CN112803478A - 基于相位极性特征的微电网主动注入式单端保护方法 - Google Patents

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CN112803478A CN202110009985.4A CN202110009985A CN112803478A CN 112803478 A CN112803478 A CN 112803478A CN 202110009985 A CN202110009985 A CN 202110009985A CN 112803478 A CN112803478 A CN 112803478A
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Abstract

本发明公开了一种基于相位极性特征的微电网主动注入式单端保护方法，首先在被保护线路m侧保护装置实时采集三相电压与电流信号；接着通过快速傅里叶变换得到谐波电压与谐波电流，进而得到被保护线路n侧的谐波电压；然后通过m侧谐波电压与谐波电流的相位差，以及m侧谐波电压与被保护线路n侧谐波电流的相位差，通过相位差乘积准确判断出区内外故障，解决了现有技术中微电网保护中阈值设置复杂、依赖通信且通信数据量大、不能快速准确区分区内与区外故障、保护时间可能超出微电网故障承受时间极限问题。

Description

基于相位极性特征的微电网主动注入式单端保护方法
技术领域
本发明属于电力系统继电保护技术领域，涉及一种基于相位极性特征的微电网主动 注入式单端保护方法。
背景技术
随着分布式发电技术广泛应用，微电网已成为配电系统重要组成部分，主要包括分 布式微源(微涡轮机、柴油发电机、蓄电池、燃料电池和可再生能源等)、控制系统、 通信设备和保护监测装置等部分。分布式微源可实现负荷就近供电，避免远距离输电损 耗，有助于提高电力系统能源利用效率。另外，微电网可以运行于并网或孤岛两种模式， 当大电网出现电压波动，频率偏差等扰动时，可以脱离大电网独立运行给关键负荷持续 高质供电，大幅提升电力系统供电可靠性。
然而，由于微电网新能源占比越来越高，电力电子化程度增大，微电网保护成为其安全可靠运行的重大挑战之一。相比于传统同步发电机，逆变型微源具有低惯性和弱阻 尼特性，当系统发生故障时，如果没有快速清除故障，由低惯性逆变型微源构成的微电 网系统很可能失稳甚至崩溃，其最大故障承受时间约为5个周期，因此保护动作需在 100ms内完成。不同于传统配电网单一潮流方向特点，微电网由于包含多个逆变型微源 且分布比较分散，系统潮流方向是动态变化的，并且由于电力电子装置过流能力差，逆 变型微源的最大输出电流仅为额定电流的两倍，导致故障检测与判别困难，尤其是微电 网结构可在环型和辐射型之间灵活切换，保护问题变得更加复杂。
近年来，国内外专家学者们针对微电网保护开展了大量研究工作，并提出了新的保 护方案，主要包括自适应保护、差分保护、行波保护以及与逆变器控制模式结合的主动式保护等类型。其中，自适应保护可根据微电网运行模式变化实时调整保护整定值，在 并网和孤岛两种模式均可有效保护微电网，但需依赖通信以实现系统运行状态实时监测， 通信数据量大，且保护整定值设置复杂；差分保护具有良好的选择性，通常使用线路两 侧的瞬时电流差值、功率方向差异或者阻抗差值等故障特征实现区内外故障判别，对通 信要求较高；行波保护通过检测线路两侧电流初始行波极性和时间信息进行故障判别， 虽对通信带宽要求低，但由于微电网系统规模小、输电线路短，行波信号采集困难，较 难实现；主动式保护通过控制逆变器输出的基频或谐波电流幅值与故障距离成比例，使 得逆变型微源离故障越近，输出电流幅值越大，没有明确的区内外故障边界条件，需结 合反时限保护原理，确定保护装置的动作延时，实现微网系统中各保护装置之间的选择 性协调，其保护时间很可能超出微电网故障承受时间极限。总的来说，现有微电网保护 方案均存在一定的缺陷，因此亟待研究一种兼顾快速性、选择性和应用可行性的微电网 保护方案。
发明内容
本发明提供一种基于相位极性特征的微电网主动注入式单端保护方法，解决现有技 术中微电网保护中设置阈值复杂、依赖通信且通信数据量大、不能快速准确区分区内与区外故障、保护时间可能超出微电网故障承受时间极限问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是基于相位极性特征的微电网主动 注入式单端保护方法，具体步骤如下：
步骤S1：微电网系统中各逆变型微源均采用下垂控制策略，逆变型微源通过故障检 测模块实时检测逆变器输出电压幅值和逆变器输出瞬时电流，判断其与设定的电压阈值 和设定的电流阈值间的关系，进而判定逆变型微源的工作状态；
步骤S2：当逆变型微源工作状态判定为故障态时，故障信号置1，且谐波注入模块启动，向下垂控制策略的电流控制环输出的脉宽调制电压信号上叠加谐波分量，并且， 逆变型微源输出电压和输出电流都经带阻滤波器滤除注入谐波分量后再反馈至电压电流 控制环，使得逆变型微源在谐波频率处为开环控制状态；
