CN112003253A - 一种配电网边界保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网边界保护方法，在线路两端含有边界元件的前提下，通过测量得到的三相电压或两极电压后计算得到模电压，通过1模电压突变量构造保护启动判据，通过峰值时间构造保护动作判据，当计算得到的峰值时间小于整定值时认为是区内故障，当大于整定值时认为是区外故障，最后通过低电压或过电流辅助判据来避免暂态干扰导致的保护误动作。本发明仅利用单端电气量实现全线故障快速切除，无需上下级的配合，无需通信，满足交直流配电网对故障快速切除的要求。

Description

一种配电网边界保护方法

技术领域

本发明属于配电网继电保护技术领域，具体涉及一种配电网边界保护方法。

背景技术

分布式电源、储能装置等含电力电子接口的设备正在大量接入配电网，同时为了该类设备更好接入，直流配电网也在迅速发展，配电网形态正在发生变化，未来将呈现出含多换流器的交直流混合形态，最终会成为一个潮流双向流动和拓扑结构多变的多源供电系统。受电力电子器件脆弱性的影响，交流短路电流受限，导致了现有保护灵敏度低；受电力电子低惯性的影响，直流短路电流上升速度快，从而对保护的快速性提出了更高要求；短路电流的双向流动和拓扑结构灵活多变导致了现有保护配合困难，而基于边界元件的单端全线速动保护是解决含多换流器配电网保护难题的重要途径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种配电网边界保护方法，利用单端电压行波峰值时间构造保护判据来区分区内外故障，实现边界保护，实现前提是线路两端含有边界元件。

本发明采用以下技术方案：

一种配电网边界保护方法，包括以下步骤：

S1、针对交流配电网，采集A、B、C三相电压，针对直流配电网，采集正极和负极电压；

S2、通过三相电压或两极电压计算模电压；

S3、对于交流配电网，采用1模或2模电压计算交流配电网的突变量，对于直流配电网，采用1模电压计算直流配电网的突变量；

S4、根据步骤S3得到的电压突变量判断是否启动保护；

S5、计算电压行波的峰值时间；

S6、将步骤S5得到的电压行波峰值时间与整定值进行比较，若不满足设定条件，则判断故障是区外故障，否则进行步骤S7；

S7、通过低电压或过电流辅助判据进行故障确定。

具体的，步骤S2中，计算交流配电网的模电压如下：

其中，u₀、u₁、u₂表示0、1、2模电压，u_a、u_b、u_c表示a、b、c相电压。

具体的，计算直流配电网的模电压如下：

其中，u₀、u₁表示0模和1模电压，u_p、u_n表示正、负极电压。

具体的，步骤S3中，电压突变量计算如下：

Δu(n)＝u(n)-u(n-N)

其中，u(n)表示交流配电网1模或2模电压或直流配电网的1模电压的第n个采样点，N表示交流配电网工频一周波所对应的采样点数，Δu(n)为电压突变量的第n个采样点。

具体的，步骤S4中，电压突变量判断条件如下：

其中，|Δu(n)|为电压突变量第n个采样点的绝对值，Δu_set的整定按照躲过正常运行时电压的波动整定即可。

具体的，步骤S5中，当电压行波的峰值时间满足ρ(n+k)ρ(n+k+1)≤0后，行波在保护启动后的第k点上升沿或下降沿结束，计算对应的峰值时间。

具体的，步骤S6中，区内外故障识别判据如下：

其中，t_set按照躲过反方向出口故障的峰值时间t_r和正方向区外出口故障峰值时间t_f中的较小值整定，可靠系数k_rel可取0.8。

具体的，步骤S7中，低电压判据如下：

其中，

表示A、B、C三相电压工频幅值或者正负极直流电压幅值，U_N为系统额定电压，k为系数；

过电流判据如下：

其中，

表示A、B、C三相电流工频幅值或者正负极直流电流幅值，I_Lmax为最大负荷电流，k_rel为大于1的可靠系数。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种配电网边界保护方法，仅利用单端电气量实现全线故障快速切除，无需上下级保护配合，满足交流和直流配电网对故障快速切除的要求，同时由于无需通信，成本低，具有较高的工程实用价值。

