CN113241737B - 一种基于电流温度映射的独立微电网保护方法 - Google Patents

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    • G01R31/52—Testing for short-circuits, leakage current or ground faults

Abstract

本发明公开了一种基于电流温度映射的独立微电网保护方法，首先实时测量待保护独立微电网线路的电流和温度，通过热路模型法计算得到缆芯温度，并得出线路各点的电流—温度映射关系；将实时测得的电流—温度映射关系与正常运行时的基准映射进行比较，得到相对于基准映射的映射偏移度，并用该映射偏移度作为故障判据；通过比较所述故障判据实际运算值与整定值之间的大小来识别故障，并进行故障测距，进而启用相应的保护措施。该方法解决了独立微电网故障电流水平低导致传统的配电网三段式电流保护无法在故障发生时可靠启动并切除故障线路的问题。

Description

一种基于电流温度映射的独立微电网保护方法
技术领域
本发明涉及新能源电源独立微电网系统保护技术领域，尤其涉及一种基于电流温度映射的独立微电网保护方法。
背景技术
近年来，随着新能源电源及电力电子装置的大规模投入，以电缆线路为主的独立微电网在我国电网中的占比不断提升。然而独立微电网中变流器接口的电源形式和电流限幅环节使得故障电流特征微弱，负荷电流对故障电流分布产生的影响明显，同时分布式电源带来的拓扑结构复杂化使线路电流存在更大的双向流动可能性。因此微电网特征弱、变化多的特点给基于电气量的传统保护带来了巨大挑战，极大降低了系统的可靠性与新能源的利用效率。新的微电网保护思路亟待研究，新能源电源的出力具有波动性、随机性等特征导致工频故障特征量提取困难，且由于新能源场站一般采用电力电子换流器并入电网，其短路电流呈现出幅值受限、频率偏移、畸变、谐波等独特特性，与同步发电机的故障特性截然不同。上述原因导致传统的基于同步发电机故障特性的保护原理出现灵敏度下降的适应性问题、甚至存在误、拒动风险，传统保护面临挑战。
在独立交流微电网当中，由于电气量故障特征不明显，使得传统电气量保护更易受外界干扰，抗干扰能力有限，可靠性难以保证；同时基于通信系统的保护虽然有较强的适应能力，但需处理大量数据，不同线路间的配合复杂，通信要求高。此外，上述保护方法仍基于电气量保护判据的计算，未从根本上解决独立微网中电气量故障特征微弱、运行方式多变的问题，独立微电网尚缺乏一种简单可靠、耐受干扰能力强的保护手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电流温度映射的独立微电网保护方法，该方法解决了独立微电网故障电流水平低导致传统的配电网三段式电流保护无法在故障发生时可靠启动并切除故障线路的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于电流温度映射的独立微电网保护方法，所述方法包括：
步骤1、实时测量待保护独立微电网线路的电流和温度，通过热路模型法计算得到缆芯温度；
步骤2、将步骤1实时测得的缆芯温度与正常运行时的基准映射进行比较，得到相对于基准映射的映射偏移度，并用该映射偏移度作为故障判据；
步骤3、通过比较所述故障判据实际运算值与整定值之间的大小来识别故障，并进行故障测距，进而启用相应的保护措施。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法解决了独立微电网故障电流水平低导致传统的配电网三段式电流保护无法在故障发生时可靠启动并切除故障线路的问题，且不受新能源、控制策略、输出功率、运行方式影响，具有高可靠性和灵敏性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明实施例提供的基于电流温度映射的独立微电网保护方法流程示意图；
图2为本发明所举实例独立微电网简化拓扑结构示意图；
图3为本发明所举实例电缆线路故障后保护检测其温升特性的原理图；
