CN113281615A - 有源配电网线路故障特性分析方法及存储介质 - Google Patents

有源配电网线路故障特性分析方法及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种有源配电网线路故障特性分析方法及存储介质，其中方法包括：建立有源配电网的等效附加正序分量网络；分析基于恒功率控制的IBDG输出正序电压故障分量与输出电流故障分量之间的相位差；计算故障线路两端正序电流故障分量；分析故障线路两端正序电流故障分量之间的相位差，判断有源配电网线路为故障线路或非故障线路。本发明通过分析故障线路两端正序电流故障分量之间的相位差，可知故障线路与非故障线路之间的相位特性存在明显差异，可用于有源配网的区内外故障判别，解决有源配网故障检测和区段定位难的问题。

Description

有源配电网线路故障特性分析方法及存储介质
技术领域
本发明涉及电网故障分析技术领域，特别涉及一种有源配电网线路故障特性分析方法及存储介质。
背景技术
近年来，随着电力需求的稳步增长、电力市场的发展和电力系统的不断扩大，电力系统已逐步接近运行极限。构建具有信息化、自动化、交互性的有源配电网(ActiveDistribution Network,ADN)迫在眉睫。我国新能源开发力度逐年增大，分布式电源发电在配电网中的占比越来越高，可以预知，分布式电源高度渗透的ADN将是未来配电网的重要组成部分。
ADN是由分布式电源、变电站、负荷和保护监测装置构成的复杂结构系统，网络拓扑结构可灵活变化，虽然ADN与传统配电网具有相似的辐射状线路结构和电压等级，但由于分布式电源的大规模接入，导致ADN运行模式发生变化，ADN从无源系统演化为潮流双向变化的有源网络，具有多端、多源、功率潮流与故障电流双向流动的特点。同时，由于电力电子器件过流能力弱，分布式电源的故障电流水平通常被限制在两倍额定电流以内，导致故障和正常扰动引起的ADN系统状态变化差异小。
有源配网系统发生故障后，分布式电源的输出电流通常被限制在两倍额定值以内，其输出故障电流与负荷波动等正常扰动引起的电流变化差异很小，很难将系统故障与正常扰动区分开，因此，故障检测和保护是有源配网系统安全运行的难题之一。
综上可知，ADN的故障运行特性将与传统配电网存在很大差异，而目前已有的用于传统配电网的瞬时电流保护、过流保护等继电保护方案，都是根据其单向潮流、大故障电流等故障特征设计的，不再适用于ADN系统保护。因此，亟需研究考虑新能源接入的有源配电网的故障运行特性，为其保护方案设计提供理论依据和指导。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑新能源接入的有源配电网线路故障特性分析方法及存储介质，解决了现有技术中新能源接入的有源配电网的故障特性分析问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
有源配电网线路故障特性分析方法，包括以下步骤：
建立有源配电网的等效附加正序分量网络；
分析基于恒功率控制的IBDG输出正序电压故障分量与输出电流故障分量之间的相位差；
计算故障线路两端正序电流故障分量；
分析故障线路两端正序电流故障分量之间的相位差，判断有源配电网线路为故障线路或非故障线路。
进一步的，所述建立有源配电网的等效附加正序分量网络包括：
有源配电网系统发生故障时，将大电网等效为恒压源串联等效阻抗，基于恒功率控制的IBDG等效为受控的正序电流源，得到有源配电网的等效附加正序分量网络。
进一步的，高阻故障下IBDG输出正序电压故障分量与输出电流故障分量之间的相位差在-150°至0°之间，低阻故障下IBDG输出正序电压故障分量与输出电流故障分量之间的相位差在0°至120°之间。
进一步的，计算故障线路两端正序电流故障分量包括：分别计算由故障点正序电流故障分量产生的正序电流故障分量，以及由IBDG的等效附加正序电流源产生的正序电流故障分量，然后进行叠加。
进一步的，当有源配电网故障线路两端正序电流故障分量的相位差均在0°至90°之间时，该有源配电网线路为故障线路。
进一步的，当线路两端正序电流故障分量之间的相位差等于180°时，该有源配电网线路为非故障线路。
一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，运行该计算机程序，能执行上述有源配电网线路故障特性分析方法。
本发明的方法建立了有源配电网系统正序分量附加网络等效模型，计算故障线路两端的正序电流故障分量，同时考虑逆变型分布式微源故障穿越控制策略其输出正序电压故障分量与输出电流故障分量之间的相位特性影响，分析得出故障线路两端正序电流故障分量之间的相位差范围，进而得出区内外故障下有源配电网的相位特性差异，为其保护判据与方案设计提供理论依据。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的有源配电网结构示意图；
图2为本发明实施例的逆变型微源结构示意图；
图3为本发明的有源配电网线路故障特性分析方法步骤示意图；
