CN113363948A - 一种基于正序故障分量的有源配电网电流差动保护方法 - Google Patents

一种基于正序故障分量的有源配电网电流差动保护方法 Download PDF

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CN113363948A CN202110528695.0A CN202110528695A CN113363948A CN 113363948 A CN113363948 A CN 113363948A CN 202110528695 A CN202110528695 A CN 202110528695A CN 113363948 A CN113363948 A CN 113363948A
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Abstract

本发明公开了一种基于正序故障分量的有源配电网电流差动保护方法，包括如下步骤：S1：根据保护线路发生的故障，判断所述保护线路对应的分布式电源对应的工作原理；S2：获取所述保护线路两端的电流大小；S3：将所述逆变接口类工作原理下对应的保护线路两端电流大小的计算公式进行简化；S4：获取所述保护线路内无/有用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据。本发明无论保护线路中是否存在有用电负荷，其均可进行通过纵联差动保护判据，判断电路中是否存在有故障，进而具有较好的判断使用效果。

Description

一种基于正序故障分量的有源配电网电流差动保护方法
技术领域
本发明涉及配用电及微网技术领域，尤其涉及一种基于正序故障分量的有源配电网电流差动保护方法。
背景技术
随着风能、光伏等可再生能源系统的渗透率不断提高，传统的辐射式配电网正逐渐演变为多源，多支路、多类型分布式电源接入的有源配电网。在有源配电网中，由于潮流、故障电流具有双向性，分布式电源接入端具有故障弱馈电性，以及电网结构中电压信息不足等问题，使得传统的三段式电流保护的灵敏度与可靠性面临着严重的挑战，影响保护的正确性。
鉴于此，本文提出了一种能够更加准确应对有源电网复杂故障情况的电流差动保护方法，并对其实现方案进行了研究。
发明内容
发明目的：针对有源电网复杂故障情况对传统的三段式电流保护的影响，本发明提出一种基于正序故障分量的有源配电网电流差动保护方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于正序故障分量的有源配电网电流差动保护方法，所述有源配电网电流差动保护方法具体包括如下步骤：
S1：根据保护线路发生的故障，判断所述保护线路对应的分布式电源对应的工作原理；
S2：根据所述分布式电源对应的工作原理，获取所述保护线路两端的电流大小；
S3：通过在逆变接口类工作原理下获取得到的所述保护线路两端的电流大小、分布式电源系统的等效正序阻抗大小，将所述逆变接口类工作原理下对应的保护线路两端电流大小的计算公式进行简化；
S4：根据简化后的逆变接口类工作原理下对应的保护线路两端电流大小的计算公式、旋转电机类下对应的保护线路两端电流大小的计算公式，获取所述保护线路内无/有用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据。
更进一步地讲，所述分布式电源对应的工作原理包括有：旋转电机类工作原理和逆变接口类工作原理。
更进一步地讲，当所述分布式电源对应的工作原理为旋转电机类时，所述保护线路两端的电流大小的计算公式如下：
Figure RE-GDA0003168041600000021
其中：
Figure RE-GDA0003168041600000022
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000023
为流过线路C端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000024
为虚拟的故障分量等效电压源相量，ZF1是故障附加阻抗，ZFC是故障点F到母线C之间的配电线路等效正序阻抗， ZFG是故障点上游等效正序阻抗，ZDG是分布式电源系统的等效正序阻抗。
更进一步地讲，当所述分布式电源对应的工作原理为逆变接口类时，所述保护线路两端的电流大小的计算公式如下：
Figure RE-GDA0003168041600000031
其中：
Figure RE-GDA0003168041600000032
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000033
为流过线路C端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000034
为虚拟的故障分量等效电压源相量，ZF1是故障附加阻抗，ZFC是故障点F到母线C之间的配电线路等效正序阻抗， ZFG是故障点上游等效正序阻抗，ZDG是分布式电源系统的等效正序阻抗，
Figure RE-GDA0003168041600000035
为分布式电源的等效正序故障电流分量相量。
更进一步地讲，当所述分布式电源对应的工作原理为逆变接口类时，所述保护线路两端的电流大小的计算公式，可简化如下：
Figure RE-GDA0003168041600000036
其中：
Figure RE-GDA0003168041600000037
