CN112952775B - 一种含分布式光伏电源的配电网电压量保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含分布式光伏电源的配电网电压量保护方法，属于配电网继电保护技术领域，通过在开关安装处采集三相电压以及每条出线的三相电流，并基于此计算出正序电压和各出线电流的正序故障分量，判断出故障类型，并利用“距离故障点越近，电压跌落越严重”的原理生成以正序电压量为主判据，以正序电流故障分量相位比较为辅助判据的新型电压量的保护方案。本发明可靠性高，保护逻辑简单，灵敏度高，在正常运行状态下，该保护不会因光伏接入容量、接入位置及光伏电源的波动性而误动；在故障情况下，该保护不会因反向故障电流或电流幅值减小而拒动，有效提高配电网供电的可靠性。

Description

一种含分布式光伏电源的配电网电压量保护方法

技术领域

本发明涉及配电网继电保护技术领域，具体是一种含分布式光伏电源的配电网电压量保护方法。

背景技术

为保证我国单电源辐射状配电网的正常运行，常用的保护方案是三段式电流保护。但光伏并网改变了传统配电网拓扑结构和电流流向，电流由单一流向变为多点流向，大小和方向也变得更为复杂，对电网的安全运行和继电保护提出了更高的要求。因此，亟需寻找一种新的保护方案来应对光伏并网导致的电流保护不正确动作等问题。

目前国内外应对光伏并网的保护方案主要有4种，即：(1)故障期间退出光伏电源，保持原有配网网络结构和故障电流分布，但容易造成系统失稳。(2)限制光伏接入容量、位置及故障电流，该方案不需改动原保护定值，但对保护可靠性和灵敏性有一定影响。此外限制光伏接入容量违背配网接入光伏的初衷，不利于光伏电源发展。(3)引入智能终端采集信息，并将信息利用通信网络汇聚，对多点信息综合分析判断，实现故障准确定位。该方案依赖通信网络实现保护的准确判断，成本高。(4)将输电网中的保护应用于配电网。有学者提出利用距离保护来解决光伏电源随机性问题，但该保护受过渡电阻影响较大。

上述方案均以电流量为判据设计，但当大规模光伏电源接入配电网，流过保护安装处的电流大小和方向不确定，导致保护误动或拒动。而正常情况下，电网任一处电压均在额定电压附近，光伏电源对配网电压影响很小；当电网故障时，距离故障点位置越近，电压跌落越严重。

公布号为CN 101764392 A的专利文献公开了一种基于多侧电流量电压量的变压器继电保护方法，其步骤为：1)继电保护装置获取变压器各侧三相电压、电流的采样值，然后计算出每相绕组的各侧电流量和电压量；2)继电保护装置根据电流量、电压量计算出各相绕组的分支阻抗；3)在阻抗平面上整定一个+R轴区域为动作区，分支阻抗落入区内超过一个整定时间，判断为变压器内部故障。但是，该发明不能解决解决大规模光伏电源接入配电网后短路故障的准确识别，以及配电保护的问题。

公布号为CN 111190121 A的专利文献公开了一种基于序分量的含分布式电源配电网故障分类方法及系统，包括：获取含分布式电源配电网中历史故障点的三相电流，将三相电流分解为正序分量、负序分量和零序分量；利用Fortescue序分量方法，根据三相电流的正序分量、负序分量和零序分量的振幅和相位关系构建故障识别指标；分别获取含分布式电源配电网在孤岛模式和并网模式下的短路故障数据，根据故障识别指标分别对所述短路故障数据进行分类。解决由于分布式电源的并网模式和孤岛模式的变化而无法判断配电网是否发生故障以及发生故障类型的错误诊断的问题。但是，该发明同样不能解决上述技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术的不足，提供的一种能够可靠识别分布式光伏电源接入情况下的配电网短路故障，并有效提高配电网供电可靠性的配电网电压量保护方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种含分布式光伏电源的配电网电压量保护方法，包括以下步骤：

