CN112595930A - 含分布式电源花瓣式城市电网区域后备保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含分布式电源花瓣式城市电网区域后备保护方法，包括：花瓣式城市电网主干线上每段线路两端均安装有保护装置和断路器，每一条花瓣环网主干线上均装有偶数个保护装置；将花瓣式城市电网的每个花瓣设为一个区域，在每个变电站处设置一个信息处理中心；当含有多个分布式电源的花瓣式城市电网的主干线上发生三相接地故障时，根据分布式电源并网点两侧保护上流过电流幅值的比较结果逐步确定故障区段或故障线路；花瓣式城市电网中二次设备电流互感器断线将导致该处电流无法获取，可能导致保护装置误动或拒动进而引起重大损失，针对这种情况，不同位置的电流互感器断线应采取不同的应对措施。

Description

含分布式电源花瓣式城市电网区域后备保护方法

技术领域

本发明属于电力系统配电网的保护与控制领域，基于对花瓣式城市电网故障特性的分析 结果，提出了一种基于多源信息的含分布式电源花瓣式城市电网区域后备保护方法。

背景技术

随着负荷密度的迅速增长，传统的辐射型电网故障影响范围较大，难以满足城市电网高 供电可靠性的发展需求，城市电网逐渐采用“闭环设计、开环运行”的单环网、双环网等接线 方式。另外，花瓣式接线及运行方式因其高可靠性被人们广泛关注，越来越多的高负荷密度 和高供电可靠性的区域开始采用这种新型接线及运行方式。另一方面，随着分布式电源的高 比例接入，城市电网拓扑结构的复杂性增加，系统运行方式多变，潮流方向不确定，使得城 市电网呈现出新的故障特性，从而导致传统基于本地量的继电保护灵敏度降低甚至失去选择 性，难以正确动作切除故障。因此，亟待对分布式电源接入下的花瓣式城市电网的后备保护 方法进行研究，保证电网的安全稳定运行。

花瓣式城市电网通常采用中性点经小电阻接地方式，其线路的主保护通常采用纵联电流 差动保护。为实现花瓣式城市电网的后备保护，本发明在对含有多个分布式电源的花瓣式电 网进行三相短路故障分析的基础上，考虑了电流互感器发生断线和弱馈现象带来的影响，提 出一种基于多线路电流幅值、分布式电源输出电流、并网点电压等多源信息的区域后备保护 方法。本发明通过采集花瓣式电网中的电流幅值信息和部分电压信息，能够实现对故障线路 的准确识别，无需加装设备，所需通信量少，对数据同步性要求低，易于在工程中实施。

发明内容

本发明的目的在于充分利用花瓣式电网特有的网架结构所具备的特殊电流关联关系，提 供一种考虑了分布式电源接入、弱馈现象和电流互感器断线情况的花瓣式城市电网区域后备 保护方法，在纵联电流差动保护作为主保护的基础上，为单一花瓣配置动作延时短、故障线 路定位准的后备保护。本发明的技术方案如下：

一种含分布式电源花瓣式城市电网区域后备保护方法，包括以下几个方面：

(1)花瓣式城市电网主干线上每段线路两端均安装有保护装置和断路器，每一条花瓣 环网主干线上均装有偶数个保护装置；按照顺时针方向，依次对各保护装置按照从小到大的 顺序进行编号，从1开始；对于两条相邻线路，将编号较小的保护装置所在线路定义为上游 线路，编号较大的保护装置所在线路定义为下游线路，故线路上游侧出口处保护为奇数保护， 线路下游侧出口处保护为偶数保护；将花瓣式城市电网的每个花瓣设为一个区域，在每个 变电站处设置一个信息处理中心，预先按照编号写入单一花瓣主干线上所有线路的线路 长度和单位长度线路阻抗信息；

(2)当含有一个分布式电源的花瓣式城市电网的主干线上发生三相接地故障时，根据 主干线的复合序网推导出故障点上游线路、故障点与分布式电源并网点之间的线路和分布式 电源并网点下游线路上的电流值；当含有多个分布式电源的花瓣式城市电网的主干线上发生 三相接地故障时，每个分布式电源并网点两侧保护中靠近故障点侧保护上流过的电流幅值总 大于另一侧保护上流过的电流幅值，根据分布式电源并网点两侧保护上流过电流幅值的比较 结果逐步确定故障区段或故障线路；

(3)对于接地故障，各保护装置按照躲开正常运行时可能出现的最大不平衡电流进行 整定，将整定值作为各保护装置接地故障的启动值I_qd1，整定公式为

其中K_rel为大于1的可靠系数，K_re为小于1的返回系数，I_unb为正常运行时的最大不平衡电流；

对于相间故障，各保护装置按照过电流保护的整定方式来整定相应的启动值，即按躲过 分支线上设备最大起动电流之和来整定，整定公式为

其中K取值在1.15-1.25 之间的可靠系数，K_ast为大于1的自启动系数，K_re为小于1的返回系数，I_Lma为设备的最大 启动电流之和；

一旦有保护装置检测到流过的电流大于启动值，就会向信息处理中心发送故障信号，信 息处理中心收到该信号后立即向各保护装置发送上传电流幅值信息的指令，同时收集分布式 电源并网点处和变压站母线处的电压幅值信息，对于开关站上的馈线发生故障的情况，一旦 检测到辐射状线路上有电流大于启动值，那么判定该保护所在线路为故障线路；