步骤S3：微电网系统中被保护线路两端分别为m侧和n侧，被保护线路m侧保护装置实时采集三相电压与电流信号；
步骤S4：通过快速傅里叶变换提取被保护线路m侧基频电压幅值V1 m作为保护启动判据，如果V1 m≥0.9pu，判定为系统正常，并持续谐波电压、电流信号采样；如果V1 m<0.9pu，则判定为系统故障，启动保护装置进行区内外故障判别；
步骤S5：通过快速傅里叶变换提取被保护线路m侧保护装置配置注入频次的谐波电 压和谐波电流，并根据被保护线路m侧谐波电压、谐波电流和被保护线路总阻抗，得到被保护线路n侧谐波电压；
步骤S6：计算被保护线路m侧谐波电压、谐波电流以及n侧谐波电压的相位，得到被保护线路m侧谐波电压与谐波电流的相位差以及被保护线路n侧谐波电压与被保护线 路m侧谐波电流的相位差；
步骤S7：根据步骤S6获取的被保护线路m侧谐波电压与谐波电流的相位差，以及被保护线路n侧谐波电压与被保护线路m侧谐波电流的相位差，判别区、内外故障；
步骤S8：若被保护线路m侧保护装置判定为区内故障时，则向m侧断路器发送跳闸信号，若判定为区外故障，则不向m侧断路器发送跳闸信号。
进一步的，所述步骤S1中逆变型微源工作状态为故障态和正常态；其中，逆变型微源输出电压幅值小于设定的电压阈值或逆变型微源输出瞬时电流大于设定的电流阈值时，判定逆变型微源处于故障态，故障检测模块输出信号置1，各逆变型微源由下垂控制 模式切换至限流模式。
进一步的，所述步骤S2中向下垂控制策略的电流控制环输出的脉宽调制电压信号上 叠加谐波分量时，为消除各逆变型微源间互相耦合影响，微电网系统中各逆变型微源分别注入不同频率的谐波分量，且谐波频率均小于逆变器输出LCL滤波器的谐振频率。
进一步的，所述步骤S5中被保护线路m侧保护装置配置距离最近的逆变型微源注入频次的谐波电压和谐波电流。
进一步的，所述步骤S5中被保护线路n侧谐波电压为
Figure BDA0002884706010000031
其中，
Figure BDA0002884706010000032
为被保护线路m侧谐波电压，
Figure BDA0002884706010000033
为被保护线路m侧谐波电流，Zmn为被保 护线路总阻抗。
进一步的，所述步骤S6中被保护线路m侧谐波电压与谐波电流的相位差为
Figure BDA0002884706010000034
其中，Zmm为被保护线路m侧阻抗；
被保护线路n侧谐波电压与被保护线路m侧谐波电流的相位差为
Figure BDA0002884706010000035
进一步的，所述步骤S7中判别区、内外故障具体为：
根据被保护线路m侧谐波电压与谐波电流的相位差以及被保护线路n侧谐波电压与 被保护线路m侧谐波电流的相位差的极性差异，构造保护判据；被保护线路m侧谐波电压与谐波电流的相位差以及被保护线路n侧谐波电压与被保护线路m侧谐波电流的相位 差乘积小于0时判定为区内故障，被保护线路m侧谐波电压与谐波电流的相位差以及被 保护线路n侧谐波电压与被保护线路m侧谐波电流的相位差乘积大于等于0时判定为区 外故障。
进一步的，其特征在于，所述区外故障时，被保护线路m侧谐波电压为
Figure BDA0002884706010000041
被保护线路n侧谐波电压与被保护线路m侧谐波电流的相位差为
Figure BDA0002884706010000042
其中，Znn是被保护线路n侧阻抗，被保护线路m侧阻抗和被保护线路n侧阻抗的相位角均∈(0°，90°)；
对于环型或辐射型结构微电网，当被保护线路m侧功率流向为正方向时，Δθmn和Δθnmc都∈(0°，90°)，当被保护线路m侧功率流向为反方向时，Δθmn和Δθmn都∈(-180°， -90°)，其中，规定从m侧输出为正方向；
区内故障时，被保护线路n侧谐波电压为
Figure BDA0002884706010000043
被保护线路n侧谐波电压与被保护线路m侧谐波电流的相位差为
Figure BDA0002884706010000044
其中，
Figure BDA0002884706010000045
是故障点谐波电压，
Figure BDA0002884706010000046
是故障支路谐波电流，Zmn2是故障点与被保护线路n侧之间的阻抗，RF是故障电阻，k是故障支路谐波电流与被保护线路m侧谐波电流的 幅值比，k大于1，ΔθFm是故障支路谐波电流和被保护线路m侧谐波电流的相位差；
其中，被保护线路总阻抗Zmn以及故障点与被保护线路n侧之间的阻抗Zmn2的相位角均∈(0°，90°)，对于环型和辐射型结构微电网，Δθmn也都∈(0°，90°)，Δθnmc则还与故 障电阻RF以及相位差ΔθFm有关，当故障电阻RF等于0时，对于环型或辐射型结构微电 网，Δθnmc都∈(-180°，-90°)；当故障电阻RF不等于0时，Δθnmc将受kRF与Zmn2大小关 系以及相位差ΔθFm影响，对于环型结构微电网，作为距离逆变型微源更近的一侧，