图4为本发明所举实例发生接地故障时映射偏移度的变化曲线；
图5为为本发明所举实例温度变化率的变化曲线；
图6为本发明所举实例三次人工故障保护所测温度的曲线示意图；
图7为本发明所举实例人工故障保护动作的实测曲线示意图。
具体实施方式
下面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，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的基于电流温度映射的独立微电网保护方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、实时测量待保护独立微电网线路的电流和温度，通过热路模型法计算得到缆芯温度；
在该步骤中，具体可以在待保护独立微电网线路上安装分布式光纤测温装置，通过该分布式光纤测温装置进行电流和温度测量。
具体实现中，通过热路模型法计算得到缆芯温度，具体计算表达式为：
Figure BDA0003037759190000031
Figure BDA0003037759190000032
式中，Ri、Rs、Re分别为绝缘层、铝护套和外护套的等值热阻；Td、Ti、Ts、Te分别为导体与结缘层、绝缘层与铝护套、铝护套与外护套以及外表面的温度；Qc、Qi、Qs分别为缆单位长度的缆芯热耗、绝缘层介质损耗以及金属层环涡损耗；I为流过电缆线芯的电流有效值；R′为导体单位长度的直流电阻；Ys为集肤效应系数；Yp为邻近效应系数；ω＝2πf，f为系统频率；U0为电缆线路的相电压；tanδ为绝缘的介质损耗因数；ε为绝缘介质的介电常数；Di为电缆绝缘层的直径；dc为电缆线芯导体的直径；λ1与λ2分别为环流损耗与涡流损耗对应导体损耗的系数，其中环流损耗系数求解表达式为λ1＝Rs/R·[1/(1+Rs2/X 2)]，R为缆芯电阻；涡流损耗系数λ2通常极小，忽略不计。
步骤2、将步骤1实时测得的缆芯温度与正常运行时的基准映射进行比较，得到相对于基准映射的映射偏移度，并用该映射偏移度作为故障判据；
在该步骤中，利用故障后故障点电流变化不大、温度却快速升高的特性，利用线路故障前后故障点处的温度差异，构造综合了电流与温度信息的保护故障判据，具体来说：
采用的故障判据表示为：ΔTI＝Tf-T0＝Tf-ai2-b
式中，Tf为当前测得缆芯温度；T0为基准映射；i为测量电流；ΔTI为相对于基准映射的映射偏移度；参数a、b可经仿真拟合获得，对于10kV电力电缆而言，经仿真得到a＝1.21×10-4，b＝19.8；
基于上式，当系统正常运行时，由于线路中电流发热较小，故障点测量温度和基准映射所对应的温度相差较小，故映射偏移度ΔTI趋于0；当系统发生故障且新能源场站正常出力时，故障点处由于电弧发热，温度存在较大差异，导致映射偏移度ΔTI大于0，以此来识别是否发生故障。
步骤3、通过比较所述故障判据实际运算值与整定值之间的大小来识别故障，并进行故障测距，进而启用相应的保护措施。
在该步骤中，考虑到断线或负荷电流突然减小特殊情况导致的保护误动问题，增设辅助判据，当温度的时间变化率大于整定值时，进行故障测距，具体表达式为；
Figure BDA0003037759190000041
式中，Tt为当前某位置缆芯温度；Tt-1为该位置上一时刻缆芯温度；Tset为偏移度整定值；kset为温度时间变化率的整定值，温度时间变化率的整定值kset为0.5即可满足要求；tc为温度采集周期；ΔTI为相对于基准映射的映射偏移度；
上式表示：若线路某点满足映射偏移度ΔTI大于Tset，且满足温度的时间变化率大于kset时，则进行故障测距。
另外，偏移度整定值Tset包括CT幅值误差、干扰热源误差、故障电流增幅误差及裕度系数，具体表示为：
Tset＝TCT+TSRC+TARC+TR
式中，TCT为CT误差；TSRC为热源误差；TARC为故障电流增幅误差；TR为保护裕度；
具体实现中，根据上述误差的最大可能值并留有一定的裕度，可以选取CT误差为1.5，热源误差为10，故障电流增幅误差为5，计算得到偏移度整定值Tset为20。
另外，启用相应的保护措施具体过程为：