(4)针对花瓣式城市电网主干线上可能发生的弱馈现象，根据线路两端电流幅值与启 动值的大小关系来判断故障线路，若存在线路一端电流幅值大于启动值而另一端小于启动 值，则说明该线路上发生了弱馈现象，判定该线路为故障线路，切除该线路；

(5)如果无弱馈现象发生，则根据故障线路两端流过电流幅值信息来确定故障线路， 若存在线路两端的电流幅值不相等，则说明该线路为故障线路，跳开该线路上的断路器，切 除故障；

(6)若无弱馈现象发生，且每条线路两端电流幅值大小均分别相等，则根据花瓣式城 市电网主干线上分布式电源并网情况采取不同的保护策略，具体如下：

(a)针对花瓣式城市电网中所有分布式电源出力均为零的情况，首先比较各线路上流 过电流的幅值，若存在两条相邻线路上流过电流的幅值不相等，则说明这两条线路之间的母 线发生故障，应跳开该母线两侧的断路器和对应开关站馈线首段的断路器，以切除故障；

定义负荷中点为故障线路两端流过的电流幅值相等时所对应的故障点，如果各线路上流 过电流的幅值均相等，而负荷中点所在线路两端电流幅值在闭区间S1或S2或S3或S4内， 则说明故障发生在负荷中点位置，其中S1为负荷中点所在线路两端发生分别单相接地故障 时流过该线路首端的电流值组成的闭区间，S2为负荷中点所在线路两端发生分别两相接地 故障时流过该线路首端的电流值组成的闭区间，S3为负荷中点所在线路两端发生两相相间 短路故障时流过该线路首端的电流值组成的闭区间，S4为负荷中点所在线路两端发生三相 故障时流过该线路首端的电流值组成的闭区间；将上述四个闭区间的上限乘以一个大于1 的可靠系数K_su，下限除以该可靠系数K_su，以使闭区间范围扩大；若负荷中点所在线路两 端电流幅值不在闭区间S1-S4内，同时在超过设定时间内该线路的保护仍处于启动状态，则 判断该线路可能存在断路器拒动、通信错误或失败情况，需要人工检修；

(b)对于花瓣式城市电网中有分布式电源并网并且其出力不为零的情况，首先以分布 式电源并网点和变压站母线为分界点将花瓣式城市电网单一花瓣主干线分段；若有分界点测 得的相电压或线电压为0，则说明该分界点相应的母线发生故障，此时应跳开该母线两侧的 断路器和对应开关站馈线首段的断路器，以切除故障；

如果各分界点测得的电压值均不为零，则说明分界点处的母线不是故障点所在位置，这 时比较各分布式电源并网点两侧保护装置测得的电流幅值大小，其中测得电流幅值最大的保 护装置所在的区段判定为故障区段；

(7)花瓣式城市电网中二次设备电流互感器断线将导致该处电流无法获取，可能导致 保护装置误动或拒动进而引起重大损失，针对这种情况，不同位置的电流互感器断线应采取 不同的应对措施，具体如下：

(a)当花瓣式城市电网的主干线上某条线路上有电流互感器断线，而在比较线路两端 电流幅值大小时发现存在其他线路两端电流大小有较大差异时，那么电流互感器断线不会影 响故障线路的判定，此时仅上报电流互感器故障信息交由人工检修；

(b)当花瓣式城市电网的主干线上某条线路上有电流互感器断线，而在比较线路两端 电流幅值大小时其他线路两端电流大小均没有较大差异时，则需要获知电流互感器断线处的 电流幅值，此时要根据电流互感器断线位置采取不同措施以完成后续的故障定位，方法如下：

①若分布式电源并网点一侧的电流互感器断线，信息处理中心向该分布式电源并网点处 其他两个保护装置发送指令使之上传相应的电流相量信息，即分布式电源的出口电流相量信 息和并网点另一侧正常运行的电流互感器测得的线路电流，利用这两处的电流信息计算出该 断线电流互感器本应测得的电流值；

②若除分布式电源并网点附近外的其他位置存在电流互感器发生断线，则将该电流互感 器所在线路与其背侧相邻线路看作一个区段进行故障点位置分析，比较此区段两端保护装置 测得的电流幅值是否相等，若相等则排除该区段的故障嫌疑，否则确定该断线电流互感器所 在的线路为故障线路；

