CN112332389A - 一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护系统，针对IIDG的并网拓扑结构和工作原理进行研究，分析了逆变器在PQ和双dq负序电流抑制控制策略下IIDG的输出特性；介绍了并网隔离变压器对于零序故障分量的抑制原理，研究了针对不同位置安装处的故障方向元件的工作原理；最后在输电线路纵联保护的基础上提出了基于Agent单元的分布式区域纵联保护方法，该保护方法能够迅速完成配电网中的故障定位以及故障区域隔离。本发明不仅设计了一种适用于IIDG配电网的故障方向元件，而且提出了一种应用于配电网的分布式区域纵联保护策略。研究适用于智能配电网的继电保护策略和方向元件具有十分重要的意义。

Description

一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护系统

技术领域

本发明涉及配电网纵联保护技术领域，特别是涉及一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

随着智能电网的出现，配电网的建设规模不断扩大。大量分布式电源接入到配电系统后，在解决了许多传统电网固有问题的同时也给配电网的故障诊断带来了诸多不利的影响。现有的传统方向元件和继电保护策略很难满足其要求。因此，如何在含大量分布式电源并网的智能配电网中正确判断出故障方向成为智能电网保护的关键性问题。

关于研究适用于智能配电网的继电保护策略和方向元件中，电力系统工作者针对新型配网下如何改善故障方向元件性能、如何提高逆变型分布式电源(Inverter-Interfaced Distributed Generator,IIDG)接入配网中的适应能力等问题开展了大量的研究工作。从已经取得的研究成果来看基本可以分为两类：第一类是根据IIDG故障输出特性的特点对故障方向元件进行性能完善，第二类是如何在高渗透率、大容量IIDG接入配网后对继电保护策略影响最低。

本公开发明人发现，在高渗透率、DG并网容量大的新型智能配电网中，继电保护策略和故障方向元件性能的完善等方面仍然存在较多的问题。同时，也说明了现有传统配电网保护策略和方向元件在新型智能配电网的故障分量多态特性影响下已无法完全适用。虽然，现有的方法在传统配电网过电流保护的基础上增设故障方向元件(过电流&故障方向)能够基本解决智能配电网中继电保护的选择性问题。但是，传统方向元件主要用于运行方式变化较小、负荷类型比较单一或简单环形输、配电网中用以判断故障方向，从而使得现有的传统故障方向元件无法满足其要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护系统，本发明所述方案研究了IIDG并网控制方式和工作原理，利用PQ控制策略和双dq负序电流抑制控制策略，实现IIDG最大功率输出；设计了适用于IIDG配电网的故障方向元件；提出了一种应用于配电网的分布式区域纵联保护策略，对为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种IIDG在配电网发生对称故障时的PQ控制方式以及在配电网发生不对称故障时的双dq负序电流抑制控制策略，包括：

IIDG在不同故障以及不同控制方式下的故障输出特性；

IIDG经△-Y0隔离变压器并网后，对故障输出分量中的零序故障分量的抑制特性，并结合零序等值网络给出了零序故障分量抑制系数。满足新型智能配电网继电保护的要求具有重要的意义。

第二方面，本发明提供了一种适用于IIDG并网馈线上的故障方向元件，对安装于IIDG并网馈线上的故障方向元件的判据条件进行了相应的改进并仿真，包括：

根据IIDG并网点处发生正方向故障时，测量点处故障序分量的差异特性以及反方向故障时故障点处故障分量的边界条件，判断出故障点处发生的故障类型；

根据IIDG并网馈线上发生不对称故障时，因IIDG的逆变器采用双dq负序电流抑制控制策略及并网隔离变压器对零序分量抑制的特点，提出了一种基于故障序分量差异特性比较的判别新方法。

第三方面，本发明提供了一种针对安装于配电网中的故障方向元件的故障方向判据改进方法，在基于传统的工频变化量故障分量距离保护元件基础上对整定阻抗和工频分量进行了改进，包括：

根据短路故障发生位置和故障类型的不同，基于工频序分量变化量方向元件判据分析；

根据对判断修正后方向元件序分量得出故障方向，基于故障方向进行判据修正。

第四方面，本发明提供了一种基于Multi-Agent的分布式区域纵联保护系统，该保护根据配电网自身拓扑结构构建出了图论关联的邻接矩阵，系统决策层的控制系统根据邻接矩阵划分出每个Agent的关联域后，针对配电网中出现的Agent故障或相应CB开关跳开、主线路某区域切除以及分支线路切除等问题对邻接矩阵进行了实时修正。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明依据IIDG并网控制方式和工作原理，采用IIDG在配电网发生对称故障时的PQ控制方式以及在配电网发生不对称故障时的双dq负序电流抑制控制策略，使得新能源得到最大有效地利用，实现了IIDG最大功率输出。

