CN112636312B - 一种基于注入零序特征信号的微电网保护方法 - Google Patents

一种基于注入零序特征信号的微电网保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于注入零序特征信号的微电网保护方法，包括以下步骤：选取微电网中的一个逆变型微电源为注入源，在该微电网正常工作时，选取该电网中的一个逆变型微电源为注入源，该注入源在输出工频电流的同时，持续注入小幅值的特征信号，该特征信号为零序特征信号；注入源持续监测其出口处的特征信号幅值，若降至其第一额定值的第一倍数以下时，则启动微电网保护；保护启动后，增大注入源的特征信号注入，并测量微电网各段线路上的特征信号，作为故障定位和选相的依据。与现有技术相比，本发明具有适用性广；故障响应特性简单，故障特征明显，不易发生误动或拒动；对微电网的保护具有高可靠性，高灵敏性和高选择性等优点。

Description

一种基于注入零序特征信号的微电网保护方法
技术领域
本发明涉及微电网保护技术领域，尤其是涉及一种基于注入零序特征信号的微电网保护方法。
背景技术
微电网是由分布式电源、储能系统、能量转换装置、监控和保护装置、负荷等汇集而成的小型发、配、用电系统，具有自我控制和自我能量管理功能，能够实现大量可再生能源的入网，具有很高的实用价值。微电网作为一种将分布式能源并入电网的有效手段，成为了未来新能源领域的关键技术之一，因此研究微电网的保护对于整个能源系统具有重要意义。
与传统电网相比，微电网有很多不同的特点，比如存在双向潮流；孤岛运行时故障电流较小、故障特征不明显；不同种分布式电源的故障特性差异较大等。因此，传统电网的保护方法不再适用，需要提出新的微电网保护方法。
现有的微电网保护方法主要分为两类：一类是在传统电网保护方法的基础上进行改进优化；另一类是在配网自动化及广域量测系统完善基础上的广域保护。但这两种方案都无法同时适用于微电网并网和孤岛两种运行状态，同时易受分布式电源故障特性的影响而导致保护的误动或拒动。
因此需要研究提出一种能够同时适用于并网和孤岛两种状态，并且能对各种规模、各种结构的微电网均能起作用的微电网保护方案，以保证微电网的正常运行。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种同时适用于并网和孤岛两种状态，并且能对各种规模、各种结构的微电网均能起作用的基于注入零序特征信号的微电网保护方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于注入零序特征信号的微电网保护方法，包括以下步骤：
选取微电网中的一个逆变型微电源为注入源，在该微电网正常工作时，该注入源在输出工频电流的同时，持续注入特征信号，该特征信号为零序特征信号；
所述注入源持续监测其出口处的特征信号幅值，若所述出口处任意一相的特征信号幅值降至其第一额定值的第一倍数以下时，则判断存在故障风险，启动微电网保护；所述第一额定值为微电网未发生任何故障时，所述特征信号在所述注入源出口处产生的特征信号幅值，所述第一倍数由预先设定。
进一步地，所述微电网保护方法还包括判断出电网存在故障风险后，增大所述注入源注入的所述特征信号的幅值，判断所述电网内各段线路各相的特征信号幅值是否满足预设的故障判断条件，若满足，则确定该段线路的该相发生故障，采取微电网故障保护措施，否则无故障；
所述故障判断条件包括：
1)该段线路X相的特征信号幅值大于其第二额定值，所述X相为A相、B相或C相；
2)该段线路远离所述注入源的一端直接连接至负载或另一台逆变型微电源，或该段线路远离所述注入源的一端连接有有限条线路，且流过该有限条线路X相的特征信号幅值都分别不大于其第二额定值；
3)上述1)条件和2)条件同时成立的持续时间大于预设的第一时间。
进一步地，所述第二额定值为增大所述注入源注入的特征信号幅值后，在所述微电网未发生故障的情况下，于微电网内各段线路上测得的特征信号幅值，所述特征信号幅值为特征电压幅值或特征电流幅值。
进一步地，所述第一时间为一个特征信号周波。
进一步地，所述微电网故障保护措施为切断线路，并控制注入源结束注入特征信号。
进一步地，所述为频率在300-350Hz范围以内的零序特征电流。
进一步地，所述零序特征信号为频率恒定、幅值可调的零序特征电流。