(8)若某线路检修或被切除后又发生了故障，此时则按照含分布式电源的辐射形配电 网进行后备保护。

进一步地，步骤(2)中当含有一个分布式电源的花瓣式城市电网的主干线上发生三相 接地故障时，根据主干线的复合序网推导出故障点上游线路、故障点与分布式电源并网点之 间的线路和分布式电源并网点下游线路上的电流值，分别为：

式中：

为流过故障点上游线路的电流值，

为流过故障点与分布式电源并网点之间线路 的电流值，

为流过分布式电源并网点下游线路的电流值，

为系统等效电势，Z_S为系统 等效阻抗，

为分布式电源在发生故障后的输出电流值，Z_L1为分布式电源并网点经上游线 路到变电站母线的线路阻抗，Z_L2为分布式电源并网点经下游线路到变电站母线的线路阻 抗，α为故障点经上游线路到变电站母线的线路长度与分布式电源经上游线路到变电站母线 的线路长度的比值；

若花瓣网城市电网中分布式电源接入点数量为零或并网容量为零，则上述三个电流分别 为：

式中：

为流过故障点上游线路的电流值，

为流过故障点与分布式电源并网点之间线路 的电流值，

为流过分布式电源并网点下游线路的电流值。

进一步地，步骤(6)的(b)中，如果各分界点测得的电压值均不为零，进一步确定故障线路的方法如下：

①若该故障区段内仅有一条线路，那么该线路为故障线路；

②若故障区段内有2条或2条以上的线路，由于此时每条线路两端保护装置测得的电流 幅值分别相等，因此仅比较该故障区段内每条线路上奇数号保护装置测得的电流幅值；若该 故障区段内每条线路上奇数号保护装置测得的电流幅值均相等，则说明故障区段内各处电流 幅值均相等，判定故障发生在该区段上的负荷中点处，应计算该区段上的负荷中点位置，并 切除该负荷中点所在的线路；否则判定流过电流幅值不相等的两条相邻线路之间的母线发生 故障，应跳开该母线两侧的断路器和对应开关站馈线首段的断路器，以切除故障。

越来越多的城市电网采用花瓣式网架结构，适用于传统辐射状城市电网的现有保护方案 难以满足闭环运行的花瓣式城市电网的保护需求。为此，本发明在对分布式电源在花瓣式城 市电网中的影响进行分析的基础上，利用花瓣区域内电流幅值信息和部分电压幅值信息，提 出了一种适用于含分布式电源的花瓣式城市电网的区域后备保护方案。花瓣式城市电网通常 配置纵联电流差动保护作为主保护，本发明所述方法利用信息处理中心，无需加装电压互感 器，仅根据各线路上流过电流的幅值大小和分布式电源并网点与变压站母线处的电压幅值信 息，就能实现花瓣式城市电网的区域后备保护。与现有技术相比，本发明所能产生的积极效 果包括以下几点：第一，本发明对含有多个分布式电源的花瓣式城市电网进行了三相接地短 路故障分析，指出了在花瓣式城市电网单一花瓣环网主干线上发生接地故障时分布式电源对 各线路产生助增或外汲作用，为含分布式电源的闭环运行配电网的保护研究提供依据；第二， 本发明不受弱馈现象的影响，能够有效判别弱馈现象，并及时切除故障；第三，本发明作为 区域后备保护，不仅能够判别花瓣式城市电网主干线上的故障，还能够判别馈线上和母线处 发生的故障；第四，本发明考虑了电流互感器发生断线的情况，能够在信息缺失的情况下采 取相应策略，选择性在一定程度内不受电流互感器断线的影响；第五，本发明仅需集中式 信息处理中心在收到花瓣区域内各保护测得的电流稳态值和分布式电源并网点电压幅值 之后就能准确判断故障线路上故障点所在的位置，并做出反应，无需加装电压测量元件 或方向元件等，对信息的同步性要求低，性能可靠，简单易行，成本较低。

附图说明

图1为含单个分布式电源的花瓣式城市电网拓扑结构图；

图2为含单个分布式电源的花瓣式城市电网的主干线上发生三相接地故障时主干线的 复合序网图；

图3为含两个分布式电源的花瓣式城市电网拓扑结构图；

图4为基于多源信息的含分布式电源花瓣式城市电网区域后备保护方法流程图。

具体实施方式

本发明的一种基于多源信息的含分布式电源花瓣式城市电网区域后备保护方法，包括以 下几个方面：

(1)花瓣式城市电网主干线上每段线路两端均安装有保护装置和断路器，因此每一条 花瓣环网主干线上均装有偶数个保护装置。按照顺时针方向，依次对各保护装置按照从小到 大的顺序进行编号，从1开始。对于两条相邻线路，将编号较小的保护装置所在线路定义为 上游线路，编号较大的保护装置所在线路定义为下游线路，故称线路上游侧出口处保护为奇 数保护，线路下游侧出口处保护为偶数保护。将花瓣式城市电网的每个花瓣设为一个区域， 在每个变电站处设置一个信息处理中心，预先按照编号写入单一花瓣主干线上所有线路 的线路长度和单位长度线路阻抗信息。