Figure BDA0002884706010000047
的 相位总是超前或接近于
Figure BDA0002884706010000048
的相位，即ΔθFm总是满足小于等于0°，当ΔθFm等于0°且kRF小于Zmn2时，Δθnmc∈(-180°，0°)；当ΔθFm等于0°且kRF大于Zmn2时，Δθnmc∈(-180°，0°)； 当ΔθFm小于0°且kRF小于Zmn2时，Δθnmc∈(-180°，0°)；当ΔθFm小于0°且kRF大于Zmn2时，Δθnmc∈(-180°，0°)；对于辐射型结构微电网，作为距离逆变型微源更近的一侧，
Figure BDA0002884706010000051
的相位总是接近于
Figure BDA0002884706010000052
的相位，即ΔθFm等于0°，此时，当kRF小于Zmn2时，Δθnmc∈(-180°， 0°)；当kRF大于Zmn2时，Δθnmc也∈(-180°，0°)。
进一步的，所述区外故障时，若被保护线路m侧功率流向为正方向，Δθmn和Δθnmc都∈(0°，90°)，若被保护线路m侧功率流向为反方向，Δθmn和Δθnmc都∈(-180°，-90°)； 而对于区内故障，Δθmn和Δθnmc总是满足Δθmn∈(0°，90°)、Δθnmc∈(-180°，0°)。
进一步的，所述步骤S1中设定的电压阈值设定为0.9pu，设定的电流阈值设定为两倍额定电流。
本发明的有益效果是：通过控制各逆变型微源在故障期间往系统注入不同频次的谐 波分量，消除各逆变型微源间的耦合影响，使得故障线路中靠近逆变型微源侧的谐波电流接近或超前于故障支路谐波电流，各继电保护装置均只采集距离最近的背侧微源注入频次的谐波电压、电流信号并计算电压、电流相位差，同时利用测量的谐波电压、电流 计算线路末端该频次谐波电压并计算线路末端电压、电流相位差，然后根据区内外故障 下两个相位差乘积的极性差异，构造保护判据，形成基于相位极性特征的微电网主动注 入式单端保护方法，该方法适用于并网和孤岛两种模式，同时也适用于环型和辐射型两 种网络拓扑，无通信需求，区内外边界清晰，保护阈值易设置，具有良好的选择性和灵 敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有 技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还 可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的典型微电网结构图。
图2是下垂控制策略的基本控制框图。
图3是基于相位极性特征的微电网主动注入式单端保护流程图。
图4是环型结构微电网中，故障电阻等于0时谐波电压电流相位差与计算的线路末端谐波电压电流相位差的相位范围图。
图5(a)是环型结构微电网中，被保护线路m侧谐波电流与故障支路谐波电流相位差等于0°且故障电阻小于线路总长和故障距离之差的相位范围图。
图5(b)是环型结构微电网中，被保护线路m侧谐波电流与故障支路谐波电流相位差等于0°且故障电阻大于线路总长和故障距离之差的相位范围图。
图5(c)是环型结构微电网中，被保护线路m侧谐波电流与故障支路谐波电流相位差小于0°且故障电阻小于线路总长和故障距离之差的相位范围图。
图5(d)是环型结构微电网中，被保护线路m侧谐波电流与故障支路谐波电流相位差小于0°且故障电阻大于线路总长和故障距离之差的相位范围图。
图6(a)是环型结构微电网中，故障电阻小于线路总长和故障距离之差的相位范围图。
图6(b)是环型结构微电网中，故障电阻大于线路总长和故障距离之差的相位范围图。
图7(a)是图1中环型结构微电网在F1处发生单相接地故障(A-G)且故障电阻为 0时，线路12两端Δθmn与Δθnmc的仿真结果。
图7(b)是图1中环型结构微电网在F1处发生单相接地故障(A-G)且故障电阻为 0时，线路23两端Δθmn与Δθnmc的仿真结果。
图7(c)是图1中环型结构微电网在F1处发生单相接地故障(A-G)且故障电阻为 0时，线路34两端Δθmn与Δθnmc的仿真结果。
图7(d)是图1中环型结构微电网在F1处发生单相接地故障(A-G)且故障电阻为 0时，线路45两端Δθmn与Δθnmc的仿真结果。
图7(e)是图1中环型结构微电网在F1处发生单相接地故障(A-G)且故障电阻为 0时，线路56两端Δθmn与Δθnmc的仿真结果。
图7(f)是图1中环型结构微电网在F1处发生单相接地故障(A-G)且故障电阻为 0时，线路61两端Δθmn与Δθnmc的仿真结果。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