2.本发明针对安装于IIDG并网馈线上的故障方向元件的判据条件进行了相应地改进，通过该改进方法可以解决当IIDG并网馈线上发生对称和不对称时的故障方向判断问题。仿真结果表明，所提出的故障方向元件改进方法在各种故障情况下均可做出准确地判断，具有良好的工程应用价值。

3.本发明基于传统的工频变化量故障分量距离保护元件基础上对整定阻抗和工频故障分量的提取进行了改进，使其适应于有高渗透率DG并网的新型智能配电网，在改善配电网故障方向上可能存在的选择性缺失和可靠性下降的问题等方面具有较大的意义。

4.公开提供了一种针对配电网故障定位与故障区域隔离的基于Multi-Agent分布式区域纵联保护方法，对含IIDG并网的配电网适应性强和可靠性强，能够动态反映配电网拓扑结构变化。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例一中所述的IIDG在配电网发生对称故障时IIDG逆变器的PQ控制方式结构图；

图2(a)为本发明实施例一所述的逆变器在PQ控制方式下的电流内环控制框图；

图2(b)为本发明实施例一所述的逆变器在PQ控制方式下的功率外环控制框图；

图3为本发明实施例一所述的IIDG在配电网发生不对称故障时的双dq负序电流抑制控制策略下的控制框图；

图4为本发明实施例一所述的IIDG并网后带△-Y0隔离变压器的逆变器零序等效电路图；

图5为本发明实施例二所述的基于故障序分量差异特性IIDG并网馈线上故障方向元件的工作流程图；

图6(a)为本发明实施例三所述的补偿序电压变化量与故障序分量幅值大小比较作为方向判据的正序电压分布图；

图6(b)为本发明实施例三所述的补偿序电压变化量与故障序分量幅值大小比较作为方向判据的负序电压分布图；

图6(c)为本发明实施例三所述的补偿序电压变化量与故障序分量幅值大小比较作为方向判据的零序电压分布图；

图7为本发明实施例三所述的补偿序电压变化量与故障序分量幅值大小比较的工频变化量序分量故障方向元件的控制框图；

图8为本发明实施例四所述的配电网故障定位与故障区域隔离的基于Multi-Agent分布式区域纵联保护系统的结构图。

图9为本发明实施例四所述的配电网故障定位与故障区域隔离的基于Multi-Agent分布式区域纵联保护系统的工作流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

如图1所示，展示了本发明所述的IIDG在配电网发生对称故障时IIDG逆变器的PQ控制方式结构图，包括：

为了简化三相静止坐标系中的时变量对控制系统的影响，通常利用Park变化将三相静止abc坐标系下的交流量转化为同步旋转dq坐标系下的直流量。

可得IIDG在三相旋转坐标系下的数学模型如下：

dq坐标系中实际电流测量值id和iq继续做PI调节、前馈和耦合补偿得到满足下式的电压控制信号ud*和uq*，电流内环控制的传递函数和控制框图如下：

通过图2(a)中电压控制信号ud*和uq*经过Park反变换和SPWM调制得到三相PWM信号，该信号用于控制三相桥式电路中的电力电子器件。

在同步旋转dq坐标系下，IIDG向配网输出的有功功率和无功功率的表达式如下所示：

通过控制id和iq实现IIDG有功功率和无功功率的解耦控制，可以进一步化简为：

求得的功率Pout、Qout与参考功率Pref和Qref的值做代数运算后经PI(比例积分)调节得到idref和iqref，逆变器在PQ控制方式下的功率外环控制框图如图2(b)所示。

逆变型分布式电源的不平衡控制采用双dq负序电流抑制控制技术，以抑制IIDG逆变器馈出短路电流中负序分量为控制目标，使IIDG输出对称的三相电流。IIDG在双dq负序电流抑制控制策略下的控制框图如下图3所示，可得控制方程为：

式中Kp为电流环PI控制器的比例增益，KI为电流环PI控制器的积分增益，ud+、uq+和ud-、uq-分别为dq旋转坐标系下的IIDG并网点处d轴和q轴正序和负序电压分量。

当并网馈线上发生对称故障时，IIDG输出短路电流中无零序、负序分量，只含有正序分量，相当于负序电流的参考值为零。因此，图3中所示的以抑制负序电流为控制目标的双dq负序电流抑制控制策略同样也能够适用于对称故障。