进一步地，所述微电网中某一处某一相特征信号幅值的获取，具体为，
采样获取所述微电网中某一处某一相的电压或电流信号，采用FFT变换，获取特征信号幅值或特征信号幅值，作为所述特征信号幅值。
进一步地，所述微电网保护方法还包括后备保护步骤：
所述注入源持续监测各条线路各相的特征信号幅值，若某一线路某相的特征信号幅值超过其参考值的第二倍数时，则判断发生故障，若该故障持续达到预设的第二时间，则切除该段线路的对应相，并结束注入所述特征信号，否则电网未发生故障。
进一步地，所述第一倍数的取值在0.85-0.95范围以内，所述第二倍数的取值在1.05-1.15范围以内。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)保护方法适用性广，本发明选择注入零序特征电流，借助变压器的隔离作用，使得大电网和各IIDG对特征信号皆等效为开路，同时适用于并网状态和孤岛状态的微电网，不受微电网结构的影响，也不受微电网内IIDG的控制策略影响。
(2)本发明选择的325Hz的零序特征电流，微电网中该分量在任何情况下都只形成单向潮流，有利于保护的实施。
(3)故障响应特性简单，故障特征明显，不易发生误动或拒动；在系统正常工作时就注入小额的特征信号，在保证不对电网电能质量产生过大影响的同时，使得注入源的启动于微电网保护一样能够以特征频率的信号为依据，对微电网的保护具有高可靠性，高灵敏性和高选择性。
(4)保护方法依据的数据量较小，使用的互感器等测量元件和其他辅助元件数量更少，且所需的通讯量不大，仅需使用注入源本地的信号，避免了潜在的风险和延时，具有高经济性和高可靠性。
(5)特征信号注入通过对IIDG的控制实现，无需额外附加专门的特征信号注入源，且注入源的输出功率在工频输出和特征频率输出间动态分配，对微电网本身和其中其他IIDG的冲击更小。
(6)保护方法在微电网未发生故障仅会注入小额非整次谐波，在微电网发生故障后注入大额谐波但持续时间很短，可以保证电网的电能质量。
附图说明
图1为本发明实施例中微电网的结构示意图；
图2为本发明实施例中微电网对应的325Hz附加网络示意图；
图3为本发明实施例中基于注入零序特征信号的微电网保护方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例提供一种基于注入零序特征信号的微电网保护方法，包括以下步骤：
选取微电网中的一个逆变型微电源为注入源，在该微电网正常工作时，该注入源在输出工频电流的同时，持续注入小幅值的特征信号，该特征信号为零序特征信号；
所述注入源持续监测其出口处的特征信号幅值，若所述出口处任意一相的特征信号幅值降至其第一额定值的第一倍数以下时，则判断存在故障风险，启动微电网保护；所述第一额定值为电网未发生任何故障时，所述特征信号在所述注入源出口处产生的特征信号幅值，所述第一倍数由预先设定，特征信号幅值为特征电压幅值或特征电流幅值。
作为一种优选的实施方式，所述微电网保护方法还包括判断出电网存在故障风险后，增大所述注入源注入的所述特征信号的幅值，判断所述微电网各段线路各相的特征信号幅值是否满足预设的故障判断条件，若满足，则确定该相发生故障，采取微电网故障保护措施，否则无故障；
所述故障判断条件包括：
1)该段线路X相的特征信号幅值大于其第二额定值，所述X相为A相、B相或C相；
2)该段线路远离所述注入源的一端直接连接至负载或另一台逆变型微电源，或该段线路远离所述注入源的一端连接有有限条线路，且流过该有限条线路X相的特征信号幅值都分别不大于其第二额定值；
3)上述1)条件和2)条件同时成立的持续时间大于预设的第一时间。
进一步地，作为一种优选的实施方式，所述第二额定值为增大所述注入源注入的特征信号幅值后，在所述微电网未发生故障的情况下，于微电网内各段线路上测得的特征信号幅值。
进一步地，作为一种优选的实施方式，所述第一时间为一个特征信号周波。
进一步地，作为一种优选的实施方式，所述微电网故障保护措施为切断线路，并控制注入源结束注入特征信号。
作为一种优选的实施方式，所述零序特征信号为325Hz的零序特征电流。
作为一种优选的实施方式，所述微电网中某一处某一相特征信号幅值的获取，具体为，
采样获取所述微电网中某一处某一相的电压或电流信号，采用基频为25Hz的FFT变换，获取特征电压幅值或特征电流幅值，得到所述特征信号幅值。