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000038
为流过线路C端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000039
为虚拟的故障分量等效电压源相量，ZF1是故障附加阻抗，ZFC是故障点F到母线C之间的配电线路等效正序阻抗， ZFG是故障点上游等效正序阻抗，
Figure RE-GDA00031680416000000310
为分布式电源的等效正序故障电流分量相量。
更进一步地讲，获取所述保护线路内无/有用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据，具体如下：
S4.1：所述简化后的逆变接口类工作原理下对应的保护线路两端电流大小的计算公式、旋转电机类下对应的保护线路两端电流大小的计算公式，结合正序故障电流分量，则所述流过线路A端的正序电流相量与流过线路C端的正序电流相量之和如下：
|IA1+IC1|≠0
其中：
Figure RE-GDA0003168041600000041
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000042
为流过线路C端的正序电流相量；
S4.2：判断所述保护线路内是否存在用电负荷，确定所述流过线路A端的正序电流相量与流过线路C端的正序电流相量之和；
S4.3：根据所述流过线路A端的正序电流相量与流过线路C端的正序电流相量之和，确定所述保护线路内无/有用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据。
更进一步地讲，在所述步骤S4.2中，确定所述流过线路A端的正序电流相量与流过线路C端的正序电流相量之和，具体如下：
当所述保护线路内无用电负荷时，根据配电系统运行线路潮流的单一性，所述流过线路A端的正序电流相量与流过线路C端的正序电流相量之和如下：
|IA1+IC1|＝0
其中：
Figure RE-GDA0003168041600000043
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000044
为流过线路C端的正序电流相量；
当所述保护线路内有用电负荷时，根据配电系统运行线路潮流的双向性，所述流过线路A端的正序电流相量与流过线路C端的正序电流相量之和如下：
|IA1+IC1|＝|Iload|
其中：
Figure RE-GDA0003168041600000051
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000052
为流过线路C端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000053
为母线C下游配电线路等效正序故障电流分量相量。
更进一步地讲，确定所述保护线路内无/有用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据，具体如下：
当所述保护线路内无用电负荷时，所述保护线路内无用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据为：
Figure RE-GDA0003168041600000054
其中：
Figure RE-GDA0003168041600000055
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000056
为流过线路C端的正序电流相量，Iset与Kset均为常数且均大于0；
当所述保护线路内有用电负荷时，所述保护线路内有用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据为：
Figure RE-GDA0003168041600000057
其中：
Figure RE-GDA0003168041600000058
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000059
为流过线路C端的正序电流相量，U线电压为任意两相的线电压相量，Iset与Kset均为常数且均大于0，Uset为常数。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
本发明的有源配电网电流差动保护方法通过判断分布式电源对应的工作原理，获取保护线路两端的电流大小，之后再将保护线路两端电流大小的计算公式进行简化，并根据简化后的计算公式，将其与保护线路两端电流大小的计算公式进行结合，获取基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据，从而无论保护线路中是否存在有用电负荷，其均可进行通过纵联差动保护判据，判断电路中是否存在有故障，进而具有较好的判断使用效果。
附图说明
图1是本发明有源配电网的简化电路图；
图2是本发明正序故障电流分量计算等效电路。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。其中，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
实施例1
参考图1，本实施例提供了一种基于正序故障分量的有源配电网电流差动保护方法，该有源配电网电流差动保护方法具体包括如下步骤：