采用带滤波电感隔离变压器的逆变器，改变滤波电感的位置对零序分量的抑制作用，带△-Y0隔离变压器的逆变器零序等效电路图如图4所示。由图可得，零序等效电路的输出电压U0计算公式如下：

式中LT为L1、L2和Lf之和，I0为负荷支路上的零序电流，R1和L1为隔离变压器一次侧电阻和电抗。为了简化分析，将励磁阻抗忽略，即Rm＝0，Lm＝0，可得：

式中，ω为工频电角速度，Cf为滤波电容，Lf为滤波电感，R2和L2为隔离变压器二次侧电阻和电抗。

由此可以看出，如果将输出滤波电感Lf的位置放置于隔离变压器的一次侧，零序等值电路的其他部分保持不变，式中Lf参数大小将变为原参数的1/K倍(变比K为隔离变压器初级侧与次级侧的变压比)，输出零序阻抗Z0将明显减小，继而可以有效地抑制逆变器的零序电压输出分量。

实施例二

根据故障方向元件安装处由IIDG馈出的短路电流中故障序分量与配电网侧向故障点提供的短路电流中故障序分量的差异特性；能否测量到安装处负序电压故障分量以及当并网馈线上发生对称故障时三相电压跌落幅值及短路电流上升幅值的大小等特点，提出了一种适用于故障发生于IIDG并网馈线上的故障方向元件判断新方法。IIDG并网馈线上故障方向元件的工作流程图如图5所示。

根据在不同故障类型下正、反向故障时的序电流、电压分量的差异特性，安装在并网馈线上的故障方向元件的分析如下：

IIDG并网馈线上的不对称接地故障方向判据：

1)正向不对称故障的检测

a.若IIDG并网馈线上的方向元件安装处检测到的负序电流故障分量的幅值不等于零时，即：

|I_f2|≠0

方向元件判断为故障点发生不对称故障。

b.若故障点发生不对称故障且方向元件检测到负序电流的幅值逐渐衰减为0时(因IIDG逆变器采用双dq负序电流抑制控制策略)，即：

|I_f2(0)|≠0，|I_f2(∞)|＝0

方向元件判断为故障点发生不对称故障类型为正向故障。

c.若故障点发生不对称正向故障且故障方向元件检测到的零序电压分量的幅值逐渐衰减为1/K倍(K为并网隔离变压器的变比)，即：

|U_f0(0)|≠0，|U_f0(∞)|＝U_f0(0)/K

方向元件判断为故障点发生不对称故障类型为正方向接地故障。

d.若故障点发生不对称正向故障且方向元件检测到零序电压分量初始及稳态幅值均等于0时，即：

|U_f0(0)|＝0，|U_f0(∞)|＝0

方向元件判断为故障点发生不对称故障类型为正方向两相相间故障。

(2)反向不对称故障的检测

a.若故障点发生不对称故障且并网馈线上的方向元件检测到负序电流的稳态幅值不衰减为0时，即：

|I_f2(∞)|≠0

方向元件判断为故障点发生不对称故障类型为反向故障。

b.当方向元件检测到零序电压、电流均为0时，即：

|U_f0|＝0，|I_f0|＝0

方向元件判断为故障点发生不对称故障类型为反向两相相间故障。

c.当方向元件检测到并网馈线上的零序电流的幅值不为0且故障点三序电流之和不为0时，即：

|I_f0|≠0，I_f0+I_f1+I_f2≠0

方向元件判断为故障点发生不对称故障类型为反方向单相接地故障。

d.当方向元件检测到并网馈线上的零序电流的幅值不为0且故障点三序电流之和等于0时，即：

|I_f0|≠0，I_f0+I_f1+I_f2＝0

方向元件判断为故障点发生不对称故障类型为反方向两相接地故障。

IIDG并网馈线上的对称故障方向判据：

若方向元件测量点处正序电压降落大于|0.3UN|，无负序和零序故障分量且正序故障电流的幅值大于|1.7Iset|时，方向元件判断为故障电流由电网侧向故障点提供，此时发生反方向三相短路故障；若正序故障电流幅值小于|1.7Iset|时，故障电流由IIDG向短路点提供，此时发生正方向三相短路故障。

当配电网处于正常运行时，故障方向元件处于待启动状态。一旦检测到故障方向信息，故障方向元件开始提取保护安装处的序故障分量。

因IIDG并网隔离变压器的零序抑制作用，当检测点处出现零序电压的幅值逐渐衰减为零时，判断为并网馈线上出现正方向接地故障。

当并网馈线上发生正方向不对称故障且零序电压的初始值和稳态值都为零时，判断为正方向两相相间故障。

当并网馈线上发生不对称故障且负序电流的稳态幅值不为零时，判断为反方向不对称故障。根据反方向故障时各故障类型下的序分量边界条件依次判断出反向故障类型。

实施例三

如图6中，ΔU'α和ΔUmα在不同位置发生故障时分别对应ΔU'1α、ΔU'2α、ΔU'3α、ΔU'4α和ΔUm1α、ΔUm2α、ΔUm3α、ΔUm4α，α＝0，1，2分别表示零序、正序和负序分量。基于工频序分量变化量方向元件进行如下修正：