图4为有源配电网一个线路发生故障时有源配电网的等效附加正序分量网络图；
图5为不同故障下IBDG输出电压和电流的相量关系图；
图6为发生高阻故障时故障线路两端的正序电流故障分量相量图；
图7为发生低阻故障时故障线路两端的正序电流故障分量相量图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
本发明的有源配电网线路故障特性分析方法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤S1、建立有源配电网的等效附加正序分量网络。
本发明的方法是基于有源配电网来实现，有源配电网的结构如图1所示，包括大电网、逆变型微源IBDG(inverter-based distributed generator,IBDG)、负载、智能控制装置(实现继电保护功能的装置)、保护开关等部分。逆变型微源即光伏、储能等通过并网逆变器接入多能源系统的微源。其中，电压、频率由大电网支撑，逆变型微源IBDG容量占比为50％，并经升压变压器接入配电网，变压器高压侧和低压侧绕组分别为Δ和Y型连接方式。逆变型微源IBDG主要由直流侧的新能源或储能装置、三相三线制电压源型逆变器和LC滤波器组成，如图2所示。Udc是IBDG直流侧电压，vo和io分别是IBDG的输出电压和输出电流，Lf和Cf分别是LC滤波器的滤波电感和电容。为便于分析，这里不考虑IBDG直流侧的动态特性，直流侧用恒压源代替，只考虑逆变器控制策略，逆变器控制策略采用恒功率控制。
等效附加正序分量网络是网络各节点电压和电流均取正序电压和正序电流故障分量时所得到的网络。
具体的，步骤S1包括：有源配电网系统发生故障时，将大电网等效为恒压源串联等效阻抗，基于恒功率控制的IBDG等效为受控的正序电流源，得到有源配电网系统的等效附加正序分量网络。
当图1所示的有源配电网系统发生故障F2时，大电网电压、频率在故障期间可认为是恒定不变的，可等效为恒压源串联等效阻抗，其正序故障分量模型为等效阻抗。基于恒功率控制的IBDG则可直接控制其输出电流，可等效为受控的正序电流源，其正序故障分量模型即为受控电流源。线路和负荷的正序故障分量模型就是其等效的正序阻抗。因此，可得有源配电网系统的等效附加正序分量网络如图4所示，RF是故障电阻，
Figure BDA0003089256890000051
是故障点正序电流故障分量，
Figure BDA0003089256890000052
是短路故障产生的附加正序电压源。ZAB、ZBC、ZAC1和ZAC2是等效正序阻抗，Zg是电网等效阻抗，ZC是负载1、负载2、母线A和母线C之间阻抗以及母线A和母线D之间阻抗的等效阻抗，
Figure BDA0003089256890000053
是基于恒功率控制的IBDG的等效附加正序电流源，
Figure BDA0003089256890000054
是电网的等效附加正序电压源，
Figure BDA0003089256890000055
和
Figure BDA0003089256890000056
分别是故障线路AC两端的正序电流故障分量。
步骤S2、分析基于恒功率控制的IBDG输出正序电压故障分量与输出电流故障分量之间的相位差。
输出正序电压故障分量与输出电流故障分量之间的相位差即两个工作周期变化的物理量的相之间的差值。正常运行时，基于恒功率控制的IBDG的功率因数通常为1，只输出有功功率，IBDG输出的升压变压器低压侧电压、电流相位相同。但由于升压变压器采用DYn1联结方式(这种接线的变压器有一个三角形接线绕组，能够过滤三次及其倍数是高次谐波)，IBDG输出电流将滞后于升压变压器高压侧电压30°。为方便表示，本发明中将IBDG输出升压变压器高压侧电压统一称为IBDG输出电压。
发生故障后，IBDG低压穿越控制启动，其输出无功电流和有功电流分别如式(1)和(2)所示。IPQq和IPQd分别是IBDG输出无功电流和有功电流，Un是IBDG额定电压幅值，UPQf是IBDG故障后的正序电压幅值，Imax是最大允许输出电流，为1.5倍额定电流。
Figure BDA0003089256890000061
Figure BDA0003089256890000062
其中，故障后电压跌落在0.5pu至0.9pu之间的情况称为高阻故障，故障后电压跌落在0pu至0.5pu之间的情况称为低阻故障。发生高阻故障时，IBDG同时输出有功电流和无功电流，考虑到升压变压器的影响，IBDG输出电压与电流相位差在30°至120°之间；发生低阻故障时，IBDG仅输出无功电流，此时IBDG输出电压与电流相位差为120°。高阻故障和低阻故障下IBDG输出电压和电流的相量关系如图5所示，其中(a)为高阻故障，(b)为低阻故障。
Figure BDA0003089256890000063
和
Figure BDA0003089256890000064
分别是故障前IBDG输出电压和电流相量，
Figure BDA0003089256890000065
和