步骤一：在开关安装处采集三相电压以及每条出线的三相电流；

步骤二：通过对称分量法提取三相电压和三相电流的各序分量，并依据各序电压量判断配电网是否发生故障，以及故障类型；

步骤三：计算电压I段保护定值，并根据相邻线路的电压I段保护定值、保护安装处的正序电流量及线路阻抗计算电压II段保护定值；

步骤四：如果开关安装处采集到的正序电压量均大于该开关的电压II段保护定值，则开关不动作；如果开关安装处采集到的正序电压量不大于该开关的电压II段保护定值，则进行步骤五；

步骤五：如果开关安装处采集到的正序电压量大于电压I段保护定值，则进行步骤六；如果开关安装处采集的正序电压量不大于电压I段保护定值，则进行步骤七；

步骤六：如果开关安装处采集到的正序电流故障分量相位与接于同一母线上的其它线路的正序电流故障分量的相位几乎相反，则启动电压II段保护动作，经延时后断开开关；否则，开关不动作；

步骤七：如果开关安装处采集到的正序电流故障分量相位与接于同一母线上的其它线路的正序电流故障分量的相位几乎相反，则电压I段保护和电压II段保护均启动，并经过电压I段保护的延时切除故障；否则，开关不动作。

进一步的，步骤二中，通过式(1)和式(2)计算正序电压和正序电流分量；

其中，a＝e^j120°；U_A、U_B、U_C为保护安装处相电压/kV；U_A(1)、U_A(2)、U_A(0)为正序、负序和零序电压/kV；I_A、I_B、I_C为保护安装处开关采集到的相电流/kA；I_A(1)、I_A(2)、I_A(0)为正序、负序和零序电流/kA；

如果各序电压分量满足U_A(1)≠0，U_A(2)≠0，U_A(0)＝0，可以判断故障类型为两相短路；如果各序电压分量满足U_A(1)≠0，U_A(2)≠0，U_A(0)≠0，可以判定故障类型为两相接地短路；如果各序电压分量满足U_A(1)≠0，U_A(2)＝0，U_A(0)＝0，则可判定为三相短路。

进一步的，步骤三中，通过式(3)计算开关的电压I段保护定值：

其中，U_set.Ⅰ为开关的电压I段保护定值/kV；K_Ⅰ为电压I段的可靠系数，K_Ⅰ＜1；U₍₃₎₍₁₎为系统最小运行方式下，线路末端发生三相短路时，开关测得正序电压；U₍₂₎₍₁₎为系统最小运行方式下，线路末端发生两相短路时，开关测得正序电压；

当开关判断配电网发生三相短路时，电压I段保护定值则取K₁U₍₃₎₍₁₎；若配电网发生两相短路或两相接地短路时，电压I段保护定值则取K₁U₍₂₎₍₁₎。

进一步的，步骤三中，通过式(4)计算开关的电压II段保护定值：

U_set.Ⅱ＝K_ⅡU’_set.Ⅰ+I₍₁₎Z (4)

其中，U_set.Ⅱ为开关的电压II段保护定值/kV；K_Ⅱ为电压II段可靠系数，K_Ⅱ＜1；U’_set.Ⅰ为下一级开关的电压I段保护定值；I₍₁₎为流过本级开关的正序电流/kA；Z为本级线路的线路阻抗/Ω。