(1)正向故障时

|ΔU′_α|＞|ΔU_mα|

(2)反向故障时

|ΔU′_α|＜|ΔU_mα|

通过判据修正后方向元件只需判断ΔU'α和ΔUmα的大小关系，即可判断出故障方向。方向元件保护范围得到扩大，且正方向区外发生短路时，方向元件仍能正确动作。故障方向盘局的修正如下：

(1)正向故障时：

ΔU_mα＝-ΔI_mα·Z_sm

由此可得方向元件的正向修正判据为：

(2)同理，反向故障时：

ΔU_mα＝ΔI_mα(Z_1α+Z_snα)

可得方向元件的反向修正判据为：

式中，β1和β2分别为正向和反向整定阻抗的幅角；Zsmα为系统序阻抗；Z1α为线路序阻抗；Zsnα为对端电源系统序阻抗；ΔUmα为测量点的序电压故障分量；ΔImα为测量点的序电流故障分量；Zsetα为整定序阻抗。工频变化量的序分量故障方向元件的控制框图如图7所示。

实施例四

得到了不同位置发生故障后保护安装处的故障方向信息的基础上，再结合Agent过电流信息的检测，提出了一种基于Multi-Agent的分布式区域纵联保护系统。基于Multi-Agent的分布式区域纵联保护系统的结构图如图8所示，其工作流程如图9所示。

基于有向图的概念，定义了描述Agent与保护区域上下游连接关系的关联矩阵P，基于无向图的概念，定义了Agent与保护区域的连接关系(与系统电源连接的Agent单元与保护区域的关系需特殊化处理)的变换矩阵T。进而控制系统对Agent单元保护区域及关联域进行了在线划分。

(1)Agent节点-保护区域关联矩阵P的构建

关联矩阵Pij定义如下：

由系统电源指向负荷定义为关联矩阵中Pij正方向，DG并网支路的正方向为电源指向线路。

(2)Agent节点-保护区域变换矩阵T的构建

变换矩阵T用以表示配电网拓扑结构中Agent单元和保护区域的连接关系(与系统电源相连的Agent单元除外)。矩阵T中的元素定义如下：

变换矩阵T和关联矩阵P为同维方阵，且变换矩阵的行和列与关联矩阵相反，即变换矩阵T的行为保护区域支路，列为Agent节点。特别说明的是，因为节点Agent1位置的特殊性，为了避免邻接矩阵的对角元素出现非0值的情况，需要将T11置零。另外为了避免邻接矩阵的第一列元素均为零，还需要将与Agent1直接相连的Agent单元的下游保护区域与Agent1的邻接关系直接置为-1。

该保护根据配电网自身拓扑结构构建出了图论关联的邻接矩阵，系统决策层的控制系统根据邻接矩阵划分出每个Agent的关联域后，针对配电网中出现的Agent故障或相应CB开关跳开、主线路某区域切除以及分支线路切除等问题对邻接矩阵进行了实时修正，因此，能够动态反映配电网拓扑结构变化。

分布式区域纵联保护系统在配电网正常运行时处于待启动状态，一旦Agent单元将检测到故障信息后上传至控制系统后，分布式区域纵联保护系统启动。

Agent单元将收集到的过流&故障方向信息，通过LAN通道完成关联Agent单元之间的故障信息交换，同时还将配电网中隔离开关的变位信息通过WAN通道上传至控制系统，以配合控制系统实时完成配电网关联区域的划分。

若主关联域内各Agent单元间综合故障信息交换成功，只需断开主关联域内各Agent单元对应的隔离开关以隔离故障区域。相反，需要与主Agent单元的后备关联相关的Agent单元交换故障信息直至信息交换成功。但是，搜索范围并不是无限延伸下去的，当在一定的延时时间范围内仍无法完成故障信息交换，则直接断开主Agent单元及后备关联相关的Agent单元对应的隔离开关。