如图1所示为本发明典型微电网结构图，包括电网，母线1、母线2、母线3、母线4、母线5、母线6，三个逆变型微源(inverter-based distributed generator，IBDG)IBDG1、IBDG2、IBDG3，负荷L-1、L-2、L-3，互联变压器T-1、T-2、T-3、T-4，公共连接点 PCC(Point ofcommon coupling)，快速静态转化开关STS，环网开关，不同线路上的故 障点F1、F2、F3、F4、F5，保护装置R-12、R-21、R-23、R-32、R-34、R-43、R-45、 R-54、R-56、R-65、R-16、R-61。通过控制快速静态转换开关STS开断连接微电网与大 电网，使其可运行于并网和孤岛两种模式；三个逆变型微源IBDG1、IBDG2、IBDG3 均采用下垂控制策略；通过控制环网开关的开断，可实现微电网在辐射型和环型两种拓 扑结构间的灵活切换。
其中，IBDG采用的下垂控制策略基本控制框图如图2所示，由功率控制环、电压控制环、电流限幅器和电流控制环构成，其中iL是IBDG的输出电流，vo是IBDG的输出 电压，Vref是IBDG输出电压幅值参考值，ωref是IBDG输出频率参考值，Pref是IBDG 输出有功功率参考值，Qref是IBDG输出无功功率参考值，Vo是功率控制环输出的电压幅 值参考，ωo是功率控制环输出的频率参考值，Iref是电压控制环输出的电流参考值，I* ref是电流限幅器输出的电流参考值，L1、L2是输出LCL滤波器的滤波电感，C是输出LCL 滤波器的滤波电容，ZT是互联变压器的等效阻抗，PCC是公共连接点，fault是故障检测 模块输出信号，其中①是谐波注入模块；②是故障检测模块。正常运行时电流限幅器不 会启动，Iref和I* ref相等。当微电网发生故障时，通过图2-②所示的故障检测模块实时检 测IBDG输出电压或者输出电流状态判断是否故障，包括电压幅值检测和瞬时电流检测 两部分，Vom是IBDG输出电压幅值，Vth是设置的电压阈值，设定为0.9pu，Ith是电流阈 值，设定为两倍额定电流，当输出电压幅值Vom小于Vth或输出瞬时电流iL大于Ith时，判 断为故障态，故障检测模块输出信号fault置1，IBDG由下垂控制模式切换至限流模式， 将故障冲击电流快速抑制在最大允许值以内；同时，通过图2-①所示的谐波注入模块往 系统中注入谐波分量，Vhm是谐波电压幅值，h和ω分别是谐波次数和基波频率，在电流 控制环输出的脉宽调制电压信号上叠加谐波分量，实现谐波注入，并且反馈至IBDG控 制器的输出电压和电流信号经带阻滤波器滤除IBDG注入频次的谐波分量，使得IBDG 在谐波频率hω处为开环控制状态，以消除IBDG控制模式对该频点谐波电流特性的影响。 另外，为消除各IBDG之间的互相耦合影响，三个逆变型微源IBDG1、IBDG2和IBDG3 分别注入不同频率的8、9、10次谐波分量，并且系统中各保护装置均只测量距离最近的 背侧IBDG注入频次的谐波电压、电流信号进行区内外故障判别，以图1中的环型结构微电网为例，保护装置R-12、R-23和R-16测量8次谐波信号，保护装置R-21、R-32、 R-34、R-45和R-56测量9次谐波信号，保护装置R-43、R-54、R-65和R-61测量10次 谐波信号；当环网开关断开时，图1所示的环型结构微电网变为辐射型结构微电网，线 路34和56潮流变成单向特性，此时，只需在线路34和56靠近IBDG的一侧安装保护 装置，其他保护装置配置与环型结构微电网相同。
基于上述的IBDG谐波注入控制与各保护装置的谐波测量配置规则，对于图1中环网开关闭合的环型结构微电网，以线路12为例，线路12的1端被称为被保护线路m侧， 线路12的2端被称为被保护线路n侧。发生区内故障F1时，被保护线路m侧谐波电压 与谐波电流之间的相位差∈(0°，90°)，根据m侧谐波电压、电流计算的被保护线路n侧 谐波电压与m侧谐波电流之间的相位差∈(-180°，0°)，两个相位差极性相反；发生区外 故障时，被保护线路m侧谐波电压与谐波电流之间的相位差∈(0°，90°)或(-180°，-90°)， 根据m侧谐波电压、电流计算的被保护线路n侧谐波电压与m侧谐波电流之间的相位差 ∈(0°，90°)或(-180°，-90°)，两个相位差极性相同。环网开关断开的辐射型结构微电网的 谐波相位特性与环型结构微电网一致。本发明利用测量的谐波电压和谐波电流之间的相 位差与计算的线路末端谐波电压与谐波电流之间的相位差的极性差异，提出基于相位极 性特征的微电网主动注入式单端保护方法，保护流程图如图3所示，具体步骤如下：