若发生单相故障，则判定满足故障判据的相别为故障相，继电保护装置发出故障相跳闸命令，非故障相仍继续运行；
若发生两相或三相故障，则判定满足故障判据的相别为故障相，继电保护装置发出三相全部跳闸命令。
下面以具体的实例对上述方法的过程进行详细描述，如图2所示为本发明所举实例独立微电网简化拓扑结构示意图，微电网模型的电压等级为10kV，配送线路为交联聚乙烯(XLPE)电力电缆。其中，Load1和Load2均为三相对称负荷，储能电源作为主控电源，实现整个微电网系统的主要电能供应，各分布式电源在正常运行时均采用mppt控制策略，K1、K2、K3分别代表微电网内部不同位置发生故障。其中，微电网基准电压10kV，主控电源储能电源额定功率为200kVA，光伏电源额定功率均为160kW。各线路长度为1km，线路正序阻抗参数为0.336+j0.08Ω/km，零序阻抗参数为3.36+j0.28Ω/km。根据图2中的拓扑结构及上述参数在PSCAD中搭建独立微电网系统电磁暂态模型以验证本发明提出的保护算法。
如图3所示为本发明所举实例电缆线路故障后保护检测其温升特性的原理图，电缆故障随机发生于任何部位，因此当故障发生在图示的三角形区域时，考虑到对称性，光纤测温装置可能测得A、B、C、D、E五个典型位置的温度特性。可以看出，保护的动作时间会随着故障位置的不同而产生一定的影响，但该影响并不影响本发明所提保护方案的可行性。
如图4所示为本发明所举实例发生接地故障时映射偏移度的变化曲线，如图5所示为温度变化率的变化曲线，由图4和5可知：故障前线路温度处于较为稳定的状态，而且符合线路所流过的电流相对应，而故障后故障点的温度迅速升高，温度随时间变化的上升率较大，能明显地观察到映射偏移度迅速越过了保护判据的整定值，因此利用电流—温度映射来构造保护原理是可行的。
如图6所示为本发明所举实例三次人工故障保护所测温度的曲线示意图，由图可知：保护实测故障位置为28～32m，测量精度约为4m左右，该精度可以满足保护故障测距的要求。
如图7所示为本发明所举实例人工故障保护动作的实测曲线示意图，可以看出：保护方法具有较高的耐受环境干扰热源的能力，该实验证明了基于电流—温度映射微电网保护的有效性。
为进一步验证本发明所提方法的有效性，构建了保护实验平台，该实验平台由两部分组成，分别为故障模拟系统以及基于电流—温度的保护装置。在故障模拟系统中通过人工故障实验来近似模拟真实电缆故障，以此来验证保护的动作性能。
具体需要对不同故障场景进行仿真，故障类型设置为接地故障和相间故障，考虑到电弧特征电压参数u0的取值范围为0.3～4kv，故分别设置u0取0.3、1、2、4进行仿真。考虑到故障发生时测温点不同将会导致不同的保护动作时长，故分别设置测温点如图3中的A、B、C、D、E为例进行仿真验证。针对电缆故障时不同故障位置、不同故障类型等情况进行了大量研究，表1与表2给出了实验结果以及保护的动作时间，其中表1给出了线路不同故障严重程度下保护的动作时间；表2给出了经不同过渡电阻接地故障下，保护的动作时间情况。
表1
Figure BDA0003037759190000051
Figure BDA0003037759190000061
表2
Figure BDA0003037759190000062
通过上述人工故障实验结果表明：各种典型电弧条件下发生所有类型故障时，新原理保护都能够可靠灵敏地识别，保护的动作时间最长为52s，最短处可以达到1s以内。对于任何故障，保护有50％的概率能够在30s内可靠动作，有75％的概率能够在45s内可靠动作，符合时间整定的理论推导，对于速动性要求较低的微电网，该方法具有足够的可靠性。并且经不同过渡电阻接地故障发生时，由于故障点电流减小，映射偏移度越过于保护定值的时间向后延长了1～6s，保护最长动作时间仍能够保证在60s以内。过渡电阻对保护的速动性有轻微的影响，但处于可接受的范围内，因此保护方法具有足够的耐受高过渡电阻的能力。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
综上所述，本发明实施例具有如下优点：
(1)独立微电网线路故障时，该保护方法能够可靠动作，且能够对故障进行精确测距；