进一步的，正序电流故障分量的相位判据需满足式(5)：

其中，n为除光伏支路外目线上所有支路数；ΔI_k为开关安装处从采集到的正序电流故障分量；ΔI_j为除光伏电源支路外，接于同一母线上的其它支路的正序电流故障分量。

随着智能电网的发展，配电网的建设规模不断扩大。由于分布式电源的存在，配电网中出现了许多新问题。分布式电源接入配电网会改变电网原有的单电源、放射状结构特征，使配电网成为一个功率双向流动的网络，使故障电流的特性发生很大的变化，对现有的故障定位产生影响，因此，面对这种情况，现有技术人员容易想到的是对含分布式电源的配电网进行故障分类，如公布号CN 111190121 A专利文献公开的一种基于序分量的含分布式电源配电网故障分类方法及系统，包括：获取含分布式电源配电网中历史故障点的三相电流，将三相电流分解为正序分量、负序分量和零序分量；利用Fortescue序分量方法，根据三相电流的正序分量、负序分量和零序分量的振幅和相位关系构建故障识别指标；分别获取含分布式电源配电网在孤岛模式和并网模式下的短路故障数据，根据故障识别指标分别对所述短路故障数据进行分类。由此可知，本申请采用以正序电压量为主判据，以正序电流故障分量相位比较为辅助判据的新型电压量的保护方案，以保证大规模光伏电源接入配电网后保护能够正确动作，维持配电网可靠运行，对本领域技术人员来说不容易想到。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明利用开关安装处的正序电压量来判断该区域是否发生故障，利用各出线的正序电流故障分量的相位比较选择具体故障线路，仅需测量单端电气量，不需要使用远程通信技术，不受短路故障类型和分布式电源接入位置的影响，能够可靠定位故障点。

本发明通过在开关安装处采集三相电压以及每条出线的三相电流，并基于此计算出正序电压和各出线电流的正序故障分量，判断出故障类型，并利用“距离故障点越近，电压跌落越严重”的原理生成以正序电压量为主判据，以正序电流故障分量相位比较为辅助判据的新型电压量的保护方案。

本发明只需测量单端电气量，可靠性高，保护逻辑简单，灵敏度高。在正常运行状态下，该保护不会因光伏接入容量、接入位置及光伏电源的波动性而误动；在故障情况下，该保护不会因反向故障电流或电流幅值减小而拒动，有效提高配电网供电的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例三中10kV配电网仿真模型示意图；

图2是本发明实施例三中不同类型故障时保护测得正序电压示意图；

图3是本发明实施例三中断线加负荷侧接地时4条出线正序电流突变量幅值示意图；

图4是本发明实施例三中保护动作流程图；

图5是本发明实施例三中不同位置故障时各保护的动作特性图；

图6是本发明实施例三中不同故障类型时各保护的动作特性图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

实施例一

一种含分布式光伏电源的配电网电压量保护方法，包括以下步骤：

步骤一：在开关安装处采集三相电压以及每条出线的三相电流；

步骤二：通过对称分量法提取三相电压和三相电流的各序分量，并依据各序电压量判断配电网是否发生故障，以及故障类型；

步骤三：计算电压I段保护定值，并根据相邻线路的电压I段保护定值、保护安装处的正序电流量及线路阻抗计算电压II段保护定值；

步骤四：如果开关安装处采集到的正序电压量均大于该开关的电压II段保护定值，则开关不动作；如果开关安装处采集到的正序电压量不大于该开关的电压II段保护定值，则进行步骤五；

步骤五：如果开关安装处采集到的正序电压量大于电压I段保护定值，则进行步骤六；如果开关安装处采集的正序电压量不大于电压I段保护定值，则进行步骤七；

步骤六：如果开关安装处采集到的正序电流故障分量相位与接于同一母线上的其它线路的正序电流故障分量的相位几乎相反，则启动电压II段保护动作，经延时后断开开关；否则，开关不动作；

步骤七：如果开关安装处采集到的正序电流故障分量相位与接于同一母线上的其它线路的正序电流故障分量的相位几乎相反，则电压I段保护和电压II段保护均启动，并经过电压I段保护的延时切除故障；否则，开关不动作。

实施例二

本发明实施例的含分布式光伏电源的配电网电压量保护方法，与实施例一的不同之处在于：通过式(1)和式(2)计算正序电压和正序电流分量；

其中，a＝e^j120°；U_A、U_B、U_C为保护安装处相电压/kV；U_A(1)、U_A(2)、U_A(0)为正序、负序和零序电压/kV；I_A、I_B、I_C为保护安装处开关采集到的相电流/kA；I_A(1)、I_A(2)、I_A(0)为正序、负序和零序电流/kA；