步骤S1：根据保护线路发生的故障，判断保护线路对应的分布式电源对应的工作原理。具体地讲，参考图2，其中图2中虚线部分可以为分布式电源的等效电路，根据分布式电源工作原理的不同可以分为两类，分别为：旋转电机类工作原理和逆变接口类工作原理。
步骤S2：根据分布式电源对应的工作原理，获取保护线路两端的电流大小。在本实施例中，当分布式电源对应的工作原理为旋转电机类时，分布式电源等效电路中的电流源支路为开路，只有阻抗支路 ZDG存在，故保护线路两端的电流大小的计算公式如下：
Figure RE-GDA0003168041600000071
其中：
Figure RE-GDA0003168041600000072
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000073
为流过线路C端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000074
为虚拟的故障分量等效电压源相量，ZF1是故障附加阻抗，ZFC是故障点F到母线C之间的配电线路等效正序阻抗， ZFG是故障点上游等效正序阻抗，ZDG是分布式电源系统的等效正序阻抗。
值得注意的是，母线C下游配电线路等效正序阻抗Zload容易被忽略，这是由于该值通常远大于分布式电源的等效正序阻抗。从而当分布式电源对应的工作原理为旋转电机类时，线路AC两端的正序故障电流存在着相位差，且该相位差主要由等效阻抗ZFG与(ZFC+ZDG)造成，通常情况下，该值最大值为18°。
在本实施例中，当分布式电源对应的工作原理为逆变接口类时，分布式电源等效电路中的电流源受控于分布式电源的控制策略，此时阻抗支路ZDG代表等效电流源的内部阻抗，故保护线路两端的电流大小的计算公式如下：
Figure RE-GDA0003168041600000081
其中：
Figure RE-GDA0003168041600000082
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000083
为流过线路C端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000084
为虚拟的故障分量等效电压源相量，ZF1是故障附加阻抗，ZFC是故障点F到母线C之间的配电线路等效正序阻抗， ZFG是故障点上游等效正序阻抗，ZDG是分布式电源系统的等效正序阻抗，
Figure RE-GDA0003168041600000085
为分布式电源的等效正序故障电流分量相量。
值得注意的是，母线C下游配电线路等效正序阻抗Zload被忽略，这是由于该值通常远大于分布式电源的等效正序阻抗。
步骤S3：通过在逆变接口类工作原理下获取得到的保护线路两端的电流大小、分布式电源系统的等效正序阻抗大小，将逆变接口类工作原理下对应的保护线路两端电流大小的计算公式进行简化，具体简化公式如下所示：
Figure RE-GDA0003168041600000091
其中：
Figure RE-GDA0003168041600000092
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000093
为流过线路C端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000094
为虚拟的故障分量等效电压源相量，ZF1是故障附加阻抗，ZFC是故障点F到母线C之间的配电线路等效正序阻抗， ZFG是故障点上游等效正序阻抗，
Figure RE-GDA0003168041600000095
为分布式电源的等效正序故障电流分量相量。
值得注意的是，当分布式电源对应的工作原理为逆变接口类时，线路AC两端的正序故障电流也存在着相位差。与旋转电机类分布式电源不同，该相位差主要由正序故障等效电压源与分布式电源的等效电流源有关，通常情况下，该值的取值范围为10°-90°。
步骤S4：根据简化后的逆变接口类工作原理下对应的保护线路两端电流大小的计算公式、旋转电机类下对应的保护线路两端电流大小的计算公式，获取保护线路内无/有用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据，具体如下：
步骤S4.1：简化后的逆变接口类工作原理下对应的保护线路两端电流大小的计算公式、旋转电机类下对应的保护线路两端电流大小的计算公式，结合正序故障电流分量，则流过线路A端的正序电流相量与流过线路C端的正序电流相量之和如下：
|IA1+IC1|≠0
其中：
Figure RE-GDA0003168041600000096
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000097
为流过线路C端的正序电流相量。
也就是说，在线路AC内部故障时，二者之和均不为0。
步骤S4.2：判断保护线路内是否存在用电负荷，确定流过线路A 端的正序电流相量与流过线路C端的正序电流相量之和。具体如下：
当保护线路内无用电负荷时，根据配电系统运行线路潮流的单一性，流过线路A端的正序电流相量与流过线路C端的正序电流相量之和如下：
|IA1+IC1|＝0
其中：
Figure RE-GDA0003168041600000101
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000102
为流过线路C端的正序电流相量。
当保护线路内有用电负荷时，根据配电系统运行线路潮流的双向性，流过线路A端的正序电流相量与流过线路C端的正序电流相量之和如下：