步骤S1：微电网系统中各IBDG均采用下垂控制策略，IBDG通过故障检测模块实 时输出检测电压幅值Vom和输出瞬时电流iL，并实时判断逆变器输出电压幅值Vom是否小 于设定的电压阈值Vth及输出瞬时电流iL是否大于设定的电流阈值Ith，其中，IBDG输 出电压幅值在0.9-1.1pu之间为正常运行工况，因此，Vth设定为0.9pu；IBDG最大输出 电流通常设置为1.2-2倍额定电流，因此，Ith设定为两倍额定电流；若Vom小于Vth或iL大于Ith，判定IBDG处于故障态，故障检测模块输出信号fault置1，各IBDG的逆变器 由下垂控制模式切换至限流模式，以将故障冲击电流快速抑制在最大允许值以内。
步骤S2：故障信号fault置1后，图2-①所示的谐波注入模块启动，通过在电流控制环输出的脉宽调制电压信号上叠加三相谐波分量vh，如式(1)所示，其中，sin(hωt)是频率为hω的正弦分量，e-j120°和ej120°分别是B相和C相谐波分量相比于A相的相移；并且， IBDG输出电压vo和输出电流iL都经带阻滤波器滤除IBDG注入频次的谐波分量后再反 馈至电压电流控制环，使得IBDG在谐波频率hω处为开环控制状态，以消除IBDG控制 模式对该频点谐波电流特性的影响。
Figure BDA0002884706010000091
为消除各IBDG间互相耦合的影响，微电网系统中各IBDG分别注入不同频率的谐波分量，且谐波频率均小于逆变器输出LCL滤波器的谐振频率fres，fres为
Figure BDA0002884706010000092
图1微电网系统中三个逆变型微源IBDG1、IBDG2和IBDG3分别注入不同频率的8、9、10次谐波分量。并且系统中各保护装置均只测量距离最近的背侧IBDG注入频次的谐 波电压、电流信号进行区内外故障判别，图1所示环型结构微电网中，保护装置R-12、 R-23和R-16测量8次谐波信号，保护装置R-21、R-32、R-34、R-45和R-56测量9次谐 波信号，保护装置R-43、R-54、R-65和R-61测量10次谐波信号；当环网开关断开时， 图1所示环型结构微电网变为辐射型结构微电网，线路34和56潮流变成单向特性，此 时，只需在线路34和56靠近IBDG的一侧安装保护装置，其他保护装置配置与环型结 构微电网相同。
步骤S3：在被保护线路m侧保护装置实时采集三相电压与电流信号。
步骤S4：通过快速傅里叶变换(Fast Fourier transform，FFT)提取被保护线路m侧 基频电压幅值V1 m作为保护启动判据，如果V1 m≥0.9pu，判定为系统正常，并持续谐波电压、电流信号采样；如果V1 m<0.9pu，则判定为系统故障，启动保护装置进行区内外故障 判别。
步骤S5：通过快速傅里叶变换提取被保护线路m侧保护装置配置距离最近的IBDG注入频次的hω频次谐波电压和谐波电流，并根据被保护线路m侧hω频次谐波电压
Figure BDA0002884706010000093
hω频次谐波电流
Figure BDA0002884706010000094
和被保护线路总阻抗Zmn，可得到被保护线路n侧hω频次谐波电压
Figure BDA0002884706010000095
如式(2)所示
Figure BDA0002884706010000096
步骤S6：通过快速傅里叶变换提取被保护线路m侧hω频次谐波电压
Figure BDA0002884706010000097
hω频次谐波电流
Figure BDA0002884706010000098
以及n侧hω频次谐波电压
Figure BDA0002884706010000099
的相位，得到
Figure BDA00028847060100000910
和
Figure BDA00028847060100000911
的相位差Δθmn以及
Figure BDA00028847060100000914
和
Figure BDA00028847060100000913
的相位差Δθnmc，分别如式(3)和(4)所示
Figure BDA0002884706010000101
Figure BDA0002884706010000102
步骤S7：根据获取的
Figure BDA0002884706010000103
和
Figure BDA0002884706010000104
之间的相位差Δθmn以及
Figure BDA00028847060100001021
和
Figure BDA00028847060100001022
之间的相位差Δθnmc，判别区、内外故障。根据区、内外故障下相位差Δθmn和相位差Δθnmc的极性差异，构造保 护判据。当Δθmn和Δθnmc极性相反，即Δθmn与Δθnmc的乘积小于0时，判为区内故障；若Δθmn和Δθnmc极性相同，即Δθmn与Δθnmc的乘积大于等于0时，判为区外故障。
对于区外故障，谐波电压
Figure BDA0002884706010000107
和相位差Δθnmc可表示成式(5)和(6)，Znn是被保护 线路n侧阻抗。由于微电网系统及线路阻抗均呈感性，系统及线路阻抗角均∈(0°，90°)， 根据式(3)和(6)可得，对于环型和辐射型结构微电网，Δθmn和Δθnmc都∈(0°，90°)， 另外考虑到谐波电压