如果各序电压分量满足U_A(1)≠0，U_A(2)≠0，U_A(0)＝0，可以判断故障类型为两相短路；如果各序电压分量满足U_A(1)≠0，U_A(2)≠0，U_A(0)≠0，可以判定故障类型为两相接地短路；如果各序电压分量满足U_A(1)≠0，U_A(2)＝0，U_A(0)＝0，则可判定为三相短路。

通过式(3)计算开关的电压I段保护定值：

其中，U_set.Ⅰ为开关的电压I段保护定值/kV；K_Ⅰ为电压I段的可靠系数，K_Ⅰ＜1；U₍₃₎₍₁₎为系统最小运行方式下，线路末端发生三相短路时，开关测得正序电压；U₍₂₎₍₁₎为系统最小运行方式下，线路末端发生两相短路时，开关测得正序电压；

当开关判断配电网发生三相短路时，电压I段保护定值则取K₁U₍₃₎₍₁₎；若配电网发生两相短路或两相接地短路时，电压I段保护定值则取K₁U₍₂₎₍₁₎。

步骤三中，通过式(4)计算开关的电压II段保护定值：

U_set.Ⅱ＝K_ⅡU’_set.Ⅰ+I₍₁₎Z (4)

其中，U_set.Ⅱ为开关的电压II段保护定值/kV；K_Ⅱ为电压II段可靠系数，K_Ⅱ＜1；U’_set.Ⅰ为下一级开关的电压I段保护定值；I₍₁₎为流过本级开关的正序电流/kA；Z为本级线路的线路阻抗/Ω。

正序电流故障分量的相位判据需满足式(5)：

其中，n为除光伏支路外目线上所有支路数；ΔI_k为开关安装处从采集到的正序电流故障分量；ΔI_j为除光伏电源支路外，接于同一母线上的其它支路的正序电流故障分量。

实施例三

一种含分布式光伏电源的配电网电压量保护方法，包括以下步骤：

步骤一：在开关安装处采集三相电压以及每条出线的三相电流。

步骤二：通过式(1)和式(2)提取三相电压和三相电流的各序分量，并依据表1判断配电网是否发生故障，以及故障类型。

其中a＝e^j120°；U_A、U_B、U_C为保护安装处相电压/kV；U_A(1)、U_A(2)、U_A(0)为正序、负序和零序电压/kV；I_A、I_B、I_C为保护安装处开关采集到的相电流/kA；I_A(1)、I_A(2)、I_A(0)为正序、负序和零序电流/kA。

表1基于对称分量法的序电压分量特征

步骤三：基于步骤二判断出的故障类型，利用式(3)计算电压I段保护定值，并根据相邻线路的电压I段保护定值、保护安装处的正序电流量及线路阻抗利用式(4)计算电压II段保护定值。

其中U_set.Ⅰ为开关的电压I段保护定值/kV；K_Ⅰ为电压I段的可靠系数，K_Ⅰ＜1；U₍₃₎₍₁₎为系统最小运行方式下，线路末端发生三相短路时，开关测得正序电压；U₍₂₎₍₁₎为系统最小运行方式下，线路末端发生两相短路时，开关测得正序电压。

U_set.Ⅱ＝K_ⅡU’_set.Ⅰ+I₍₁₎Z (4)

其中U_set.Ⅱ为开关的电压II段保护定值/kV；K_Ⅱ为电压II段可靠系数，K_Ⅱ＜1；U’_set.Ⅰ为下一级开关的电压I段保护定值；I₍₁₎为流过本级开关的正序电流/kA；Z为本级线路的线路阻抗/Ω。

步骤四：如果开关安装处采集到的正序电压量均大于该开关的电压II段保护定值，则开关不动作；如果开关安装处采集到的正序电压量不大于该开关的电压II段保护定值，则进行步骤五。

步骤五：如果开关安装处采集到的正序电压量大于电压I段保护定值，则进行步骤六；如果开关安装处采集的正序电压量不大于电压I段保护定值，则进行步骤七。

步骤六：如果开关安装处采集到的正序电流故障分量相位与接于同一母线上的其它线路的正序电流故障分量的相位满足式(5)，则启动电压II段保护动作，经延时后断开开关；否则，开关不动作。