(2)当含有一个分布式电源的花瓣式城市电网的主干线上发生三相接地故障时，可以 根据主干线的复合序网推导出故障点上游线路、故障点与分布式电源并网点之间的线路和分 布式电源并网点下游线路上的电流值，分别为：

式中：

为流过故障点上游线路的电流值，

为流过故障点与分布式电源并网点之间线路 的电流值，

为流过分布式电源并网点下游线路的电流值，

为系统等效电势，Z_S为系统 等效阻抗，

为分布式电源在发生故障后的输出电流值，Z_L1为分布式电源并网点经上游线 路到变电站母线的线路阻抗，Z_L2为分布式电源并网点经下游线路到变电站母线的线路阻 抗，α为故障点经上游线路到变电站母线的线路长度与分布式电源经上游线路到变电站母线 的线路长度的比值。

若花瓣网城市电网中分布式电源接入点数量为零或并网容量为零，则上述三个电流分别 为：

式中：

为流过故障点上游线路的电流值，

为流过故障点与分布式电源并网点之间线路 的电流值，

为流过分布式电源并网点下游线路的电流值

通过对比式(1)—(6)可知，分布式电源的接入对分布式电源并网点靠近故障点侧线路均 有助增作用，而对分布式电源并网点另一侧线路有外汲作用。

(3)对于接地故障，各保护装置按照躲开正常运行时可能出现的最大不平衡电流进行 整定，将该整定值作为各保护装置接地故障的启动值I_qd1，整定公式为

其中K_rel为大于1的可靠系数，K_re为小于1的返回系数，I_unb为正常运行时的最大不平衡电流。对于相间故障，各保护装置按照过电流保护的整定方式来整定相应的启动值，即按躲过分支线 上设备最大起动电流之和来整定，整定公式为

其中K为可靠系数(一般取1.15-1.25)，K_ast为大于1的自启动系数，K_re为小于1的返回系数，I_Lma为设备的最大 启动电流之和。一旦有保护装置检测到流过的电流大于启动值，就会向信息处理中心发送故 障信号。信息处理中心收到该信号后立即向各保护装置发送上传电流幅值信息的指令，同时 收集分布式电源并网点处和变压站母线处的电压幅值信息。对于开关站上的馈线发生故障的情况，一旦检测到辐射状线路上有电流大于启动值，那么可以判定该保护所在线路为故障线 路。

(4)针对花瓣式城市电网主干线上可能发生的弱馈现象，根据线路两端电流幅值与启 动值的大小关系来判断故障线路，若存在线路一端电流幅值大于启动值而另一端小于启动 值，则说明该线路上发生了弱馈现象，可判定该线路为故障线路，应切除该线路。

(5)如果无弱馈现象发生，则可根据故障线路两端流过电流幅值信息来确定故障线路， 若存在线路两端的电流幅值不相等，则说明该线路为故障线路，应马上跳开该线路上的断路 器，切除故障。

(6)若无弱馈现象发生，且每条线路两端电流幅值大小均分别相等，则可以根据花瓣 式城市电网主干线上分布式电源并网情况采取不同的保护策略，具体如下：

(a)针对花瓣式城市电网中无分布式电源并网或者所有分布式电源出力均为零的情况， 首先比较各线路上流过电流的幅值，若存在两条相邻线路上流过电流的幅值不相等，则说明 这两条线路之间的母线发生故障，应跳开该母线两侧的断路器和对应开关站馈线首段的断路 器，以切除故障。

定义负荷中点为故障线路两端流过的电流幅值相等时所对应的故障点。如果各线路上流 过电流的幅值均相等，而负荷中点所在线路两端电流幅值在闭区间S1或S2或S3或S4内， 则说明故障发生在负荷中点位置。其中S1为负荷中点所在线路两端发生分别单相接地故障 时流过该线路首端的电流值组成的闭区间，S2为负荷中点所在线路两端发生分别两相接地 故障时流过该线路首端的电流值组成的闭区间，S3为负荷中点所在线路两端发生两相相间 短路故障时流过该线路首端的电流值组成的闭区间，S4为负荷中点所在线路两端发生三相 故障时流过该线路首端的电流值组成的闭区间。为提高可靠性，将上述四个闭区间的上限乘 一个大于1的可靠系数K_su，下限除以该可靠系数K_su，以使闭区间范围稍微扩大。若负荷 中点所在线路两端电流幅值不在闭区间S1-S4内，同时在超过1s时间内该线路的保护仍处 于启动状态，则该线路可能存在断路器拒动、通信错误或失败等情况，需要人工检修。

(b)对于花瓣式城市电网中有分布式电源并网并且其出力不为零的情况，首先以分布 式电源并网点和变压站母线为分界点将花瓣式城市电网单一花瓣主干线分段。由于分布式电 源的并网点和变压站母线处均装有电压互感器，因此这些分界点的电压值均能测得，若有分 界点测得的相电压或线电压为0，则说明该分界点相应的母线发生故障，此时应跳开该母线 两侧的断路器和对应开关站馈线首段的断路器，以切除故障。