(2)该保护方法可以耐受较高过渡电阻；
(3)该保护方法不受新能源电源及负荷的出力不确定性影响，且针对微电网独立运行时所呈现出的弱故障特征，仍能够可靠动作。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于电流温度映射的独立微电网保护方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、实时测量待保护独立微电网线路的电流和温度，并计算得到缆芯温度；
其中，缆芯温度的计算表达式为：
Figure FDA0003884793890000011
Figure FDA0003884793890000012
式中，Ri、Rs、Re分别为绝缘层、铝护套和外护套的等值热阻；Td、Ti、Ts、Te分别为导体与结缘层、绝缘层与铝护套、铝护套与外护套以及外表面的温度；Qc、Qi、Qs分别为缆单位长度的缆芯热耗、绝缘层介质损耗以及金属层环涡损耗；I为流过电缆线芯的电流有效值；R′为导体单位长度的直流电阻；Ys为集肤效应系数；Yp为邻近效应系数；ω＝2πf，f为系统频率；U0为电缆线路的相电压；tanδ为绝缘的介质损耗因数；ε为绝缘介质的介电常数；Di为电缆绝缘层的直径；dc为电缆线芯导体的直径；λ1与λ2分别为环流损耗与涡流损耗对应导体损耗的系数，其中环流损耗系数求解表达式为λ1＝Rs/R·[1/(1+Rs2/X2)]，R为缆芯电阻；涡流损耗系数λ2通常极小，忽略不计；
步骤2、将步骤1实时测得的缆芯温度与正常运行时的基准映射进行比较，得到相对于基准映射的映射偏移度，并用该映射偏移度作为故障判据；
步骤3、通过比较所述故障判据实际运算值与整定值之间的大小来识别故障，并进行故障测距，进而启用相应的保护措施。
2.根据权利要求1所述基于电流温度映射的独立微电网保护方法，其特征在于，所述步骤2的过程具体为：
采用的故障判据表示为：ΔTI＝Tf-T0＝Tf-ai2-b
式中，Tf为当前测得缆芯温度；T0为基准映射；i为测量电流；ΔTI为相对于基准映射的映射偏移度；参数a、b经仿真拟合获得，对于10kV电力电缆而言，经仿真得到a＝1.21×10-4，b＝19.8；
基于上式，当系统正常运行时，由于线路中电流发热较小，故障点测量温度和基准映射所对应的温度相差较小，故映射偏移度ΔTI趋于0；当系统发生故障且新能源场站正常出力时，故障点处由于电弧发热，温度存在较大差异，导致映射偏移度ΔTI大于0，以此来识别是否发生故障。
3.根据权利要求1所述基于电流温度映射的独立微电网保护方法，其特征在于，在步骤3中，通过比较所述故障判据实际运算值与整定值之间的大小来识别故障，并进行故障测距，具体包括：
考虑到断线或负荷电流突然减小特殊情况导致的保护误动问题，增设辅助判据，当温度的时间变化率大于整定值时，进行故障测距，具体表达式为；
Figure FDA0003884793890000021
式中，Tt为当前某位置缆芯温度；Tt-1为该位置上一时刻缆芯温度；Tset为偏移度整定值；kset为温度时间变化率的整定值；tc为温度采集周期；ΔTI为相对于基准映射的映射偏移度；
上式表示：若线路某点满足映射偏移度ΔTI大于Tset，且满足温度的时间变化率大于kset时，则进行故障测距。
4.根据权利要求1所述基于电流温度映射的独立微电网保护方法，其特征在于，在步骤3中，偏移度整定值Tset包括CT幅值误差、干扰热源误差、故障电流增幅误差及裕度系数，具体表示为：
Tset＝TCT+TSRC+TARC+TR
式中，TCT为CT误差；TSRC为热源误差；TARC为故障电流增幅误差；TR为保护裕度。
5.根据权利要求1所述基于电流温度映射的独立微电网保护方法，其特征在于，在步骤3中，启用相应的保护措施具体过程为：
若发生单相故障，则判定满足故障判据的相别为故障相，继电保护装置发出故障相跳闸命令，非故障相仍继续运行；
若发生两相或三相故障，则判定满足故障判据的相别为故障相，继电保护装置发出三相全部跳闸命令。
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