Figure BDA0002884706010000108
和
Figure BDA0002884706010000109
与谐波电流
Figure BDA00028847060100001023
可能方向相反，即被保护线路m侧功率流 向为反方向时，Δθmn和Δθnmc也可能∈(-180°，-90°)。
Figure BDA00028847060100001011
Figure BDA00028847060100001024
对于区内故障，谐波电压
Figure BDA00028847060100001012
和相位差Δθnmc可变换成式(7)和(8)，
Figure BDA00028847060100001025
是故障 点hω频次谐波电压，
Figure BDA00028847060100001014
是故障支路hω频次谐波电流，Zmn2是故障点与被保护线路n 侧之间的阻抗，RF是故障电阻，k是故障支路谐波电流
Figure BDA00028847060100001015
与被保护线路m侧谐波电流
Figure BDA00028847060100001016
的幅值比，k大于1，ΔθFm是
Figure BDA00028847060100001017
和
Figure BDA00028847060100001018
的相位差。
Figure BDA00028847060100001019
Figure BDA00028847060100001020
同样地，被保护线路总阻抗Zmn以及故障点与被保护线路n侧之间的阻抗Zmn2的相位角均∈(0°，90°)，根据式(3)和(8)可得，对于环型和辐射型结构微电网，Δθmn也 都∈(0°，90°)，Δθnmc则还与故障电阻RF以及相位差ΔθFm有关。当故障电阻RF等于0时， Δθnmc的相位范围如图4所示，对于环型或辐射型结构微电网，Δθnmc都∈(-180°，-90°)。 当故障电阻RF不等于0时，Δθnmc将受kRF与Zmn2大小关系以及相位差ΔθFm影响，对于 环型结构微电网，作为距离逆变型微源更近的一侧，
Figure BDA0002884706010000111
的相位总是超前或接近于
Figure BDA0002884706010000112
的相 位，即ΔθFm总是满足小于等于0°，当ΔθFm等于0°且kRF小于Zmn2时，Δθnmc的相位范围 如图5(a)所示，Δθnmc∈(-180°，0°)；当ΔθFm等于0°且kRF大于Zmn2时，Δθnmc的相位 范围如图5(b)所示，Δθnmc∈(-180°，0°)；当ΔθFm小于0°且kRF小于Zmn2时，Δθnmc的 相位范围如图5(c)所示，Δθnmc∈(-180°，0°)；当ΔθFm小于0°且kRF大于Zmn2时，Δθnmc的相位范围如图5(d)所示，Δθnmc∈(-180°，0°)。对于辐射型结构微电网，作为距离逆 变型微源更近的一侧，
Figure BDA0002884706010000113
的相位总是接近于
Figure BDA0002884706010000114
的相位，即ΔθFm近似等于0°，此时，当 kRF小于Zmn2时，Δθnmc的相位范围如图6(a)所示，Δθnmc∈(-180°，0°)；当kRF大于Zmn2时，Δθnmc的相位范围如图6(b)所示，Δθnmc也∈(-180°，0°)。
总的来说，对于区外故障，若被保护线路m侧功率流向为正方向，Δθmn和Δθnmc都∈(0°，90°)，若被保护线路m侧功率流向为反方向，Δθmn和Δθnmc都∈(-180°，-90°)；而对 于区内故障，Δθmn和Δθnmc总是满足Δθmn∈(0°，90°)、Δθnmc∈(-180°，0°)。
步骤S8：若被保护线路m侧保护装置判定为区内故障时，则向m侧断路器发送跳闸信号，若判定为区外故障，则不向m侧断路器发送跳闸信号。
在PSCAD/EMTDC中建立了图1所示的微电网模型。其中，三个逆变型微源IBDG1、IBDG2和IBDG3的容量分别为(50+j5)kVA、(100+j10)kVA和(50+j5)kVA，逆变 型微源均采用具有电流限幅功能的下垂控制策略，注入的谐波分量分别为8、9和10次 谐波；三个负载L-1，L-2和L-3的容量分别为(100+j10)kVA，(50+j5)kVA和(50+j5) kVA；线路阻抗设为(1.8+j0.94)Ω/km，系统中所有馈线长度均设为100m。