如果各分界点测得的电压值均不为零，则说明分界点处的母线不是故障点所在位置，这 时比较各分布式电源并网点两侧保护装置测得的电流幅值大小，其中测得电流幅值最大的保 护装置所在的区段可判定为故障区段。为进一步确定故障线路，下面根据区段内线路条数进 行介绍：

①若该故障区段内仅有一条线路，那么该线路为故障线路；

②若故障区段内有2条或2条以上的线路，由于此时每条线路两端保护装置测得的电流 幅值分别相等，因此仅比较该故障区段内每条线路上奇数号保护装置测得的电流幅值。若该 故障区段内每条线路上奇数号保护装置测得的电流幅值均相等，则说明故障区段内各处电流 幅值均相等，可判定故障发生在该区段上的负荷中点处，应计算该区段上的负荷中点位置， 并切除该负荷中点所在的线路；否则可以判定流过电流幅值不相等的两条相邻线路之间的母 线发生故障，应跳开该母线两侧的断路器和对应开关站馈线首段的断路器，以切除故障。

(7)花瓣式城市电网中二次设备电流互感器断线将导致该处电流无法获取，可能导致 保护装置误动或拒动进而引起重大损失。针对这种情况，不同位置的电流互感器断线应采取 不同的应对措施，具体如下：

(a)当花瓣式城市电网的主干线上某条线路上有电流互感器断线，而在比较线路两端 电流幅值大小时发现存在其他线路两端电流大小有较大差异时，那么电流互感器断线不会影 响故障线路的判定，此时仅上报电流互感器故障信息交由人工检修。

(b)当花瓣式城市电网的主干线上某条线路上有电流互感器断线，而在比较线路两端 电流幅值大小时其他线路两端电流大小均没有较大差异时，则需要获知电流互感器断线处的 电流幅值，此时要根据电流互感器断线位置采取不同措施以完成后续的故障定位：

①若分布式电源并网点一侧的电流互感器断线，信息处理中心向该分布式电源并网点处 其他两个保护装置发送指令使之上传相应的电流相量信息，即分布式电源的出口电流相量信 息和并网点另一侧正常运行的电流互感器测得的线路电流，利用这两处的电流信息就可以计 算出该断线电流互感器本应测得的电流值。

②若除分布式电源并网点附近外的其他位置存在电流互感器发生断线，则将该电流互感 器所在线路与其背侧相邻线路看作一个区段进行故障点位置分析，比较此区段两端保护装置 测得的电流幅值是否相等，若相等则可排除该区段的故障嫌疑，否则可确定该断线电流互感 器所在的线路为故障线路。

(8)若某线路检修或被切除后又发生了故障，此时则可以按照现有含分布式电源的辐 射形配电网进行后备保护。

下面将结合附图3所示实例对本发明的技术方案进行详细说明。

首先，按照顺时针方向对单一花瓣环网主干线上各个保护依次进行编号，如图3所示主 干线包括5条线路L1～L5，配置有10个保护装置，依次编号为1～10。另外，假设该主干线 上5条线路长度均相等，由于花瓣式城市电网在单一花瓣上采用的是同一型号的电缆，因此 5条线路的阻抗值也相等。假设该主干线上各母线处接入的负载均相同，那么当两个分布式 电源出力均为0时，主干线上的负荷中点位于线路L3的中点位置，随着分布式电源出力变 化，负荷中点的位置也将变化。

其次，对于接地故障，各保护装置按照躲开正常运行时可能出现的最大不平衡电流进行 整定；对于相间故障，各保护装置按照躲过分支线上设备最大起动电流之和来整定。

按照顺时针方向，先将单一花瓣环网在母线处解环，然后根据各线路与母线距离的远近 定义上游线路和下游线路，其中靠近母线的线路为上游线路，远离母线的线路为下游线路。

然后，在集中式信息处理中心中预先录入所有线路的长度、单位长度线路阻抗信息、 分布式电源出力、负荷情况等信息，根据上述信息预先计算负荷中心位置并录入负荷中点 所在线路两端分别发生单相接地故障、两相接地故障、两相相间故障和三相故障时流过相应 线路上游侧保护的电流幅值，并将两个单相接地故障电流幅值构成一个闭区间S1，将两个 两相接地故障电流幅值构成另一个闭区间S2，将两个两相相间故障电流幅值构成另一个闭 区间S3，将两个三相故障电流幅值构成另一个闭区间S4。

最后，一旦有保护装置检测到流过的电流大小大于启动值，就会向信息处理中心发送故 障信号。信息处理中心收到该信号后立即向各保护装置发送上传电流幅值信息的指令，同时， 信息处理中心收集分布式电源并网点处和变压站母线处的电压幅值信息。根据上述信息，信 息处理中心判定故障所处的位置，并根据情况作出相应保护措施。