Figure BDA0003089256890000066
分别是故障后IBDG输出正序电压和电流相量，
Figure BDA0003089256890000067
和
Figure BDA0003089256890000068
分别是IBDG输出正序电压故障分量和正序电流故障分量，相角
Figure BDA0003089256890000069
θ1和θ2分别如式(3)所示。
Figure BDA00030892568900000610
根据式(3)，可以得到式(4)所示的相位关系。
Figure BDA00030892568900000611
对于高阻故障，由图5(a)可得，
Figure BDA0003089256890000071
和
Figure BDA0003089256890000072
的相位范围如式(5)所示。
Figure BDA0003089256890000073
其中，
Figure BDA0003089256890000074
大于
Figure BDA0003089256890000075
结合式(4)和式(5)，可得θ1和θ2的相位范围如式(6)所示。
Figure BDA0003089256890000076
对于低阻故障，由5(b)可得，
Figure BDA0003089256890000077
和
Figure BDA0003089256890000078
的相位范围如式(7)所示。
Figure BDA0003089256890000079
其中，
Figure BDA00030892568900000710
小于
Figure BDA00030892568900000711
结合式(4)和式(7)，可得θ1和θ2的相位范围如式(8)所示。
Figure BDA00030892568900000712
通过上述分析得到，高阻故障下IBDG输出正序电压故障分量与输出电流故障分量之间的相位差属于-150°至0°之间，低阻故障下IBDG输出正序电压故障分量与输出电流故障分量之间的相位差属于0°至120°之间。由于IBDG输出故障电流被限制在1.5倍额定电流以内，其在配网系统内引起的线路压降非常小，可忽略不计，即可认为故障点正序电流故障分量
Figure BDA00030892568900000713
和IBDG输出正序电压故障分量
Figure BDA00030892568900000714
近似相等，因此，高阻故障下故障点正序电流故障分量
Figure BDA00030892568900000715
和IBDG输出电流故障分量之间的相位差在-150°至0°之间；低阻故障下故障点正序电流故障分量
Figure BDA00030892568900000716
和IBDG输出电流故障分量之间的相位差在0°至120°之间。
步骤S3、计算故障线路两端正序电流故障分量。
根据叠加原理(即对于一个线性系统，一个含多个独立源的双边线性电路的任何支路的响应(电压或电流)，等于每个独立源单独作用时的响应的代数和，此时所有其他独立源被替换成他们各自的阻抗)，故障线路AC两端的正序电流故障分量
Figure BDA0003089256890000081
和
Figure BDA0003089256890000082
由故障点正序电流故障分量
Figure BDA0003089256890000083
和IBDG的等效附加正序电流源
Figure BDA0003089256890000084
共同产生。分别计算由故障点正序电流故障分量
Figure BDA0003089256890000085
产生的正序电流故障分量
Figure BDA0003089256890000086
和
Figure BDA0003089256890000087
以及由IBDG的等效附加正序电流源
Figure BDA0003089256890000088
产生的正序电流故障分量
Figure BDA0003089256890000089
和
Figure BDA00030892568900000810
然后进行叠加，得到故障线路两端正序电流故障分量。
当仅考虑
Figure BDA00030892568900000811
时，
Figure BDA00030892568900000812
可认为开路(即断路)，可得
Figure BDA00030892568900000813
和
Figure BDA00030892568900000814
如下式(9)所示。
Figure BDA00030892568900000815
当仅考虑
Figure BDA00030892568900000816
时，
Figure BDA00030892568900000817
可认为短路，可得
Figure BDA00030892568900000818
和
Figure BDA00030892568900000819
如下式(10)所示。
Figure BDA00030892568900000820
当故障电阻RF趋近于0时，式(10)可简化为式(11)。
Figure BDA00030892568900000821