|IA1+IC1|＝|Iload|
其中：
Figure RE-GDA0003168041600000103
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000104
为流过线路C端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000105
为母线C下游配电线路等效正序故障电流分量相量。
步骤S4.3：根据流过线路A端的正序电流相量与流过线路C端的正序电流相量之和，确定保护线路内无/有用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据，具体如下：
当保护线路内无用电负荷时，保护线路内无用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据为：
Figure RE-GDA0003168041600000111
其中：
Figure RE-GDA0003168041600000112
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000113
为流过线路C端的正序电流相量，Iset与Kset均为常数且均大于0。
值得注意的是，Iset的设定是为了避免电流互感器的测量误差， Kset的设定则是为了避免电流互感器因外部故障引起的饱和误差。
上式的判据可能出现灵敏度不足的情况，因此需要添加一个辅助判据。由于故障引起的电压跌落远大于负荷切换引起的正常电压跌落，从而当保护线路内有用电负荷时，保护线路内有用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据为：
Figure RE-GDA0003168041600000114
其中：
Figure RE-GDA0003168041600000115
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-GDA0003168041600000116
为流过线路C端的正序电流相量，U线电压为任意两相的线电压相量，Iset与Kset均为常数且均大于0，Uset为常数。
值得注意的是，Uset为常数，且需要避开负荷切换时的最大电压跌落值。
具体地讲，由于配电线路通常短于15km，因此可以认为两端的通信数据不存在延迟，这样，从两端同一时刻的测量电流中分别计算正序故障电流分量，并根据步骤S4.3中给出的保护线路内无/有用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据，直接进行判断即可。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构和方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于正序故障分量的有源配电网电流差动保护方法，其特征在于，所述有源配电网电流差动保护方法具体包括如下步骤：
S1：根据保护线路发生的故障，判断所述保护线路对应的分布式电源对应的工作原理；
S2：根据所述分布式电源对应的工作原理，获取所述保护线路两端的电流大小；
S3：通过在逆变接口类工作原理下获取得到的所述保护线路两端的电流大小、分布式电源系统的等效正序阻抗大小，将所述逆变接口类工作原理下对应的保护线路两端电流大小的计算公式进行简化；
S4：根据简化后的逆变接口类工作原理下对应的保护线路两端电流大小的计算公式、旋转电机类下对应的保护线路两端电流大小的计算公式，获取所述保护线路内无/有用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据。
2.根据权利要求1所述的一种基于正序故障分量的有源配电网电流差动保护方法，其特征在于，所述分布式电源对应的工作原理包括有：旋转电机类工作原理和逆变接口类工作原理。
3.根据权利要求2所述的一种基于正序故障分量的有源配电网电流差动保护方法，其特征在于，当所述分布式电源对应的工作原理为旋转电机类时，所述保护线路两端的电流大小的计算公式如下：
Figure RE-FDA0003168041590000021
其中：
Figure RE-FDA0003168041590000022
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-FDA0003168041590000023
为流过线路C端的正序电流相量，
Figure RE-FDA0003168041590000024
为虚拟的故障分量等效电压源相量，ZF1是故障附加阻抗，ZFC是故障点F到母线C之间的配电线路等效正序阻抗，ZFG是故障点上游等效正序阻抗，ZDG是分布式电源系统的等效正序阻抗。
4.根据权利要求2所述的一种基于正序故障分量的有源配电网电流差动保护方法，其特征在于，当所述分布式电源对应的工作原理为逆变接口类时，所述保护线路两端的电流大小的计算公式如下：
Figure RE-FDA0003168041590000025
其中：
Figure RE-FDA0003168041590000026
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-FDA0003168041590000027
为流过线路C端的正序电流相量，
Figure RE-FDA0003168041590000028