对于开关站上的馈线发生故障的情况，一旦检测到辐射状线路上有电流大于启动值，那 么可以判定该保护所在线路为故障线路，相应的保护装置应马上动作以隔离故障。针对花瓣 式城市电网主干线上可能发生的弱馈现象，根据线路两端电流幅值与启动值的大小关系来判 断故障线路，若存在线路一端电流幅值大于启动值而另一端小于启动值，则可判定该线路为 故障线路，应切除该线路。

对于花瓣式城市电网主干线上发生故障且没有弱馈发生的情况，下面以图3中f₁、f₂、 f₃三个不同位置发生故障为例，介绍基于多源信息的花瓣式城市电网区域后备保护判别故障 点所在位置的方法，其中f₁位于线路L2上、f₂位于线路L3上、f₃位于线路L4上。为充分 阐述上述基于多源信息的含分布式电源花瓣式城市电网区域后备保护方法，此处设定：当分 布式电源出力均为0时，f₂位于该花瓣主干线上的负荷中心处；在分布式电源出力不为零的 情况下，f₃位于根据当前分布式电源出力信息和负荷情况计算出的线路L4上的负荷中心处。

①当f₁发生故障时，流过线路L2两端保护的电流幅值均大于启动值，该保护立即向信 息处理中心发送故障信号，信息处理中心收集分布式电源并网点处与变压站母线处的电压幅 值信息和各保护装置上传的电流幅值信息并分析处理。其中，流过线路L2两端保护的电流 幅值均大于启动值，而流过其余线路两端保护的电流幅值均小于启动值，排除发生弱馈现象 的可能性。信息处理中心对比每条线路两端流过保护的电流幅值大小，其中流过线路L2两 端保护的电流幅值不相等而其余线路两端电流幅值均相等，则可判定线路L2为故障线路， 此时线路L2上的保护3和保护4动作以切除故障。

②当f₂发生故障时，流过线路L3两端保护的电流幅值均大于启动值，该保护立即向信 息处理中心发送故障信号，信息处理中心收集分布式电源并网点处与变压站母线处的电压幅 值信息和各保护装置上传的电流幅值信息并分析处理。其中，流过线路L3两端保护的电流 幅值均大于启动值，而流过其余线路两端保护的电流幅值均小于启动值，排除发生弱馈现象 的可能性。信息处理中心对比每条线路两端流过保护的电流幅值大小。如果此时分布式电源 出力不为零，那么信息处理中心的对比结果为流过保护5和保护6的电流幅值不相等而其他 线路两端电流幅值均相等，此时可判定线路L3为故障线路。如果各分布式电源的出力均为 零或无分布式电源接入，那么信息处理中心对比每条线路两端流过保护的电流幅值大小的结 果为所有线路两端电流幅值均两两相等，信息处理中心开始比较各线路上流过电流的幅值， 此时信息处理中心的比较结果为各线路上流过电流的幅值均相等，排除母线上发生故障的可 能性。若此时流过保护5和保护6的电流幅值在S1、S2、S3、S4中任意一个闭区间内，那 么故障发生在负荷中点位置，即故障线路为L3；若流过保护5和保护6的电流幅值不在S1 或S2或S3或S4内，同时在超过1s时间内该线路的保护仍处于启动状态，则该线路可能 存在断路器拒动、通信错误或失败等情况，需要人工检修。

③当f₃发生故障时，流过线路L4两端保护的电流幅值均大于启动值，该保护立即向信 息处理中心发送故障信号，信息处理中心收集分布式电源并网点处与变压站母线处的电压幅 值信息和各保护装置上传的电流幅值信息并分析处理。其中，流过线路L4两端保护的电流 幅值均大于启动值，而流过其余线路两端保护的电流幅值均小于启动值，排除发生弱馈现象 的可能性。信息处理中心对比每条线路两端流过保护的电流幅值大小。如果各分布式电源的 出力均为零或无分布式电源接入，那么信息处理中心的对比结果为流过保护7和保护8的电 流幅值不相等而其他线路两端电流幅值均相等，此时可判定线路L4为故障线路。如果分布 式电源出力不为零，那么信息处理中心对比每条线路两端流过保护的电流幅值大小的结果为 每条线路两端电流幅值大小均两两相等。由于此时没有分布式电源并网点和变压站母线测得 的电压值为0，可以排除分布式电源并网点或者变压器母线处发生故障的可能性。信息处理 中心开始比较流过保护6、保护7、保护8、保护9的电流幅值大小，此时的比较结果为流 过保护7和保护8的电流幅值大于流过保护6和保护8的电流幅值，由此，可以判定线路 L4为故障线路。

针对花瓣式城市电网主干线上有电流互感器发生断线的情况，下面以图3中f₂点发生故 障且分布式电源出力不为零时的情况为例，介绍基于多源信息的花瓣式城市电网区域后备保 护方法对电流互感器断线的解决策略。