作为一种优选的实施方式，第一倍数的取值在0.85-0.95范围以内，第二倍数的取值在1.05-1.15范围以内，本实施例中，所述第一倍数为0.9，所述第二倍数为1.1。
作为一种优选的实施方式，所述微电网保护方法还包括后备保护步骤：
所述注入源持续监测各条线路各相的特征信号幅值，若某一线路某相的特征信号幅值超过其第二额定值的第二倍数时，则判断发生故障，若该故障持续达到预设的第二时间，则切除该段线路的对应相，并结束注入所述特征信号，否则电网未发生故障。
将上述优选的实施方式进行组合可以得到一种最优的实施方式，下面对该最优的实施方式的方案进行具体描述。
1、特征信号注入的启动判据
以图1所示的一般结构微电网为例，在微电网中，需预先设定一个IIDG为输出特征信号的注入源。电网正常工作时，该注入源主要输出工频电流，同时注入小幅值的325Hz零序特征电流(L-G Peak:4A)。注入源通过基频为25Hz的FFT变换持续监测其出口处的特征电压值，并将在电网未发生任何故障时该小幅值特征电流于其端口产生的特征电压幅值记为特征电压的第一额定值；当注入源检测到其出口处任意一相上的特征电压幅值降至预设的阈值(取第一额定值的0.9倍)以下时，即判定系统可能发生故障。
为了测量电压、电流中325Hz的特征频率分量，本方案对采样得到的电压、电流信号使用基准频率为25Hz的FFT变换，并分别取其返回的2次谐波(50Hz)和13次谐波(325Hz)的幅值，即可实现对工频分量和特征频率分量的分离。
由于微电网结构的复杂性，使用工频电压或电流为依据的注入启动判据的可靠性无法得到保障。该方法在系统正常工作时就注入小额的特征信号，在保证不对电网电能质量产生过大影响的同时，使得注入源的启动于微电网保护一样能够以特征频率的信号为依据，大大提高了保护的可靠性。另外，该启动判据仅需使用注入源本地的信号，无需通信，避免了潜在的风险和延时。
2、故障的定位和选相
当注入启动判据成立后，注入源将降低其工频输出，并同步增大其325Hz特征频率输出，向微电网注入更大幅值的零序特征电流(L-G Peak:16A)，便于保护装置进行故障的定位和选相。
微电网保护的难点之一在于其具有双向潮流特性，已有的微电网保护方法大多需要依靠大量的方向元件。而对于本方案使用的注入325Hz特征信号的方法，由于整个微电网中只存在单一注入源，因此在微电网对应的325Hz附加网络中，只存在单一电源，如图2所示。由图2可知，本方案方法下微电网的325Hz分量在任何情况下都只形成单向潮流，有利于保护的实施。
与传统的差动保护方式不同，本方案无需在微电网各段线路的两侧全部安装互感器，而只需测量线路靠近注入源一端的三相电流，故至少可节省50％的互感器，且无需任何的方向元件。
令在电网未发生任何故障而注入源按照启动后标准注入特征电流的情况下，于微电网各段线路处测得的特征电流幅值为该段线路的特征电流第二额定值。在进行故障定位和故障选相时，只需将各段线路上实时检测到的特征电流幅值与其第二额定值进行比较，若有某段线路满足：
1)该段线路X相(A/B/C)的特征电流幅值大于其第二额定值；
2)该段线路远离注入源的一端直接连接至负载或另一台IIDG，无更多传输线路；或该段线路远离注入源的一端连有有限条线路，且流过以上线路X相的特征电流幅值皆分别小于等于其第二额定值；
3)上述两条判据同时成立的持续时间超过一个特征信号周波(本实施例中为3.08ms)。
则可判定微电网于该段线路的X相处发生了短路故障，随后保护设备可以进行动作，以有选择性地切除故障。
一般情况下，并网状态下的大电网或孤岛状态下为微电网提供电压频率支撑的恒压恒频控制IIDG(V/f-IIDG)都可被等效为工频电压源，且输出阻抗不大，对325Hz的特征电流可等效为接地。目前其他文献中提到的特征信号注入皆为注入正序信号，此正序特征信号将被大电网或V/f-IIDG短路，导致绝大部分特征电流流入大电网(并网状态)或V/f-IIDG(孤岛状态)，而实际流过微电网各段线路的特征信号将极小，这会大大降低保护的可靠性和灵敏性。故本方案选择注入零序特征电流，借助变压器的隔离作用，使得大电网和各IIDG对特征信号皆等效为开路。本方案中的微电网保护方法也因此可以同时适用于并网状态和孤岛状态的微电网。