根据(9)和(11)可得，高阻故障和低阻故障下，故障线路两端的正序电流故障分量分别为式(12)和式(13)所示：
Figure BDA00030892568900000822
Figure BDA00030892568900000823
步骤S4、分析故障线路两端正序电流故障分量之间的相位差，判断有源配电网线路为故障线路或非故障线路。
由于有源配电网系统阻抗和线路阻抗均为感性，可知相量
Figure BDA0003089256890000091
和
Figure BDA0003089256890000092
之间的相角θAC1、相量
Figure BDA0003089256890000093
和
Figure BDA0003089256890000094
之间的相角θCA1以及相量
Figure BDA0003089256890000095
和
Figure BDA0003089256890000096
之间的相角θAC2的相位范围分别如式(14)-(16)所示，其中，θAC2属于-90°至-180°之间。
Figure BDA0003089256890000097
Figure BDA0003089256890000098
Figure BDA0003089256890000099
此外，由于故障期间IBDG输出电流被限制在1.5倍额定电流以内，大电网提供的故障电流远大于IBDG输出故障电流，即
Figure BDA00030892568900000910
和
Figure BDA00030892568900000911
的幅值远大于
Figure BDA00030892568900000912
和
Figure BDA00030892568900000913
的幅值。因此，根据故障点正序电流故障分量
Figure BDA00030892568900000914
和IBDG输出电流故障分量之间的相位关系以及
Figure BDA00030892568900000915
和
Figure BDA00030892568900000916
之间的幅值和相位关系，可得高阻故障和低阻故障下故障线路两端的正序电流故障分量相量图，分别如图6和图7所示。可知，高阻故障和低阻故障下，有源配电网系统故障线路两端正序电流故障分量的相位差均在0°至90°之间。而非故障线路两端正序电流故障分量之间的相位差等于180°。可知故障线路与非故障线路之间的相位特性存在明显差异，可用于有源配网的区内外故障判别，解决有源配网故障检测和区段定位难的问题。
本发明还提供一种计算机存储介质，其中存储有计算机程序，运行该计算机程序，可以执行上述有源配电网线路故障特性分析方法。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，read-onlymemory)、随机存取存储器(RAM，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.有源配电网线路故障特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立有源配电网的等效附加正序分量网络；
分析基于恒功率控制的IBDG输出正序电压故障分量与输出电流故障分量之间的相位差；
计算故障线路两端正序电流故障分量；
分析故障线路两端正序电流故障分量之间的相位差，判断有源配电网线路为故障线路或非故障线路。
2.根据权利要求1所述的有源配电网线路故障特性分析方法，其特征在于，所述建立有源配电网的等效附加正序分量网络包括：
有源配电网系统发生故障时，将大电网等效为恒压源串联等效阻抗，基于恒功率控制的IBDG等效为受控的正序电流源，得到有源配电网的等效附加正序分量网络。
3.根据权利要求1所述的有源配电网线路故障特性分析方法，其特征在于，高阻故障下IBDG输出正序电压故障分量与输出电流故障分量之间的相位差在-150°至0°之间，低阻故障下IBDG输出正序电压故障分量与输出电流故障分量之间的相位差在0°至120°之间。
4.根据权利要求1所述的有源配电网线路故障特性分析方法，其特征在于，计算故障线路两端正序电流故障分量包括：分别计算由故障点正序电流故障分量产生的正序电流故障分量，以及由IBDG的等效附加正序电流源产生的正序电流故障分量，然后进行叠加。
5.根据权利要求1所述的有源配电网线路故障特性分析方法，其特征在于，当有源配电网故障线路两端正序电流故障分量的相位差均在0°至90°之间时，该有源配电网线路为故障线路。
6.根据权利要求1所述的有源配电网线路故障特性分析方法，其特征在于，当线路两端正序电流故障分量之间的相位差等于180°时，该有源配电网线路为非故障线路。
7.一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其特征在于，运行该计算机程序，能执行权利要求1至6任一项所述的有源配电网线路故障特性分析方法。
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