①若分布式电源并网点附近有电流互感器断线，以保护6处电流互感器断线为例，则信 息处理中心向DG2出口保护和保护7发送指令使之上传相应的电流相量信息，利用DG2的 出口电流和流过保护7的电流的相量幅值信息计算出流过保护6的电流幅值。

②若1个电流互感器断线，以保护5处电流互感器断线为例，则可以根据流过保护3和保护4上的电流相等判断出L2上无故障，并根据流过保护3和保护6上的电流差距较大 而判断出L3为故障线路。

③若2个电流互感器断线，以保护2和保护5处电流互感器断线为例，则可以根据流过 保护1和保护4上的电流相等判断出L1和L2上无故障，并根据流过保护3和保护6上的 电流差距较大而判断出L3为故障线路。

上述基于多源信息的含分布式电源花瓣式城市电网区域后备保护方法流程图如附图4 所示。

以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的系统及方法的限 制，本发明的保护范围以权利要求为准。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种含分布式电源花瓣式城市电网区域后备保护方法，包括以下几个方面：

(1)花瓣式城市电网主干线上每段线路两端均安装有保护装置和断路器，每一条花瓣环网主干线上均装有偶数个保护装置；按照顺时针方向，依次对各保护装置按照从小到大的顺序进行编号，从1开始；对于两条相邻线路，将编号较小的保护装置所在线路定义为上游线路，编号较大的保护装置所在线路定义为下游线路，故线路上游侧出口处保护为奇数保护，线路下游侧出口处保护为偶数保护；将花瓣式城市电网的每个花瓣设为一个区域，在每个变电站处设置一个信息处理中心，预先按照编号写入单一花瓣主干线上所有线路的线路长度和单位长度线路阻抗信息。

(2)当含有一个分布式电源的花瓣式城市电网的主干线上发生三相接地故障时，根据主干线的复合序网推导出故障点上游线路、故障点与分布式电源并网点之间的线路和分布式电源并网点下游线路上的电流值；当含有多个分布式电源的花瓣式城市电网的主干线上发生三相接地故障时，每个分布式电源并网点两侧保护中靠近故障点侧保护上流过的电流幅值总大于另一侧保护上流过的电流幅值，根据分布式电源并网点两侧保护上流过电流幅值的比较结果逐步确定故障区段或故障线路；

(3)对于接地故障，各保护装置按照躲开正常运行时可能出现的最大不平衡电流进行整定，将整定值作为各保护装置接地故障的启动值I_qd1，整定公式为

其中K_rel为大于1的可靠系数，K_re为小于1的返回系数，I_unb为正常运行时的最大不平衡电流；

对于相间故障，各保护装置按照过电流保护的整定方式来整定相应的启动值，即按躲过分支线上设备最大起动电流之和来整定，整定公式为

其中K取值在1.15-1.25之间的可靠系数，K_ast为大于1的自启动系数，K_re为小于1的返回系数，I_Lma为设备的最大启动电流之和；

一旦有保护装置检测到流过的电流大于启动值，就会向信息处理中心发送故障信号，信息处理中心收到该信号后立即向各保护装置发送上传电流幅值信息的指令，同时收集分布式电源并网点处和变压站母线处的电压幅值信息，对于开关站上的馈线发生故障的情况，一旦检测到辐射状线路上有电流大于启动值，那么判定该保护所在线路为故障线路；

(4)针对花瓣式城市电网主干线上可能发生的弱馈现象，根据线路两端电流幅值与启动值的大小关系来判断故障线路，若存在线路一端电流幅值大于启动值而另一端小于启动值，则说明该线路上发生了弱馈现象，判定该线路为故障线路，切除该线路；

(5)如果无弱馈现象发生，则根据故障线路两端流过电流幅值信息来确定故障线路，若存在线路两端的电流幅值不相等，则说明该线路为故障线路，跳开该线路上的断路器，切除故障；

(6)若无弱馈现象发生，且每条线路两端电流幅值大小均分别相等，则根据花瓣式城市电网主干线上分布式电源并网情况采取不同的保护策略，具体如下：

(a)针对花瓣式城市电网中所有分布式电源出力均为零的情况，首先比较各线路上流过电流的幅值，若存在两条相邻线路上流过电流的幅值不相等，则说明这两条线路之间的母线发生故障，应跳开该母线两侧的断路器和对应开关站馈线首段的断路器，以切除故障；

