行列比，c＜1；l为随机矩阵的个数，l＝1，外环半径为1；

步骤8：若中心处理器判断出哪个微电网出现故障后，则由报警器立即发出相应的报警提示，工作人员即可根据报警器的报警提示对相应的微电网做出维护处理。

3.适用于权利要求2所述的新型微电网故障检测装置的检测方法，其特征在于，在步骤2中，

在要判断微电网F₁是否发生故障时，利用第一电流测量元件获取的线路电流分量与第二电流启动元件传输到通信设备的电流分量按时间序列组成一个2×n阶的原始矩阵I_orig；

在要判断微电网F₂是否发生故障时，利用第一电流测量元件获取的线路电流分量与第三电流启动元件传输到通信设备的电流分量按时间序列组成一个2×n阶的原始矩阵I_orig；

在要判断微电网F₃是否发生故障时，利用第一电流测量元件获取的线路电流分量与第一电流启动元件传输到通信设备的电流分量按时间序列组成一个2×n阶的原始矩阵I_orig。

4.适用于权利要求2所述的新型微电网故障检测装置的检测方法，其特征在于，在步骤1中还包括，

设电流分量超出正常阈值这个电流启动元件对应的电流测量元件所检测到的电流分量为S₁，又设电流分量没超出正常阈值这两个电流启动元件对应的电流测量元件所检测到的电流分量分别为S₂和S₃；

当一个电流启动元件判断出电流分量超出正常阈值时，还同时让另外两个电流启动元件也将此时各自电流测量元件所检测到的电流分量S₂和S₃也分别上传到中心处理器中；

在步骤6中，修正参数

在微电网MG₁的母线D上连接有负载L₁，在微电网MG₂的母线B上连接有负载L₂，在微电网MG₃的母线C上连接有负载L₃；

MSR：Move from general Register to Spential register(存bai储通用寄存器的值到特殊寄存器)。

Images