t＝0.5s时，图1环型结构微电网中线路12的F1处发生单相接地故障(A-G)且故障电阻为0时，线路12、线路23、线路34、线路45、线路56以及线路61两端Δθmn与Δθnmc的仿真结果分别如图7(a)-(f)所示，其中，图(a)为线路12的两端Δθmn与Δθnmc的 仿真结果图，图(b)为线路23的两端Δθmn与Δθnmc的仿真结果图，图(c)为线路34的 两端Δθmn与Δθnmc的仿真结果图，图(d)为线路45的两端Δθmn与Δθnmc的仿真结果图， 图(e)为线路56的两端Δθmn与Δθnmc的仿真结果图，图(f)为线路61的两端Δθmn与Δθnmc的仿真结果图。由图7(a)-(f)可知，故障线路12两端的保护装置R-12和R-21计算 得到的Δθmn与Δθnmc分别为76.23°和-104.44°以及51.04°和-103.1°，Δθmn和Δθnmc极性均相 反，即Δθmn与Δθnmc的乘积小于0，判为区内故障，而非故障线路23、34、45、56和61 两端的保护装置计算得到的Δθmn与Δθnmc极性均相同，即Δθmn与Δθnmc的乘积大于0，判为 区外故障，区内外故障均判断正确，证明本申请的技术方案可准确判别区内外故障。另 外，由于本技术方案通过快速傅里叶变换计算Δθmn与Δθnmc的极性差异来判断是否为区内 外故障，特征提取所需时间在20-40ms以内，且具有明确的保护边界条件，不需要配合 反时限保护原理即可实现保护选择性，相比于传统电流保护、距离保护等保护方案，本 技术方案的保护灵敏度和快速性更好。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分 互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法 实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 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，均包含在本 发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于相位极性特征的微电网主动注入式单端保护方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1：微电网系统中各逆变型微源均采用下垂控制策略，逆变型微源通过故障检测模块实时检测逆变器输出电压幅值和逆变器输出瞬时电流，判断其与设定的电压阈值和设定的电流阈值间的关系，进而判定逆变型微源的工作状态；
步骤S2：当逆变型微源工作状态判定为故障态时，故障信号置1，且谐波注入模块启动，向下垂控制策略的电流控制环输出的脉宽调制电压信号上叠加谐波分量，并且，逆变型微源输出电压和输出电流都经带阻滤波器滤除注入谐波分量后再反馈至电压电流控制环，使得逆变型微源在谐波频率处为开环控制状态；
步骤S3：微电网系统中被保护线路两端分别为m侧和n侧，被保护线路m侧保护装置实时采集三相电压与电流信号；
步骤S4：通过快速傅里叶变换提取被保护线路m侧基频电压幅值V1 m作为保护启动判据，如果V1 m≥0.9pu，判定为系统正常，并持续谐波电压、电流信号采样；如果V1 m<0.9pu，则判定为系统故障，启动保护装置进行区内外故障判别；
步骤S5：通过快速傅里叶变换提取被保护线路m侧保护装置配置注入频次的谐波电压和谐波电流，并根据被保护线路m侧谐波电压、谐波电流和被保护线路总阻抗，得到被保护线路n侧谐波电压；
步骤S6：计算被保护线路m侧谐波电压、谐波电流以及n侧谐波电压的相位，得到被保护线路m侧谐波电压与谐波电流的相位差以及被保护线路n侧谐波电压与被保护线路m侧谐波电流的相位差；
步骤S7：根据步骤S6获取的被保护线路m侧谐波电压与谐波电流的相位差，以及被保护线路n侧谐波电压与被保护线路m侧谐波电流的相位差，判别区、内外故障；
步骤S8：若被保护线路m侧保护装置判定为区内故障时，则向m侧断路器发送跳闸信号，若判定为区外故障，则不向m侧断路器发送跳闸信号。
2.根据权利要求1所述的基于相位极性特征的微电网主动注入式单端保护方法，其特征在于，所述步骤S1中逆变型微源工作状态为故障态和正常态；其中，逆变型微源输出电压幅值小于设定的电压阈值或逆变型微源输出瞬时电流大于设定的电流阈值时，判定逆变型微源处于故障态，故障检测模块输出信号置1，各逆变型微源由下垂控制模式切换至限流模式。
3.根据权利要求1所述的基于相位极性特征的微电网主动注入式单端保护方法，其特征在于，所述步骤S2中向下垂控制策略的电流控制环输出的脉宽调制电压信号上叠加谐波分量时，为消除各逆变型微源间互相耦合影响，微电网系统中各逆变型微源分别注入不同频率的谐波分量，且谐波频率均小于逆变器输出LCL滤波器的谐振频率。
4.根据权利要求1所述的基于相位极性特征的微电网主动注入式单端保护方法，其特征在于，所述步骤S5中被保护线路m侧保护装置配置距离最近的逆变型微源注入频次的谐波电压和谐波电流。
5.根据权利要求1所述的基于相位极性特征的微电网主动注入式单端保护方法，其特征在于，所述步骤S5中被保护线路n侧谐波电压为
Figure FDA0002884704000000021
其中，
Figure FDA0002884704000000022
为被保护线路m侧谐波电压，