因邻接矩阵是用来描述配网Agent节点上下游位置及连接关系的抽象形式，所以邻接矩阵应随配网拓扑结构的变化进行动态修正[60]。修正邻接矩阵时需考虑到联络开关的是否处于闭合状态，当联络开关处于闭合状态时，对端电源供电对断开的CB下游线路进行供电，则会改变线路上对应Agent节点的正方向。因负荷支路及IIDG支路上Agent节点的正反方向不受对端电源供电影响，只需确定出主线路上Agent节点即可。

根据含IIDG的配电网故障位置进行运算电路的构建，在分布式区域纵联保护中，定义Agent单元综合故障信息的逻辑判断结果输出方式如下：

本Agent与主关联域内的其他Agent的综合故障信息逻辑值作乘法运算，当运算结果为-1时，则故障发生在区内，主Agent与关联相关的Agent对应的断路器开关均跳闸；当运算的结果为1时，则故障发生在区外。

主Agent与关联相关的Agent对应的断路器开关均不动作，当运算结果为0时，意味着主关联域内主Agent单元或者主关联相关的Agent单元只检测到过电流故障信息、故障方向信息或两种故障信息均没有检测到，对应的Agent单元可能出现信息缺失，需要扩大搜索范围，进入后备保护阶段。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护系统，其特征是：

包括：

研究IIDG的并网拓扑结构和工作原理，分别分析了逆变器在PQ和双dq负序电流抑制控制策略下IIDG的输出特性；

介绍并网隔离变压器对于零序故障分量的抑制原理，在此基础上分析了针对不同位置安装处的故障方向元件的工作原理；

提出在输电线路纵联保护的基础上基于Agent单元的分布式区域纵联保护方法，完成配电网中的故障定位以及故障区域隔离。

2.如权利要求1所述的一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护系统，其特征在于，并网运行IIDG采用PQ控制策略，PQ控制系统环提供电流内环所需要的有功和无功功率参考值；电流内环用于实现IIDG输出电流和参考电流的差值；基于PQ控制策略下IIDG的控制部分将并网点处采集到的故障特征量进行dq变换后得到的仍是直流分量，以抑制IIDG逆变器馈出短路电流中负序分量为控制目标，使IIDG输出对称的三相电流。

3.如权利要求1所述的一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护系统，其特征在于，根据IIDG并网点处发生正方向故障时，测量点处故障序分量的差异特性以及反方向故障时故障点处故障分量的边界条件，判断出故障点处发生的故障类型；通过故障序电压分量的检测，判断出故障类型是否为对称故障，进一步通过比较正序电流幅值的变化情况来判断出对称故障类型下的故障方向问题。

4.如权利要求1所述的一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护系统，其特征在于，基于工频变化量的序分量故障方向元件，能够较为准确地判断出发生在配网不同位置及不同故障类型时的故障方向，方向元件针对不同故障类型中的不同故障分量分别进行整定，整定精确度更高。

5.如权利要求1所述的一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护系统，其特征在于，根据不同位置发生故障后保护安装处的故障方向信息的基础上，再结合Agent过电流信息的检测，基于Multi-Agent分布式区域纵联保护对含大量IIDG并网的配电网适应性和可靠性强，能够迅速定位出故障位置且在各Agent单元正常工作时最小范围切除故障区域。

6.一种基于IIDG逆变器PQ控制策略和双dq负序电流抑制控制策略，其特征在于，包括：

在IIDG并网点出现三相电压对称跌落和不对称电压跌落的情况下，IIDG馈出的故障分量受控制方式和并网隔离变压器影响较大，并网馈线上发生对称故障时，逆变器的控制策略选择为PQ控制方式；

当发生不对称故障时，逆变器的控制策略采用双dq负序电流抑制控制方式，逆变器采用双dq负序电流抑制控制方式时，IIDG馈出的短路电流中的零序故障分量受到并网隔离变压器的抑制。

7.一种IIDG并网馈线上的故障方向元件，其特征在于，包括：

通过相应故障序分量幅值的大小以及是否具有衰减特性来完成故障类型的判别，与传统故障方向元件相比，有较强的耐过渡电阻能力且不受谐波干扰等因素影响；

因IIDG的逆变器采用双dq负序电流抑制控制策略及并网隔离变压器对零序分量抑制的特点，基于故障序分量差异特性比较的判别新方法在各种故障情况下均可做出准确地判断。

8.一种含IIDG智能配电网保护研究方案，其特征在于，在不同位置发生故障后保护安装处的故障方向信息的基础上，再结合Agent过电流信息的检测，提出了一种基于Multi-Agent的分布式区域纵联保护系统，能够动态反映配电网拓扑结构变化，对含大量IIDG并网的配电网适应性和可靠性强，在配网各个位置发生故障后，均能够迅速定位出故障位置且在各Agent单元正常工作时最小范围切除故障区域。

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