进一步的，通过相模变化，采用模电压构造保护判据时，可以避免交流三相线路之间电气量的耦合。

进一步的，通过极模变换，采用模电压构造保护判据时，可以避免直流两极线路之间电气量的耦合。

进一步的，计算突变量后可以为保护启动判据和动作判据的构造奠定基础。

进一步的，通过设置基于电压突变量的启动判据，可以保证保护仅在出现暂态过程时启动，降低正常运行时装置的运算压力。

进一步的，通过计算电压峰值时间，为与整定值比较奠定基础，以确定故障发生在被保护线路区内还是区外。

进一步的，通过设置基于峰值时间的保护判据，保护可有效区分被保护线路区内故障和区外故障。

进一步的，通过设置低电压或电流幅值判据，可有效避免开关操作等暂态干扰导致保护误动，提升了保护的可靠性。

综上所述，本发明专利可仅利用单端电气量实现全线故障快速切除，无需上下级的配合，无需通信，满足交直流配电网对故障快速切除的要求。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明基于电压行波峰值时间的保护方法流程图；

图2为含分布式光伏交流配电网模型示意图；

图3为不同故障类型下保护R1的1模和2模电压波形图，其中，(a)为保护R1的1模电压，(b)为保护R1的2模电压；

图4为不同类型故障下三相电压幅值的标幺值图像，其中，(a)为ABCG，(b)为BCG，(c)为BC，(d)为CG。

具体实施方式

本发明提供了一种配电网边界保护方法，采集电压行波计算电压信号的突变量并于启动值比较，当满足启动条件后，计算其峰值时间并将计算得到的峰值时间与整定值进行比较，当峰值时间大于整定值时可认为是区外故障，当小于整定值时，根据低电压或过电流判据确定是否发生故障，如果是则必然为区内故障，否则为干扰。

请参阅图1，本发明一种配电网边界保护方法，包括以下步骤：

S1、利用行波电压传感器采集电压行波，具体为对于交流配电网，采集A、B、C三相电压，对于直流配电网，采集正极和负极电压；

S2、通过三相电压或两极电压计算模电压；

对于交流配电网，计算如下：

其中，u₀、u₁、u₂表示0、1、2模电压，u_a、u_b、u_c表示a、b、c相电压。

对于直流配电网，计算如下：

其中，u₀、u₁表示0模和1模电压，u_p、u_n表示正、负极电压。

S3、对于交流配电网，采用1模或2模电压计算其突变量，对于直流配电网，采用1模电压计算其突变量；

电压突变量计算如下：

Δu(n)＝u(n)-u(n-N)

其中，u(n)表示交流配电网1模或2模电压或直流配电网的1模电压的第n个采样点，N表示交流配电网工频一周波所对应的采样点数，Δu(n)为电压突变量的第n个采样点。

S4、根据电压突变量判断保护是否启动；

其中，|Δu(n)|为电压突变量第n个采样点的绝对值，Δu_set的整定按照躲过正常运行时电压的波动整定即可。

S5、计算电压行波的峰值时间；

ρ(n+k)ρ(n+k+1)≤0

当满足上式后行波在保护启动后的第k点上升沿(或下降沿)结束，对应的峰值时间计算如下：

t_p＝(k+1)T_s

其中，T_s为采样周期。

S6、将计算得到的电压行波峰值时间与整定值进行比较；

具体区内外故障识别判据如下：

其中，t_set按照躲过反方向出口故障的峰值时间t_r和正方向区外出口故障峰值时间t_f中的较小值整定，可靠系数k_rel可取0.8。

当不满足上式时，认为故障是区外故障，否则进行步骤S7；

S7、通过低电压或过电流辅助判据进行故障确定。

低电压判据如下：

其中，

表示A、B、C三相电压工频幅值或者正负极直流电压幅值，U_N为系统额定电压，k为系数，考虑系统正常运行时允许的电压偏差不超过10％，可以整定为0.9。

过电流判据如下：

其中，

表示A、B、C三相电流工频幅值或者正负极直流电流幅值，I_Lmax为最大负荷电流，k_rel为大于1的可靠系数，可取1.1～1.2。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2，为了验证所提保护方案的正确性，以交流配电网为例，基于PSCAD建立如图2所示的仿真模型，中性点采用消弧线圈接地方式，补偿度8％，分布式电源为1.5MW光伏，线路采用前文所述的架空线，边界由100个实验磁环构成，采样率2MHz，考察保护R1和R2在各种情况下的动作情况。

首先不考虑分支线lb接入的情况，以保护R1安装处为参考位置，正方向区外出口(保护R2背侧)故障时1模电压和2模电压计算得到的R1的NP都为13，R2的NP都为42，反方向故障(保护R1背侧)故障时1模电压和2模电压计算得到的R1的NP都为40，R2的NP都为15，这里需要指出保护R1的正方向区外故障相对于保护R2是反方向故障，而保护R1的反方向故障为保护R2的正方向区外故障。