Figure FDA0002884704000000023
为被保护线路m侧谐波电流，Zmn为被保护线路总阻抗。
6.根据权利要求1所述的基于相位极性特征的微电网主动注入式单端保护方法，其特征在于，所述步骤S6中被保护线路m侧谐波电压与谐波电流的相位差为
Figure FDA0002884704000000024
其中，Zmm为被保护线路m侧阻抗；
被保护线路n侧谐波电压与被保护线路m侧谐波电流的相位差为
Figure FDA0002884704000000025
7.根据权利要求1所述的基于相位极性特征的微电网主动注入式单端保护方法，其特征在于，所述步骤S7中判别区、内外故障具体为：
根据被保护线路m侧谐波电压与谐波电流的相位差以及被保护线路n侧谐波电压与被保护线路m侧谐波电流的相位差的极性差异，构造保护判据；被保护线路m侧谐波电压与谐波电流的相位差以及被保护线路n侧谐波电压与被保护线路m侧谐波电流的相位差乘积小于0时判定为区内故障，被保护线路m侧谐波电压与谐波电流的相位差以及被保护线路n侧谐波电压与被保护线路m侧谐波电流的相位差乘积大于等于0时判定为区外故障。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的基于相位极性特征的微电网主动注入式单端保护方法，其特征在于，所述区外故障时，被保护线路m侧谐波电压为
Figure FDA0002884704000000031
被保护线路n侧谐波电压与被保护线路m侧谐波电流的相位差为
Figure FDA0002884704000000032
其中，Znn是被保护线路n侧阻抗，被保护线路m侧阻抗和被保护线路n侧阻抗的相位角均∈(0°，90°)；
对于环型或辐射型结构微电网，当被保护线路m侧功率流向为正方向时，Δθmn和Δθnmc都∈(0°，90°)，当被保护线路m侧功率流向为反方向时，Δθmn和Δθmn都∈(-180°，-90°)，其中，规定从m侧输出为正方向；
区内故障时，被保护线路n侧谐波电压为
Figure FDA0002884704000000033
被保护线路n侧谐波电压与被保护线路m侧谐波电流的相位差为
Figure FDA0002884704000000034
其中，
Figure FDA0002884704000000035
是故障点谐波电压，
Figure FDA0002884704000000036
是故障支路谐波电流，Zmn2是故障点与被保护线路n侧之间的阻抗，RF是故障电阻，k是故障支路谐波电流与被保护线路m侧谐波电流的幅值比，k大于1，ΔθFm是故障支路谐波电流和被保护线路m侧谐波电流的相位差；
其中，被保护线路总阻抗Zmn以及故障点与被保护线路n侧之间的阻抗Zmn2的相位角均∈(0°，90°)，对于环型和辐射型结构微电网，Δθmn也都∈(0°，90°)，Δθnmc则还与故障电阻RF以及相位差ΔθFm有关，当故障电阻RF等于0时，对于环型或辐射型结构微电网，Δθnmc都∈(-180°，-90°)；当故障电阻RF不等于0时，Δθnmc将受kRF与Zmn2大小关系以及相位差ΔθFm影响，对于环型结构微电网，作为距离逆变型微源更近的一侧，
Figure FDA0002884704000000037
的相位总是超前或接近于
Figure FDA0002884704000000038
的相位，即ΔθFm总是满足小于等于0°，当ΔθFm等于0°且kRF小于Zmn2时，Δθnmc∈(-180°，0°)；当ΔθFm等于0°且kRF大于Zmn2时，Δθnmc∈(-180°，0°)；当ΔθFm小于0°且kRF小于Zmn2时，Δθnmc∈(-180°，0°)；当ΔθFm小于0°且kRF大于Zmn2时，Δθnmc∈(-180°，0°)；对于辐射型结构微电网，作为距离逆变型微源更近的一侧，
Figure FDA0002884704000000039
的相位总是接近于
Figure FDA0002884704000000041
的相位，即ΔθFm等于0°，此时，当kRF小于Zmn2时，Δθnmc∈(-180°，0°)；当kRF大于Zmn2时，Δθnmc也∈(-180°，0°)。
9.根据权利要求1-7任意一项所述的基于相位极性特征的微电网主动注入式单端保护方法，其特征在于，所述区外故障时，若被保护线路m侧功率流向为正方向，Δθmn和Δθnmc都∈(0°，90°)，若被保护线路m侧功率流向为反方向，Δθmn和Δθnmc都∈(-180°，-90°)；而对于区内故障，Δθmn和Δθnmc总是满足Δθmn∈(0°，90°)、Δθnmc∈(-180°，0°)。
10.根据权利要求1或2所述的基于相位极性特征的微电网主动注入式单端保护方法，其特征在于，所述步骤S1中设定的电压阈值设定为0.9pu，设定的电流阈值设定为两倍额定电流。
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