为虚拟的故障分量等效电压源相量，ZF1是故障附加阻抗，ZFC是故障点F到母线C之间的配电线路等效正序阻抗，ZFG是故障点上游等效正序阻抗，ZDG是分布式电源系统的等效正序阻抗，
Figure RE-FDA0003168041590000029
为分布式电源的等效正序故障电流分量相量。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于正序故障分量的有源配电网电流差动保护方法，其特征在于，当所述分布式电源对应的工作原理为逆变接口类时，所述保护线路两端的电流大小的计算公式，可简化如下：
Figure RE-FDA0003168041590000031
其中：
Figure RE-FDA0003168041590000032
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-FDA0003168041590000033
为流过线路C端的正序电流相量，
Figure RE-FDA0003168041590000034
为虚拟的故障分量等效电压源相量，ZF1是故障附加阻抗，ZFC是故障点F到母线C之间的配电线路等效正序阻抗，ZFG是故障点上游等效正序阻抗，
Figure RE-FDA0003168041590000035
为分布式电源的等效正序故障电流分量相量。
6.根据权利要求1所述的一种基于正序故障分量的有源配电网电流差动保护方法，其特征在于，获取所述保护线路内无/有用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据，具体如下：
S4.1：所述简化后的逆变接口类工作原理下对应的保护线路两端电流大小的计算公式、旋转电机类下对应的保护线路两端电流大小的计算公式，结合正序故障电流分量，则所述流过线路A端的正序电流相量与流过线路C端的正序电流相量之和如下：
|IA1+IC1|≠0
其中：
Figure RE-FDA0003168041590000036
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-FDA0003168041590000037
为流过线路C端的正序电流相量；
S4.2：判断所述保护线路内是否存在用电负荷，确定所述流过线路A端的正序电流相量与流过线路C端的正序电流相量之和；
S4.3：根据所述流过线路A端的正序电流相量与流过线路C端的正序电流相量之和，确定所述保护线路内无/有用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据。
7.根据权利要求6所述的一种基于正序故障分量的有源配电网电流差动保护方法，其特征在于，在所述步骤S4.2中，确定所述流过线路A端的正序电流相量与流过线路C端的正序电流相量之和，具体如下：
当所述保护线路内无用电负荷时，根据配电系统运行线路潮流的单一性，所述流过线路A端的正序电流相量与流过线路C端的正序电流相量之和如下：
|IA1+IC1|＝0
其中：
Figure RE-FDA0003168041590000041
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-FDA0003168041590000042
为流过线路C端的正序电流相量；
当所述保护线路内有用电负荷时，根据配电系统运行线路潮流的双向性，所述流过线路A端的正序电流相量与流过线路C端的正序电流相量之和如下：
|IA1+IC1|＝|Iload|
其中：
Figure RE-FDA0003168041590000043
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-FDA0003168041590000044
为流过线路C端的正序电流相量，
Figure RE-FDA0003168041590000045
为母线C下游配电线路等效正序故障电流分量相量。
8.根据权利要求6或7所述的一种基于正序故障分量的有源配电网电流差动保护方法，其特征在于，确定所述保护线路内无/有用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据，具体如下：
当所述保护线路内无用电负荷时，所述保护线路内无用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据为：
Figure RE-FDA0003168041590000051
其中：
Figure RE-FDA0003168041590000052
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-FDA0003168041590000053
为流过线路C端的正序电流相量，Iset与Kset均为常数且均大于0；
当所述保护线路内有用电负荷时，所述保护线路内有用电负荷的基于正序故障电流分量的纵联差动保护判据为：
Figure RE-FDA0003168041590000054
其中：
Figure RE-FDA0003168041590000055
为流过线路A端的正序电流相量，
Figure RE-FDA0003168041590000056
为流过线路C端的正序电流相量，U线电压为任意两相的线电压相量，Iset与Kset均为常数且均大于0，Uset为常数。
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