请参阅图3，首先仿真不同故障类型下保护R1和保护R2的性能，在距离保护R1安装处3km设置ABCG、BCG、BC和CG金属性故障，下面仅给出首行波到达前10μs和到达后20μs内保护R1的1模电压和2模电压的波形。

对于保护R1，计算可得1模和2模电压计算得到的NP都为2，可以看出区内故障的NP都小于区外故障的，满足保护判据，对于保护R2可得到相同的结论。

请参阅图4，采用半周傅氏算法计算故障后不同故障类型下三相电压的幅值，滑窗50个采样点，计算得到的三相幅值标幺值波形如4所示。

从图4可以看出不同故障下至少有1相稳态电压幅值降低了，满足发生故障的特征。综上，不同类型故障下保护能够区分区内外故障，也可以区分单相接地故障和其它故障。

仿真验证不同位置、不同过渡电阻和故障相角故障下保护R1和R2的性能，给出各种故障情况下保护R1和R2的1模和2模电压Np1和Np2、0模电压突变绝对值、三相电压幅值以及knd，具体结果如表1所示，其中不同位置下的故障为ABCG金属性故障，位置为故障点相对于保护R1安装处的距离，不同过渡电阻下的故障为相位90°时5km处的CG故障，不同相位下的故障为5km处CG金属性故障。

表1不同故障情况下保护R1和R2的性能

从表1可以看出不同位置、不同过渡电阻以及不同相位故障下峰值时间都小于区外故障时的峰值时间，符合区内故障特征，此外各种情况下至少有一相的稳态电压降低了，所以都可以判定为区内故障。

综上所述，本发明一种配电网边界保护方法，在线路两端含有边界元件的前提下，通过测量得到的三相电压或两极电压后计算得到模电压，通过1模电压突变量构造保护启动判据，通过峰值时间构造保护动作判据，当计算得到的峰值时间小于整定值时认为是区内故障，当大于整定值时认为是区外故障，最后通过低电压或过电流辅助判据来避免暂态干扰导致的保护误动作。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种配电网边界保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、针对交流配电网，采集A、B、C三相电压，针对直流配电网，采集正极和负极电压；

S2、通过三相电压或两极电压计算模电压；

S3、对于交流配电网，采用1模或2模电压计算交流配电网的突变量，对于直流配电网，采用1模电压计算直流配电网的突变量；

S4、根据步骤S3得到的电压突变量判断是否启动保护；

S5、计算电压行波的峰值时间；

S6、将步骤S5得到的电压行波峰值时间与整定值进行比较，若不满足设定条件，则判断故障是区外故障，否则进行步骤S7；

S7、通过低电压或过电流辅助判据进行故障确定。

2.根据权利要求1所述的配电网边界保护方法，其特征在于，步骤S2中，计算交流配电网的模电压如下：

其中，u₀、u₁、u₂表示0、1、2模电压，u_a、u_b、u_c表示a、b、c相电压。

3.根据权利要求1所述的配电网边界保护方法，其特征在于，计算直流配电网的模电压如下：

其中，u₀、u₁表示0模和1模电压，u_p、u_n表示正、负极电压。

4.根据权利要求1所述的配电网边界保护方法，其特征在于，步骤S3中，电压突变量计算如下：

Δu(n)＝u(n)-u(n-N)

其中，u(n)表示交流配电网1模或2模电压或直流配电网的1模电压的第n个采样点，N表示交流配电网工频一周波所对应的采样点数，Δu(n)为电压突变量的第n个采样点。

5.根据权利要求1所述的配电网边界保护方法，其特征在于，步骤S4中，电压突变量判断条件如下：

其中，|Δu(n)|为电压突变量第n个采样点的绝对值，Δu_set的整定按照躲过正常运行时电压的波动整定即可。

6.根据权利要求1所述的配电网边界保护方法，其特征在于，步骤S5中，当电压行波的峰值时间满足ρ(n+k)ρ(n+k+1)≤0后，行波在保护启动后的第k点上升沿或下降沿结束，计算对应的峰值时间。

7.根据权利要求1所述的配电网边界保护方法，其特征在于，步骤S6中，区内外故障识别判据如下：

其中，t_set按照躲过反方向出口故障的峰值时间t_r和正方向区外出口故障峰值时间t_f中的较小值整定，可靠系数k_rel可取0.8。

8.根据权利要求1所述的配电网边界保护方法，其特征在于，步骤S7中，低电压判据如下：

其中，

表示A、B、C三相电压工频幅值或者正负极直流电压幅值，U_N为系统额定电压，k为系数；

过电流判据如下：

其中，

表示A、B、C三相电流工频幅值或者正负极直流电流幅值，I_Lmax为最大负荷电流，k_rel为大于1的可靠系数。

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