需特别注意的是，本方案为了避免大电网或V/f-IIDG将特征信号短路，选择了注入零序信号，故当电网发生不接地的相间短路故障时，仅根据特征频率信号将无法可靠地识别故障。为了解决该问题，可以选择额外加入基于工频故障分量的保护等辅助判据，此方面的研究已比较完备，本方案对此不再赘述。
3、后备保护
前述的保护方法可作为微电网的主保护，为保证微电网的安全可靠性，本方案额外设立了同样基于特征信号的后备保护与主保护配合，在主保护失效的情况下保证切除故障。
本方案设计的后备保护方法为特征电流过电流保护。当检测到某条线路某一相的特征电流幅值超过了其整定值(取该段线路特征电流第二额定值的1.1倍)，即判定发生了故障，在经过预设的延时后，若故障判据依然成立，则切除该段线路的对应相。
本方案的特征电流过电流保护方法中各段线路的保护时延也应互相配合。考虑到主保护的切除时间应为两个工频周波(0.04s)左右，故特征电流过电流保护中最末段线路的保护时延应设为(0.04+Δt)s，且前级的线路的保护时延应比其后级线路逐级长Δts，按照以上规律可以逐级确定微电网各段线路的保护时延。最终可得特征信号的注入过程应至少持续(0.04+nΔt)s(n取决于微电网的线路段数和结构)，以保证后备保护的可靠动作。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于注入零序特征信号的微电网保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
选取微电网中的一个逆变型微电源为注入源，在该微电网正常工作时，该注入源在输出工频电流的同时，持续注入特征信号，该特征信号为零序特征信号；
所述注入源持续监测其出口处的特征信号幅值，若所述出口处任意一相的特征信号幅值降至其第一额定值的第一倍数以下时，则判断存在故障风险，启动微电网保护；所述第一额定值为微电网未发生任何故障时，所述特征信号在所述注入源出口处产生的特征信号幅值，所述第一倍数由预先设定；
所述微电网保护方法还包括判断出电网存在故障风险后，增大所述注入源注入的所述特征信号的幅值，判断所述电网内各段线路各相的特征信号幅值是否满足预设的故障判断条件，若满足，则确定该段线路的该相发生故障，采取微电网故障保护措施，否则无故障；
所述故障判断条件包括：
1)该段线路X相的特征信号幅值大于其第二额定值，所述X相为A相、B相或C相；
2)该段线路远离所述注入源的一端直接连接至负载或另一台逆变型微电源，或该段线路远离所述注入源的一端连接有有限条线路，且流过该有限条线路X相的特征信号幅值都分别不大于其第二额定值；
3)上述1)条件和2)条件同时成立的持续时间大于预设的第一时间。
2.根据权利要求1所述的一种基于注入零序特征信号的微电网保护方法，其特征在于，所述第二额定值为增大所述注入源注入的特征信号幅值后，在所述微电网未发生故障的情况下，于微电网内各段线路上测得的特征信号幅值，所述特征信号幅值为特征电压幅值或特征电流幅值。
3.根据权利要求1所述的一种基于注入零序特征信号的微电网保护方法，其特征在于，所述第一时间为一个特征信号周波。
4.根据权利要求1所述的一种基于注入零序特征信号的微电网保护方法，其特征在于，所述微电网故障保护措施为切断线路，并控制注入源结束注入特征信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于注入零序特征信号的微电网保护方法，其特征在于，所述零序特征信号为频率在300-350Hz范围以内的零序特征电流。
6.根据权利要求1所述的一种基于注入零序特征信号的微电网保护方法，其特征在于，所述零序特征信号为频率恒定、幅值可调的零序特征电流。
7.根据权利要求1所述的一种基于注入零序特征信号的微电网保护方法，其特征在于，所述微电网保护方法还包括后备保护步骤：
所述注入源持续监测各条线路各相的特征信号幅值，若某一线路某相的特征信号幅值超过其参考值的第二倍数时，则判断发生故障，若该故障持续达到预设的第二时间，则切除发生故障的线路的对应相，并结束注入所述特征信号，否则电网未发生故障。
8.根据权利要求7所述的一种基于注入零序特征信号的微电网保护方法，其特征在于，所述第一倍数的取值在0.85-0.95范围以内，所述第二倍数的取值在1.05-1.15范围以内。
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