其中n为除光伏支路外目线上所有支路数；ΔI_k为开关安装处从采集到的正序电流故障分量；ΔI_j为除光伏电源支路外，接于同一母线上的其它支路的正序电流故障分量。

步骤七：如果开关安装处采集到的正序电流故障分量相位与接于同一母线上的其它线路的正序电流故障分量的相位满足式(5)，则电压I段保护和电压II段保护均启动，并经过电压I段保护的延时切除故障；否则，开关不动作。

本发明实施例建立仿真模型进行演示：

图1为基于PSCAD建立的10kV配电网仿真模型示意图；在该配电网中，分别在母线C、母线E和母线G上安装了三个光伏电源。系统电源电压E_s＝10.5kV，最大和最小运行方式等值阻抗Z_smax＝0.2756Ω，Z_smin＝0.3675Ω，线路均为架空线路，且长度为2km，线路阻抗为r+jx＝0.27+j0.346Ω/km，负荷大小均为S_L＝1.7+j1.054MVA。

图2为当三个光伏电源容量均为6MW，系统在最大运行方式，不同位置故障时，各保护测得正序电压。横坐标是故障点至R1距离，纵坐标是各保护测得正序电压。由图可知正序电压满足阶梯性原则，且在任何类型故障下均存在且稳定，利用其设计的保护简单可靠。但当线路BC故障时，R2测得正序电压与故障类型有关。线路末端三相短路时测得正序电压小于线路首端两相短路时的正序电压，若保护方案不针对故障类型分别设计，灵敏度很难保证。本文针对故障类型分别整定保护定值，保证选择性，提高灵敏度。

图3为忽略光伏支路正序故障分量时，图1所示的配电网在F1处发生故障时的正序故障分量电路图，Z_eq为母线C右侧线路和负荷的等值阻抗。可以看出，流过故障线路的正序故障电流相位至少与接于同一母线上的两条线路的正序故障电流相位相反，结合延时时间可以基于正序故障电流相位可以判断出具体的故障线路。

图4为基于正序电压量及正序电流故障分量的保护动作流程图，虚线框是光伏侧保护R1’～R6’，对于系统侧保护R1～R6不需要进行延时。

图5为系统在最大运行方式，光伏接入容量均为2MW，线路AB和CD的30％处发生两相短路时，各保护的动作特性。

由图5中的(a)部分可知，在线路AB的30％处两相短路时，故障期间仅有正序和负序电压，判为两相短路；由图5中的(b)部分可知，正常情况下正序电压大于保护定值，R1不动作；故障期间正序电压小于I段定值，满足电压判据；由图5中的(c)部分可知，故障期间R测得正序电压小于I段定值，满足电压判据。又由表3知，保护R1和R的正序故障电流相位与接于同一条母线上的其它线路的正序故障电流相位满足电流判据，故保护R1和R既满足电压判据又满足电流判据，两保护将瞬时动作切除故障。

图6为系统在最大运行方式，光伏接入容量均为2MW，线路CD的30％处三相短路时，各保护的动作特性。由图6中的(a)部分可知，保护R2测得正序电压低于其II段定值，满足电压判据，图6中的(b)部分给出保护R2的正序故障电流相位满足电流判据，保护R2电压II段启动。由图6可知，故障期间保护R3测得正序电压低于电压I段定值且满足电流判据，故R3瞬时动作切除故障。若R3拒动，保护R2将延时动作。故障期间，R4’既满足电压判据也满足电流判据，故R4’将延时动作切除故障。由图5和图6的对比可知，三相短路时正序电压跌落严重，保护灵敏度更高，保护范围更大，且该保护方案对于两种故障类型均适用。

表2两相短路时光伏容量对保护范围的影响

表2为改变图1中光伏接入容量，线路CD两相短路时，保护R3的保护范围。由表2可知，未接入光伏时，电压I段保护范围可达到50％，随着光伏接入容量增加，保护范围减少；当光伏接入容量均达到6MW时，电压I段保护范围在15％左右。光伏接入容量的增加，电压II段保护范围减少，当光伏接入容量均为5MW时，II段不能保护线路全长。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种含分布式光伏电源的配电网电压量保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在开关安装处采集三相电压以及每条出线的三相电流；