定义负荷中点为故障线路两端流过的电流幅值相等时所对应的故障点，如果各线路上流过电流的幅值均相等，而负荷中点所在线路两端电流幅值在闭区间S1或S2或S3或S4内，则说明故障发生在负荷中点位置，其中S1为负荷中点所在线路两端发生分别单相接地故障时流过该线路首端的电流值组成的闭区间，S2为负荷中点所在线路两端发生分别两相接地故障时流过该线路首端的电流值组成的闭区间，S3为负荷中点所在线路两端发生两相相间短路故障时流过该线路首端的电流值组成的闭区间，S4为负荷中点所在线路两端发生三相故障时流过该线路首端的电流值组成的闭区间；将上述四个闭区间的上限乘以一个大于1的可靠系数K_su，下限除以该可靠系数K_su，以使闭区间范围扩大；若负荷中点所在线路两端电流幅值不在闭区间S1-S4内，同时在超过设定时间内该线路的保护仍处于启动状态，则判断该线路可能存在断路器拒动、通信错误或失败情况，需要人工检修；

(b)对于花瓣式城市电网中有分布式电源并网并且其出力不为零的情况，首先以分布式电源并网点和变压站母线为分界点将花瓣式城市电网单一花瓣主干线分段；若有分界点测得的相电压或线电压为0，则说明该分界点相应的母线发生故障，此时应跳开该母线两侧的断路器和对应开关站馈线首段的断路器，以切除故障；

如果各分界点测得的电压值均不为零，则说明分界点处的母线不是故障点所在位置，这时比较各分布式电源并网点两侧保护装置测得的电流幅值大小，其中测得电流幅值最大的保护装置所在的区段判定为故障区段；

(7)花瓣式城市电网中二次设备电流互感器断线将导致该处电流无法获取，可能导致保护装置误动或拒动进而引起重大损失，针对这种情况，不同位置的电流互感器断线应采取不同的应对措施，具体如下：

(a)当花瓣式城市电网的主干线上某条线路上有电流互感器断线，而在比较线路两端电流幅值大小时发现存在其他线路两端电流大小有较大差异时，那么电流互感器断线不会影响故障线路的判定，此时仅上报电流互感器故障信息交由人工检修；

(b)当花瓣式城市电网的主干线上某条线路上有电流互感器断线，而在比较线路两端电流幅值大小时其他线路两端电流大小均没有较大差异时，则需要获知电流互感器断线处的电流幅值，此时要根据电流互感器断线位置采取不同措施以完成后续的故障定位，方法如下：

①若分布式电源并网点一侧的电流互感器断线，信息处理中心向该分布式电源并网点处其他两个保护装置发送指令使之上传相应的电流相量信息，即分布式电源的出口电流相量信息和并网点另一侧正常运行的电流互感器测得的线路电流，利用这两处的电流信息计算出该断线电流互感器本应测得的电流值；

②若除分布式电源并网点附近外的其他位置存在电流互感器发生断线，则将该电流互感器所在线路与其背侧相邻线路看作一个区段进行故障点位置分析，比较此区段两端保护装置测得的电流幅值是否相等，若相等则排除该区段的故障嫌疑，否则确定该断线电流互感器所在的线路为故障线路；

(8)若某线路检修或被切除后又发生了故障，此时则按照含分布式电源的辐射形配电网进行后备保护。

2.根据权利要求1所述的含分布式电源花瓣式城市电网区域后备保护方法，其特征在于，步骤(2)中当含有一个分布式电源的花瓣式城市电网的主干线上发生三相接地故障时，根据主干线的复合序网推导出故障点上游线路、故障点与分布式电源并网点之间的线路和分布式电源并网点下游线路上的电流值，分别为：

式中：

为流过故障点上游线路的电流值，

为流过故障点与分布式电源并网点之间线路的电流值，

为流过分布式电源并网点下游线路的电流值，

为系统等效电势，Z_S为系统等效阻抗，

为分布式电源在发生故障后的输出电流值，Z_L1为分布式电源并网点经上游线路到变电站母线的线路阻抗，Z_L2为分布式电源并网点经下游线路到变电站母线的线路阻抗，α为故障点经上游线路到变电站母线的线路长度与分布式电源经上游线路到变电站母线的线路长度的比值；

若花瓣网城市电网中分布式电源接入点数量为零或并网容量为零，则上述三个电流分别为：

式中：

为流过故障点上游线路的电流值，

为流过故障点与分布式电源并网点之间线路的电流值，

为流过分布式电源并网点下游线路的电流值。

3.根据权利要求1所述的含分布式电源花瓣式城市电网区域后备保护方法，其特征在于，步骤(6)的(b)中，如果各分界点测得的电压值均不为零，进一步确定故障线路的方法如下：

①若该故障区段内仅有一条线路，那么该线路为故障线路；

②若故障区段内有2条或2条以上的线路，由于此时每条线路两端保护装置测得的电流幅值分别相等，因此仅比较该故障区段内每条线路上奇数号保护装置测得的电流幅值；若该故障区段内每条线路上奇数号保护装置测得的电流幅值均相等，则说明故障区段内各处电流幅值均相等，判定故障发生在该区段上的负荷中点处，应计算该区段上的负荷中点位置，并切除该负荷中点所在的线路；否则判定流过电流幅值不相等的两条相邻线路之间的母线发生故障，应跳开该母线两侧的断路器和对应开关站馈线首段的断路器，以切除故障。

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