步骤二：通过对称分量法提取三相电压和三相电流的各序分量，并依据各序电压量判断配电网是否发生故障，以及故障类型；

步骤三：计算电压I段保护定值，并根据相邻线路的电压I段保护定值、保护安装处的正序电流量及线路阻抗计算电压II段保护定值；

步骤四：如果开关安装处采集到的正序电压量均大于该开关的电压II段保护定值，则开关不动作；如果开关安装处采集到的正序电压量不大于该开关的电压II段保护定值，则进行步骤五；

步骤五：如果开关安装处采集到的正序电压量大于电压I段保护定值，则进行步骤六；如果开关安装处采集的正序电压量不大于电压I段保护定值，则进行步骤七；

步骤六：如果开关安装处采集到的正序电流故障分量相位与接于同一母线上的其它线路的正序电流故障分量的相位相反，则启动电压II段保护动作，经延时后断开开关；否则，开关不动作；

步骤七：如果开关安装处采集到的正序电流故障分量相位与接于同一母线上的其它线路的正序电流故障分量的相位相反，则电压I段保护和电压II段保护均启动，并经过电压I段保护的延时切除故障；否则，开关不动作。

2.如权利要求1所述的含分布式光伏电源的配电网电压量保护方法，其特征在于：步骤二中，通过式(1)和式(2)计算正序电压和正序电流分量；

其中，a＝e^j120°；U_A、U_B、U_C为保护安装处相电压/kV；U_A(1)、U_A(2)、U_A(0)为正序、负序和零序电压/kV；I_A、I_B、I_C为保护安装处开关采集到的相电流/kA；I_A(1)、I_A(2)、I_A(0)为正序、负序和零序电流/kA；

如果各序电压分量满足U_A(1)≠0，U_A(2)≠0，U_A(0)＝0，判断故障类型为两相短路；如果各序电压分量满足U_A(1)≠0，U_A(2)≠0，U_A(0)≠0，判定故障类型为两相接地短路；如果各序电压分量满足U_A(1)≠0，U_A(2)＝0，U_A(0)＝0，则判定为三相短路。

3.如权利要求2所述的含分布式光伏电源的配电网电压量保护方法，其特征在于：步骤三中，通过式(3)计算开关的电压I段保护定值：

其中，U_set.Ⅰ为开关的电压I段保护定值/kV；K_Ⅰ为电压I段的可靠系数，K_Ⅰ＜1；U₍₃₎₍₁₎为系统最小运行方式下，线路末端发生三相短路时，开关测得正序电压；U₍₂₎₍₁₎为系统最小运行方式下，线路末端发生两相短路时，开关测得正序电压；

当开关判断配电网发生三相短路时，电压I段保护定值则取K₁U₍₃₎₍₁₎；若配电网发生两相短路或两相接地短路时，电压I段保护定值则取K₁U₍₂₎₍₁₎。

4.如权利要求3所述的含分布式光伏电源的配电网电压量保护方法，其特征在于：步骤三中，通过式(4)计算开关的电压II段保护定值：

U_set.Ⅱ＝K_ⅡU'_set.Ⅰ+I₍₁₎Z (4)

其中，U_set.Ⅱ为开关的电压II段保护定值/kV；K_Ⅱ为电压II段可靠系数，K_Ⅱ＜1；U’_set.Ⅰ为下一级开关的电压I段保护定值；I₍₁₎为流过本级开关的正序电流/kA；Z为本级线路的线路阻抗/Ω。

5.如权利要求4所述的含分布式光伏电源的配电网电压量保护方法，其特征在于：正序电流故障分量的相位判据需满足式(5)：

其中，n为除光伏支路外目线上所有支路数；ΔI_k为开关安装处从采集到的正序电流故障分量；ΔI_j为除光伏电源支路外，接于同一母线上的其它支路的正序电流故障分量。

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